太陽能光伏發電系統的組成及原理

導讀: 太陽能發電是利用電池組件將太陽能直接轉變為電能的裝置，它的主要部件是太陽能電池、蓄電池、控制器和逆變器。

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　太陽能光伏發電系統是利用太陽能電池直接將太陽能轉換成電能的發電系統。它的主要部件是太陽能電池、蓄電池、控制器和逆變器。其特點是可靠性高、使用壽命長、不汙染環境、能獨立發電又能併網運行，受到各國企業組織的青睞，具有廣闊的發展前景。

　　一、特點：

　　太陽能發電是利用電池組件將太陽能直接轉變為電能的裝置。太陽能電池組件（Solarcells）是利用半導體材料的電子學特性實現P-V轉換的固體裝置，在廣大的無電力網地區，該裝置可以方便地實現為用戶照明及生活供電，一些發達國家還可與區域電網併網實現互補。而國內主要研究生產適用於無電地區家庭照明用的小型太陽能發電系統。

　　二、系統的組成：

　　電源系統：太陽能電池組件和蓄電池。

　　控制保護系統：控制器和逆變器。

　　系統終端（負載）：用戶的用電設備。

　　三、太陽能發電原理：

　　太陽能電池板

　　太陽能電池板是太陽能發電系統中的核心部分，也是太陽能發電系統中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。太陽能電池板的質量和成本將直接決定整個系統的質量和成本。

　　太陽能電源系統

　　太陽能電池與蓄電池組成系統的電源單元，因此蓄電池性能直接影響著系統工作特性。

　　1）電池單元：由於技術和材料原因，單一電池的發電量是十分有限的，實用中的太陽能電池是單一電池經串、並聯組成的電池系統，稱為電池組件（陣列）。單一電池是一隻矽晶體二極體，根據半導體材料的電子學特性，當太陽光照射到由P型和N型兩種不同導電類型的同質半導體材料構成的P-N結上時，在一定的條件下，太陽能輻射被半導體材料吸收，在導帶和價帶中產生非平衡載流子即電子和空穴。同於P-N結勢壘區存在著較強的內建靜電場，因而能在光照下形成電流密度J，短路電流Isc，開路電壓Uoc。若在內建電場的兩側面引出電極並接上負載，理論上講由P-N結、連接電路和負載形成的迴路，於是就有「光生電流」流過，太陽能電池組件就實現了對負載的功率P輸出。

　　（2）電能儲存單元：太陽能電池產生的直流電先進入蓄電池儲存，蓄電池的特性影響著系統的工作效率和特性。蓄電池技術是十分成熟的，但其容量要受到末端需電量，日照時間（發電時間）的影響。因此蓄電池瓦時容量和安時容量由預定的連續無日照時間決定。

　　控制器

　　控制器的主要功能是使太陽能發電系統始終處於發電的最大功率點附近，以獲得最高效率。而充電控制通常採用脈衝寬度調製技術即PWM控制方式，使整個系統始終運行於最大功率點Pm附近區域。放電控制主要是指當電池缺電、系統故障，如電池開路或接反時切斷開關。目前日立公司研製出了既能跟蹤調控點Pm，又能跟蹤太陽移動參數的「向日葵」式控制器，將固定電池組件的效率提高了50%左右。

　　DC-AC逆變器

　　逆變器按激勵方式，可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全橋電路，一般採用SPWM處理器經過調製、濾波、升壓等，得到與照明負載頻率f，額定電壓UN等匹配的正弦交流電供系統終端用戶使用。

　　太陽跟蹤控制系統

　　由於地球的自轉，相對於某一個固定地點的太陽能光伏發電系統，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太陽的光照角度時時刻刻都在變化，有效的保證太陽能電池板能夠時刻正對太陽，發電效率才會達到最佳狀態。目前世界上通用的太陽跟蹤控制系統都需要根據安放點的經緯度等信息計算一年中的每一天的不同時刻太陽所在的角度，將一年中每個時刻的太陽位置存儲到PLC、單片機或電腦軟體中，也就是靠計算太陽位置以實現跟蹤。

　　太陽能發電系統的效率

　　在太陽能發電系統中，系統的總效率ηese由電池組件的PV轉換率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負載的效率等組成。但相對於太陽能電池技術來講，要比控制器、逆變器及照明負載等其它單元的技術及生產水平要成熟得多，而且目前系統的轉換率只有17%左右。因此提高電池組件的轉換率，降低單位功率造價是太陽能發電產業化的重點和難點。太陽能電池問世以來，晶體矽作為主角材料保持著統治地位。目前對矽電池轉換率的研究，主要圍繞著加大吸能面，如雙面電池，減小反射;運用吸雜技術減小半導體材料的複合;電池超薄型化;改進理論，建立新模型;聚光電池等。