杰克·史密斯
周日下午晚些时候，克恩县消防部门接到了加州贝克斯菲尔德Rosedale高速公路上一家商店的报警电话。工作人员发现屋顶上的一排太阳能电池板着火了。当机组人员到达时，一些面板还在工作，所以消防人员必须采取额外的预防措施，直到电源断开。
在非常基本的形式中，太阳能装置从收集大量阳光的光伏板开始。光伏阵列向逆变器提供直流电压，逆变器将直流电压转换为交流电。一些安装有电池，自动转换开关单元，监测和计量设备，以及允许电力反馈到电网的设备。
幸运的是，工作人员迅速扑灭了大火，大火没有穿透屋顶的金属甲板。官员们清理了这家商店，在接到电话约四小时后重新开张。从这个例子中得到的教训不是太阳能不安全或危险;它是在使用光伏阵列和系统时提高安全意识。消防队员和急救人员需要知道如何安全断开电源，以确保应急人员的安全，并允许出口，设施维护技术人员需要知道如何保持电力安全可靠地流动。
典型光伏系统配置
一个典型的商用光伏电池，其表面积为160平方厘米(25平方英寸)，在峰值日照条件下产生约2瓦的功率。如果阳光强度是峰值的40%，电池大约产生0.8瓦。要成为有用的电能来源，PV电池必须连接在串联和并联电路配置，以产生更高的电压和电流。接线模块串联产生“串”增加电压;把导线平行地连接在一起可以增加电流。一个30个模块的阵列可以产生4千瓦。
制造商将光伏电池电路结合在密封的、环保的层压板上，以构建光伏模块——光伏发电系统的基本构件。光伏板包括几个光伏模块组装和预接线，现场安装。光伏阵列是一个完整的发电单元，它可以包括任意数量的光伏模块和面板。
光伏系统可以为家庭、企业、市政当局、军事设施或任何愿意做出承诺和投资的人提供补充电力。光伏可以作为远程系统的主要电源;例如，在管道式流程工业中以及在临时现场工作情况中。虽然本文中的大部分信息都适用于住宅和商业光伏安装，但主要关注的是商业光伏安装。通常，住宅系统只在大小上有所不同。工作原理和配置非常相似。商业系统往往更加复杂，但情况并非总是如此。
光伏阵列可以放置在设施的屋顶上——就像贝克尔斯菲尔德的商店一样，或者放置在设施附近的土地上。通常情况下，太阳能电池板每兆瓦需要大约3到5英亩土地。屋顶和建筑安装阵列最大限度地为场地收集阳光。但是，应考虑到顶板穿透和顶板荷载的可能性及其后果。
几乎每一个有用的太阳能装置的概念基础都是从收集阳光的光伏板开始的。光伏阵列向逆变器提供直流电压，逆变器将直流电压转换为60hz交流。逆变器的交流为设施或家庭提供能源。
显然，要使这个示例系统有用且安全，还缺少一些重要的元素。根据设备要求，系统还可以包括任意数量的直流开关和保护设备，如直流组合箱、断路器、断开开关和接触器。逆变器有多种配置和功率范围。(合成器是作为两个或多个电路的平行连接点的接线盒。)一些大型装置使用几个逆变器。一个“真实世界”的系统还包括交流开关和保护设备，如交流面板和配电盘，断开开关，断路器，低中压开关设备，以及低中压变压器。一些装置还装有电池、自动转换开关装置、监测和计量设备，以及允许电力反馈到电网的设备。功能和操作要求，组件配置，以及设备如何连接到其他电源和电气负载决定了光伏发电系统的分类。两种主要的分类是并网(或公用事业交互)系统和独立系统。
并网系统在与公用电网连接的同时运行。除了光伏阵列本身，并网系统的主要部件是逆变器。光伏系统，特别是逆变器，与电力公用事业网络双向接口，通常在现场配电面板或服务入口。
独立光伏系统独立于公用电网运行。使用独立光伏系统的设施通常使用电池进行能量存储。电池在白天从光伏阵列储存能量，并在夜间或阴天为电力负载提供能量。电池还有助于稳定系统电压，并在必要时为电气负载提供浪涌电流。一般来说，电池充电控制器可以防止电池过充和过放电。
光伏系统有何不同
光伏电力系统和公用事业供电的明显区别是光伏阵列产生直流电。产生的电在经过逆变器处理后才变成交流电。一些PV安装必须是直流的，这需要不同类型的组件与交流安装。在光伏系统中，交流系统中没有的组件包括合流箱和直流断开开关。
太阳能组合箱汇集来自光伏阵列的直流电源，并根据国家电气规范(NEC)要求提供过流保护。单独的输入连接到保险丝座。保险丝座的负载侧连接在一起形成一个公共总线，该总线连接到输出耳。组合框是源组合器或数组组合器。源组合器位于靠近光伏板的位置。阵列合成器-或重新合成器-将多个源合成器的输出聚合到一个电路中，并在大型装置中发现。阵列组合机有更高的输入保险丝座和更高的输出电流。
通常，光伏系统产生的电压在400v dc到600v dc范围内，比大多数建筑系统中发现的电压高得多。将这种较高的电压与缺乏电流正弦波与过零相结合，产生了几个系统设计、组件和布线挑战——特别是在开关这些直流电路时。与具有过零电流正弦波的交流系统相比，中断高压直流电路需要增加气隙来安全快速地中断和中断电弧。将单个开关的多极串联在一起，增加了安全电弧中断的气隙。
由于直流电路由正极和负极两根导线组成，在大多数光伏系统中，其中一根必须作为地，就像交流系统中的中性点一样。太阳能电池板制造商指定这两根电线中的哪根接地。负接地是更常见的配置。这种键通常是在逆变器上形成的。根据NEC的规定，只有带电流的不接地导体应进行开关。
潜在的光伏问题
大多数光伏系统是由合格和有信誉的专业人员安装的，是安全可靠的。然而，由未经培训的人员安装光伏电力系统可能会导致麻烦。与光伏系统的设计、安装和操作相关的一些常见问题包括:
- 广泛的遮阳光伏阵列
- 与屋顶和其他结构的不安全结构连接
- 屋顶和其他穿透处的耐候密封不足
- 不安全的连接
- 不安全的电池安装或不当的电池维护或使用
- 导体容量和/或绝缘类型不足
- 使用未列出的设备
- 不正确地使用列名或未列名的设备
- 过流保护和断开装置放置不当
- 系统接地不当
- 主要系统部件和断开连接的设备上标签不足
- 系统设计、操作和维护需求文件不足
- 某些系统部件的环境保护不足
测试和故障排除
任何光伏系统设计包都必须包括支持文件，这些文件至少应该包括系统规格、电气原理图、机械图纸、零件清单、材料清单和来源清单。文档还应包括安装和检查程序、用户和操作人员培训、维护要求、故障排除指南，并指定执行这些任务所需的工具和设备。
光伏装置的维护要求取决于所使用的系统设计和设备的类型。有些装置几乎不需要注意，也许只需要每年检查一次。其他的——特别是那些有电池的——可能需要4到6个月的维护间隔，甚至在系统的生命周期内更换组件(通常是电池)。PV安装可能需要的典型维护项目包括:
- 检查接线连接和接线端子是否松动和腐蚀
- 检查线束，确保整齐地捆扎和保护
- 检查光伏阵列的清洁度、有无损坏和结构完整性
- 检查屋顶穿透情况和耐候密封情况
- 维护电池，包括清洁，添加电解质，充电均衡，如果需要更换
为任务使用适当的工具
无论您是在安装或维护PV系统，都要为该任务使用适当的工具。通常，您可以执行涉及PV模块及其相关直流电路的大多数任务高品质数字万用表(DMM)用安培夹或带有电压测量功能的钳式仪表．
接收模块时使用带安培钳的数字万用表或钳形表进行测试，安装后再次测试。使用这些仪器中的任何一个来检查阵列输出电压和电流。在安装过程中，确保适当的单元串联以提供适当的电压。确保串联阵列部分并联连接，以提供适当的电流。
使用数字万用表和卡钳表检查逆变器的连接是否正确，逆变器的输入输出电压和电流是否正确。这些工具还可以帮助您排除其余的安装故障，就像您将任何其他交流电源系统一样。
一些逆变器问题需要使用示波器或示波器-仪表组合。例如，使用示波器来检测和识别控制电路绕组中的噪声问题，或通过观察其波形来检查绝缘栅双极晶体管(IGBT)的正常工作。你可以通过用量镜测量晶体管来检测短路的晶体管。好的晶体管的波形具有良好的方波，边缘锐利，而不好的晶体管的波形在前缘的峰值处是圆形的。此外，确保逆变器输出的波形接近正弦波。
由于几乎每个光伏装置都使用逆变器将光伏阵列的直流电转换为交流电，因此可能存在一些来自光伏系统的交流电上的谐波内容。变频驱动器(vfd)是产生谐波的主要原因。逆变器用来将直流转换为交流的电路与产生谐波电流的VFD电路非常相似。通常情况下，光伏系统设计应尽量减少谐波。但是，如果您怀疑设备中存在谐波问题，则可以使用电能质量分析仪对系统进行故障排除。
了解潜在的问题，并使用适合手头任务的工具进行测试和故障排除，将帮助您获得并保持光伏系统安全可靠地运行。