光伏发电原理

光伏发电原理1.光伏发电系统组成及运行方式1.1离网型光伏发电系统的组成一般来说，离网型太阳能光伏发电系统由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、逆变器等部分组成。1.1.1太阳能电池方阵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，单体工作电压为0.45-0.5V，工作电流为20-25mA/cm2。太阳能组件是将太阳能电池单体进行串并联封装后形成的，其功率一般为几瓦、几十瓦、可以单独使用。当应用领域需要较高的电压电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件连成太阳能电池方阵，以获得需要的电压电流。单体组件阵列1.1.2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，其单向导通作用，一般选用合适的整流二极管即可。1.1.3蓄电池组蓄电池的作用是储存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并随时向负载放电。对其的基本要求有：（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。目前我国与太阳能系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池。1.1.4控制器光伏发电系统的核心部件之一，其一般具备如下功能：（1）信号检测检测光伏发电系统各装置和各单元的状况与参数，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。（2）最优充电控制根据当前太阳能资源情况和电池状态确定最佳充电方式，实现高效快速的充电。（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压降而导致的错误保护。（4）设备保护控制系统中因逆变器故障而出现的过电压和负载短路引起的过电流。（5）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。1.1.5逆变器逆变器是将直流电转换为交流电的设备，由于太阳能电池方阵和蓄电池组发出的是直流电，而当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。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发电系统，将发出的电馈入电网。逆变器按输出波形可分方波逆变器和正弦逆变器，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的系统，正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。1.1.6测量设备对于小型的太阳能发电系统，只要求简单的测量，如蓄电池电压和充放电电流。对于中大型太阳能光伏电站，往往还要测量太阳辐射、环境气温、充放电电量等。1.2联网型光伏发电系统的组成联网型太阳能光伏发电系统可分为集中式大型联网光伏系统（大型联网光伏电站）和分散式小型联网光伏系统（住宅联网型光伏系统）两类。大型联网光伏电站所发电能直接输送到电网上，由电网统一调配向用户供电，但建设投资大，建设周期长，控制配电复杂，占用大片土地，发电成本高，发展较慢。住宅联网型光伏系统所发的电能直接分配到住宅的用电负载上，多余或不足的电力通过连接电网来调节。1.2.1太阳能电池方阵太阳能电池方阵是联网型光伏系统的主要部件，有其将接收到的太阳光能直接转换为电能，其单体同离网型太阳能电池单体相同。住宅联网型光伏系统的突出特点是与建筑相结合，按结合方式可分为建筑与光伏系统相结合（BAPV）和建筑和光伏组件相结合（BIPV）两种型式。BAPV是光伏与建筑相结合的第一步，是将现成的平板式光伏组件安装在建筑物的屋顶等处。BIPV是光伏与建筑相结合的进一步目标，是将光伏器件和建筑材料集成化，把屋顶、向阳外墙、遮阳板甚至窗户的材料用光伏器件来代替，既能作为建筑材料和装饰材料，又能发电，使光伏系统的造价降低，发电成本下降。1.2.2联网逆变器联网逆变器是联网型光伏系统的核心部件和技术关键，联网逆变器于独立逆变器的不同之处在于它不仅可将太阳能电池方阵发出的直流电转换为交流电，并且还可以对转换的交流电的频率、电压、电流、相位、有功与无功、同步、电能品质等进行控制。联网逆变器包括三部分（1）逆变系统其功能是采用大功率晶体管将直流高速切割，并转换为交流。(2)控制部分有电子回路组成，作用是控制逆变部分（3）保护部分有电子回路组成，作用是在逆变器内部故障时保护设备。2.太阳能电池2.1半导体基础知识2.1.1本征半导体完全纯净的具有晶体结构的半导体，用的最多的是硅和鍺，它们各有四个价电子，都是四价元素。硅的微观结构图2.1.2N型半导体和P型半导体N型半导体是在硅和鍺中掺入少量磷，磷原子参加共价键结构只需四个价电子，多余的一个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚成为自由电子。P型半导体是在硅和鍺晶体中掺入少量硼（或其他三价元素），每个硼原子只有三个价电子，在构成共价键结构时将因缺少一个电子而产生一个空位。P型和N型半导体微观结构图2.1.3PN结在一块N(P)型半导体的局部再掺浓度较大的三价元素使其变为P(N)型半导体，在P型半导体和N型半导体的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。其微观结构如图，PN结具有单向导电性。PN结示意图2.2太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应，所谓的光生伏打效应，就是当太阳光照射到太阳能电池时，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，电池两端出现异号电荷的积累，从而产生光生电压。其原理示意图如图所示。光生伏打效应示意图当太阳光照射P-N结时，在半导体内的电子由于获得光能而释放电子，相应的便产生电子-空穴对，并在内建电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而在N区有过剩电子，P区有过剩空穴，于是在PN结附近形成了与内建电场相反的光生电场。光生电场一部分抵消内建电场，其余部分即光生伏打电动势。2.2太阳能电池的结构太阳能电池结构图3.铅酸蓄电池蓄电池是将电能转换为化学能贮存起来，需要时再把化学能转变为电能的一种贮能装置。在此介绍VRLA电池的结构和原理。3.1结构VRLA电池由正极板、负极板、隔板、电池槽盖、硫酸电解质等主要组件组成，其结构图如图所示。VRLA电池结构图3.2基本原理正极：OHHSOPbSOPbO244222e3H负极：HPbSOPbHSO442e4.逆变器逆变器也称逆变电源，是将直流电能转换为交流电能的变流装置，是太阳能发电系统的一个重要部件。逆变器按输出电压波形可分为方波逆变器、正弦波逆变器、和阶梯波逆变器。按主电路拓扑结构可分为推挽逆变器、半桥逆变器、全桥逆变器。按输入直流电源性质可分为电压源型逆变器、电流源行逆变器。4.1推挽式逆变电路工作原理图示为单向推挽式逆变器的拓扑结构。单向推挽式逆变器拓扑结构图该电路由2只共负极的功率开关元件和1个初级带有中心抽头的升压变压器组成，当t1tt2时，T1功率管上加栅极驱动信号Ug1，T1导通，T2截止，变压器输出端感应出正电压。当t3tt4时，T2功率管上加栅极驱动信号Ug2，T2导通，T1截止，变压器输出端感应出负电压。4.2单相全桥逆变电路工作原理单相全桥逆变电路也称H桥电路，其电路拓扑结构如图所示，由两个半桥电路组成，功率开关元件Q1和Q4互补，Q2和Q3互补，当Q1和Q3同时导通时，负载两端电压为+Ud，当Q2和Q4同时导通时，负载两端电压为-Ud，Q1、Q3和Q2、Q4轮流导通，负载两端就得到交流电能。单相全桥逆变电路拓扑结构