1、 5 / 6 光伏發電原理 1光伏發電系統組成及運行方式 1.1離網型光伏發電系統的組成 00 DCL494 一般來說，離網型太陽能光伏發電系統由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池 組、逆變器等部分組成。 1.1.1太陽能電池方陣 太陽能電池單體是光電轉換的最小單元，尺寸一般為2cm2cm到 15cmX15cm不等，單體工作電壓為 0.45-0.5V,工作電流為20-25mA/cm2。太陽 能組件是將太陽能電池單體進行串并聯封裝后形成的，其功率一般為幾瓦、幾十 瓦、可以單獨使用。當應用領域需要較高的電壓電流而單個組件不能滿足要求時， 可把多個組件連成太陽能電池方陣，以獲得需要的電壓電流。 單體組件

2、陣列 1.1.2防反充二極管 又稱阻塞二極管，其作用是避免由于太陽能電池方陣在陰雨天和夜晚不發電時 或出現短路故障時，蓄電池組通過太陽能電池方陣放電。 它串聯在太陽能電池方 陣電路中，其單向導通作用，一般選用合適的整流二極管即可。 1.1.3蓄電池組 蓄電池的作用是儲存太陽能電池方陣受光照時發出的電能并隨時向負載放電。 對其的基本要求有：（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）工作溫度范圍寬（7）價格低廉。目前我 國與太陽能系統配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池。 1.1.4控制器 光伏發電系統的核心部件之一，其一般具備如下功能： （1）信號

3、檢測 檢測光 伏發電系統各裝置和各單元的狀況與參數， 檢測的物理量有輸入電壓、充電電流、 輸出電壓、輸出電流以及蓄電池溫升。（2）最優充電控制 根據當前太陽能資源 情況和電池狀態確定最佳充電方式， 實現高效快速的充電。（3）蓄電池放電管理 對蓄電池放電過程進行管理，如負載控制自動開關機，實現軟啟動、防止負載接 入時蓄電池端電壓壓降而導致的錯誤保護。（4）設備保護 控制系統中因逆變器 故障而出現的過電壓和負載短路引起的過電流。（5）運行狀態指示 通過指示燈、 顯示器等方式指示光伏系統的運行狀態和故障信息。 1.1.5逆變器 逆變器是將直流電轉換為交流電的設備，由于太陽能電池方陣和蓄電池組發 出的

4、是直流電，而當負載是交流負載時，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逆變器。 獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能 電池發電系統，為獨立負載供電。并網逆變器用于并網運行的太陽能發電系統， 將發出的電饋入電網。逆變器按輸出波形可分方波逆變器和正弦逆變器，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的系 統，正弦波逆變器成本高，但可以適用于各種負載。 1.1.6測量設備 對于小型的太陽能發電系統，只要求簡單的測量，如蓄電池電壓和充放電電 流。對于中大型太陽能光伏電站，往往還要測量太陽輻射、環境氣溫、充放電電 量等。 1.2聯網型光伏發電系統的

5、組成 聯網型太陽能光伏發電系統可分為集中式大型聯網光伏系統（大型聯網光 伏電站）和分散式小型聯網光伏系統（住宅聯網型光伏系統）兩類。 大型聯網光伏電站所發電能直接輸送到電網上，由電網統一調配向用戶供 電，但建設投資大，建設周期長，控制配電復雜，占用大片土地，發電成本高， 發展較慢。 住宅聯網型光伏系統所發的電能直接分配到住宅的用電負載上，多余或不 足的電力通過連接電網來調節。 1.2.1太陽能電池方陣 太陽能電池方陣是聯網型光伏系統的主要部件，有其將接收到的太陽光能直 接轉換為電能，其單體同離網型太陽能電池單體相同。 住宅聯網型光伏系統的突出特點是與建筑相結合，按結合方式可分為建筑與 光伏系統

6、相結合（BAPV）和建筑和光伏組件相結合（BIPV）兩種型式。BAPV 是光伏與建筑相結合的第一步，是將現成的平板式光伏組件安裝在建筑物的屋頂 等處。BIPV是光伏與建筑相結合的進一步目標，是將光伏器件和建筑材料集成 化，把屋頂、向陽外墻、遮陽板甚至窗戶的材料用光伏器件來代替，既能作為建 筑材料和裝飾材料，又能發電，使光伏系統的造價降低，發電成本下降。 1.2.2聯網逆變器 聯網逆變器是聯網型光伏系統的核心部件和技術關鍵，聯網逆變器于獨立逆 變器的不同之處在于它不僅可將太陽能電池方陣發出的直流電轉換為交流電，并 且還可以對轉換的交流電的頻率、電壓、電流、相位、有功與無功、同步、電能 品質等進行

7、控制。聯網逆變器包括三部分（1）逆變系統 其功能是采用大功率晶 體管將直流高速切割，并轉換為交流。（2）控制部分 有電子回路組成，作用是控 制逆變部分（3）保護部分 有電子回路組成，作用是在逆變器內部故障時保護設 備。 2.太陽能電池 2.1半導體基礎知識 2.1.1本征半導體 完全純凈的具有晶體結構的半導體，用的最多的是硅和鍺，它們各有四個價 電子，都是四價元素 硅的微觀結構圖 2.1.2N型半導體和P型半導體 N型半導體是在硅和鍺中摻入少量磷，磷原子參加共價鍵結構只需四個價電子， 多余的一個價電子很容易掙脫磷原子核的束縛成為自由電子。P型半導體是在硅 和鍺晶體中摻入少量硼(或其他三價元素)

8、，每個硼原子只有三個價電子，在構 成共價鍵結構時將因缺少一個電子而產生一個空位。 Q 00 o O o 0 0 。 。 O & . * * P型和N型半導體微觀結構圖 2.1.3 PN 結 在一塊N(P)型半導體的局部再摻濃度較大的三價元素使其變為P(N)型半導體， 在P型半導體和N型半導體的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為PN結。其 微觀結構如圖，PN結具有單向導電性。 一N申于沖佯 * -C 1 + * + * J ，& -C1 c- ” + + 1- y O 1 4 1 一 * + + |#+ 一 一。 - *t+ O e !* 寸 q * * * F - 4- - r 十 * +-1

9、- -C- + 農制電荷応 1 捋號：解可動蔦第* PN結示意圖 2.2太陽能電池工作原理 太陽能電池工作原理的基礎是半導體 PN結的光生伏打效應，所謂的光生伏打效 應，就是當太陽光照射到太陽能電池時，電池吸收光能，產生光生電子 -空穴對， 在電池內建電場作用下，電池兩端出現異號電荷的積累， 從而產生光生電壓。其 原理示意圖如圖所示。 當太陽光照射P-N結時，在半導體內的電子由于獲得光能而釋放電子， 相應 的便產生電子-空穴對，并在內建電場的作用下，電子被驅向 N型區，空穴被驅 向P型區，從而在N區有過剩電子，P區有過?？昭?，于是在PN結附近形成了 與內建電場相反的光生電場。光生電場一部分抵消

10、內建電場，其余部分即光生伏 打電動勢。 2.2太陽能電池的結構 太陽能電池結構圖 3.鉛酸蓄電池 蓄電池是將電能轉換為化學能貯存起來，需要時再把化學能轉變為電能的一 種貯能裝置。在此介紹VRLA電池的結構和原理。 3.1結構 VRLA電池由正極板、負極板、隔板、電池槽蓋、硫酸電解質等主要組件組 成，其結構圖如圖所示。 VRLA電池結構圖 3.2基本原理 正極： pb2 HSO3H 2e pbSO 2H 2。 負極： Pb HS02e pbSQ H 4逆變器 逆變器也稱逆變電源，是將直流電能轉換為交流電能的變流裝置， 是太陽能 發電系統的一個重要部件。逆變器按輸出電壓波形可分為方波逆變器、正弦波逆 變器、和階梯波逆變器。按主電路拓撲結構可分為推挽逆變器、半橋逆變器、全 橋逆變器。按輸入直流電源性質可分為電壓源型逆變器、電流源行逆變器。 4.1推挽式逆變電路工作原理 圖示為單向推挽式逆變器的拓撲結構。 單向推挽式逆變器拓撲結構圖 該電路由2只共負極的功率開關元件和1個初級帶有中心抽頭的升壓變壓器 組成，當t1tt2時，T1功率管上加柵極驅動信號 Ug1，T1導通，T2截止，變 壓器輸出端感應出正電壓。當t3tt4時，T2功率管上加柵極驅動信號 Ug2, T2 導通，T1截止，變壓器輸出端感應出負電壓。 4.2單相全橋逆變電路工作原理 單相全橋逆變電路也稱 H橋電路