关于太阳能光伏发电系统原理的探讨

摘要:太阳能光伏发电是一种可再生的安全的清洁新能源,以其效率高、使用寿命长、不受地域限制等优点，被较为的广泛适用于航空航天、交通、城市建设、生活产品等多领域。太阳能光伏发电技术越来越受到青睐，拥有广阔的应用前景，也正在成为我国可再生能源的重要发展。本文对太阳能光伏发电系统的原理进行详细的分析阐述。

关键字：光伏发电；独立系统；并网系统

中图分类号：TK51文献标识码： A 文章编号：

0、引言

随着世界经济的飞速发展，人类对于能源的需求越来越大，造成了能源供需的矛盾与环境问题的压力已经不断的暴露问题，能源结构也急需调整来面临重大的挑战。目前地球上的石能源已经被超额开采，日渐紧缺，核动力发电的发展也因为核辐射的安全技术遇到瓶颈，能源发展问题日益制约着社会经济的发展，能源压力不断增加，大力发展可再生的能源系统已经成为世界各国促进经济发展的当务之急。太阳能的取之不尽用之不竭，作为可再生的安全环保的新能源越来越受人们追捧。我国的太阳能资源非常的丰富，全国的国土面积约占2/3的日照时间在2200小时以上，也就是说我国陆地表面每年接受的太阳能辐射能量相当于4900亿吨标准煤燃烧释放的能量，如果将太阳能全部都用于发电，则相当于上万个三峡工程发电量的总和，所以利用太阳能发电的项目前景十分广阔。随着新技术和新材料的不断发展，对与太阳能的利用水平将越来越成熟，太阳能光伏发电也受到我国前所未有的重视。

1、光伏效应概述

光伏发电系统是利用半导体材料介质的光生伏打效应，该效应的存在将照在半导体上的光能直接转变为电能的。所谓的光生伏打效应，即当物体吸收光子时产生电动势的现象，是指在物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生了变化因而产生了电动势和电流的一种效应。光生伏打效应主要应用在半导体的PN结上，将辐射能转换成电能。大量的研究主要集中在太阳能的转换效率上，理论预期的效率为24％，仍需要不断研究提高转换效率。太阳能电池技术是太阳能光伏发电技术应用的关键元件，目前主要使用阳光下的光电转换效率最高的半导体PN结器件，将太阳能电池经过串联后对其进行封装保护，就可以制造出大面积的太阳电池组件，同时使用调节控制器等部件就形成了太阳能光伏发电系统。

2、太阳能光伏发电系统的原理及组成

太阳能光伏发电系统一般可以分为独立系统、并网系统和混合系统等三类。根据其应用的形式、规模以及负载的类型可以细分为：简单直流系统；大、小型太阳能供电系统；交、直流供电系统；并网系统和并网混合系统。

（1）简单直流系统中的负载为直流负载，同时对于负载的使用时间没有特别的要求，该类型负载主要是在白天时使用，直接用太阳能光伏发电组件给负载供电。常常用于光伏水泵系统以及一些白天使用的临时设备设施中。

（2）小型太阳能供电系统主要使用在直流负载且负载功率比较小的设备上，比较适用于解决偏远无电地区家庭基本的照明问题。大型太阳能供电系统的负载功率一般比较大，因此需要使用比较大的光伏电池组件和蓄电池组，常常使用在通信遥测监测设备等领域。

（3）交、直流供电系统能够同时为直流和交流的负载提供电能。交流电能是通过在系统结构上增加逆变器将直流电转换为交流电来满流负载的需求。

（4）并网系统是将太阳能光伏电池组件产生的直流电通过并网逆变器，将直流电转换成符合市电电网要求的交流电后，接入公共电网提供给用户电能。

（5）并网混合供电系统是将太阳能光伏电池组件、市电和备用燃油发电机等发电技术的优点综合利用，其是将市电和太阳能光伏电池组件进行并行的工作，对于用户负载如果光伏电池组件所产生的电能能够满足负载的使用，则该系统将直接使用光伏电池组件产生的电能来供给负载使用，同时将多余的电能反馈到电网。如果太阳能光伏电池组件不能够产生足够的电能给负载，则将启动市电来满足要求。如果市电发生故障同时光伏电池组件产生的电能不能够供负载使用，则系统将自动断开市电并启动燃油发电机组来满足负载。

独立光伏发电系统的组成主要由太阳能电池、调节控制器、阻塞二极管和蓄电池等电器件组成，可以作为太阳能用户的电源系统、通讯信号的电源、太阳能路灯、为边远地区供电的系统等用途。并网太阳能光伏发电系统即在独立光伏发电系统的基础上使用逆变器将直流电转换为交流电并入电网中，同用户使用电能。如图1所示为独立太阳能光伏发电系统的结构示意图。

图1 太阳能光伏发电系统结构示意图

1.太阳能电池方阵

太阳能电池方阵是由单个个体的太阳能电池进行封装，根据一定的电压和功率的要求进组合。同时也可以根据需要可由太阳能电池的小组合来构成太阳能光伏发电系统的电池方阵。根据实际经验可知，组合的太阳能电池方阵的工作电压一般是负载工作电压的1.4倍左右。

2.阻塞二极管

阻塞二极管的作用是为了避免太阳能电池方阵不发电或者出现短路故障不工作时，为了使蓄电池不会通过太阳能电池放电，因此将其串联在太阳能电池方阵电路中起到单向导通的作用，这样就能阻止蓄电池放电。

3.蓄电池组

太阳能电池方阵只有在有光照射时工作，输出功率，但在晚上或者阴雨天时，由于没有光线而不能工作，因此需要将太阳能电池方阵有光时产生的电能储存起来，以提供使用。其系统中的储能蓄电池有两个作用：一是储存电能以供使用；二是确定太阳能电池方阵发电的工作点，同时能够起到钳位和稳定作用，不论方阵电压随光照如何变动，输出的电压一定被钳位于蓄电池的电压上。

4.调节控制器

控制器的主要功能是为了防止电池方阵对蓄电池过充电或对负载过放电。对于铅酸蓄电池充电到单体电池的平均电压在2.38～2.42V时开始控制停止充电或者涓流充电。蓄电池放电时，需要根据不同的放电率将单体电池放电到平均电压为1.8～2.0V时控制停止放电，对蓄电池进行保护。

并网光伏发电系统中与电网相连，同时向电网馈送电能，当太阳能电池输出的电能不能够满足负载的要求时，则由电网进行补充；而当其输出的功率超出负载的需求时，将电能输送到电网中。如图2所示是一个太阳能光伏并网发电系统的示意图。电池方阵除了保证负载的正常供电外，将多余的电能通过双向直流变换器储存到蓄电池或超级电容中；当日光不足时，光伏阵列不足以提供负载所需的电能，双向直流变换器反向工作向负载提供电能。双向直流变换器作为蓄电池的充放电管理器,它的电气性能直接影响到发电系统蓄电池的效率和使用寿命。

5.逆变器

如今在很多场合都需要提供AC220V或AC110V的交流电源，由于太阳能电池直接输出的电压一般都为DC12V、DC24V、DC48V，为了能够向AC220V或AC110V的电器提供电能，因此需要将太阳能发电系统产生的直流电转换成交流电，需要使用直流转交流（DC-AC）的逆变器。逆变器是系统的关键部件，具有较高的要求：a.具有较高的效率。因为太阳电池的价格相对比较昂贵，为了能够最大限度地利用太阳电池，则需要提高系统的效率，必须要想方设法的提高逆变电源的效率。b.具有较高的可靠性。因为光伏发电系统主要使用在边远地区，许多电站都无人值守和维护，所以就要求逆变电源具有合理的电路结构，可靠性比较高。同时逆变电源要具备各种保护功能。C.直流输入电压有较宽的适应范围。因为太阳能电池的端电压随着负载和日照强度的变化而变化，虽然蓄电池能对太阳能电池的电压起到钳位作用，但是蓄电池的电压也会随着蓄电池的剩余容量和内阻的变化而波动，因此就需要逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保证正常的工作，并保证交流输出电压的稳定。d.在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应该是失真度较小的正弦波电压。因为在中、大容量系统中，如果采用方波供电，则输出将会含有较多的谐波分量，高次谐波也将产生附加损耗，同时许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对于电网的品质有较高的要求，且为了避免对公共电网的电力污染，也要求逆变器输出正弦波电流。

图2 太阳能光伏发电并网发电系统

3、结论

太阳能发电是目前最大的绿色能源，太阳能的利用在今后将是我国能源结构调整以及变革比较可行的解决方案。目前我国是全球前十大太阳能光伏发电市场中，唯一位于阳光地带地区的国家，经过多年的发展和技术上的突破，我国已经拥有世界上最大规模的太阳能光伏发电能力，随着其技术的日益成熟，成本也将进一步不断的降低，太阳能光伏发电不论是从技术方面还是应用的角度都具备了走入寻常百姓的生活中，相信在不久的将来绿色节能低碳环保的新生活会走进千家万户。

参考文献

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[3]黄汉云.太阳能光伏发电应用原理[M],化学工业出版社,2009.

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