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光伏发电原理及发电系统简介 光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能 直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能 电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的 太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发 电装置。 一、光伏效应 如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收， 具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价 键中激发，以致产生电子-空穴对。界面层附近的电子和空 穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电 子向带正电的N区和空穴向带负 电的P区运动。 通过界面层的电荷分离，将在P 区和N 区之间产生一个 向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入 电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为 0.5~0.6V。通过光照在界面层产生的电子-空穴对越多，电 流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大， 在太阳能电池中形成的电流也越大。 二、原理 太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对， 在p-n结内建电场的作用下，空穴由n 区流向p 区，电子由 p 区流向n 区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太 阳能电池的工作原理。 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。 (2) 光-电直接转换方式该方式是利用光伏效应，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。 三、系统组成 光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电 控制器，逆变器，交流配电柜 ，太阳跟踪控制系统等设备组 成。 1、电池方阵 在有光照(无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照) 情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即 产生光生电压，这就是光生伏特效应。在光生伏特效应 的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电 能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单 晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三 种。 太阳能电池板是太阳能光伏系统中的核心部分，太阳能 电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存 入蓄电池中。太阳能电池板是太阳能光伏系统中最重要的部 件之一，其转换率和使用寿命是决定太阳电池是否具有使用 价值的重要因素。 组件设计:按国际电工委员会 IEC:1215:1993标准要求进行设计，采用 36片或72片多晶 硅太阳能电池进行串联以形成 12V和24V各种类型的组件。 该组件可用于各种户用光伏系统、独立光伏电站和并网光伏 电站等。 原材料特点:电池片:采用高效率(16.5%以上)的单晶硅 太阳能片封装，保证太阳能电池板发电功率充足。玻璃: 采 用低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃)， 厚度3.2mm,在太阳 电池光谱响应的波长范围内(320-1100nm)透光率达91%以 上，对于大于1200 nm 的红外光有较高的反射率。此玻璃同 时能耐太阳紫外光线的辐射，透光率不下降。EVA:采用加有 抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为 0.78mm的优质EVA 膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、TPT之间的连接剂。 具有较高的透光率和抗老化能力。TPT:太阳电池的背面覆盖 物-氟塑料膜为白色，对阳光起反射作用，因此对组件的效 率略有提高，并因其具有较高的红外发射率，还可降低组件 的工作温度，也有利于提高组件的效率。当然，此氟塑料膜 首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透 气等基本要求。边框:所采用的铝合金边框具有高强度，抗 机械冲击能力强。也是太阳能光伏系统中价值最高的部分。 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。 2、蓄电池组 其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并 可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本 要求是:a.自放电率低;b.使用寿命长;c.深放电能力强;d. 充电效率高;e.少维护或免维护;f.工作温度范围宽;g.价格 低廉。 太阳能蓄电池是蓄电池在太阳能光伏发电中的应用， 采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池,胶体蓄电池 和碱性镍镉蓄电池四种。 国内被广泛使用的太阳能蓄电池 主要是:铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池,这两类蓄电池，因 为其固有的免维护特性及对环境较少污染的特点,很适合 用于性能可靠的太阳能电源系统,特别是无人值守的工作 站。 3、控制器 是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电 池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的 重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控 制器是必不可少的设备。 4、逆变器 是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄 电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少 的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变 器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统， 为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发 电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变 器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用 于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本 高，但可以适用于各种负载。 四、系统分类 太阳能光伏系统分为离网光伏发电系统、并网光伏发电 系统和分布式光伏发电系统: 1、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。 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。并网发电系统有集中式大型并网电站一般都 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，还没有太大发展。而分散式小型并网发电系统， 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，是并网发电的主流。 地面光伏电站一次主接线、分布式光伏发电系统，又称分散式发电或分布式供 能，是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供 电系统，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运 行，或者同时满足这两个方面的要求。 分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光 伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流 配电柜等设备，另外还有供电系统监控装置和环境监测装 置。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的 太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇 流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给 建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节。 五、系统设置 要想了解太阳能光伏系统设计，必须首先弄清楚太阳能 光伏发电原理，它的原理也比较简单--基于半导体的光生伏 特效应，利用太阳电池将太阳能直接转化为直流电能。 首先向大家介绍下光伏发电的特点，主要有以下几个方 面: 1、主要由电子元器件构成，不涉及机械转动部件，运 行没有噪声; 2、没有燃烧过程，发电过程不需要燃料; 3、发电过程没有废气污染，也没有废水排放; 4、设备安装和维护都十分简便，维修保养简单，维护 费用低，运行可靠稳定，使用寿命很长达到25年; 5、环境条件适应性强，可在不同环境下正常工作; 6、能够在长期无人值守的条件下正常稳定工作; 7、根据需要很容易进行扩展、扩大发电规模。 其次，光伏发电系统按照应用场合、类型区分可分为以 下几种模式: 1、为无电场合提供电源; 2、小型太阳能电子产品; 3、大规模光伏发电系统; 4、与建筑结合光伏发电系统(BIPV、BAPV)。 光伏系统设计信息收集，主要包括气象资料收集、地点 位置信息、相关建筑信息收集三个方面。 气象资料搜集又包括太阳辐射、温度、湿度、风速等几 个方面。 太阳辐射又分为太阳短波辐射(直射辐射SL、散射辐射 Ed、总辐射Eg、短波反射辐射Er)、地球长波辐射(大气长 波辐射EL↓、地面长波辐射EL↑)。 它 们 之 间 的 转 换 公 式 如 下 :Eg ↓=SL+Ed ↓;SL=S*sinHA=S*cosZ;E*=Eg↓+EL↓‐Er↑‐EL↑。 温度有日平均温度、日最高温度、日最低温度三种数值， 温度对光伏组件的开路电压，输出电流，输出功率，等电性 能有很大影响，在后续设计中是很重要的因素，同时又对相 关的电气设备的使用环境也有很大影响。 湿度只有日平均相对湿度一个参数，但也有一定影响， 湿度对光伏支架的使用寿命和光伏系统的相关电气设备如 逆变器等的使用有影响。 风速又分为日平均风速，日极大风速，日最大风速三个 值，其对光伏设备有一定破坏性，风速越
