技術文章|光伏安裝者必備電工知識—電學基本物
時間：2019-01-18 06:28:32
本章介紹光伏系統的基礎電工知識。
從事太陽能發電工作，我們不可避免要接觸到有關電方面的名詞、術語，也經常有很多用電方面的困惑。同樣的組件，同樣的安裝方式，是什么因素導致發電量不一樣？為什么會發生由用電引發的火災？晚上并網逆變器不工作，為什么隔離變壓器還會消耗電能?
很多經常聽到的，看似簡單，又不容易說清的問題，通過本章的學習都會有明確的答案。
1、電量
自然界中的一切物質都是由分子組成的，分子又是由原子組成的，而原子是由帶正電荷的原子核和一定數量帶負電荷的電子組成的。在通常情況下，原子核所帶的正電荷數等于核外電子所帶的負電荷數，原子對外不顯電性。但是，用一些辦法，可使某種物體上的電子轉移到另外一種物體上。失去電子的物體帶正電荷，得到電子的物體帶負電荷。物體失去或得到的電子數量越多，則物體所帶的正、負電荷的數量也越多。
物體所帶電荷數量的多少用電量來表示。電量是一個物理量，它的單位是庫侖，用字母C表示。1C的電量相當于物體失去或得到6.25×1018個電子所帶的電量。
光伏效應：太陽能電池的工作原理，太陽光照在半導體p-n結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結電場的作用下，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路后就形成電流。
2、電流
電荷的定向移動形成電流。電流有大小，有方向。
1）電流的方向：人們規定正電荷定向移動的方向為電流的方向。金屬導體中，電流是電子在導體內電場的作用下定向移動的結果，電子流的方向是負電荷的移動方向，與正電荷的移動方向相反，所以金屬導體中電流的方向與電子流的方向相反。
2）電流的大?。弘妼W中用電流強度來衡量電流的大小。電流強度就是l秒鐘通過導體截面的電量。電流強度用字母I表示，計算公式如下：
式中 I——電流強度，單位安培(A)；
Q——在t秒時間內，通過導體截面的電量數，單位庫侖(C)；
t ——時間，單位秒(s)。
實際使用時，人們把電流強度簡稱為電流。電流的單位是安培，簡稱安，用字母A表示。如果1秒內通過導體截面的電量為1庫侖，則該電流的電流強度為1安培，習慣簡稱電流為1安。實際應用中，除單位安培外，還有千安(kA)、毫安(mA)和微安( μA)。
它們之間的關系為：1kA=103A ，1A=10m3A ，1mA=103µA。
電流又分正流電和交流電，太陽能組件，蓄電池等發出來的電是直流電，電流方向不變，但這種電大部分家用電器都用不了，大小和方向都隨時間做周期性變化的電流叫交流電，這是我們日常用的電，電流方向變化的快慢叫頻率，我國為50Hz，即每秒種變化50次，稱之為工頻，有一些國家為60Hz。再往上還有中頻和高頻。
由交流電變成直流電叫整流，這樣的設備叫整流器，反過來，由直流電變成變流電叫逆變，這樣的設備叫逆變器。
光伏逆變器就是把光伏組件發出來的直流電變成變流電，光伏組件如果沒有接入逆變器或者控制器，就形成不了一個回路，這時候沒有電流，只有電壓。
3、電壓
電壓用字母V表示，單位為伏特，電場力將1庫侖電荷從a點移到b點所做的功為1焦耳，則ab間的電壓值就是1伏特，簡稱伏，用字母V表示。常用的電壓單位還有千伏(kV)，毫伏(mV)等。
它們之間的關系為：1 kV=103V，l V=103mV。
電壓與電流相似，不但有大小，而且有方向。對于負載來說，電流流人端為正端，電流流出端為負端。電壓的方向是由正端指向負端，也就是說負載中電壓實際方向與電流方向一致。對于直流電而言，有正極和負極，電壓就是正極和負極之間的電壓差，對于三相交流電而言，有相線和零線，相線和相線之間的電壓叫線電壓，我國為380Vac，相線和零線之間的電壓叫相電壓，我國為220Vac。
光伏組件有兩種電壓，開路電壓和工作電壓，如265W的組件，工作電壓一般為30.7V，開路電壓一般為38.2V。不同的組件電壓也不一樣，一般60片電池的組件，工作電壓一般為30V到31V之間，72片電池的組件，工作電壓一般為35V到36V之間。
常用電壓：一般手機充電器和USB電源是5Vdc，鉛酸蓄電池有2V、6V和12V等三種規格，36Vdc以下稱為安全電壓，這個電壓范圍內對人體沒有危害。
我國的交流電壓分為三種，單相220V，三相380V稱為低壓，一般是家用和工商業用。三相10kV，15kV，35kV稱為中壓，110kV、220kV、330kV、500kV，1000KV稱為高壓。
不同的國家電壓等級不一樣，如美國有110V，208V，480V等電壓等級，具體可以參考《世界各國電網結構與逆變器的選型》這篇文章。
光伏組件和逆變器配在一起，如果有陽光，并網逆變器接入電網，離網逆變器接入負載，就會有電壓和電流，形成一個回路，這時光伏組件和逆變器就形成一個電源。
4、電源
電源是利用非電力把正電荷由負極移到正極的，它在電路中將其他形式能轉換成電能。電動勢就是衡量電源能量轉換本領的物理量，用字母E表示，它的單位也是伏特，簡稱伏，用字母V表示。
電源的電動勢只存在于電源內部。人們規定電動勢的方向在電源內部由負極指向正極。在電路中也用帶箭頭的細實線表示電動勢的方向，當電源兩端不接負載時，電源的開路電壓等于電源的電動勢，但二者方向相反。
可以用測量組件電壓的辦法，來判斷組件的好壞，比如在有陽光的情況下測得組件正負極之間的電壓是35Vdc，證明組件是正常工作，如果測出來是0Vdc，則證明組件是壞的。
電源又分為電壓源和電流源，離網逆變器是電壓源，其特點是輸出電壓保持恒定，輸出電流隨負載而變化，離網逆變器要配蓄電池才給正常工作，因為光伏輸入不穩定，負載也不穩定，需要用蓄電池穩定電壓，當光伏輸入功率大于負載的功率時，多余的電能進入蓄電池儲存起來，防止系統電壓升高，當光伏輸入功率小于負載的功率時，不足的電能由蓄電池來補充，防止系統電壓降低。并網逆變器是電流源，電壓跟隨電網電壓，電流是跟隨陽光輻射量等因素變化而變化。
從電源到負載，需要電纜做為導體來傳遞電能，由于電纜都有電阻，會產生電壓降，所以盡管我國低壓的單三相電壓等級是220/380V，但并網逆變器做為電源，其單三相輸出額定電壓為230/400V。
5、電阻
一般來說，導體對電流的阻礙作用稱為電阻，用字母R表示。電阻的單位為歐姆，簡稱歐，用字母Ω表示。如果導體兩端的電壓為1伏，通過的電流為1安，則該導體的電阻就是1歐。常用的電阻單位還有(kΩ)、兆歐(MΩ)。它們之間的關系為：1 kΩ=103Ω，1 MΩ=103kΩ。
應當強調指出：電阻是導體中客觀存在的，它與導體兩端電壓變化情況無關，即使沒有電壓，導體中仍然有電阻存在。實驗證明，當溫度一定時，導體電阻只與材料及導體的幾何尺寸有關。對于二根材質均勻、長度為L、截面積為S的導體而言，其電阻大小可用下式表示：
式中 R——導體電阻，單位為歐(Ω)；
L——導體長度，單位為米(m)；
s——導體截面積，單位為平方毫米(mm2)；
ρ——電阻率，單位為歐·米(Ω·m)。
式中電阻率是與材料性質有關的物理量。電阻率的大小等于長度為1m，截面積為1mm2的導體在一定溫度下的電阻值，其單位為歐米(Ω：m)。
例如，銅的電阻率為1.7×10-8Ω·m，就是指長為1m，截面積為1mm2的銅線的電阻是1.7×10-8Ω。
銅和鋁的電阻率較小，是應用極為廣泛的導電材料。以前，由于我國鋁的礦藏量豐富，價格低廉，常用鋁線作輸電線。由于銅線有更好的電氣特性，如強度高、電阻率小，現在銅制線材被更廣泛應用。
分布式光伏系統直流電纜和交流電纜一般都采用銅電線或者銅電纜。這是由于銅線內阻少，消耗的電功也比較少。
6、電功、電功率
電流通過用電器時，用電器就將電能轉換成其他形式的能，如熱能、光能和機械能等。
我們把電能轉換成其他形式的能叫做電流做功，簡稱電功，用字母W表示，電功是一個瞬時值。 電壓單位為伏，電流單位為安，電阻單位為歐，時間單位為秒，則電功單位就是焦耳，簡稱焦，用字母J表示。電流在單位時間內通過用電器所做的功稱為電功率，用字母P表示，電功率是一個帶時間軸的二維值。
功率計算方法如下：
直流功率=直流電壓*直流電流。單相交流功率=交流電壓*交流電流；三相交流功率=線電壓*電流*1.732，如一臺三相逆變器，輸出額定電壓是400V，輸出額定電流為64.5A，輸出功率為400*64.5*1.732，約為44.7kW。
電功單位為焦耳，時間單位為秒，則電功率的單位就是焦耳/秒。焦耳/秒又叫瓦特，簡稱瓦，用字母W表示。在實際工作中，常用的電功率單位還有千瓦(kW)、毫瓦(mW)等。它們之間的關系為：1kW=103W，1W=103mW。
1）當用電器的電阻一定時，電功率與電流平方或電壓平方成正比。若通過用電器的電流是原來電流的2倍，則電功率就是原功率的4倍；若加在用電器兩端電壓是原電壓的2倍,則電功率就是原功率的4倍。
2）當流過用電器的電流一定時，電功率與電阻值成正比。對于串聯電阻電路，流經各個電阻的電流是相同的，則串聯電阻的總功率與各個電阻的電阻值的和成正比。
3）當加在用電器兩端的電壓一定時，電功率與電阻值成反比。對于并聯電阻電路，各個電阻兩端電壓相等，則各個電阻的電功率與各電阻的阻值成反比。
在實際工作中，電功的單位常用千瓦小時(kW·h)，也叫“度”。1千瓦小時是1度，它表示功率為1千瓦的用電器1小時所消耗的電能，即1kW·h=1kW×1h。
從事太陽能發電工作，我們不可避免要接觸到有關電方面的名詞、術語，也經常有很多用電方面的困惑。同樣的組件，同樣的安裝方式，是什么因素導致發電量不一樣？為什么會發生由用電引發的火災？晚上并網逆變器不工作，為什么隔離變壓器還會消耗電能?
很多經常聽到的，看似簡單，又不容易說清的問題，通過本章的學習都會有明確的答案。
1、電量
自然界中的一切物質都是由分子組成的，分子又是由原子組成的，而原子是由帶正電荷的原子核和一定數量帶負電荷的電子組成的。在通常情況下，原子核所帶的正電荷數等于核外電子所帶的負電荷數，原子對外不顯電性。但是，用一些辦法，可使某種物體上的電子轉移到另外一種物體上。失去電子的物體帶正電荷，得到電子的物體帶負電荷。物體失去或得到的電子數量越多，則物體所帶的正、負電荷的數量也越多。
物體所帶電荷數量的多少用電量來表示。電量是一個物理量，它的單位是庫侖，用字母C表示。1C的電量相當于物體失去或得到6.25×1018個電子所帶的電量。
光伏效應：太陽能電池的工作原理，太陽光照在半導體p-n結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結電場的作用下，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路后就形成電流。
2、電流
電荷的定向移動形成電流。電流有大小，有方向。
1）電流的方向：人們規定正電荷定向移動的方向為電流的方向。金屬導體中，電流是電子在導體內電場的作用下定向移動的結果，電子流的方向是負電荷的移動方向，與正電荷的移動方向相反，所以金屬導體中電流的方向與電子流的方向相反。
2）電流的大?。弘妼W中用電流強度來衡量電流的大小。電流強度就是l秒鐘通過導體截面的電量。電流強度用字母I表示，計算公式如下：
式中 I——電流強度，單位安培(A)；
Q——在t秒時間內，通過導體截面的電量數，單位庫侖(C)；
t ——時間，單位秒(s)。
實際使用時，人們把電流強度簡稱為電流。電流的單位是安培，簡稱安，用字母A表示。如果1秒內通過導體截面的電量為1庫侖，則該電流的電流強度為1安培，習慣簡稱電流為1安。實際應用中，除單位安培外，還有千安(kA)、毫安(mA)和微安( μA)。
它們之間的關系為：1kA=103A ，1A=10m3A ，1mA=103µA。
電流又分正流電和交流電，太陽能組件，蓄電池等發出來的電是直流電，電流方向不變，但這種電大部分家用電器都用不了，大小和方向都隨時間做周期性變化的電流叫交流電，這是我們日常用的電，電流方向變化的快慢叫頻率，我國為50Hz，即每秒種變化50次，稱之為工頻，有一些國家為60Hz。再往上還有中頻和高頻。
由交流電變成直流電叫整流，這樣的設備叫整流器，反過來，由直流電變成變流電叫逆變，這樣的設備叫逆變器。
光伏逆變器就是把光伏組件發出來的直流電變成變流電，光伏組件如果沒有接入逆變器或者控制器，就形成不了一個回路，這時候沒有電流，只有電壓。
3、電壓
電壓用字母V表示，單位為伏特，電場力將1庫侖電荷從a點移到b點所做的功為1焦耳，則ab間的電壓值就是1伏特，簡稱伏，用字母V表示。常用的電壓單位還有千伏(kV)，毫伏(mV)等。
它們之間的關系為：1 kV=103V，l V=103mV。
電壓與電流相似，不但有大小，而且有方向。對于負載來說，電流流人端為正端，電流流出端為負端。電壓的方向是由正端指向負端，也就是說負載中電壓實際方向與電流方向一致。對于直流電而言，有正極和負極，電壓就是正極和負極之間的電壓差，對于三相交流電而言，有相線和零線，相線和相線之間的電壓叫線電壓，我國為380Vac，相線和零線之間的電壓叫相電壓，我國為220Vac。
光伏組件有兩種電壓，開路電壓和工作電壓，如265W的組件，工作電壓一般為30.7V，開路電壓一般為38.2V。不同的組件電壓也不一樣，一般60片電池的組件，工作電壓一般為30V到31V之間，72片電池的組件，工作電壓一般為35V到36V之間。
常用電壓：一般手機充電器和USB電源是5Vdc，鉛酸蓄電池有2V、6V和12V等三種規格，36Vdc以下稱為安全電壓，這個電壓范圍內對人體沒有危害。
我國的交流電壓分為三種，單相220V，三相380V稱為低壓，一般是家用和工商業用。三相10kV，15kV，35kV稱為中壓，110kV、220kV、330kV、500kV，1000KV稱為高壓。
不同的國家電壓等級不一樣，如美國有110V，208V，480V等電壓等級，具體可以參考《世界各國電網結構與逆變器的選型》這篇文章。
光伏組件和逆變器配在一起，如果有陽光，并網逆變器接入電網，離網逆變器接入負載，就會有電壓和電流，形成一個回路，這時光伏組件和逆變器就形成一個電源。
4、電源
電源是利用非電力把正電荷由負極移到正極的，它在電路中將其他形式能轉換成電能。電動勢就是衡量電源能量轉換本領的物理量，用字母E表示，它的單位也是伏特，簡稱伏，用字母V表示。
電源的電動勢只存在于電源內部。人們規定電動勢的方向在電源內部由負極指向正極。在電路中也用帶箭頭的細實線表示電動勢的方向，當電源兩端不接負載時，電源的開路電壓等于電源的電動勢，但二者方向相反。
可以用測量組件電壓的辦法，來判斷組件的好壞，比如在有陽光的情況下測得組件正負極之間的電壓是35Vdc，證明組件是正常工作，如果測出來是0Vdc，則證明組件是壞的。
電源又分為電壓源和電流源，離網逆變器是電壓源，其特點是輸出電壓保持恒定，輸出電流隨負載而變化，離網逆變器要配蓄電池才給正常工作，因為光伏輸入不穩定，負載也不穩定，需要用蓄電池穩定電壓，當光伏輸入功率大于負載的功率時，多余的電能進入蓄電池儲存起來，防止系統電壓升高，當光伏輸入功率小于負載的功率時，不足的電能由蓄電池來補充，防止系統電壓降低。并網逆變器是電流源，電壓跟隨電網電壓，電流是跟隨陽光輻射量等因素變化而變化。
從電源到負載，需要電纜做為導體來傳遞電能，由于電纜都有電阻，會產生電壓降，所以盡管我國低壓的單三相電壓等級是220/380V，但并網逆變器做為電源，其單三相輸出額定電壓為230/400V。
5、電阻
一般來說，導體對電流的阻礙作用稱為電阻，用字母R表示。電阻的單位為歐姆，簡稱歐，用字母Ω表示。如果導體兩端的電壓為1伏，通過的電流為1安，則該導體的電阻就是1歐。常用的電阻單位還有(kΩ)、兆歐(MΩ)。它們之間的關系為：1 kΩ=103Ω，1 MΩ=103kΩ。
應當強調指出：電阻是導體中客觀存在的，它與導體兩端電壓變化情況無關，即使沒有電壓，導體中仍然有電阻存在。實驗證明，當溫度一定時，導體電阻只與材料及導體的幾何尺寸有關。對于二根材質均勻、長度為L、截面積為S的導體而言，其電阻大小可用下式表示：
式中 R——導體電阻，單位為歐(Ω)；
L——導體長度，單位為米(m)；
s——導體截面積，單位為平方毫米(mm2)；
ρ——電阻率，單位為歐·米(Ω·m)。
式中電阻率是與材料性質有關的物理量。電阻率的大小等于長度為1m，截面積為1mm2的導體在一定溫度下的電阻值，其單位為歐米(Ω：m)。
例如，銅的電阻率為1.7×10-8Ω·m，就是指長為1m，截面積為1mm2的銅線的電阻是1.7×10-8Ω。
銅和鋁的電阻率較小，是應用極為廣泛的導電材料。以前，由于我國鋁的礦藏量豐富，價格低廉，常用鋁線作輸電線。由于銅線有更好的電氣特性，如強度高、電阻率小，現在銅制線材被更廣泛應用。
分布式光伏系統直流電纜和交流電纜一般都采用銅電線或者銅電纜。這是由于銅線內阻少，消耗的電功也比較少。
6、電功、電功率
電流通過用電器時，用電器就將電能轉換成其他形式的能，如熱能、光能和機械能等。
我們把電能轉換成其他形式的能叫做電流做功，簡稱電功，用字母W表示，電功是一個瞬時值。 電壓單位為伏，電流單位為安，電阻單位為歐，時間單位為秒，則電功單位就是焦耳，簡稱焦，用字母J表示。電流在單位時間內通過用電器所做的功稱為電功率，用字母P表示，電功率是一個帶時間軸的二維值。
功率計算方法如下：
直流功率=直流電壓*直流電流。單相交流功率=交流電壓*交流電流；三相交流功率=線電壓*電流*1.732，如一臺三相逆變器，輸出額定電壓是400V，輸出額定電流為64.5A，輸出功率為400*64.5*1.732，約為44.7kW。
電功單位為焦耳，時間單位為秒，則電功率的單位就是焦耳/秒。焦耳/秒又叫瓦特，簡稱瓦，用字母W表示。在實際工作中，常用的電功率單位還有千瓦(kW)、毫瓦(mW)等。它們之間的關系為：1kW=103W，1W=103mW。
1）當用電器的電阻一定時，電功率與電流平方或電壓平方成正比。若通過用電器的電流是原來電流的2倍，則電功率就是原功率的4倍；若加在用電器兩端電壓是原電壓的2倍,則電功率就是原功率的4倍。
2）當流過用電器的電流一定時，電功率與電阻值成正比。對于串聯電阻電路，流經各個電阻的電流是相同的，則串聯電阻的總功率與各個電阻的電阻值的和成正比。
3）當加在用電器兩端的電壓一定時，電功率與電阻值成反比。對于并聯電阻電路，各個電阻兩端電壓相等，則各個電阻的電功率與各電阻的阻值成反比。
在實際工作中，電功的單位常用千瓦小時(kW·h)，也叫“度”。1千瓦小時是1度，它表示功率為1千瓦的用電器1小時所消耗的電能，即1kW·h=1kW×1h。
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