1、光伏發電系統太陽能是資源最豐富的可再生能源。具有獨特的優勢和巨大的開發利用潛力，充分利用太陽能有利于保持人與自然的和諧及能源與環境的協調發展。人類對太陽能的早期利用主要是光和熱。光伏發電技術的出現為太陽能利用開辟了廣闊的領域。上世紀90年代以來，太陽能光伏發電的發展很快，已廣泛用于航天、通訊、交通，以及偏遠地區居民生活等領域。 太陽能光伏發電是直接將太陽能轉換為電能的一種發電形式。在光照條件下，太陽電池組件產生一定的電動勢，通過組件的串并聯形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達到系統輸入電壓的要求。通過充放電控制器對蓄電池進行充電，將光能轉換成的電能貯存起來，以便夜晚和陰雨天使用；或者通過逆變器將

2、直流電轉換成交流電后與電網相連，向電網供電。1 太陽能光伏發電系統的組成 太陽能光伏發電技術主要涉及太陽能電池和矩陣、電源轉換(逆變器、充電器)、控制系統、儲能系統、并網技術等領域，本文主要就太陽能并網電站涉及的主要技術進行綜述。 1.1 太陽能電池方陣 太陽光照在半導體p-n結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結電場的作用下，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路后就形成電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。 太陽能發電方式太陽能發電有兩種方式，一種是光熱電轉換方式，另一種是光電直接轉換方式。 1.1.1 光熱電轉換方式 光熱電轉換方式通過利用太陽輻射產生的熱能發電，一般是由太

3、陽能集熱器將所吸收的熱能轉換成工質的蒸氣，再驅動汽輪機發電。前一個過程是光熱轉換過程；后一個過程是熱電轉換過程，與普通的火力發電一樣.太陽能熱發電的缺點是效率很低而成本很高，估計它的投資至少要比普通火電站貴510倍.一座1000MW的太陽能熱電站需要投資2025億美元，平均1kW的投資為20002500美元。因此，目前只能小規模地應用于特殊的場合，而大規模利用在經濟上很不合算，還不能與普通的火電站或核電站相競爭。 1.1.2 光電直接轉換方式 光電直接轉換方式該方式是利用光電效應，將太陽輻射能直接轉換成電能，光電轉換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉化

4、為電能的器件，是一個半導體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產生電流。簡單的說就是:在有光照(無論是太陽光還是其它發光體產生的光照)情況下，電池吸收光能，電池兩端出現異號電荷的積累，即產生“光生電壓”，這就是“光生伏打效應”。在光生伏打效應的作用下，太陽能電池的兩端產生電動勢，將光能轉換成電能，如同一個能量轉換器。太陽能電池一般為硅電池，分為單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。 當許多個電池串聯或并聯起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優點.太陽能電

5、池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發電、核能發電相比，太陽能電池不會引起環境污染；太陽能電池可以大中小并舉，大到百萬千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽能電池組，這是其它電源無法比擬的。 1.1.3 太陽能電池技術發展 太陽能電池技術是太陽能發電技術的主要組成部分。太陽能電池主要有以下幾種類型：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、碲化鎘電池、銅銦硒電池等。晶硅類電池分為單晶硅電池組件和多晶硅電池組件，兩種組件最大的差別是單晶硅組件的光電轉化效率略高于多晶硅組件，也就是相同功率的電池組件，單晶硅組件的面積小于多晶硅組件的面積。單晶硅、多晶硅太陽能

6、電池具有制造技術成熟、產品性能穩定、使用壽命長、光電轉化效率相對較高的特點。 非晶硅薄膜太陽能電池具有弱光效應好，成本相對于硅太陽能電池較低的優點。而碲化鎘、銅銦硒電池則由于原材料劇毒或原材料稀缺性，其規模化生產受到限制。 我國從上世紀50年代起就開始對太陽能電池進行研究，上世紀80至90年代先后從國外引進多條太陽能電池生產線。近幾年，太陽能電池的研究開發和生產飛躍發展。整體上看，我國不但在太陽能電池生產能力上進入國際先進行列，而且在薄膜太陽能電池的研究開發上達到國際先進水平，同時還在新的有機納米晶太陽能電池的研究中取得國際領先成果。 目前，薄膜電池的轉換效率達到68，近兩年內可達到1012，

7、五年內有望達到18%，其功率衰退問題也已解決。薄膜電池對弱光的轉化率十分高，即使在5月天照樣能夠發電。其技術正在成為太陽能電池主流技術，與晶體硅太陽能電池技術并駕齊驅。 1.2 控制器 太陽能控制器全稱為太陽能充放電控制器，是用于太陽能發電系統中，控制多路太陽能電池方陣對蓄電池充電以及蓄電池給太陽能逆變器負載供電的自動控制設備。太陽能控制器采用高速CPU微處理器和高精度A/D模數轉換器，是一個微機數據采集和監測控制系統。既可快速實時采集光伏系統當前的工作狀態，隨時獲得PV站的工作信息，又可詳細積累PV站的歷史數據，為評估PV系統設計的合理性及檢驗系統部件質量的可靠性提供了準確而充分的依據。此外

8、，太陽能控制器還具有串行通信數據傳輸功能，可將多個光伏系統子站進行集中管理和遠距離控制。太陽能控制器通常有6個標稱電壓等級：12V、24V、48V、110V、220V、500V . 控制器對整個系統實施過程控制，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，控制器還應具備溫度補償的功能。 1.3逆變器 由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，當負載是交流負載時，逆變器是將直流電轉換成交流電的必不可少的設備。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電池發電系統。逆變器按輸出波型可分

9、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；正弦波逆變器成本高，但可以適用于各種負載。 逆變器是一種電源轉換裝置，太陽能逆變器的作用是將太陽能電池產生的DC電壓轉換成為電網兼容的AC輸出。太陽能發電系統對逆變器的主要要求是可靠、效率高、波形畸變小、功率因數高。在可靠性和可恢復性方面，要求逆變器應具有一定的抗干擾能力、環境適應能力、瞬時過載能力及各種保護功能。 1.3.1 太陽能逆變方式 由于建筑的多樣性，勢必導致太陽能電池板安裝的多樣性，為了使太陽能的轉換效率最高同時又兼顧建筑的外形美觀，這就要求我們的逆變器的多樣化，來實現最

10、佳方式的太陽能轉換。現在世界上比較通行的太陽能逆變方式為：集中逆變器、組串逆變器，多組串逆變器和組件逆變，現將幾種逆變器運用的場合加以分析。 1.集中逆變 集中逆變一般用與大型光伏發電站（>10kW）的系統中，很多并行的光伏組串被連到同一臺集中逆變器的直流輸入端，一般功率大的使用三相的IGBT功率模塊，功率較小的使用場效應晶體管，同時使用DSP轉換控制器來改善所產出電能的質量，使它非常接近于正弦波電流。最大特點是系統的功率高，成本低。但受光伏組串的匹配和部分遮影的影響，導致整個光伏系統的效率和電產能。同時整個光伏系統的發電可靠性受某一光伏單元組工作狀態不良的影響。最新的研究方向是運用空間

11、矢量的調制控制，以及開發新的逆變器的拓撲連接，以獲得部分負載情況下的高的效率。 在SolarMax（索瑞·麥克）集中逆變器上，可以附加一個光伏陣列的接口箱，對每一串的光伏帆板串進行監控，如其中有一組串工作不正常，系統將會把這一信息傳到遠程控制器上，同時可以通過遠程控制將這一串停止工作，從而不會因為一串光伏串的故障而降低和影響整個光伏系統的工作和能量產出。 2. 組串逆變 組串逆變器已成為現在國際市場上最流行的逆變器。組串逆變器是基于模塊化概念基礎上的，每個光伏組串（1kW-5kW）通過一個逆變器，在直流端具有最大功率峰值跟蹤，在交流端并聯并網。許多大型光伏電廠使用組串逆變器。優點是不

12、受組串間模塊差異和遮影的影響，同時減少了光伏組件最佳工作點。 與逆變器不匹配的情況，從而增加了發電量。技術上的這些優勢不僅降低了系統成本，也增加了系統的可靠性。同時，在組串間引入“主-從”的概念，使得在系統在單串電能不能使單個逆變器工作的情況下，將幾組光伏組串聯系在一起，讓其中一個或幾個工作，從而產出更多的電能。最新的概念為幾個逆變器相互組成一個“團隊”來代替“主-從”的概念，使得系統的可靠性又進了一步。目前，無變壓器式組串逆變器已占了主導地位。 3.多組串逆變多組串逆變是取了集中逆變和組串逆變的優點，避免了其缺點，可應用于幾千瓦的光伏發電站。在多組串逆變器中，包含了不同的單獨的功率峰值跟蹤和

13、直流到直流的轉換器，這些直流通過一個普通的直流到交流的逆變器轉換成交流電，并網到電網上。光伏組串的不同額定值（如：不同的額定功率、每組串不同的組件數、組件的不同的生產廠家等等）、不同的尺寸或不同技術的光伏組件、不同方向的組串（如：東、南和西）、不同的傾角或遮影，都可以被連在一個共同的逆變器上，同時每一組串都工作在它們各自的最大功率峰值上。同時，直流電纜的長度減少、將組串間的遮影影響和由于組串間的差異而引起的損失減到最小。 4.組件逆變器 組件逆變器是將每個光伏組件與一個逆變器相連，同時每個組件有一個單獨的最大功率峰值跟蹤，這樣組件與逆變器的配合更好。通常用于50W到400W的光伏發電站，總效率

14、低于組串逆變器。由于是在交流處并聯，這就增加了交流側的連線的復雜性，維護困難。另一需要解決的是怎樣更有效的與電網并網，簡單的辦法是直接通過普通的交流電插座進行并網，這樣就可以減少成本和設備的安裝，但往往各地的電網的安全標準也許不允許這樣做，電力公司有可能反對發電裝置直接和普通家庭用戶的普通插座相連。另一和安全有關的因素是是否需要使用隔離變壓器（高頻或低頻），或者允許使用無變壓器式的逆變器。這一逆變器在玻璃幕墻中使用最為廣泛。 1.3.2逆變器性能分析 太陽能逆變器的效率指的是逆變器把直流電轉換為交流電的效率，在逆變器輸出效率方面，由于現在常用的太陽電池矩陣的光電轉換效率小于15%，如果逆變器效

15、率低，將太陽電池好不容易轉換來的電能損耗掉，則十分可惜，這樣勢必要增加矩陣中太陽電池組件的數量，增大矩陣所占的面積，從而大大增加太陽能發電設備的投資和土建費用。所以，要求逆變器效率要大于90。大功率逆變器在滿載時，效率必須在90或95以上，中小功率的逆變器在滿載時，效率必須在85或90以上。在逆變器額定功率10的情況下，也要保證90以上的轉換效率(大功率逆變器)。 對于逆變器輸出波形，為使光伏陣列所產生的直流電源逆變后向公共電網并網供電，就必須對逆變器的輸出電壓波形、幅值及相位等與公共電網一致，實現向電網無擾動平滑供電，輸出電流波形良好，波形畸變以及頻率波動低于門檻值。 并網逆變器需要在不降低

16、功率等級的前提下，緊密匹配電網的相位和頻率。并網時，逆變器能夠把負載用不了的電能回送至電網且無須借助體積龐大、成本高昂的能量存睹器件。基于安全考慮，并網的逆變器將在掉電時自動切斷且一般沒有存儲能量的電池組。同時，離網太陽能逆變器工作在獨立模式，無需與外部AC電網同步。所以，它不需要任何反孤島保護措施。 大型太陽光伏并網電站的控制逆變技術是太陽能光伏并網發電領域的最核心技術之一。光伏發電系統必須對電網和太陽能電池的輸出情況進行實時監測，對周圍環境做出準確判斷，完成相應動作，如對電網的投、切控制，系統的啟動、運行、休眠、停止、故障等狀態檢測，以確保系統安全、可靠的工作。由于太陽能電池的輸出曲線是非

17、線性的，受環境影響很大，為確保系統能最大輸出電能，需采用最大功率跟蹤控制技術，通過白尋優方法使系統跟蹤并穩定運行在太陽能光伏系統的最大輸出功率點，從而提高太陽能輸出電能利用率；同時光伏發電系統作為分散供電電源，當電網由于電氣故障、誤操作或自然因素等外部原因引起中斷供電時，為防止損壞用電設備以及確保電網維修人員的安全，系統必須具有孤島保護的能力。隨著現代電力電子技術、微電子技術和控制技術的進步，特別是電力電子器件和高性能微控制器技術的提高，使高性能、高可靠性的能量變換裝置成為可能。目前許多新能源領域的國外公司都在致力于這方面的研發工作，而且已經取得卓著的成效，形成了比較完善的針對并網逆變器的標準

18、。例如：德國SMA公司已經研制成功大型并網逆變器，并開始系列化生產，其單臺最大功率達到l000kW，由兩臺500kW逆變單元通過采用群控技術并聯而成，具有完善的運行保護功能，而且可以通過網絡通信實現在中央控制室對逆變器的監控。 相比較而言，太陽能光伏發電用控制并網型逆變器的研究起步比較晚，研究難度和研究范圍大大增加，須涉及光伏陣列最大功率跟蹤、逆變、并網和防止孤島效應（指供電電網斷電時由于負載匹配等原因造成發電裝置未停機，仍然給局部電網供電的不安全情況）等技術難題。我國對小型的與低壓用戶電網直接并網的光伏逆變器做過一些研究，但還沒有成熟產品；對直接和高壓網并網的逆變器的研究還剛剛起步。由于我國

19、并網型太陽能發電設備還未形成規模生產，如何正確選定并網型太陽能發電設備用逆變器將是近期必須面對的一個重要課題。 2 太陽能光伏發電系統的分類 目前，太陽能光伏發電系統大致可分為兩類：離網光伏蓄電系統與光伏并網發電系統。 2.1離網光伏蓄電系統 太陽能離網發電系統包括： 1、太陽能控制器(光伏控制器和風光互補控制器)對所發的電能進行調節和控制，一方面把調整后的能量送往直流負載或交流負載，另一方面把多余的能量送往蓄電池組儲存，當所發的電不能滿足負載需要時，太陽能控制器又把蓄電池的電能送往負載。蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過充。當蓄電池所儲存的電能放完時，太陽能控制器要控制蓄電池不被過放電

20、，保護蓄電池。控制器的性能不好時，對蓄電池的使用壽命影響很大，并最終影響系統的可靠性。 2、太陽能蓄電池組的任務是貯能，以便在夜間或陰雨天保證負載用電。 3、太陽能逆變器負責把直流電轉換為交流電，供交流負荷使用。太陽能逆變器是光伏風力發電系統的核心部件。由于使用地區相對落后、偏僻，維護困難，為了提高光伏風力發電系統的整體性能，保證電站的長期穩定運行，對逆變器的可靠性提出了很高的要求。另外由于新能源發電成本較高，太陽能逆變器的高效運行也顯得非常重要。 太陽能離網發電系統主要產品分類 A、光伏組件 B、風機 C、控制器 D、蓄電池組 E、逆變器 F、風力/光伏發電控制與逆變器一體化電源。 離網光伏

21、蓄電系統是一種常見的太陽能應用方式，系統簡單，適應性廣，但因其蓄電池的體積偏大和維護困難，限制了使用范圍，其系統結構示意圖如圖1。圖 1.離網光伏蓄電系統示意圖2.2光伏并網發電系統 可再生能源并網發電系統是將光伏陣列、風力機以及燃料電池等產生的可再生能源不經過蓄電池儲能，通過并網逆變器直接反向饋入電網的發電系統。 因為直接將電能輸入電網，免除配置蓄電池，省掉了蓄電池儲能和釋放的過程，可以充分利用可再生能源所發出的電力，減小能量損耗，降低系統成本。并網發電系統能夠并行使用市電和可再生能源作為本地交流負載的電源，降低整個系統的負載缺電率。同時，可再生能源并網系統可以對公用電網起到調峰作用。并網發

22、電系統是太陽能風力發電的發展方向，代表了21世紀最具吸引力的能源利用技術。 太陽能并網發電系統主要產品分類 A、光伏并網逆變器 B、小型風力機并網逆變器 C、大型風機變流器 （雙饋變流器，全功率變流器）。當用電負荷較大時，太陽能電力不足就向市電購電。在背靠電網的前提下，光伏并網發電系統省掉了蓄電池，從而擴展了使用的范圍，提高了靈活性，并降低了造價，其系統結構示意圖如圖2。圖2.光伏并網發電系統示意圖3 太陽能光伏發電系統的優缺點 3.1太陽能光伏發電系統優點 (1)陽光隨處可得，不受地域限制；(2)安全可靠；(3)無噪聲、無污染；(4)不消耗資源；(5)不需要架設遠距離輸電線路；(6)安裝簡單

23、、方便，建設周期短；(7)分散建設，就地發電；(8)便于融資；(9)便于分步實施。 3.2 太陽能光伏發電系統缺點 (1)受時間周期、地理位置、氣象條件的限制；(2)光能轉換效率偏低；(3)成本高。 4太陽能發電系統的設計因素 太陽能發電系統的設計需要考慮的因素： 1、 太陽能發電系統在哪里使用？該地日光輻射情況如何？ 2、 系統的負載功率多大？ 3、 系統的輸出電壓是多少，直流還是交流？ 4、 系統每天需要工作多少小時？ 5、 如遇到沒有日光照射的陰雨天氣，系統需連續供電多少天？ 6、 負載的情況，純電阻性、電容性還是電感性，啟動電流多大？ 5 屋頂太陽能光伏發電系統方案 5.1系統構成 在

24、屋頂安裝太陽能光伏電池與建筑一體化組件，系統輸出交流220/380V電壓，在二個點與站房低壓配電系統并網。白天將太陽能電池組件產生的電能經處理后直接匯流給低壓配電母線，供給負荷使用。夜間，太陽能電池組件無法工作，完全由電網供電。 5.2系統說明 太陽能光伏電池方陣應用在屋面中央采光天窗上，按照整個采光天窗約30%比例布置光伏電池板，光伏方陣分布在最大長度約為400m，最大寬度約為50m的屋面上兩側及兩端，光伏方陣朝向為北偏西45度，光伏方陣的傾角為7度，采用了2塊75 W 的CIGS太陽能電池組件加封裝玻璃構成一塊光伏全玻組件和3塊75W的CIGS太陽能電池組件加封裝玻璃構成一塊光伏全玻。組件

25、，單塊光伏全玻組件的功率分別為150W和225W。其中由2塊太陽能電池板組成一塊光伏全玻組件的光伏全玻組件數量為720塊，太陽能電池板共1440塊，功率為108kW；由3塊太陽能電池板組成一塊光伏全玻組件的光伏全玻組件數量為604塊，太陽能電池板共1812塊， 功率為135.9kW。整個光伏屋頂系統由30個子系統構成。系統總安裝額定峰值容量為240kW，由于屋面的安裝角度為北偏西，故考慮0.92的安裝角度損耗系數。系統實際峰值容量計算后大約為220 kW。由此構成BIPV光伏建筑一體化屋面。 1. 逆變器 采用由德國SMA公司生產的30臺SMC 8000 TL太陽能光伏并網逆變器，即每個光伏子

26、系統配置1臺SMC 8000 TL光伏并網逆變器。 2. 匯線盒 匯線盒的功能就是將每個光伏子系統中的20個組件串接匯聚到一起。使得輸出電壓達到420534 V、電流達到812 A。本系統使用光伏方陣匯線盒共30個，即每個光伏子系統配置1個。 3. 防雷 a 防直擊雷設計。本系統太陽能光伏屋面的金屬支架及其它金屬構件均與屋面避雷帶或防雷引下線可靠連接。 b 防感應雷設計。為防止感應雷對系統設備造成損壞，在交、直流配電柜內均安裝了防雷保護裝置太陽能電池組電纜 匯線盒通訊線防雷箱直流柜顯示模塊逆變器交流柜接入并網點圖2.并網與運行示意圖c 防雷箱。根據光伏與建筑一體化系統的實際要求進行屋面部分的防

27、浪涌保護，其主要作用為：提供防雷保護及防止過電壓對系統的沖擊。 4. 直流配電柜 直流配電柜主要由斷路器和防雷器組成，在2號配電室和3號配電室內各配置1個直流配電柜。 5. 交流配電柜 交流配電柜主要由斷路器、測量計量表及防雷器等附件組成。6. 電力電纜 采用低煙無鹵交聯聚乙烯絕緣聚乙烯護套耐火電力電纜。 7. 接地系統 光伏屋面太陽能電站中直流系統采用不接地系統，交流系統采用TNS系統 (與本建筑交流系統一致)。 5.4并網與運行 太陽能光伏發電每個光伏子系統均由太陽能光伏方陣、匯線盒、直流配電柜、逆變器、交流配電柜及若干動力電纜構成：其中16和2230子系統的并網設備安裝在3號配電室內。721子系統的并網設備安裝在2號配電室內。逆變系統自動檢測電網狀態與參數。實施投切、聯鎖、同期、保護等功能。 太陽能光伏發電系統接入建筑設備自動化系統 (BAS)，通過該系統在公共區域設置的廣告牌，動態顯示發電量及某區域用電取自太陽能，以表達鐵路行業貫徹國家政策、推動節能型社會發展的決心，彰顯綠色、節能、環保新概念。引導與影響公眾愛護環境、節約資源。放大示范效應。6 發展前景與面臨的問題 6.1發展前景 太陽能發電有