太阳能发电原理图_太阳能发电原理示意图

　　太阳能供电系统工作原理及示意图

　　太阳能供电系统的工作原理是太阳电池组件将太阳的光能转化为电能，太阳能充放电控制作为中心控制设备，一方面将太阳电池组件转化的电能存储在蓄电池组里，一方面控制蓄电池组对负载供电。如果用电设备中有交流设备，通过逆变器将直流电逆变成交流电，即可向交流设备提供电源。

　　太阳能并网供电系统则将太阳能组件转化出的电能直接通过并网逆变器输送到电网。

　　离网太阳能发电结构示意图

　　并网太阳能发电结构示意图:

　　太阳能供电系统特点

　　常寿命晶体硅太阳能电池组件的质量保证期是15年，使用寿命可达25年以上；

　　高性能晶体硅太阳能电池发电系统具有抗台风、抗冰雹、抗潮湿、抗紫外辐照等特点，组件系统可以在零下40度到零上70度环境下正常工作；

　　无需职守运行中无需人员职守，像常规能源一样能向负载供电；

　　无间断供电系统设计时就考虑到当地的阴雨天气情况，将平时多余的电能存储在蓄电池内，可确保用户在阴雨天仍有足够的电能可供使用；

　　直流无干扰电源太阳能电池发电设备，无噪声、电源无高次谐波干扰，特别适用于通信电源；

　　不受地理环境影响平原、河道、海洋、高山、雪原、海岛、森林地区，任何需电的地方都可以使用晶体硅太阳能电池发电系统。

　　太阳能光伏发电的能量转换器件是太阳能电池，又叫光伏电池。太阳能电池发电的原理是光生伏特效应。当太阳光（或其他光）照射到太阳能光伏电池上时，电池吸收光能，产生光生电子——空穴对。在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，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”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以付诸实用的电能。

　　1.2 家用太阳能发电系统的组成

　　，家庭式太阳能发电系统主要包括太阳能电池组件、控制器、蓄电池组和逆变器等部分。家庭式太阳能发电系统的结构如图一所示。

　　（图一）家用太阳能光伏发电系统的结构图

　　1.2.1 太阳能电池方阵

　　通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨等的能力，广泛应用于各个领域和系统。太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为2cm 2cm到15cm 15cm不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.45～1.5V，工作电流约为20～25mA/cm2,一般不能单独作为电源使用。将太阳能单体进行串并联并封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几百瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率[4]。

　　（1）太阳能电池简介

　　一个太阳能电池只能产生大约0.45V电压，远低于实际应用所需要的电压。为了满足实际应用的需要，须把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上，太阳能电池组件的标准数量是36或40个（10cm×10cm），这意味着一个太阳能电池组件大约能产生16V的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效的充电。

　　（2）太阳能电池的封装类型

　　太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于防腐、防风、防雹、防雨等的能力。其潜在的质量问题是边沿的密封以及组件背面的接线盒。太阳能电池的封装方式主要有以下两种①双面玻璃密封。太阳能电池组件的正反两面均是玻璃板，太阳能电池被镶嵌在一层聚合物中。这种密封方式存在的一个主要问题是玻璃板与接线盒之间的连接。这种连接不得不通过玻璃板的边沿，因为在这种玻璃板上打孔是很昂贵的。②玻璃合金层叠密封。这种组件的前面是玻璃板，背面是一层合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太阳能电池组件中，电池与接线盒之间可用导线连接[5]。

　　（3）太阳能电池的电气特性。

　　组件的电气特性主要是指电压—电流特性，也称为V-I曲线，如图2-2所示。V-I曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。

　　如果太阳能电池组件电路短路即V=0，此时的电流称为短路电流Isc；如果电路开路即I=0，此时的电压称为开路电压Voc.太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P=VI。

　　当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从0（短路条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从0开始增加；当电压达到一定值时，

　　（图二）太阳能电池V-I特性曲线

　　（I－电流；Isc－短路电流；Im－最大工作电流；V－电压；Voc－开路电压；Vm－最大工作电压；Pm－最大功率；）

　　功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至0，即电压达到开路电压Voc。在组件的输出功率达到最大的点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压Vm（又称为最大工作电压）；该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im(又称为最大工作电流)；该点的功率，称为最大功率Pm。

　　（4）性能测试

　　由于太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和太阳能电池温度，太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC）进行，测量条件被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是光谱辐照度，1000W/m2；光谱，AM1.5；电池温度，25℃。在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为Wp。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳能模拟器测定并与国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。在户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的，因为太阳能电池组件所接受到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置；，在测量的过程中，太阳能电池的温度也是不断变化的。在户外测量的误差很容易达到10%或更大[6]。

　　（5）热斑效应和旁路二极管

　　在一定的条件下，一串联支路中被遮蔽的太阳能电池组件将被当作负载，消耗其他被光照的太阳能电池组件所产生的能量。被遮挡的太阳能电池组件此时将会发热，这就是热斑效应。这种效应能很严重地破坏太阳能电池。有光照的太阳能电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的太阳能电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热斑效应而被破坏，需要在太阳能电池组件正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。

　　（6）连接盒

　　连接盒是一个很重要的元件，它保护太阳能电池与外界的交界面及各组件内部连接的导线和其他系统元件。它包含1个接线盒和1只或2只旁路二极管。

　　（7）可靠性和使用寿命

　　考察太阳能电池组件可靠性的最好方式是进行野外测试，但这种测试需经历很长的时间。为能用较低的费用在相似的工作条件下以较短的时间测量出可靠性，一种新型的测试方法正在发展之中，即加速使用寿命测试方法。这种测试方法，主要是依据野外测试和过去所执行的加速度测试之间的关联度，并基于理论分析和参照其他电子测量技术以及国际电工技术委员会太阳能光伏能源系统标准化委员会的测试标准（IEC/TC82）而设计的。在IEC规范的503条中描述了一整套可靠性的测试方法。这一规范包含如下测试内容UV照明测试；高温暴露测试；高温/高湿测试；框架扭曲度测试；机械强度测试；冰雹测试；温度循环测试。

　　太阳能电池发电系统中的太阳能电池组件的期望使用寿命至少是25年，具体寿命决定于太阳能电池组件结构性能和当地环境条件。

　　1.2.2 防反充二极管

　　又称阻塞二极管。其作用是避免由于太阳能电池方阵在阴雨天和夜晚不发电时或出现短路故障时蓄电池组通过太阳能电池方阵放电。它串联在太阳能电池方阵电路中，起单向导通作用。要求其能承受足够大的电流，而且正向电压降要小，反向饱和电流要小，其耐压一定要比被充电的电池电压高，否则电池就会被击穿。蓄电池电压要按最高电压计算，电池充满时的电压约为标称的1.2倍。为了防止意外，应留出余量，一般取最大值的1.414倍。

　　1.2.3 蓄电池组

　　目前太阳能发电系统

　　中通常使用蓄电池实现储能，常用蓄电池属于电化学电池。蓄电池在充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时把储存的化学能转化为电能提供给负载使用。一般来讲，太阳能发电系统白天把太阳能转化为电能，通过充电器和蓄电池把电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能放出来使用。

　　太阳能电池发电系统对所用蓄电池组的要求是①自放电率低；②使用寿命长；③深放电能力强；④充电效率高；⑤少维护或免维护；⑥工作温度范围宽；⑦价格低廉。目前我国与太阳能电池发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。配套200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业免维护铅酸蓄电池；配套200Ah以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池[7]。

　　1.2.4 控制器

　　是家庭式太阳能发电系统的核心部件之一。家庭式太阳能发电系统的控制器一般应具备如下功能①信号检测。检测光伏发电系统各种装置和各个单元的状态和参数，为对系统进行判断、控制、保护等提供依据。需要检测的物理量有输入电压、充电电流、输出电压、输出电流以及蓄电池温升等。②蓄电池最优充电控制。控制器根据当前太阳能资源情况和蓄电池荷电状态，确定最佳充电方式，以实现高效、快速地充电，并充分考虑充电方式对蓄电池寿命的影响。③蓄电池放电管理。对蓄电池放电过程进行管理，如负载控制自动开关机、实现软启动、防止负载接入时蓄电池端电压突降而导致的错误保护等。④设备保护。光伏系统所连接的用电设备，在有些情况下需要由控制器来提供保护，如系统中因逆变电路故障而出现的过压和负载短路而出现的过流等，如不及时加以控制，就有可能导致光伏系统或用电设备损坏。⑤故障诊断定位。当光伏系统发生故障时，可自动检测故障类型，指示故障位置，为对系统进行维护提供方便。⑥运行状态指示。通过指示灯、显示器等方式指示光伏系统的运行状态和故障信息。

　　1.2.5 逆变器

　　逆变器是将直流电变换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。对逆变器的基本要求是①能输出一个电压稳定的交流电。无论是输入电压出现波动，还是负载发生变化，它都要达到一定的电压稳定精度，静态时一般为 2%。②能输出一个频率稳定的交流电。要求该交流电能达到一定的频率稳定精度，静态时一般为 0.5%。③输出的电压及其频率在一定范围内可以调节。一般输出的电压可调范围为 5%，输出频率可调范围为 2Hz。④具有一定的过载能力，一般能过载125%～150%。当过载150%时，应能持续30s；当过载125%时，应能持续1min及以上。⑤输出电压波形含谐波成分应尽量小。一般输出波形的失真率应控制在7%以内，以利于缩小滤波器体积。⑥具有短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护功能和报警功能。⑦起动平稳，起动电流小，运行稳定可靠。⑧换流损失小，逆变频率高，一般在90%以上。⑨具有快速的动态响应[8]。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，将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形又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。从长远看，晶体管正弦波（或准正弦波）逆变器将成为发展的主流。