獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理及機構(gòu)概述目錄TOC\o"1-3"\h\u30386獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理及機構(gòu)概述 114231.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類 121511.2太陽能電池的工作原理 2327091.1.1太陽能電池的結(jié)構(gòu)及工作原理 2121351.1.2太陽能電池的分類 3243171.3光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 3219461.3.1太陽能電池板 3241211.3.2逆變器 4181841.3.3蓄電池 4277571.3.4控制器 51.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類太陽能源于太陽的輻射，在我國主要發(fā)電形式有光伏發(fā)電和光熱發(fā)電兩種，生活中常說的太陽能發(fā)電就是光伏發(fā)電。太陽能發(fā)電的主要原理是發(fā)生光生伏特效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)換為電能，光伏發(fā)電的形式包括獨立、并網(wǎng)兩種發(fā)電形式[9]。圖1.1為離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，離網(wǎng)系統(tǒng)不與電網(wǎng)相連，且有蓄電池組。在組件受到光照時，組件會將太陽能轉(zhuǎn)換為電能為負(fù)載供電，由于組件產(chǎn)生的是直流電，可以通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)為交流電供負(fù)載使用。在充足的光照條件下，組件能高效的將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，不僅供用戶用正常用電，還可以將用不完的電量儲存起來，在雨天或陽光不充足時，再將蓄電池中的電能釋放出來供用戶使用。圖1.1離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖1.2為并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，它可以連接公共電網(wǎng)，節(jié)省了儲存裝置，這樣會減少電池對環(huán)境的污染，更加環(huán)保。只要在有光照時，系統(tǒng)便可以工作，供負(fù)載的運行。如果系統(tǒng)發(fā)的電過多，多余的電量會通過電網(wǎng)上傳，不會造成資源的浪費。反之當(dāng)系統(tǒng)的發(fā)電量無法滿足用戶需求時，則會使用之前上傳至電網(wǎng)的電，減少電能的浪費。圖1.2并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.2太陽能電池的工作原理1.1.1太陽能電池的結(jié)構(gòu)及工作原理太陽能電池形狀都是正方形的小薄片，主要材料是晶體硅，電池的正面布線精細(xì)，有橫縱交錯的金屬柵線，背光的一側(cè)由金屬構(gòu)成。太陽能電池在感受到太陽輻射后，半導(dǎo)體內(nèi)的空穴會感受到熱能，不斷流動，產(chǎn)生載流子，從而改變了電池內(nèi)部的電荷分布狀態(tài)，產(chǎn)生電壓。光伏電池的核心是PN結(jié)，在工作時PN結(jié)上產(chǎn)生電子-空穴對，電子流入N區(qū)，空穴流向P區(qū)，使得N區(qū)儲存了過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴，形成光生電場。使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，讓N區(qū)和P區(qū)之間產(chǎn)生電動勢，發(fā)生了光生伏特效應(yīng)，也就是太陽能電池的工作原理[10]。圖1.3為光伏電池結(jié)構(gòu)及運行圖。圖1.3光伏組件工作示意圖要注意的是，單晶硅電池極易受到空氣中的水分影響，空氣中的水分會腐蝕組件的電極，破壞整個電極，導(dǎo)致電池片出現(xiàn)故障，無法正常工作。并且單晶硅晶體光伏電池由于自身性能，不能作為電源，所以在對單晶硅電池使用之前，要對電池嚴(yán)密的進(jìn)行封裝，確保組件不受到空氣中水分影響，正常運行。1.1.2太陽能電池的分類光伏電池的主要材料是晶體硅，可分為單晶硅電池和多晶硅電池。硅資源儲量豐富，具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，因此受到了光伏市場的重視。但是晶體硅在成本及制造成本上過高，存在一些不足，這些都是晶體硅電池還需改進(jìn)的地方。隨著科技的發(fā)展，越來越多的材料物理學(xué)家都著手研究非晶硅光伏電池，非晶硅電池比晶體硅電池在制造工藝上更簡單，更加環(huán)保。但是目前在非晶硅研究方面技術(shù)不成熟，與工藝成熟的晶體硅電池上還存在一些差距，但在未來發(fā)展非晶體硅電池一定是大勢所趨。除了上述分類，光伏電池還可以分為硅系光伏電池、化合物系光伏電池、有機半導(dǎo)體系能光伏電池三類[11]。表1.1光伏電池的分類和特征類別非晶硅電池單晶硅電池多晶硅電池使用壽命5至15年15至25年15至25年轉(zhuǎn)換效率6.5%至10%18.5%至21.5%15%至18%顏色棕色黑色深藍(lán)色技術(shù)成熟性較成熟最成熟最成熟價格價格較便宜價格高價格較高主要特點轉(zhuǎn)換效率最低，使用場合較少轉(zhuǎn)換效率相比其他類型的電池高、工作穩(wěn)定可靠，價格也較高使用廣泛，運行穩(wěn)定可靠、成本低，但比單晶硅轉(zhuǎn)換效率低1.3光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成1.3.1太陽能電池板整個光伏系統(tǒng)中最核心的部件就是太陽能電池板。它將光能轉(zhuǎn)換為電能，如果用戶還有用剩余的電能，則會儲存在蓄電池中。太陽能電池板的主要部分：(1)電池片：電池片由晶體硅構(gòu)成，電池在受到太陽光照時，半導(dǎo)體內(nèi)的空穴和電子不斷運動，形成載流子，從而改變電池內(nèi)部的電荷分布狀態(tài)，產(chǎn)生電壓。(2)玻璃：選用低鐵鋼化絨面玻璃，光譜波長的范圍需保持在320-110mm內(nèi)，厚度約為3.2mm，此時透光率達(dá)到了91%以上，并且該玻璃的透光率不會因為紫外線影響而變化。(3)TPT背板：通常作為電池背板材料，主要是白色，可以反射陽光，降低組件表面溫度，提高轉(zhuǎn)換效率。此外TPT背板還具有不透氣及耐老化等優(yōu)秀特性。(4)EVA：EVA膠膜的主要作用是將太陽能電池、玻璃、TPT背板有效的連接起來。并具備一定的密封性。EVA膠膜在選用時要選取抗老化能力強的及高透光能力的。(5)邊框：一般為鋁合金邊框，要具有一定的強度及抗沖擊能力[12]。1.3.2逆變器逆變器的功能是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，而太陽能電池產(chǎn)生的電是直流電，所以逆變器的作用就顯得尤為重要了。光伏系統(tǒng)的逆變器在輸出方面大多為12VDC、24VDC、48VDC。在選用時選擇DC-AC逆變器，進(jìn)而可以給220AC負(fù)載提供足夠的電能。本文所用的是獨立運行逆變器，主要的保護(hù)功能應(yīng)具有短路、過熱、欠電壓、過載等保護(hù)功能，而衡量逆變器性能參數(shù)好壞主要有以下幾點：(1)逆變器效率：指逆變器的輸出功率比輸入功率，在選擇時選取較高效率的逆變器可以間接節(jié)約太陽能電池板的成本，一般選取在80%-95%之間的，在選取的過程中還需考慮價格等因素。(2)功率因數(shù)：用cosφ表示，φ為輸出電壓和輸出電流相位差，cosφ越大表示逆變器越好。(3)總諧波畸變率：指輸出電壓或電流諧波分量的總和與基波分量的百分比，用THD表示，THD較高時會產(chǎn)生強烈的電磁干擾，嚴(yán)重時會危害用電設(shè)備[13]。(4)輸出電壓穩(wěn)定性：在系統(tǒng)工作過程中，輸出的電壓會在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生波動，一般要求變化范圍不能超過±5%。(5)噪聲：應(yīng)選取噪聲較小的逆變器，一般應(yīng)低于80dB。1.3.3蓄電池蓄電池作為系統(tǒng)的儲能裝置，主要作用是將系統(tǒng)在發(fā)電時所產(chǎn)生的多余電能儲存起來，供晚上或陰天使用，并且在設(shè)計時要考慮連續(xù)陰雨天數(shù)，滿足用戶的用電需求。目前常用的電池為鉛酸蓄電池，技術(shù)也相對成熟。蓄電池的原理是發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，蓄電池將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的形式儲存起來，在需要時在轉(zhuǎn)換為電能，是個可逆的過程。在選取蓄電池的過程中要選取耐過充放、自放電小、充電效率高的電池組件，同時也要考慮成本、使用方便等特點。下圖為光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的蓄電池。圖1.4光伏發(fā)電系統(tǒng)專用蓄電池1.3.4控制器控制器主要由一些電子元件、專用的CPU和開關(guān)功率管組成。其原理是運用單片機以及專門軟件對電池組實現(xiàn)智能控制。主要控制功能如下：(1)溫度補償功能：控制器可以通過監(jiān)測電池溫度來設(shè)定充電電壓，當(dāng)監(jiān)測到蓄電池溫度過高時會設(shè)定較高的充電電壓，低時就會設(shè)定較低的充電電壓。(2)低壓關(guān)斷功能：當(dāng)蓄電池放電時，控制器可監(jiān)測到電池的電壓，當(dāng)監(jiān)測到電池處于