太阳能发电系统的结构和工作原理_secret

太阳能发电系统的结构和工作原理

太阳能发电是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。太阳能电池组件(Solar cells)是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置，在广大的无电力网地区，该装置可以方便地实现为用户照明及生活供电，一些发达国家还可与区域电网并网实现互补。目前从民用的角度，在国外技术研究趋于成熟且初具产业化的是

1 太阳能发电原理

太阳能发电系统主要包括：太阳能电池组件(阵列)、控制器、蓄电池、逆变器、用户即照明负载等组成。其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。

1.1 太阳能电源系统

太阳能电池与蓄电池组成系统的电源单元，因此蓄电池性能直接影响着系统工作特性。

(1) 电池单元：

由于技术和材料原因，单一电池的发电量是十分有限的，实用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件(阵列)。单一电池是一只硅晶体二极管，根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。同于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，因而能在光照下形成电流密度J，短路电流Isc，开路Uoc。 若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载，理论上讲由P-N结、连接电路和负载形成的回路，就有

理论研究表明，太阳能电池组件的峰值功率Pk，由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷(需电量)决定。

(2) 电能储存单元：

太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存，蓄电池的特性影响着系统的工作效率和特性。蓄电池技术是十分成熟的，但其容量要受到末端需电量，日照时间(发电时间)的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的连续无日照时间决定。

1.2 控制器

控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得

最高效率。而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即PWM控制方式，使整个系统始终运行于最大功率点Pm附近区域。放电控制主要是指当电池缺电、系统故障， 如电池开路或接反时切断开关。目前日立公司研制出了既能跟踪调控点Pm，又能跟踪太阳移动参数的

1.3 DC-AC逆变器

逆变器按激励方式，可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要功能是将蓄电池的直流

电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照

明负载频率f，额定UN等匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。

2 太阳能发电系统的效率

在太阳能发电系统中，系统的总效率ηese由电池组件的PV转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等组成。但相对于太阳能电池技术来讲，要比控制器、逆变器及照明负载等其它单元的技术及生产水平要成熟得多，而且目前系统的转换率只有17%左右。因此提高电池组件的转换率，降低单位功率造价是太阳能发电产业化的重点和难点。太阳能电池问世以来，晶体硅作为主角材料保持着统治地位。目前对硅电池转换率的研究，主要围绕着加大吸能面，如双面电池，减小反射；运用吸杂技术减小半导体材料的复合；电池超薄型化；改进理论，建立新模型；聚光电池等。几种太阳能电池的转换效率见表1。

表1 几种太阳能电池的转换效率

实验室典型电池 商品薄膜电池

各种太阳能电池 ηmax(%) 各种太阳能电池 η(%)

单晶硅 24.4 多晶硅 16.6

多晶硅 18.6 铜铟镓硒 18.8

GaAs(单结) 25.7 碲化镉 16.0

a-si(单结) 13 铜铟硒 14.1

充分利用太阳能是绿色照明的重要内容之一。而真正意义上的绿色照明至少还包括：照明系统的高效率，高稳定性，高效节能的绿色光源等。

3.1 发电--建筑照明一体化

目前成功地把太阳能组件和建筑构件加以整合，如太阳能屋面(顶)、墙壁及门窗等，实现了

3.2 绿色照明光源研究

绿色照明系统优化设计，要求低能耗下获得高的光效输出，并延长灯的使用寿命。因此DC-AC逆变器设计，应获得合理的灯丝预热时间和激励灯管的和电流波形。目前处在研究开发中的太阳能照明光源激励方式有四种典型电路：①自激推挽振荡电路，通过灯丝串联启辉器预热启动。该光源系统的主要参数是：输入DC＝12V，输出光效＞495Lm/支，灯管额定效率9W，有效寿命3200h,连续开启次数＞1000次。②自激推挽振荡(简单式)电路，该光源系统的主要参数是：输入DC＝12V，灯管功率9W，输出光效315Lm/支，连续启动次数＞1500次。③自激单管振荡电路，灯丝串联继电器预热启动方式。④自激单管振荡(简单式)电路等方式的高效节能绿色光源。

4 结束语

绿色能源和可持续发展问题是本世纪人类面临的重大课题，开发新能源，对现有能源的充分合理利用已经得到各国政府的极大重视。太阳能发电作为一种取之不尽，用之不竭的清洁环保能源将得到前所未有的发展。随着太阳能产业化进程和技术开发的深化，它的效率、性价比将得到提高，它在包括BIPV在内的各个领域都将得到广泛的应用，也将极大地推动中国

太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。各部分的作用为：

（一） 太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电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。

（二） 太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对

蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项；

（三） 蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。

（四） 逆变器：太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。

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太阳能发电系统的设计需要考虑的因素：

1、 太阳能发电系统在哪里使用？该地日光辐射情况如何？

2、 系统的负载功率多大？

3、 系统的输出是多少，直流还是交流？

4、 系统每天需要工作多少小时？

5、 如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天？

6、 负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大？

7、 系统需求的数量。

1.家用太阳能系统

光电发电能力:1000瓦以下

目标设施:个人住宅

用途:照明、电视机、收音机、路灯

优点:●系统结构简单。

●非常适合分散居住的乡村。

●使用更精确，因为用户是单独的住户。

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100~150Wp家用太阳能发电系统

设备配置：太阳电池组件：100W~150Wp；免维护蓄电池：50~65AH/24V； 逆变器：150W 充电控制器：6A；

安装方式：简易自安装

可以连续工作三个阴雨天

300Wp家用太阳能发电系统

设备配置：太阳电池组件：300Wp；免维护蓄电池：150AH/24V；

逆变器：500W ；充电控制器：12A。

安装方式：简易自安装

可以连续工作三个阴雨。

500Wp家用/办公太阳能发电系统

设备配置：

太阳电池组件：500Wp；免维护蓄电池：300AH/24V；逆变器：1000W ； 充电控制器：20A。

安装方式：可上门安装或提供图纸

可以连续工作三个阴雨.

电冰箱与办公设备只能选其一。

800Wp家用/办公太阳能发电系统

设计负载电器名称 规格型号 耗电功率 数 量 每日工作时间 日耗电量 照明 节能灯 11W 6 4 264Wh 电脑 液晶显示 100W 1 5 500Wh 打印机 喷墨 30W 1 1 30Wh 传真机 喷墨 150W 1 1 150Wh 电冰箱 150L 100W 1 24 800Wh 洗衣机 300W 1 0.5 150Wh 微波炉(选项) 1000W 1 0.5 500Wh 卫星电视接收机/VCD 25W 1 6 150Wh 彩色电视 21寸 70W 1 6 420Wh 水泵 200W 1 0.5 100Wh 总计 2000W 2264Wh

设备配置：太阳电池组件：800Wp；免维护蓄电池：400AH/24V；逆变器：2000W ；充电控制器：30A。

安装方式：可上门安装或提供图纸

可以连续工作三个阴雨天

微波炉与办公设备只能选其一。如果太阳电池组件采用1000Wp，微波炉与办公设备即可同时使用。

2.适用于学校，医院和公共会堂等的光电发电系统

光电发电能力:1到10千瓦

目标设施:学校、医院、公共会堂或私人住宅

用途:电视机、录像机、电信设备、照明

优点:

●能够优先向公共建筑和电气设施供电。

●便于收取以下费用:设施使用、食物存藏、充电和水。

●设施管理人员能够同时控制系统运行。

●能够显著提高生活水平。

光电发电能力:1到10千瓦

目标设施:学校、医院、公共会堂或私人住宅

用途:电视机、录像机、电信设备、照明

优点:

●能够优先向公共建筑和电气设施供电。

●便于收取以下费用:设施使用、食物存藏、充电和水。

●设施管理人员能够同时控制系统运行。

●能够显著提高生活水平。

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1600Wp家用/办公太阳能发电系统

设计负载电器名称 规格型号 耗电功率 数 量 每日工作时间 日耗电量 照明 节能灯 11W 8 6 528Wh 电脑 液晶显示 100W 2 5 1000Wh

打印机 激光 250W 1 1 250Wh 传真机 喷墨 150W 1 2 150Wh 电冰箱 150L 100W 1 24 800Wh 洗衣机 300W 1 0.5 150Wh

微波炉 1000W 1 1 1000Wh 卫星电视接收机/VCD 25W 1 6 150Wh 彩色电视 21寸 95W 1 6 570Wh 水泵 400W 1 1 100Wh 总计 2600W 4698Wh

设备配置：太阳电池组件：1600Wp；免维护蓄电池：400AH/48V；逆变器：3000W ；充电控制器：30A。

安装方式：可上门安装或提供图纸

可以连续工作三个阴雨天

2400Wp家用/办公太阳能发电系统

设计负载电器名称 规格型号 耗电功率 数 量 每日工作时间 日耗电量 照明 节能灯 11W 8 6 528Wh 电脑 液晶显示 100W 2 5 1000Wh 打印机 激光 250W 1 1 250Wh 传真机 喷墨 150W 1 2 150Wh 电冰箱 150L 100W 1 24 800Wh 洗衣机 300W 1 0.5 150Wh 微波炉 1000W 1 1 1000Wh 空调 1.5匹 1200W 1 5 3000Wh 卫星电视接收机/VCD 25W 1 6 150Wh 彩色电机 21寸 95W 1 6 570Wh 水泵 400W 1 1 100Wh 总计 3800W 7698Wh 设备配置：太阳电池组件：2400Wp；免维护蓄电池：600AH/48V；

充电控制器：60A。

安装方式：可上门安装或提供图纸 可以连续工作三个阴雨天

3.适用与乡村和边远地区的发电系统（集中式）

光电发电能力:超过10千瓦

目标设施:乡村

用途:电灯、电视机、洗衣机、冰箱、路灯

优点:

●终端设备/站的负载容量是可变的，可使供电更加灵活

●可以集中运行和控制光电(PV)发电系统。

●可以方便地建立设施监控系统 逆变器：5000W ；