光伏電源系統(tǒng)的組成和原理

1、光伏電源系統(tǒng)的原理及組成首先太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)是利用以光生伏打效應(yīng)原理制成的太陽能電池將太 陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。它由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池組、 直流/交流逆變器等部分組成，其系統(tǒng)組成如圖所示。1. 太陽能電池方陣:2 2太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般為4cm到100c m不等。太陽能2電池單體的工作電壓約為,工作電流約為20- 25mA/cm 般不能單獨作為電源使 用。將太陽能電池單體進行串并聯(lián)封裝后，就成為太陽能電池組件，其功率一般為 幾瓦至幾十瓦，是可以單獨作為電源使用的最小單元。太陽能電池組件再經(jīng)過串并 聯(lián)組合安裝在支架上，就構(gòu)成了太陽能電池方陣，可以

2、滿足負載所要求的輸出功率 (見圖1-2)。(1) 硅太陽能電池單體常用的太陽能電池主要是硅太陽能電池。晶體硅太陽能電池由一個晶體硅片組 成，在晶體硅片的上表面緊密排列著金屬柵線， 下表面是金屬層。硅片本身是P型硅, 表面擴散層是N區(qū)，在這兩個區(qū)的連接處就是所謂的 PN結(jié)。PN吉形成一個電場。太陽 能電池的頂部被一層抗反射膜所覆蓋，以便減少太陽能的反射損失。太陽能電池的工作原理如下：光是由光子組成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波長 決定，光被晶體硅吸收后，在 PN吉中產(chǎn)生一對對正負電荷，由于在 PN結(jié) 區(qū)域的正負電荷被分離，因而可以產(chǎn)生一個外電流場，電流從晶體硅片電池 的底端經(jīng)

3、過負載流至電池的頂端。這就是“光生伏打效應(yīng)”。圖1 2広陽能電池單體.組件和方陣將一個負載連接在太陽能電池的上下兩表面間時，將有電流流過該負載，于是 太陽能電池就產(chǎn)生了電流；太陽能電池吸收的光子越多，產(chǎn)生的電流也就越大。光 子的能量由波長決定，低于基能能量的光子不能產(chǎn)生自由電子，一個高于基能能量 的光子將僅產(chǎn)生一個自由電子，多余的能量將使電池發(fā)熱，伴隨電能損失的影響將 使太陽能電池的效率下降。(2) 硅太陽能電池種類目前世界上有3種已經(jīng)商品化的硅太陽能電池： 單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽 能電池和非晶硅太陽能電池。對于單晶硅太陽能電池，由于所使用的單晶硅材料與 半導(dǎo)體工業(yè)所使用的材料具有相同的

4、品質(zhì)，使單晶硅的使用成本比較昂貴。多晶硅 太陽能電池的晶體方向的無規(guī)則性，意味著正負電荷對并不能全部被PN吉電場所分離，因為電荷對在晶體與晶體之間的邊界上可能由于晶體的不規(guī)則而損失，所以多 晶硅太陽能電池的效率一般要比單晶硅太陽能電池低。多晶硅太陽能電池用鑄造的 方法生產(chǎn)，所以它的成本比單晶硅太陽能電池低。非晶硅太陽能電池屬于薄膜電池，造價低廉，但光電轉(zhuǎn)換效率比較低，穩(wěn)定性也不如晶體硅太陽能電池，目前多數(shù)用 于弱光性電源，如手表、計算器等。一般產(chǎn)品化單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為13 15 %產(chǎn)品化多晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為11 13 %產(chǎn)品化非晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為5 8 %(3)

5、 太陽能電池組件一個太陽能電池只能產(chǎn)生大約電壓，遠低于實際應(yīng)用所需要的電壓。為了滿足 實際應(yīng)用的需要，需把太陽能電池連接成組件。太陽能電池組件包含一定數(shù)量的太 陽能電池，這些太陽能電池通過導(dǎo)線連接。一個組件上，太陽能電池的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量是 36片(10cm 10cm)，這意味著一個太陽能電池組件大約能產(chǎn)生 17V的電壓，正好能 為一個額定電壓為12V的蓄電池進行有效充電。通過導(dǎo)線連接的太陽能電池被密封成的物理單元被稱為太陽能電池組件，具有 一定的防腐、防風(fēng)、防雹、防雨等的能力，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域和系統(tǒng)。當(dāng)應(yīng)用領(lǐng) 域需要較高的電壓和電流而單個組件不能滿足要求時，可把多個組件組成太陽能電 池方陣，以獲得

6、所需要的電壓和電流。太陽能電池的可靠性在很大程度上取決于其防腐、防風(fēng)、防雹、防雨等的能力。其 潛在的質(zhì)量問題是邊沿的密封以及組件背面的接線盒。這種組件的前面是玻璃板，背面是一層合金薄片。合金薄片的主要功能是防 潮、防污。太陽能電池也是被鑲嵌在一層聚合物中。在這種太陽能電池組件中，電 池與接線盒之間可直接用導(dǎo)線連接。組件的電氣特性主要是指電流一電壓輸出特性，也稱為VI特性曲線，如圖1-3所示。VI特性曲線可根據(jù)圖1 3所示的電路裝置進行測量。VI特性曲 線顯示了通過太陽能電池組件傳送的電流Im與電壓Vm在特定的太陽輻照度下的關(guān)系。如果太陽能電池組件電路短路即 V= 0,此時的電流稱為短路電流Is

7、c ;如果電路 開路即I = 0，此時的電壓稱為開路電壓Voc。太陽能電池組件的輸出功率等于流經(jīng)該 組件的電流與電壓的乘積，即 P= VX I 。I:電流 Isc:短路電流 Im:最人工作電流V:電IK Vac:開躋電壓 Vnrr最人丁任電壓圖1-3太陽能電池的電流一電壓特性曲線當(dāng)太陽能電池組件的電壓上升時，例如通過增加負載的電阻值或組件的電壓從 零（短路條件下）開始增加時，組件的輸出功率亦從 0開始增加；當(dāng)電壓達到一定值 時，功率可達到最大，這時當(dāng)阻值繼續(xù)增加時，功率將躍過最大點，并逐漸減少至 零,即電壓達到開路電壓Voc。太陽能電池的內(nèi)阻呈現(xiàn)出強烈的非線性。在組件的輸出功率達到最大點，稱為

8、最大功率點；該點所對應(yīng)的電壓，稱為最大功率點電壓Vm（又稱為最大工作電壓）；該點所對應(yīng)的電流，稱為最大功率點電流Im （又稱為最大工作電流）；該點的功率，稱為最大功率Pm隨著太陽能電池溫度的增加，開路電壓減少，大約每升高 1° C每片電池的電壓 減少5mV相當(dāng)于在最大功率點的典型溫度系數(shù)為- /° G也就是說，如果太陽能 電池溫度每升高1° C,則最大功率減少 %所以，太陽直射的夏天，盡管太陽輻射量 比較大，如果通風(fēng)不好，導(dǎo)致太陽電池溫升過高，也可能不會輸出很大功率。由于太陽能電池組件的輸出功率取決于太陽輻照度、太陽能光譜的分布和太陽 能電池的溫度，因此太陽能電池

9、組件的測量在標(biāo)準(zhǔn)條件下（STC進行，測量條件被歐洲委員會定義為101號標(biāo)準(zhǔn)，其條件是：2光譜輻照度1000W/m大氣質(zhì)量系數(shù)太陽電池溫度25 °C在該條件下，太陽能電池組件所輸出的最大功率被稱為峰值功率，表示為 Wppeak watt）。在很多情況下，組件的峰值功率通常用太陽模擬儀測定并和國際認 證機構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化的太陽能電池進行比較。通過戶外測量太陽能電池組件的峰值功率是很困難的，因為太陽能電池組件所 接受到的太陽光的實際光譜取決于大氣條件及太陽的位置； 此外，在測量的過程中， 太陽能電池的溫度也是不斷變化的。在戶外測量的誤差很容易達到10或更大。如果太陽電池組件被其它物體 ( 如鳥糞

10、、樹蔭等 ) 長時間遮擋時，被遮擋的太陽 能電池組件此時將會嚴(yán)重發(fā)熱，這就是“熱斑效應(yīng)”。這種效應(yīng)對太陽能電池會造 成很嚴(yán)重地破壞作用。有光照的電池所產(chǎn)生的部分能量或所有的能量，都可能被遮 蔽的電池所消耗。為了防止太陽能電池由于熱班效應(yīng)而被破壞，需要在太陽能電池組件的正負極間并聯(lián)一個旁通二極管，以避免光照組件所產(chǎn)生的能量 被遮蔽的組件所消耗。連接盒是一個很重要的元件：它保護電池與外界的交界面及各組件內(nèi)部連接的 導(dǎo)線和其他系統(tǒng)元件。它包含一個接線盒和 1只或 2只旁通二極管。2充放電控制器：充放電控制器是能自動防止蓄電池組過充電和過放電并具有簡單測量功能的 電子設(shè)備。由于蓄電池組被過充電或過放電

11、后將嚴(yán)重影響其性能和壽命，充放電控 制器在光伏系統(tǒng)中一般是必不可少的。充放電控制器，按照開關(guān)器件在電路中的位 置，可分為串聯(lián)控制型和分流控制型； 按照控制方式， 可分為普通開關(guān)控制型 ( 含單 路和多路開關(guān)控制)和PW脈寬調(diào)制控制型(含最大功率跟蹤控制器)。開關(guān)器件，可 以是繼電器，也可以是MOSFE模塊。但PW脈寬調(diào)制控制器，只能用MOSFE模塊作為 開關(guān)器件。3直流 / 交流逆變器：逆變器是將直流電變換成交流電的電子設(shè)備。由于太陽能電池和蓄電池發(fā)出的是直 流電，當(dāng)負載是交流負載時，逆變器是不可缺少的。逆變器按運行方式，可分為獨 立運行逆變器和并網(wǎng)逆變器。 獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能

12、電池發(fā)電系統(tǒng)， 為獨立負載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，將發(fā)出的電能 饋入電網(wǎng)。 逆變器按輸出波形， 又可分為方波逆變器和正弦波逆變器。 方波逆變器， 電路簡單， 造價低， 但諧波分量大， 一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統(tǒng)。 正弦波逆變器，成本高，但可以適用于各種負載。從長遠看，SPW脈寬調(diào)制正弦波逆變器將成為發(fā)展的主流。4蓄電池組：其作用是儲存太陽能電池方陣受光照時所發(fā)出的電能并可隨時向負載供電。 太 陽能電池發(fā)電系統(tǒng)對所用蓄電池組的基本要求是： (1) 自放電率低；(2) 使用壽命長； (3) 深放電能力強； (4) 充電效率高； (5) 少維護或免維護； (6

13、) 工作溫度范圍寬； (7) 價格低廉。目前我國與太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池和鎘鎳蓄電池。配套200Ah以上的鉛酸蓄電池，一般選用固定式或工業(yè)密封免維護鉛酸蓄電池； 配套200Ah以下的鉛酸蓄電池，一般選用小型密封免維護鉛酸蓄電池。5測量設(shè)備： 對于小型太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，只要求進行簡單的測量，如蓄電池電壓和充放電電 流，測量所用的電壓和電流表一般裝在控制器面板上。對于太陽能通信電源系統(tǒng)、 陰極保護系統(tǒng)等工業(yè)電源系統(tǒng)和大型太陽能發(fā)電站，往往要求對更多的參數(shù)進行測 量，如太陽能輻射量、環(huán)境溫度、充放電電量等，有時甚至要求具有遠程數(shù)據(jù)傳輸、 數(shù)據(jù)打印和遙控功能，這時要求為太

14、陽能電池發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)配備智能化的“數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)”和“微機監(jiān)控系統(tǒng)”。6太陽能光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計：太陽能光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計分為軟件設(shè)計和硬件設(shè)計，且軟件設(shè)計先于硬件設(shè) 計。軟件設(shè)計包括：負載用電量的計算，太陽能電池方陣面輻射量的計算，太陽能 電池、蓄電池用量的計算和二者之間相互匹配的優(yōu)化設(shè)計，太陽能電池方陣安裝傾 角的計算，系統(tǒng)運行情況的預(yù)測和系統(tǒng)經(jīng)濟效益的分析等。硬件設(shè)計包括：負載的 選型及必要的設(shè)計，太陽能電池和蓄電池的選型，太陽能電池支架的設(shè)計，逆變器 的選型和設(shè)計， 以及控制、 測量系統(tǒng)的選型和設(shè)計。 對于大型太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)， 還要有方陣場的設(shè)計、防雷接地的設(shè)計、配電系統(tǒng)的設(shè)計以及輔

15、助或備用電源的選 型和設(shè)計。 軟件設(shè)計由于牽涉到復(fù)雜的輻射量、 安裝傾角以及系統(tǒng)優(yōu)化的設(shè)計計算， 一般是由計算機來完成；在要求不太嚴(yán)格的情況下，也可以采取估算的辦法。 太陽能輻射原理：太陽電池發(fā)電的全部能量來自于太陽，也就是說，太陽電池方陣面上所獲得的輻射 量決定了它的發(fā)電量。太陽電池方陣面上所獲得輻射量的多少與很多因素有關(guān)：當(dāng) 地的緯度，海拔，大氣的污染程度或透明程度，一年當(dāng)中四季的變化，一天當(dāng)中時 間的變化，到達地面的太陽輻射直、散分量的比例，地表面的反射系數(shù)，太陽電池 方陣的運行方式或固定方陣的傾角變化以及太陽電池方陣表面的清潔程度等。要想 較為準(zhǔn)確地推算出太陽電池方陣面上所獲得的輻射量

16、，必須對太陽輻射的基本概念 有所了解。太陽輻射的基本定律 太陽輻射的直散分離原理、布格朗伯定律和余弦定律是我們所要了解的三條 最基本的定律。直散分離原理： 大地表面（即水平面）和方陣面（即傾斜面）上所接收到的輻射量均符合直散分離 原理，只不過大地表面所接收到的輻射量沒有地面反射分量，而太陽電池方陣面上 所接收到的輻射量包括地面反射分量：Q= S +DQ= S +D+Rp p p T T T TQp: 水平面總輻射Sp: 水平面直接輻射Dp: 水平面散射輻射QT : 傾斜面總輻射S: 傾斜面直接輻射DT: 傾斜面地面反射 布格-朗伯定律 :mS'= SFD02S ：太陽常數(shù) 1350W/

17、m0S':直接輻射強度DF: 大氣透明度m 大氣質(zhì)量 m=1/Sin a x P/P0a: 太陽高度角Po: 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓Sin a = Sin © Sin S +Cos © Cos S Cos®S :太陽赤緯角S =（360*（284+N）/365） ©:當(dāng)?shù)鼐暥龋? 90° ）cd:時角（地球自轉(zhuǎn)一周360度，24小時） 15度/小時或 4分鐘/度 余弦定律 :Sp' = S ' Sin aDS' = S ' C03TDD' = Dp ' (1+CosZ)/2R' = Qp

18、9;(1 -CosZ)/2Q = S +D+RT T T T太陽電池發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計 （以某高山氣象站為例 ）: 當(dāng)?shù)貧庀蟮乩項l件:由當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供前 10年的平均數(shù)據(jù)。 緯度: 北緯 30-45 度經(jīng)度: 東經(jīng) 90-120 度海拔: 1000-4000 米最長陰雨天 : 3 天水平面全年總輻射量為 :165 千卡/ 厘米2。 太陽電池方陣面上的總輻射為 180千卡/厘米2。負載情況編號負戟名稱負我功率（瓦）母日工件時間（小時）SnM電（瓦時）1遍測儀（自動站）AC30W247202微機.打印機019303照明AC80W54004通信設(shè)備AC1O0K121200554OW4300電源系統(tǒng)容量

19、設(shè)計步驟： 太陽電池組件的選型：太陽電池選用秦皇島華美光伏電源系統(tǒng)有限公司的組件型號為：33D1312X310開路電壓：21V短路電流：峰值電壓：17V峰值電流：峰值功率：38 Wp 計算等效的峰值日照時數(shù)：全年峰值日照時數(shù)為:180000 X =2088小時為將輻射量（卡/cm2）換算成峰值日照時數(shù)的換算系數(shù):峰值日照定義:100毫瓦/cm2=瓦/cm21卡二焦耳二瓦秒1小時=3600秒則:1卡/cm2=瓦秒/卡/（3600秒/小時X瓦/cm2）=小時cm2/卡 于是:180000卡/cm2年X 小時cm2/卡=2088小時/年 平均每日峰值日照時數(shù)為：2088一365=小時/日 根據(jù)系統(tǒng)工

20、作電壓等級確定太陽電池組件的串聯(lián)數(shù)：系統(tǒng)工作電壓一般選擇原則：戶用系統(tǒng)為12VD（或24VDC通信系統(tǒng)為48VDC電力系統(tǒng)為110VDC大型電站為220VD%或更高。每塊標(biāo)準(zhǔn)組件峰值電壓為17V,設(shè)計為對12V蓄電池充電，4塊組件串聯(lián)對48V蓄電池 充電，因此，所需太陽電池的串聯(lián)數(shù)為 4塊。 計算每日負載耗電量為：4300W* 48V= 計算所需太陽電池的總充電電流為：XXX =其中：:蓄電池的充電效率:逆變器效率:20年內(nèi)太陽電池衰降，方陣組合損失，塵埃遮擋等綜合系數(shù)。 計算所需太陽電池的并聯(lián)數(shù)為：塊=10塊 計算所需太陽電池的總功率為：（10X 4）塊X 38峰瓦/塊=1520峰瓦 計算所

21、需蓄電池容量：蓄電池選用江蘇雙登全密封閥控式工業(yè)用鉛酸蓄電池天X3天（連續(xù)陰雨天數(shù)）* = 400Ah:蓄電池放電深度。選用GFM-400型蓄電池（10小時放電率的額定容量為400安時）24只（48V） 上面的計算可以由設(shè)計軟件在幾分鐘之內(nèi)完成，下面給出一個計算實例：探圳中興通笛工程太陽髄系統(tǒng)容量計算你荷容摘:10 00瓦骷址:蘇丹、序舄項目單位備注1i水平聞總輻射址Calcnn21800002年衣陽電池核愉斛面總耘Cal/cm2207QO03TWCOt?瓦衣陽電池發(fā) 電址kwh2401-1日W00峰誠太陽電池發(fā)電itwpHr6.58（年發(fā)電ft/365J）5系統(tǒng)電壓（DC）V48根抵電路系統(tǒng)

22、要求決定系貌 電Hi大小6細件峰值電壓V17.5根抵組井具體怙況埴寫電壓 大小7訥件峰值電堿Ari根據(jù)組杵具休情況填彎電流 夫小S銅件峰值功辜Wp根據(jù)組件具休情況填7；wpX 小g齟件串聯(lián)-4唄系統(tǒng)電用大小抉定串聯(lián), 數(shù)10負商容吐w100011負荷平溝每氏時間小時2412H負荷消*15h電戢Whmoo（負荷容盤vr負荷H 1作時 間）13逆變器效率%L無逆變器tlH負荷消Ft Ah電最A(yù)h500.0H負荷消費電爲(wèi)W係統(tǒng)也討 逆變效率15希晏尢陽電池的電謙畳Ar gg. 75IB日町Sr住罐螢和惴皆弋吿卓16需要衣陽電池爼件的井豔數(shù)-50甜老丸陽電池的電iFfwm件蜂值電謊17需翌太陽電池細件

23、功車Wpr 73S1118稚電池電kVIS19天敢520著電池放電廉度%0.821需業(yè)的蓄電池律量Ah187522選定幫電池容暈Ah200048V/2000Ah23選定薔電池容常Wh9600024系統(tǒng)醤電池單價JE/Wh1. 225系統(tǒng)醤電池價瞄11520026系統(tǒng)太陽電池單價兀/wp含支架27系統(tǒng)A陽電池費用元34116128控制器價格元20000輸入12路每路20人輸出2 路毎路2DA29逆變骼價格元30其他元31合計元47636132三.光伏電源充放電控制器:1控制器的功能：(1) 高壓(HVD斷開和恢復(fù)功能：控制器應(yīng)具有輸入高壓斷開和恢復(fù)連接的功 能。(2) 欠壓(LVG告警和恢復(fù)功能

24、：當(dāng)蓄電池電壓降到欠壓告警點時，控制器應(yīng) 能自動發(fā)出聲光告警信號。(3) 低壓(LVD斷開和恢復(fù)功能：這種功能可防止蓄電池過放電。通過一種繼 電器或電子開關(guān)連結(jié)負載，可在某給定低壓點自動切斷負載。當(dāng)電壓升到安全運行 范圍時，負載將自動重新接入或要求手動重新接入。有時，采用低壓報警代替自動 切斷。(4) 保護功能： 防止任何負載短路的電路保護。 防止充電控制器內(nèi)部短路的電路保護。 防止夜間蓄電池通過太陽電池組件反向放電保護。 防止負載、太陽電池組件或蓄電池極性反接的電路保護。 在多雷區(qū)防止由于雷擊引起的擊穿保護。(5) 溫度補償功能：當(dāng)蓄電池溫度低于2 5C時，蓄電池應(yīng)要求較高的充電電壓， 以便完成充電過程。相反，高于該溫度蓄電池要求充電電壓較低。通常鉛酸蓄電池的溫度補賞系數(shù)為 5mv/oC/CELL。2. 控制器的基本技術(shù)參數(shù)：(1) 太陽電池輸入路數(shù)：1 12路(2) 最大充電電流：(3) 最大放電電流：( 4) 控制器最大自身耗電不得超過其額定充電電流的 1% (5)通過控制器的電壓降不得超過系統(tǒng)額定電壓的 5%(6) 輸入輸出開關(guān)器件：