湖南华能光电有限公司

太阳能光伏发电

太阳能光伏发电是一种零排放的清洁能源, 也是一种能够规模应用的现实能源,可用来进行独立发电和并网发电。本文对太阳能光伏发电技术系统的结构及其原理作了详细的阐述。并针对光伏发电系统的主要技术及关键问题进行了详细的分析，对未来光伏发电技术的应用以及我国光伏发电技术提出建议。

随着社会生产的日益发展，对能源的需求量不断增长，全球范围内的能源危机日益突出。传统的能源，尤其是煤炭、石油、天然气三大化石燃料更是有限，不合理地使用传统能源，不仅使能源在21 世纪内濒临枯竭，产生能源危机，还会造成全球的环境问题。因此，新能源应用正成为全球的热点。太阳能作为一种清洁的可再生能源。太阳能开发利用的巨大潜力推动着太阳能光伏发电技术不断向前发展。太阳能光伏发电作为可再生能源利用的重要组成部分,得到了众多**政府的大力扶持。20世纪70年代以来,美国、德国、日本等国政府陆续出台相关政策,加大太阳能光伏发电产业的发展力度,使得世界光伏发电产业高速发展。根据欧盟联合研究中心的预测,到2030年太阳能光伏发电在世界总电力供应中将达到10%以上,到2040年这一比例将达到20%以上,在不远的未来将成为世界能源供应的主体。

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1.    光伏发电系统的原理

太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应,将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。太阳能电池发电的原理简单来说是光生伏打效应。当太阳光（或其他光）照射到太阳能电池上时，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**是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载**有“光生电流”流出，从而获得功率输出。这样，阳的光能**直接变成了可以付诸实用的电能。

太阳能电池将光能转换成电能的工作原理概括为如下3 个主要过程：①太阳能电池吸收一定数量的光子后，半导体内产生电子－空穴对，称为“光生载流子”，两者的电性相反，电子带负电，空穴带正电；②电性相反的光生载流子被半导体p-n 结所产生的静电场分离开；③光生载流子电子和空穴分别被太阳能电池的正、负极所收集，并在外电路中产生电流，从而获得电能。

2.    太阳能光伏发电的运行方式

通过太阳能电池（又称光伏电池）将太阳辐射转换为电能的发电系统称为太阳能电池发电系统（又称太阳能光伏发电系统）。其发电系统可以分为：独立运行和并网运行两种方式。

2.1 太阳能独立运行光伏系统

图1为一独立光伏发电系统的结构示意图,光伏发电系统由太阳能电池、阻塞二极管、调节控制器和蓄电池组成

2.1.1 太阳能电池方阵

太阳能电池组件是太阳能光伏发电系统的核心部件,其光电转换效率、各项参数指标的优劣直接代表了整个光伏发电系统的发电性能,电池板尺寸大小的选择服从太阳能光伏阵列造型由单体太阳能电池封装成满足一定电压和功率的小组合,根据需要可由小组合构成太阳能电池光伏发电系统方阵,太阳能电池方阵工作电压一般为负载工作电压的1.4 倍。

2.1.2 阻塞二极管

阻塞二极管, 又称阻塞二极管。其作用是避免太阳能方阵不发电或出现短路故障时,蓄电池通过太阳能电池放电。它串联在太阳能电池方阵电路中,起单向导通的作用。

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2.1.3 储能蓄电池组

太阳能电池方阵只有在光照射工作,有功率输出,到晚上或阴雨天由于没有光线而不能输出功率,平时将太阳能电池方阵有光时发的电能储存起来,供晚上或雨天无光照时应用,所以太阳能光伏发电系统要装备储能蓄电池。太阳能光伏发电系统中的储能蓄电池具体有两个方面的作用：一是储能;二是确定太阳能光伏发电方阵的工作点和起到一定钳位和稳定作用,不管方阵电压随光照如何变动,输出电压一定被钳位在蓄电池电压上。应用**、数量**多的蓄电池是铅酸蓄电池。

2.1.4 调节控制器

调节控制器是光伏发电系统的核心部件之一。其主要功能是防止方阵对蓄电池过充电或防止蓄电池对负载过放电。太阳能光伏发电系统,电力是并入电网使用,必须设置控制调节转换装置,调节控制器又起到以下的作用:(1)当蓄电池过充或过放时,可以报警或自动切断电路,保护蓄电池。(2)接需要设置高精度的恒压或恒流装置。(3)当蓄电池有故障时,可以自动切换接通备用蓄电池,以保证负载正常用电。(4)当负载发生短路时,可以自动断开。(5)与交流电网同步以保证并网的可靠性。

2.2 太阳能并网运行光伏系统

并网光伏发电系统是与电网相连,并向电网馈送电能的光伏发电系统。可分为集中式大型联网光伏系统和分散式小型联网光伏系统。系统主要由太阳能电池方阵、联网逆变器和控制器三大部分组成。利用蓄电池和太阳能电池构成独立的供电系统来向负载提供电能,当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时,由蓄电池来进行补充,而当其输出的功率超出负载需求时, 将电能储存在蓄电池中; 将太阳能电池控制系统和电网并联,当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时,由电网来进行补充;而当其输出的功率超出负载需求时,将电能输送到电网中。

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2.2.1 太阳能并网运行光伏系统分类

根据联网系统是否允许通过供电区变压器向主电网馈电可分为：可逆流和不可逆流联网光伏发电系统。可逆流系统是在光伏系统产生剩余电力时将该电能送入电网，由于同电网的供电方向相反，故称为逆流；当光伏系统电力不够时，则由电网供电。不可逆流系统是指不会出现光伏系统向电网输电的情况，当光伏系统由于某种特殊原因产生剩余电能时，通过某种手段加以处理或放弃。

根据联网光伏系统是否配置贮能装置，分为有贮能装置和无贮能装置联网光伏发电系统。配置少量蓄电池的系统，称为有贮能系统。不配置蓄电池的系统，称为无贮能系统。有贮能系统主动性较强，当出现电网限电、掉电、停电等情况时仍可正常供电。

2.2.2 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。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，将发出的电能馈入电网，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。

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。太阳能是洁净、可再生能源,是传统化石能源的**重要的替代能源之一。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**的发展。

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