光伏單元

太陽能光伏陣列中的光伏電池是利用半導體光伏效應制成的一種能將太陽輻射能直接轉換為電能的轉換器件，它是光伏單元的工作核心。1954年貝爾實驗室用單晶硅材料制成了第一只具有實用價值的太陽能光伏電池。經過發(fā)展,太陽能光伏電池在材料、結構、性能及應用等方面得到了長足的進步。太陽能電池主要分為硅太陽能電池和化合物太陽能電池。

太陽能電池工作原理的基礎是半導體PN結的光生伏打效應，即當物體受到光照時，物體內的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產生電動勢和電流的一種效應。硅的外層電子受到太陽光輻射時成為自由電子，同時在它原來的地方留出一個空位即半導體中的“空穴”。由于電子和空穴的擴散，在結合的P, N半導體的交界面處即PN結的兩邊形成內建電場，又稱勢壘電場。當太陽光照射PN結時，在勢壘電場的作用下，電子被驅向N型區(qū)，空穴被驅向P型區(qū)，從而使N型區(qū)有過剩的電子，P型區(qū)有過剩的空穴，形成了光生電場。在N型區(qū)與P型區(qū)之間的薄層產生了電動勢，即光生伏打電動勢，接通外電路時便有電能輸出。

太陽能電池組件由若干片能獨立作為電源最小單元的太陽能電池單體組合而成,太陽能光伏陣列由若干個太陽能電池組件經過串聯、并聯構成,按照所需的電壓、電流,把太陽能電池組件按一定的方式聯接,可以是串聯、并聯或者串并相間的混聯。

光伏單元采用正方形布置格局

根據現場場地條件，可將光伏發(fā)電單元布置成矩形、圓形甚至不規(guī)則形狀。在面積一定的條件下，圓形的周長最短，正方形次之。布置成圓形時，光伏發(fā)電單元中的電纜布線可能比矩形的布置用量少，但是從實際工程角度考慮，圓形布置的光伏發(fā)電單元施工不便，且相鄰光伏發(fā)電單元之間的空地都被浪費。因此，光伏發(fā)電單元應盡量布置成規(guī)則的正方形格局。

光伏單元逆變小室居中布置

逆變小室可布置在光伏發(fā)電單元幾何中心，稱為居中布置，或布置在光伏發(fā)電單元外圍，稱為靠邊布置。按照居中布置形式，在逆變小室旁建設通道至主干道。按照靠邊布置的光伏發(fā)電單元中，逆變小室可直接布置在主干道旁，減少了道路建設成本。

光伏單元采用 1 MW 裝機規(guī)模

每個光伏發(fā)電單元的光伏組件裝機容量沒有典型設計方案，根據逆變小室盡可能布置在光伏發(fā)電單元幾何中心的原則，設計 500 k W、2 MW 和 3 MW 規(guī)模的發(fā)電單元和 1 MW 布置類似，區(qū)別僅在于容量越大的光伏發(fā)電單元占地面積更大，匯流箱相對而言更分散。綜合考慮對成本、發(fā)電量的影響采用 1 MW 裝機規(guī)模是一個較為典型的設計。

光伏單元光伏組件容量超配

光伏電站中光伏組件和逆變器的典型配置是使二者功率匹配，即每 500 kWp 的光伏裝機容量配置一臺500 kW 的逆變器。但從實際運行狀況分析，受實際運行條件、光伏資源條件的限制，1 MWp 裝機容量的光伏組件無法達到1 MW 的額定輸出功率，因此，逆變器絕大部分時間在小于額定功率的情況下運行。如光伏資源越差的地區(qū)，光伏組件的輸出功率越小，逆變器實際使用的容量越低。查閱逆變器的說明書可知，光伏逆變器的輸入功率允許大于其額定功率。此外，根據逆變器的效率曲線分析，光伏逆變器的輸出功率在超過 50%以后，其效率變化很小，基本穩(wěn)定在同一個值，即在安全情況下增加逆變器輸入端的光伏組件裝機容量，不會降低逆變器的工作效率。因此，每臺逆變器可接入大于其額定功率的光伏組件，即使光伏組件因為效率的限制達不到額定功率，逆變器的總輸出功率也大于只配置 500 kWp 光伏組件時的輸出功率，且不會損壞逆變器。

太陽能光伏電站按照運行方式可分為獨立太陽能光伏電站和并網太陽能光伏電站。未與公共電網相聯接,獨立供電的太陽能光伏電站稱為獨立光伏電站,主要應用于遠離公共電網的無電地區(qū)和一些特殊場所,如為邊遠偏僻農村、牧區(qū)、海島、高原、沙漠的農牧漁民提供照明、看電視、聽廣播等基本的生活用電,為通信中繼站、沿海與內河航標、輸油輸氣管道陰極保護、氣象電站、公路道班以及邊防哨所等特殊處所提供電源;與公共電網相聯接且共同承擔供電任務的太陽能光伏電站稱為并網光伏電站。它是太陽能光伏發(fā)電進入大規(guī)模商業(yè)化發(fā)電階段、成為電力工業(yè)組成部分的重要發(fā)展方向,是當今世界太陽能光伏發(fā)電技術發(fā)展的主流趨勢。

光伏電站通常由若干個光伏發(fā)電單元組成，每個光伏發(fā)電單元配置一座箱式逆變器及一座箱式變壓器。在實際工程中，一個光伏發(fā)電單元的光伏裝機容量沒有定式，可按照 500 k Wp、1 MWp、2 MWp等規(guī)模來設計。MWp級光伏發(fā)電單元采用矩形布置，同時將箱式逆變器及變壓器布置于場區(qū)主干道兩側的方案的優(yōu)越性已經在工程實例中得到印證。

太陽能光伏電站包含多個太陽能光伏發(fā)電單元,將發(fā)出的電能集中逆變供用戶使用。每個太陽能光伏發(fā)電單元主要由太陽能光伏陣列、蓄電池組和控制器組成。

太陽能光伏陣列由個太陽能電池組件組成,用支架固定支撐,支架起到固定太陽能電池組件的作用。

蓄電池組是太陽能光伏電站的貯能裝置。太陽能光伏電站中的蓄電池作為儲能裝置,是監(jiān)控系統的后備電源,也為照明、通信和設備維護提供了必要的電源保障。正確的選用蓄電池非常關鍵,其基本要求是:低自放電,長壽命,少維護,高充電效率,價格低,便于運輸。

光伏發(fā)電單元的維護目前主要依靠人工維護的方式。工作人員的日常維護工作是每日測量并記錄不同時間內系統的工作參數,測量記錄內容有:日期、記錄時間、天氣狀況、環(huán)境溫度、子方陣電流、電壓、記錄人等。電站巡檢工作由專業(yè)技術人員定期進行,在巡檢過程中要全面檢查電站各設備的運行情況和運行現狀,并測量相關參數。并仔細查看電站操作人員對日維護、月維護記錄情況,對記錄數據進行分析,及時指導操作人員對電站進行必要的維護工作。由電站的工作人員定期清理太陽能光伏陣列采光面上的灰塵和積雪,在少雨且風沙較大的地區(qū),清洗時先用清水沖洗,然后用干凈的柔軟布將水跡擦干,保持光伏陣列采光面的清潔。

從圖1可以大致了解標準單元的種類。一般來說各種門電路，觸發(fā)器及各種I/O單元是一個標準單元庫所必須的配置，這些配置可以滿足一個純數字電路ASIC電路的設計需要，其他宏單元（含模擬宏單元）在許多工藝線往往有作為IP形式提供，所以也可以不完全納入標準單元庫中 。

圖1 單元庫種類

a）標準單元

標準單元包括反相器、與門、寄存器、選擇器、全加器等多種基本單元，每一個標準單元對應著多個不同尺寸(W/L)、不同驅動能力的單元電路，而且不同驅動強度電路都是基本尺寸或最小尺寸的整倍數。 單元庫的多樣性可以有效提髙綜合工具和自動布局布線工具的效率，同時也使得設計者可以更加自由地在性能、面積、功耗和成本之間進行優(yōu)化。

為了實現工具的自動布局布線，建庫時即在標準單元版圖設計時有許多特殊的設計規(guī)則，大致如下：

1. 所有單元都是等髙的矩形,或者髙度是基本高度的整數倍，以確保電路設計階段不會使用其他非常規(guī)的尺寸。

2. 為保證各單元與其他單元放置時不引起 DRC錯誤,所有版圖要用預先定義的模板進行設計，

3. 由于經典布線器采用基于網格的方法進行布線連接，這一方法可以簡化布線工具的算法，減小計算機占用的內存資源。 因此所有單元的輸人輸出端口的位置、大小、形狀都盡童滿足網格間距的要求，以提高布線器的效率.

4. 電源線和地線一般位于單元的上下邊界，以便于連接共享，減小芯片面積。

b) 模塊單元

模塊單元(block)包括各種規(guī)模的數字模塊:RAM、ROM、COT、IP、電壓比較器等，也包括模擬模塊:運算放大器、ADC/DAC、鎖相環(huán)、振蕩器等。

模塊單元的版圖實現及其物理建庫與標準單元相似。對于 RAM 或 ROM模塊單元的建庫，可以仿照標準單元的過程，先建立RAM或ROM基本單元，再根據比特(bit)長和字(word)長，用半自動化的方法自底向上堆砌生成版圖。對于具有特殊要求的數字模塊，如IP和COT 模塊，則通過全定制的方法建立版圖供建庫使用。

c）I/O單元

芯片與印刷電路板通信的接口電路統稱為 I/O 電路。它作為芯片與外界通信的接口必須具有較大的驅動能力，抵御靜電放電的能力，抗噪聲干擾的能力以及足夠的帶寬和過電保護功能。 I/O 的種類包括輸入 1/0、輸出 I/O、雙向輸人輸出 I/O、供電 I/O 和接地 I/O。I/O的組成大致可分為三部分，即 PAD接口、信號緩沖電路和靜電放電保護電路 ESD。