光伏和电路方面的知识「物理量电学Z」

今天带来光伏和电路方面的知识「物理量电学Z」，关于光伏和电路方面的知识「物理量电学Z」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

本章介绍光伏系统的基础电工知识。从事太阳能发电工作，我们不可避免要接触到有关电方面的名词、术语，也经常有很多用电方面的困惑。同样的组件，同样的安装方式，是什么因素导致发电量不一样？为什么会发生由用电引发的火灾？晚上并网逆变器不工作，为什么隔离变压器还会消耗电能?很多经常听到的，看似简单，又不容易说清的问题，通过本章的学习都会有明确的答案。

1.1、电量

自然界中的一切物质都是由分子组成的，分子又是由原子组成的，而原子是由带正电荷的原子核和一定数量带负电荷的电子组成的。在通常情况下，原子核所带的正电荷数等于核外电子所带的负电荷数，原子对外不显电性。但是，用一些办法，可使某种物体上的电子转移到另外一种物体上。失去电子的物体带正电荷，得到电子的物体带负电荷。物体失去或得到的电子数量越多，则物体所带的正、负电荷的数量也越多。

物体所带电荷数量的多少用电量来表示。电量是一个物理量，它的单位是库仑，用字母C表示。1C的电量相当于物体失去或得到6.25×1018个电子所带的电量。

光伏效应：太阳能电池的工作原理，太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。

1.2、电流

电荷的定向移动形成电流。电流有大小，有方向。

1）电流的方向：人们规定正电荷定向移动的方向为电流的方向。金属导体中，电流是电子在导体内电场的作用下定向移动的结果，电子流的方向是负电荷的移动方向，与正电荷的移动方向相反，所以金属导体中电流的方向与电子流的方向相反。

2）电流的大小：电学中用电流强度来衡量电流的大小。电流强度就是l秒钟通过导体截面的电量。电流强度用字母表示，计算公式如下：

式中I——电流强度，单位安培(A)；

Q——在t秒时间内，通过导体截面的电量数，单位库仑(C)；

t——时间，单位秒(s)。

实际使用时，人们把电流强度简称为电流。电流的单位是安培，简称安，用字母A表示。如果1秒内通过导体截面的电量为1库仑，则该电流的电流强度为1安培，习惯简称电流为1安。实际应用中，除单位安培外，还有千安()、毫安()和微安()。它们之间的关系为：

电流又分正流电和交流电，太阳能组件，蓄电池等发出来的电是直流电，电流方向不变，但这种电大部分家用电器都用不了，大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫交流电，这是我们日常用的电，电流方向变化的快慢叫频率，我国为50Hz，即每秒种变化50次，称之为工频，有一些国家为60Hz。再往上还有中频和高频。

由交流电变成直流电叫整流，这样的设备叫整流器，反过来，由直流电变成变流电叫逆变，这样的设备叫逆变器，光伏逆变器就是把光伏组件发出来的直流电变成变流电，光伏组件如果没有接入逆变器或者控制器，就形成不了一个回路，这时候没有电流，只有电压。

1.3、电压

电压用字母U表示，单位为伏特，电场力将1库仑电荷从a点移到b点所做的功为1焦耳，则ab间的电压值就是1伏特，简称伏，用字母V表示。常用的电压单位还有千伏(kV)，毫伏(mV)等。它们之间的关系为：

电压与电流相似，不但有大小，而且有方向。对于负载来说，电流流人端为正端，电流流出端为负端。电压的方向是由正端指向负端，也就是说负载中电压实际方向与电流方向一致。对于直流电而言，有正极和负极，电压就是正极和负极之间的电压差，对于三相交流电而言，有相线和零线，相线和相线之间的电压叫线电压，我国为380Vac，相线和零线之间的电压叫相电压，我国为220Vac。

光伏组件有两种电压，开路电压和工作电压，如265W的组件，工作电压一般为30.7V，开路电压一般为38.2V。不同的组件电压也不一样，一般60片电池的组件，工作电压一般为30V到31V之间，72片电池的组件，工作电压一般为35V到36V之间。

常用电压：一般手机充电器和USB电源是5Vdc，铅酸蓄电池有2V、6V和12V等三种规格，36Vdc以下称为安全电压，这个电压范围内对人体没有危害。我国的交流电压分为三种，单相220V，三相380V称为低压，一般是家用和工商业用。三相10kV，15kV，35kV称为中压，110kV、220kV、330kV、500kV，1000KV称为高压。不同的国家电压等级不一样，如美国有110V，208V，480V等电压等级，具体可以参考《世界各国电网结构与逆变器的选型》这篇文章。

光伏组件和逆变器配在一起，如果有阳光，并网逆变器接入电网，离网逆变器接入负载，就会有电压和电流，形成一个回路，这时光伏组件和逆变器就形成一个电源。

1.4、电源

电源是利用非电力把正电荷由负极移到正极的，它在电路中将其他形式能转换成电能。电动势就是衡量电源能量转换本领的物理量，用字母E表示，它的单位也是伏特，简称伏，用字母V表示。

电源的电动势只存在于电源内部。人们规定电动势的方向在电源内部由负极指向正极。在电路中也用带箭头的细实线表示电动势的方向，当电源两端不接负载时，电源的开路电压等于电源的电动势，但二者方向相反。

可以用测量组件电压的办法，来判断组件的好坏，比如在有阳光的情况下测得组件正负极之间的电压是35Vdc，证明组件是正常工作，如果测出来是0Vdc，则证明组件是坏的。

电源又分为电压源和电流源，离网逆变器是电压源，其特点是输出电压保持恒定，输出电流随负载而变化，离网逆变器要配蓄电池才给正常工作，因为光伏输入不稳定，负载也不稳定，需要用蓄电池稳定电压，当光伏输入功率大于负载的功率时，多余的电能进入蓄电池储存起来，防止系统电压升高，当光伏输入功率小于负载的功率时，不足的电能由蓄电池来补充，防止系统电压降低。并网逆变器是电流源，电压跟随电网电压，电流是跟随阳光辐射量等因素变化而变化。

从电源到负载，需要电缆做为导体来传递电能，由于电缆都有电阻，会产生电压降，所以尽管我国低压的单三相电压等级是220/380V，但并网逆变器做为电源，其单三相输出额定电压为230/400V。

1.5、电阻

一般来说，导体对电流的阻碍作用称为电阻，用字母R表示。电阻的单位为欧姆，简称欧，用字母表示。如果导体两端的电压为1伏，通过的电流为1安，则该导体的电阻就是1欧。

它们之间的关系为：

应当强调指出：电阻是导体中客观存在的，它与导体两端电压变化情况无关，即使没有电压，导体中仍然有电阻存在。实验证明，当温度一定时，导体电阻只与材料及导体的几何尺寸有关。对于二根材质均匀、长度为L、截面积为S的导体而言，其电阻大小可用下式表示：

铜和铝的电阻率较小，是应用极为广泛的导电材料。以前，由于我国铝的矿藏量丰富，价格低廉，常用铝线作输电线。由于铜线有更好的电气特性，如强度高、电阻率小，现在铜制线材被更广泛应用。

分布式光伏系统直流电缆和交流电缆一般都采用铜电线或者铜电缆。这是由于铜线内阻少，消耗的电功也比较少。

1.6、电功、电功率

电流通过用电器时，用电器就将电能转换成其他形式的能，如热能、光能和机械能等。我们把电能转换成其他形式的能叫做电流做功，简称电功，用字母W表示，电功是一个瞬时值。电压单位为伏，电流单位为安，电阻单位为欧，时间单位为秒，则电功单位就是焦耳，简称焦，用字母J表示。电流在单位时间内通过用电器所做的功称为电功率，用字母P表示，电功率是一个带时间轴的二维值。功率计算方法如下：

直流功率=直流电压*直流电流。单相交流功率=交流电压*交流电流；三相交流功率=线电压*电流*1.732，如一台三相逆变器，输出额定电压是400V，输出额定电流为64.5A，输出功率为400*64.5*1.732，约为44.7kW。

电功单位为焦耳，时间单位为秒，则电功率的单位就是焦耳/秒。焦耳/秒又叫瓦特，简称瓦，用字母W表示。在实际工作中，常用的电功率单位还有千瓦(kW)、毫瓦(mW)等。它们之间的关系为：

1）当用电器的电阻一定时，电功率与电流平方或电压平方成正比。若通过用电器的电流是原来电流的2倍，则电功率就是原功率的4倍；若加在用电器两端电压是原电压的2倍,则电功率就是原功率的4倍。

2）当流过用电器的电流一定时，电功率与电阻值成正比。对于串联电阻电路，流经各个电阻的电流是相同的，则串联电阻的总功率与各个电阻的电阻值的和成正比。

3）当加在用电器两端的电压一定时，电功率与电阻值成反比。对于并联电阻电路，各个电阻两端电压相等，则各个电阻的电功率与各电阻的阻值成反比。

在实际工作中，电功的单位常用千瓦小时(kW•h)，也叫“度”。1千瓦小时是1度，它表示功率为1千瓦的用电器1小时所消耗的电能，即：1kW•h=1kW×1h。