太阳能光伏发电系统*概述

　　太阳能发电简称光电，是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。太阳能电池组件(Solar cells)是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置，在广大的无电力网地区，该装置可以方便地实现为用户照明及生活供电，一些发达国家还可与区域电网并网实现互补。而国内主要研究生产适用于无电地区家庭照明用的小型太阳能发电系统。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。

　　光伏系统应用非常广泛，光伏系统应用的基本形式可分为两大类：独立发电系统和并网发电系统。应用主要领域主要在太空航空器、通信系统、微波中继站、电视差转台、光伏水泵和无电缺电地区户用供电。随着技术发展和世界经济可持续发展的需要，发达国家已经开始有计划地推广城市光伏并网发电，主要是建设户用屋顶光伏发电系统和MW级集中型大型并网发电系统等，同时在交通工具和城市照明等方面大力推广太阳能光伏系统的应用。

　　光伏系统的规模和应用形式各异，如系统规模跨度很大，小到0.3～2W的太阳能庭院灯，大到MW级的太阳能光伏电站，如3.75kWp家用型屋顶发电设备、敦煌10MW 项目。其应用形式也多种多样，在家用、交通、通信、空间应用等诸多领域都能得到广泛的应用。

　　太阳能光伏发电系统*系统组成

　　不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。具体说太阳能光伏系统由以下三部分组成：太阳电池组件;充、放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备和蓄电池或其它蓄能和辅助发电设备(自动太阳能跟踪系统、自动太阳能组件除尘系统等设备)。

　　其各部分作用作用如下：

　　(一)太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。按照系统需求串、并联而成，在太阳光照射下将太阳能转换成电能输出，其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。

　　(二)太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项;

　　(三)蓄电池：将太阳电池组件产生的电能储存起来，当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳电池组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏系统的储能部件。目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统，通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。

　　(四)逆变器：在太阳能光伏供电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用逆变器设备，将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器

　　(五)控制器：它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。随着太阳能光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势，如AES公司的SPP和SMD系列的控制器就集成了上述三种功能。

　　太阳能光伏发电系统*系统分类

　　一、太阳能光伏发电系统分为独立光伏发电系统(离网光伏蓄电系统)与并网光伏发电系统：

　　1、 独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。其具体作用如下：

　　1)、太阳能控制器(光伏控制器和风光互补控制器)对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要时，太阳能控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时，太阳能控制器要控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池。控制器的性能不好时，对蓄电池的使用寿命影响很大，并最终影响系统的可靠性。

　　2)、太阳能蓄电池组的任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。

　　3)、太阳能逆变器负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。太阳能逆变器是光伏风力发电系统的核心部件。由于使用地区相对落后、偏僻，维护困难，为了提高光伏风力发电系统的整体性能，保证电站的长期稳定运行，对逆变器的可靠性提出了很高的要求。另外由于新能源发电成本较高，太阳能逆变器的高效运行也显得非常重要。

　　太阳能离网发电系统主要产品分类 A、光伏组件 B、风机 C、控制器 D、蓄电池组 E、逆变器 F、风力/光伏发电控制与逆变器一体化电源。

　　离网光伏蓄电系统是一种常见的太阳能应用方式，系统简单，适应性广，但因其蓄电池的体积偏大和维护困难，限制了使用范围。

　　2、 并网光伏发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电这后直接接入公共电网。

　　因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用可再生能源所发出的电力，减小能量损耗，降低系统成本。并网发电系统能够并行使用市电和可再生能源作为本地交流负载的电源，降低整个系统的负载缺电率。同时，可再生能源并网系统可以对公用电网起到调峰作用。并网发电系统是太阳能风力发电的发展方向，代表了21世纪最具吸引力的能源利用技术。

　　并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，发展难度较大。而分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。

　　太阳能并网发电系统主要产品分类 A、光伏并网逆变器 B、小型风力机并网逆变器 C、大型风机变流器 (双馈变流器，全功率变流器)。当用电负荷较大时，太阳能电力不足就向市电购电。在背靠电网的前提下，光伏并网发电系统省掉了蓄电池，从而扩展了使用的范围，提高了灵活性，并降低了造价。

　　二、太阳能光伏发电系统的细致分类：

　　根据光伏系统的应用形式、应用规模和负载的类型，对光伏供电系统进行比较细致的划分，可将光伏系统分为如下六种类型：小型太阳能供电系统(Small DC);简单直流系统(Simple DC);大型太阳能供电系统(Large DC);交流、直流供电系统(AC/DC);并网系统(Utility Grid Connect);混合供电系统(Hybrid);并网混合系统。

　　太阳能光伏发电系统*特点

　　- 没有转动部件，不产生噪音;

　　- 没有空气污染、不排放废水;

　　- 没有燃烧过程，不需要燃料;

　　- 维修保养简单，维护费用低;

　　- 运行可靠性、稳定性好;

　　- 作为关键部件的太阳电池使用寿命长，晶体硅太阳电池寿命可达到25年以上;

　　太阳能光伏发电系统*发电原理

　　太阳能电池与蓄电池组成系统的电源单元，因此蓄电池性能直接影响着系统工作特性。

　　(1)电池单元：由于技术和材料原因，单一电池的发电量是十分有限的，实用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件(阵列)。单一电池是一只硅晶体二极管，根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。同于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，因而能在光照下形成电流密度J，短路电流Isc，开路电压Uoc。 若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载，理论上讲由P-N结、连接电路和负载形成的回路，于是就有“光生电流”流过，太阳能电池组件就实现了对负载的功率P输出。

　　(2)电能储存单元：太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存，蓄电池的特性影响着系统的工作效率和特性。蓄电池技术是十分成熟的，但其容量要受到末端需电量，日照时间(发电时间)的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的连续无日照时间决定。

　　太阳能光伏发电系统*发电方式

　　太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

　　(1)光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程;后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

　　(2)光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵(图7)了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用;与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染;太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的太阳能光伏发电方式有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

　　太阳能光伏发电系统*设计原理

　　太阳能光伏发电系统的设计需要考虑的因素：

　　1、 需要考虑太阳能光伏发电系统使用的地方以及该地日光辐射情况;

　　2、 需要考虑太阳能光伏发电系统需要承载的负载功率;

　　3、 系统所输出电压，以及考虑应该使用直流电还是交流电;

　　4、 系统每天需要工作的小时数;

　　5、 如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天;

　　6、 考虑负载的情况，是纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流的大小。

　　太阳能光伏发电系统*对逆变电源的要求

　　采用交流电力输出的光伏发电系统，由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池和逆

　　变器(电源)四部分组成(并网发电系统一般可省去蓄电池)，而逆变电源是关键部件。光伏发电系统对逆变电源要求较高：

　　(1)要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变电源的效率。

　　(2)要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变电源具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变电源具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热，过载保护等。

　　(3)要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如12V蓄电池，其端电压可在10V～16V之间变化，这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。

　　(4)在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免铎公共电网的电力污染，也要求逆变电源输出正弦波电流。

　　太阳能光伏发电系统*优缺点

　　优点

　　1、太阳能取之不尽，用之不竭，地球表面接受的太阳辐射能，能够满足全球能源需求的1万倍。只要在全球4%沙漠上安装太阳能光伏系统，所发电力就可以满足全球的需要。太阳能发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击;

　　2、太阳能随处可处，可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路的损失;

　　3、太阳能不用燃料，运行成本很低;

　　4、太阳能发电没有运动部件，不易用损坏，维护简单，特别适合于无人值守情况下使用;

　　5、太阳能发电不会产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源;

　　6、太阳能发电系统建设周期短，方便灵活，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳能方阵容量，避免浪费。

　　7、分散建设，就地发电;

　　8、便于融资;

　　9、便于分步实施。

　　缺点

　　1、地面应用时有间歇性和随机性，发电量与气候条件有关，在晚上或阴雨天就不能或很少发电;

　　2、能量密度较低，标准条件下，地面上接收到的太阳辐射强度为1000W/M^2。大规格使用时，需要占用较大面积;

　　3、价格仍比较贵，为常规发电的3~15倍，初始投资高。

　　4、光能转换效率偏低，目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。

　　太阳能光伏发电系统*安装方式

　　最佳倾角安装

　　Ø 不同纬度地区太阳入射角度不同，考虑一年当中各时段阳光照射强度因素，对电池板竖直方向的安装倾角进行优化计算，计算得到一个发电量最大的安装倾角。

　　Ø 该安装方式适用于整个系统安装在开阔地和具有一定承重能力的屋面

　　水平安装

　　沿建筑屋面或立面

　　太阳能光伏发电系统*相关术语

　　大气质量AM(Air Mass) 太阳光通过大气层的路径长度，简称AM，外层空间为AM 0，阳光垂直照射地球时为AM1(相当春/秋分分阳光垂直照射于赤道上之光谱)，太阳电池标准测试条件为AM 1.5(相当春/秋分阳光照射于南/北纬约48.2度上之光谱)。

　　日照强度(Irradiance) 单位面积内日射功率，一般以W/㎡或mW/c㎡为单位，AM 0之日照强度超过1300W/㎡，太阳电池标准测试条件为1000W/㎡(相当于100mW/c㎡)。

　　日射量(Radiation) 单位面积于单位时间内日射总能量，一般以百万焦尔/年.平方米(MJ/Y.㎡)或百万焦尔/月.平方米(MJ/M.㎡)，1焦尔为1瓦特功率于1秒钟累积能量(1J=1W.s)。

　　太阳能电池(Solar Cell) 具有光伏效应(Photovoltaic Effect)将光(Photo)转换成电(Voltaic)的组件，又称为光伏电池(PV Cell)，太阳能电池产生的电皆为直流电。

　　太阳光电(Photovoltaic)简称 PV(photo=light光线，voltaics=electricity电力)，由于这种电力方式不会产 生氮氧化物，以及对人体有害的气体与辐射性废弃物，被称为「清净发电技术」。PV System，则是将太阳光能转换成电能整套系统，称为太阳光电系统或光伏系统，依分类有独立型、并联型与混合型。

　　PV模板(PV Module) 将多只太阳电池串联提升电压，并以坚固外材封装以利应用，又称为模块(PV Pannel或PV Module)。

　　PV组列(PV String) 将模板多片串联成一列，组列的目的在提高电压，将10片模板电压20伏特5安培串联成组列，组列电压即有200伏特、电流为5安培。

　　PV数组(PV Array) 将多个组列并联即为数组。数组目的在提高电流，将5串组列电压200伏特5安培并联成数组，数组电压为200伏特、电流为25安培。由1个组列构成的数组，数组就相当于组列。

　　独立型系统(Stand Along System) 将多只太阳电池串联提升电压，并以坚固外材封装以利应用，又称为模块(PV Pannel或PV Module)。

　　并联型系统(Grided System) PV数组输出经换流器转换成交流与市电或自备发电机并联，系统无需配置蓄电装置。

　　混合型系统(Hybrid System) 独立型与并联型混合体，在天灾市电停止供电时，并联型系统会停止运作，混合型可切换于独立型继续供电，因此又称为防灾型。

　　瓩(kW)千瓦，发电设备容量的计算单位;1瓩=1000瓦(Watt)。

　　峰瓩(kWp)P 表peak，代表峰值。指装设的太阳电池模板在标准状况下，(即模板温度25℃、转换

　　转换效率15%)最大发电量总和。通常1峰瓩可发3-5度电。

　　瓩时(kWh) 为衡量发电用量的单位，指使用1000瓦的电器设备1小时所消耗的电力，俗称「度」。

　　MW(Mega Watt)百万瓦，在衡量太阳光电公司产能时通常采用单位。

　　安培小时Ah (Ampere Hour) 另一种电能量表示方式，通常用于蓄电池容量，50Ah表示5安培10小时容量或1安培50小时容量，唯蓄电池容量不能全部利用。

　　负载(Load)特定时间内，每单位时间输出的电力或电流。

　　建材一体太阳电池模板(BIPV,Building Integrated Photovoltaics)将太阳光电系统结合建筑设计的一种节能建材产品，可直接取代传统屋顶、窗户、外墙及遮阳(雨)棚等。可大幅改善传统太阳光电系统笨重外型，不但美观还可以增加空间效益;打造另一个太阳光电建筑产业的市场商机 。

　　电力调节器(Power Conditioner) 负责电力调节功能设备的统称，对蓄电池充电/放电调节的控制器，或将直流转换交流调节的换流器皆是。

　　充电控制器Charger)具蓄电池充电控制功能，可控制充电电流大小，当蓄电池电压达饱和电压时能予切断充电功能的控制器，这是独立型配置蓄电池必要设备。

　　放电控制器(Charger)

　　蓄电池放电控制功能，可限制放电电流大小或时间，当蓄电池于截止电压时能予切断放电功能的控制器，这是独立型配置蓄电池必要设备。

　　充/放电控制器(Charger/Discharger)

　　蓄电池放电控制功能，可限制放电电流大小或时间，当蓄电池于截止电压时能予切断放电功能的控制器，这是独立型配置蓄电池必要设备。

　　充/放电控制器(Charger/Discharger)

　　具充电与放电功能的控制器，常用于独立型系统上。

　　变流器(Inverter)

　　将直流电转换成交流设备，又称为逆变器，用于并网型PV系统换流器是专属规格，不同于一般市售。

　　太阳能光伏发电系统*应用领域

　　一、用户太阳能电源

　　(1)小型电源10-100W不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等;

　　(2)3-5KW家庭屋顶并网发电系统;

　　(3)光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉。

　　二、交通领域

　　如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。

　　三、通讯/通信领域

　　太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统;农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。

　　四、石油、海洋、气象领域

　　石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。

　　五、家庭灯具电源

　　如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。

　　六、光伏电站

　　10KW-50MW独立光伏电站、风光(柴)互补电站、各种大型停车厂充电站等。

　　七、太阳能建筑

　　将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向。

　　八、其他领域包括

　　(1)与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等;

　　(2)太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统;

　　(3)海水淡化设备供电;

　　(4)卫星、航天器、空间太阳能电站等。

　　太阳能光伏发电系统*发展趋势

　　1、发展前景

　　太阳能发电有着广泛的发展前景。太阳辐射地球表面的能量约为17万亿千瓦，相当于目前全世界一年能源总消耗量的3.5万倍。太阳能光伏发电在不久的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。根据预测2030年太阳能光伏发电在世界总电力的供应中将达到10%以上;2040年太阳能光伏发电将占总电力的20%以上;21世纪末太阳能发电将占60%以上，显示出重要战略地位。世界各国都纷纷把阳光能源作为重要的战略能源之一，光伏发电将逐渐发展为一种替代能源。光伏发电的并网开发应用是目前世界上大规模利用光伏发电的必然选择，也是未来最大的光伏发电市来讲，风电上网电价采取特许权招标电价和核定电价 (基本上分为0.51元、0.56元和0.61元三个档次)两种形式;太阳能发电只对屋顶光伏项目进行补贴，2009年的补贴标准为20元/瓦，以后逐年递减，开阔地光伏电站目前刚刚开始启动试点项目，主要通过招标确定上网电价(敦煌项目，1.09元/度);生物质能发电则是在当地火电标杆电价的基础上补贴0.25元/度。在我国发展大型光伏并网发电，是改变和优化电力结构的理想选择，也是可持续电力供应的理想模式。同时，智能电网的建设和发展，将有效地促进分布式可再生能源发电的发展，为太阳能光伏发电并网带来美好前景。

　　2、面临的问题

　　(1)投资成本问题

　　与其它新能源项目相比，单位造价非常高，高达6.2万元/kW，因此回收期比较长。造成这种情况的主要原因是目前国内太阳能电池板的原材料硅的涨价非常快，目前的价格要比本世纪初翻了数倍，而太阳能电池板又是整个工程中耗费最大的部分，因此，要解决成本高的根本途径在于降低原材料的成本。

　　(2)对电网的冲击

　　由于太阳能光伏发电属于能量密度低、稳定差，调节能力差的能源，发电量受天气及地域的影响较大，并网发电后会对电网安全，稳定，经济运行以及电网的供电质量造成一定影响。

　　(3)缺乏政策的支持

　　在国外，政府将给予太阳能光伏发电的用户一定的优惠政策及补贴。在国内由于太阳能光伏发电刚刚兴起，政府在这方面给予的支持力度相对不够，加上生产成本较高，从而造成了投资者对光伏发电项目的兴趣减少，要解决该问题，政府必须加大政策的支持。