光伏發電技術及應用

《光伏發電技術及應用》 按照光伏發電系統應用結構來分，可以分爲離網光伏發電系統和併網光伏發電系統。 離網光伏發電系統主要包括光伏電池組件（光伏陣列）、光伏控制器、蓄電池、離網逆變器和負載。光伏發電的核心部件是光伏電池組件（即太陽能電池板），它能將太陽光直接轉換成電能；並通過控制器把光伏電池產生的電能存儲於蓄電池中；當負載用電時，蓄電池中的電能通過控制器合理地分配到各個負載上。光伏電池所產生的電流爲直流電，可以直接以直流電的形式應用，也可以用逆變器將其轉換成爲交流電，供交流負載使用。 1）光伏電池組件。 光伏電池組件也叫太陽能電池板，是太陽能發電系統中的核心部分。其作用是將太陽光的輻射能量轉換爲電能，並送往蓄電池中存儲起來，也可以直接用於驅動負載工作。光伏電池是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片。它只要被滿足一定照度條件的光照射到，瞬間就可形成電壓及在有迴路的情況下產生電流。 當發電容量較大時，就需要用多塊電池組件串、並聯後構成太陽能電池方陣。目前應用的太陽能電池主要是晶體硅電池，分爲單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池等幾種。 2）蓄電池（組）。 蓄電池的作用主要是存儲太陽能電池板發出的電能，並可隨時向負載供電。太陽能光伏發電系統對蓄電池的基本要求是：自放電率低、使用壽命長、充電效率高、深放電能力強、工作溫度範圍寬、少維護或免維護以及價格低廉。目前爲光伏系統配套使用的主要是免維護鉛酸電池，在小型、微型系統中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池或超級電容器。當需要大容量電能存儲時，就需要將多隻蓄電池進行串、並聯，構成大容量蓄電池組。 3）光伏控制器。 光伏控制器的作用是控制整個光伏系統的工作狀態。其功能主要有：蓄電池防過充電保護、蓄電池防過放電保護、系統短路保護、系統極性反接保護、夜間防反充保護等。 4）離網逆變器。 離網逆變器是把光伏電池組件或者蓄電池輸出的直流電轉換成交流電供應給交流負載使用的設備。 5）光伏電池的發電原理 太陽能光伏發電是利用光伏電池（類似於二極管的半導體器件）的光伏效應直接把太陽的輻射能轉變爲電能的一種發電方式。太陽能光伏發電的能量轉換器就是光伏電池。當太陽光照射到由P、N型兩種不同導電類型的同質半導體材料構成的光伏電池上時，其中一部分光線被反射，一部分光線被吸收，還有一部分光線透過電池片發散出去。被吸收的光線能激發被束縛的高能級狀態下的電子，產生電子-空穴對。在PN結的內建電場作用下，電子、空穴相互運動（如圖2-2所示），N區的空穴向P區運動，P區的電子向N區運動，使光伏電池的前電極有大量負電荷（電子）積累，而在電池的背電極有大量正電荷（空穴）積累。若在電池兩端接上負載形成迴路，負載上就有電流通過。當光線一直照射時，負載上將源源不斷地有電流通過。 1.硅系光伏電池 （1）單晶硅光伏電池 單晶硅光伏電池是以高純度的單晶硅棒爲原料生產的光伏電池，是目前發展最快的一種光伏電池，單晶硅光伏電池的硅原子排列非常規則，在硅系光伏電池中轉換效率最高，目前實驗室最高轉換效率爲25%，市場產品的實際轉換效率爲18%～20%，高效單晶硅光伏電池的轉換效率可達到22%。根據行業標準的要求，電池片的使用壽命要求在25年以上。 （2）多晶硅光伏電池 多晶硅成本較低，多晶硅光伏電池的轉換效率達到17%～18%，高效多晶硅光伏電池的轉換效率能達到20%。 （3）非晶硅光伏電池，理論轉換效率爲18%，實際轉換效率爲7%～9%。 （4）化合物光伏電池：砷化鎵（GaAs）光伏電池，目前實驗室最高效率已達到50%。CuInSe2光伏電池，簡稱CIS，理論轉換效率達25%～30%以上，目前在14%左右。CdS/CdTe光伏電池，碲化鎘薄膜光伏電池的理論光電轉換效率約爲28%。 （5）有機半導體系光伏電池。有機光伏電池是由有機材料製成的，可分爲色素增感光伏電池和有機薄膜光伏電池。 二、單體電池： 單體電池是電池方陣的最小單元，經過串並聯可達到用戶需要的電池方陣結構。單體電池的選擇主要以短路電流、開路電壓、峯值電流、峯值電壓、峯值功率5個基本參數爲依據，進而組合成所需的電池方陣。 （1）短路電流Is 當將光伏電池的正負極短路，使電池輸出電壓爲零，此時的電流就是單體光伏電池的短路電流，短路電流的單位是A（安），短路電流隨着光的強度的變化而變化。 （2）開路電壓Uo 當將光伏電池的正負極不接負載，即I=0時，此時光伏電池正負極間的電壓就是開路電壓，開路電壓的單位是V（伏）。單體光伏電池的開路電壓不隨電池片面積的增減而變化，一般爲0.5～0.7V。 （3）峯值電流Im 峯值電流也叫最大工作電流或最佳工作電流。峯值電流是指單體光伏電池輸出最大功率時的工作電流，峯值電流的單位是A（安）。 （4）峯值電壓Um 峯值電壓也叫最大工作電壓或最佳工作電壓。峯值電壓是指單體光伏電池輸出最大功率時的工作電壓，峯值電壓的單位是V（伏）。單體光伏電池峯值電壓不隨電池片面積的增減而變化，一般爲0.45～0.5V，典型值爲0.48V。 （5）峯值功率Pm 峯值功率也叫最大輸出功率或最佳輸出功率。峯值功率是指光伏電池片正常工作或測試條件下的最大輸出功率，也就是峯值電流與峯值電壓的乘積：Pm=ImUm。峯值功率的單位是W（瓦）。 （6）填充因子 填充因子也叫曲線因子，是指光伏電池的最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積的比值，填充因子是用來評價光伏電池輸出特性的。 恆流充電法，在蓄電池最大允許的充電電流情況下，充電電流越大，充電時間越短。超級電容器又叫雙電層電容器，是一種新型儲能裝置，其具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等特點，其儲能的過程並不發生化學反應，並且這種儲能過程是可逆的，也正因爲如此，超級電容器可以反覆充放電數十萬次。電容器的電容量計算公式爲：C=KA/D 式中，K爲電介質的介電常數，單位爲3/m；A爲電極表面積，單位爲m2；D爲電容器間隙的距離，單位爲m。 1.飛輪儲能技術 飛輪儲能是機械儲能的一種形式，以慣性能（動能）的方式，將能量儲存在高速旋轉的飛輪中。當車輛制動時，飛輪儲能系統拖動飛輪加速，將車身的慣性動能轉化爲飛輪的旋轉動能。當車輛需起動或加速時，飛輪減速，釋放其旋轉動能給車身。飛輪儲能系統是一種機電能量轉換與儲存裝置，它存在兩個工作模式：一種爲“充電”模式，這時電機作爲電動機運行，由工頻電網提供的電能經功率電子變換器驅動電機加速，電機拖動飛輪加速儲能，能量以動能形式儲存在高速旋轉的飛輪體中；另一種爲“放電”模式，當飛輪達到設定的最大轉速以後，系統處於能量保持狀態，直到接收到一個釋放能量的控制信號，系統釋放能量，高速旋轉的飛輪利用其慣性作用拖動電機減速發電，經功率變換器輸出適用於負載要求的電能，從而完成動能到電能的轉換。 抽水蓄能電站的綜合效率一般在65%～75%， 直流匯流箱又稱直流接線箱，是實現光伏電池組件（陣列）有序連接和匯流功能的一種接線裝置，且能夠實時採集各組件（陣列）支路的電壓與電流，有利於光伏電站建設、維護與檢修。光伏組件串通過直流匯流箱和直流配電櫃連接到逆變器。 逆變器的工作原理是通過功率開關管的開通和關斷作用，把直流電轉換成交流電。 併網逆變器主要作用是將光伏電池組件所發直流電轉換爲與電網同頻率同相位的正弦交流電，並送入電網，同時還具備防止孤島效應、低電壓穿越等能力。 風力發電站和光伏發電站採用大功率電力電子裝置進行併網，與傳統的大型交流同步發電機和變壓器系統相比，其器件短路和瞬時過電流耐受能力十分脆弱。所謂低電壓穿越，就是在瞬時接地短路或者相間短路時，由於短路點與併網點的距離不同，將導致某相的併網點相電壓低於某一個閾值（一般等於或低於最低電壓限值的20%）。此時，大型風力發電站或者光伏發電站不能夠解列或者脫網，需要給系統提供無功電流，能夠自動跟蹤電力系統的電壓、頻率、相位，在自動重合閘時不產生有害的衝擊電流，能夠快速併網恢復供電，這就是低電壓穿越功能。

系統介紹了光伏發電技術情況，適合作爲該系列教材的第一部閱讀。從光伏項目投資角度看，較其他幾本教材幫助更大一點。