光伏发电技术及应用

《光伏发电技术及应用》 按照光伏发电系统应用结构来分，可以分为离网光伏发电系统和并网光伏发电系统。 离网光伏发电系统主要包括光伏电池组件（光伏阵列）、光伏控制器、蓄电池、离网逆变器和负载。光伏发电的核心部件是光伏电池组件（即太阳能电池板），它能将太阳光直接转换成电能；并通过控制器把光伏电池产生的电能存储于蓄电池中；当负载用电时，蓄电池中的电能通过控制器合理地分配到各个负载上。光伏电池所产生的电流为直流电，可以直接以直流电的形式应用，也可以用逆变器将其转换成为交流电，供交流负载使用。 1）光伏电池组件。 光伏电池组件也叫太阳能电池板，是太阳能发电系统中的核心部分。其作用是将太阳光的辐射能量转换为电能，并送往蓄电池中存储起来，也可以直接用于驱动负载工作。光伏电池是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照射到，瞬间就可形成电压及在有回路的情况下产生电流。 当发电容量较大时，就需要用多块电池组件串、并联后构成太阳能电池方阵。目前应用的太阳能电池主要是晶体硅电池，分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池等几种。 2）蓄电池（组）。 蓄电池的作用主要是存储太阳能电池板发出的电能，并可随时向负载供电。太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求是：自放电率低、使用寿命长、充电效率高、深放电能力强、工作温度范围宽、少维护或免维护以及价格低廉。目前为光伏系统配套使用的主要是免维护铅酸电池，在小型、微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池、锂电池或超级电容器。当需要大容量电能存储时，就需要将多只蓄电池进行串、并联，构成大容量蓄电池组。 3）光伏控制器。 光伏控制器的作用是控制整个光伏系统的工作状态。其功能主要有：蓄电池防过充电保护、蓄电池防过放电保护、系统短路保护、系统极性反接保护、夜间防反充保护等。 4）离网逆变器。 离网逆变器是把光伏电池组件或者蓄电池输出的直流电转换成交流电供应给交流负载使用的设备。 5）光伏电池的发电原理 太阳能光伏发电是利用光伏电池（类似于二极管的半导体器件）的光伏效应直接把太阳的辐射能转变为电能的一种发电方式。太阳能光伏发电的能量转换器就是光伏电池。当太阳光照射到由P、N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的光伏电池上时，其中一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过电池片发散出去。被吸收的光线能激发被束缚的高能级状态下的电子，产生电子-空穴对。在PN结的内建电场作用下，电子、空穴相互运动（如图2-2所示），N区的空穴向P区运动，P区的电子向N区运动，使光伏电池的前电极有大量负电荷（电子）积累，而在电池的背电极有大量正电荷（空穴）积累。若在电池两端接上负载形成回路，负载上就有电流通过。当光线一直照射时，负载上将源源不断地有电流通过。 1.硅系光伏电池 （1）单晶硅光伏电池 单晶硅光伏电池是以高纯度的单晶硅棒为原料生产的光伏电池，是目前发展最快的一种光伏电池，单晶硅光伏电池的硅原子排列非常规则，在硅系光伏电池中转换效率最高，目前实验室最高转换效率为25%，市场产品的实际转换效率为18%～20%，高效单晶硅光伏电池的转换效率可达到22%。根据行业标准的要求，电池片的使用寿命要求在25年以上。 （2）多晶硅光伏电池 多晶硅成本较低，多晶硅光伏电池的转换效率达到17%～18%，高效多晶硅光伏电池的转换效率能达到20%。 （3）非晶硅光伏电池，理论转换效率为18%，实际转换效率为7%～9%。 （4）化合物光伏电池：砷化镓（GaAs）光伏电池，目前实验室最高效率已达到50%。CuInSe2光伏电池，简称CIS，理论转换效率达25%～30%以上，目前在14%左右。CdS/CdTe光伏电池，碲化镉薄膜光伏电池的理论光电转换效率约为28%。 （5）有机半导体系光伏电池。有机光伏电池是由有机材料制成的，可分为色素增感光伏电池和有机薄膜光伏电池。 二、单体电池： 单体电池是电池方阵的最小单元，经过串并联可达到用户需要的电池方阵结构。单体电池的选择主要以短路电流、开路电压、峰值电流、峰值电压、峰值功率5个基本参数为依据，进而组合成所需的电池方阵。 （1）短路电流Is 当将光伏电池的正负极短路，使电池输出电压为零，此时的电流就是单体光伏电池的短路电流，短路电流的单位是A（安），短路电流随着光的强度的变化而变化。 （2）开路电压Uo 当将光伏电池的正负极不接负载，即I=0时，此时光伏电池正负极间的电压就是开路电压，开路电压的单位是V（伏）。单体光伏电池的开路电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.5～0.7V。 （3）峰值电流Im 峰值电流也叫最大工作电流或最佳工作电流。峰值电流是指单体光伏电池输出最大功率时的工作电流，峰值电流的单位是A（安）。 （4）峰值电压Um 峰值电压也叫最大工作电压或最佳工作电压。峰值电压是指单体光伏电池输出最大功率时的工作电压，峰值电压的单位是V（伏）。单体光伏电池峰值电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.45～0.5V，典型值为0.48V。 （5）峰值功率Pm 峰值功率也叫最大输出功率或最佳输出功率。峰值功率是指光伏电池片正常工作或测试条件下的最大输出功率，也就是峰值电流与峰值电压的乘积：Pm=ImUm。峰值功率的单位是W（瓦）。 （6）填充因子 填充因子也叫曲线因子，是指光伏电池的最大输出功率与开路电压和短路电流乘积的比值，填充因子是用来评价光伏电池输出特性的。 恒流充电法，在蓄电池最大允许的充电电流情况下，充电电流越大，充电时间越短。超级电容器又叫双电层电容器，是一种新型储能装置，其具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，其储能的过程并不发生化学反应，并且这种储能过程是可逆的，也正因为如此，超级电容器可以反复充放电数十万次。电容器的电容量计算公式为：C=KA/D 式中，K为电介质的介电常数，单位为3/m；A为电极表面积，单位为m2；D为电容器间隙的距离，单位为m。 1.飞轮储能技术 飞轮储能是机械储能的一种形式，以惯性能（动能）的方式，将能量储存在高速旋转的飞轮中。当车辆制动时，飞轮储能系统拖动飞轮加速，将车身的惯性动能转化为飞轮的旋转动能。当车辆需起动或加速时，飞轮减速，释放其旋转动能给车身。飞轮储能系统是一种机电能量转换与储存装置，它存在两个工作模式：一种为“充电”模式，这时电机作为电动机运行，由工频电网提供的电能经功率电子变换器驱动电机加速，电机拖动飞轮加速储能，能量以动能形式储存在高速旋转的飞轮体中；另一种为“放电”模式，当飞轮达到设定的最大转速以后，系统处于能量保持状态，直到接收到一个释放能量的控制信号，系统释放能量，高速旋转的飞轮利用其惯性作用拖动电机减速发电，经功率变换器输出适用于负载要求的电能，从而完成动能到电能的转换。 抽水蓄能电站的综合效率一般在65%～75%， 直流汇流箱又称直流接线箱，是实现光伏电池组件（阵列）有序连接和汇流功能的一种接线装置，且能够实时采集各组件（阵列）支路的电压与电流，有利于光伏电站建设、维护与检修。光伏组件串通过直流汇流箱和直流配电柜连接到逆变器。 逆变器的工作原理是通过功率开关管的开通和关断作用，把直流电转换成交流电。 并网逆变器主要作用是将光伏电池组件所发直流电转换为与电网同频率同相位的正弦交流电，并送入电网，同时还具备防止孤岛效应、低电压穿越等能力。 风力发电站和光伏发电站采用大功率电力电子装置进行并网，与传统的大型交流同步发电机和变压器系统相比，其器件短路和瞬时过电流耐受能力十分脆弱。所谓低电压穿越，就是在瞬时接地短路或者相间短路时，由于短路点与并网点的距离不同，将导致某相的并网点相电压低于某一个阈值（一般等于或低于最低电压限值的20%）。此时，大型风力发电站或者光伏发电站不能够解列或者脱网，需要给系统提供无功电流，能够自动跟踪电力系统的电压、频率、相位，在自动重合闸时不产生有害的冲击电流，能够快速并网恢复供电，这就是低电压穿越功能。

系统介绍了光伏发电技术情况，适合作为该系列教材的第一部阅读。从光伏项目投资角度看，较其他几本教材帮助更大一点。