太阳能发电系统设计1引言从“蒸汽机”到“电动机”的一系列动力技术发明，人们逐渐认识到，能源技术的革新带动人类社会日益进步，对社会发展起着巨大的推动作用。

但至今所采用的化石燃料能源带给人类文明与进步的同时，却因能源需求消耗的大幅提高以及随之而来的环境污染，形成了巨大的能源缺口，同时给环境造成巨大灾难。

目前，油气资源的供不应求已成为我国经济发展的瓶颈，电力供应不容乐观，天然气用量迅速增长……最新的资料表明太阳光的充分利用，是最清洁，环保，取之不尽的可再生能源。

太阳能的利用我国太阳能资源丰富，陆地每年接受的太阳辐射能，相当于2.4³1012tce，2/3国土面积的太阳能总辐射量超过0.6MJ/m2。

如果将太阳能源充分加以利用，不仅有可能节省大量常规能源，而且有可能在某些区域完全利用太阳能采暖。

目前，太阳能利用主要有两个途径，即光热和光伏。

光伏是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。

光伏发电在太阳能利用上是主流，前景好。

太阳能原理太阳能电池发电的原理是基于半导体的光电效应，即一些半导体材料受到光照时，载流子数量会剧增，导电能力随之增强，这就是半导体的光敏特性。

在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以P(N)型硅对外部来说是电中性的。

若将P(N)型硅放在阳光下照射，仅是被加热，外部看不出变化。

但内部通过光的能量，电子从化学键中被释放，由此产生电子－空穴对，但在很短的时间内（在μS范围内）电子又被捕获，即电子和空穴“复合”。

1 / 20当 P 型和 N 型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形 成一个特殊的薄 层，界面的 P 型一侧 带负电，N 型一侧带正电。

这是由于 P 型半导体多空穴，N 型半导体多自由电子，出现了浓度差。

N 区的电子会扩 散到 P 区，P 区的空穴会扩散到 N 区，一旦扩散就形成了一 个由 N 指向P 的 “内 电场”， 从而阻止扩散 进行。

达到 平衡后，就形 成了这样一个特殊的 薄层形成电势差，这就是 P －N 结。

至 今为 止，大多 数太阳能电池厂家都是 通过扩散工艺， 在 P 型硅片上形成 N 型区 ，在两个 区交界就形成了一个 P －N 结（即 N+ ／P ）。

太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面 P －N 结） 如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在 P 型硅和 N 型硅中将电子从共价键中激发，以 致产生电子－空 穴对。

界面层附近的电子和空穴在复合晶片受光过程中，空穴(电子)往 P(N)区移之 前，将 通过空 间电荷 的电 场作用 被 相互分离。

电子 向带正 电的 N 区和空 穴向带负电的 P 区运动。

通过界面层 晶片受光后，空穴(电子)从 P(N)区正(负)电极流出 产生 一个向外 的可测试的电 压。

通过光 照在界面层 产生的电 子－ 空穴对越多， 电流越大 。

界面层吸收 的光能越多 ，界面层即 电池面积 越大，在太阳 能电池中形成的 电流也 越大。

此即为光生伏特效应。

光伏系统光伏系统是利用太阳电池组件和其他辅助设备将太阳能转换成电能的系统。

一般分为独立系统、并网系统和混合系统。

白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输 入电压的要求。

再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电 能贮存起来。

晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，2 / 20的电荷分离，将在 P 区和 N 区之间输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。

蓄电池组的放电情况由控制器进 行控制，保证蓄电池的正常使用。

光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以 保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。

太阳能→电 能→化学能→电能→光能。

就太阳能光伏发电系统 而言，其包括太阳能 电池 方阵 ，蓄电池组，充放电控 制器，逆变器， 交流 配电 柜、自动太阳能跟踪系 统、 自动太阳能 组件除尘系统等 设备。

其各部分作用如下： 太阳能电池方阵 在有 光照（无 论是太阳光 ，还是其它 发光体产 生的光照）情况下，电 池吸收光能，电池两端出现异号电荷 的积累，即产生“光生电压”，这就是 “光生伏特效应 ”。

在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动 势， 将光能转 换成电能，是 能量转换的 器件。

太阳能 电池一般为硅电池， 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三种。

蓄电池组 其作 用是贮存 太阳能电 池方阵受光照 时发出的 电能并可 随时向负载供 电。

太阳能电 池发电对所用 蓄电池组的 基本要求是 ：a.自放 电率低；b.使 用寿 命长；c. 深放电能力强 ；d.充电效 率高；e. 少维护或免 维护；f.工作 温度 范围宽； g.价格低廉 。

目前我国与 太阳能发电 系统配套 使用的蓄电池 主要是铅酸蓄电 池和镉 镍蓄电池。

配套 20 0Ah 以上的铅酸蓄电池，一般选 用固定式或工业 密封式 免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为 2VDC ； 配套 200Ah 以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护 铅酸蓄电池，每 只蓄电池的额定 电压 为 1 2VDC 。

充放电控制器 是能 自动防止 蓄电池过 充电和过放电 的设备。

由 于蓄电池的循环充放 电次 数及放电 深度是决定蓄 电池使用寿 命的重要因 素，因此 能控制蓄电池 组过充电或过放 电的充放电控制器是必不可少的设备。

逆变器 是将 直流电转 换成交流 电的设备。

由于 太阳能电 池和蓄电池是直流电3 / 20源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。

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电池发电系统。

逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。

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不高的系统。

正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。

逆变器保护功能：过载保护、短路保护、接反保护、欠压保护、过压保护、过热保护。

交流配电柜其在电站系统的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系统的正常供电，同时还有对线路电能的计量。

太阳能跟踪系统太阳能跟踪系统是能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，能够显著提高太阳能光伏组件的发电效率。

光伏系统的应用根据太阳能光伏系统的应用形式、应用规模和负载的类型，对光伏供电系统进行比较细致的划分。

还可以将光伏系统细分为如下六种类型：小型太阳能供电系统（Sma ll DC）；简单直流系统（Si mple DC）；大型太阳能供电系统（Large DC）；交流、直流供电系统（AC/DC）；并网系统（Utility Grid Connect）；混合供电系统（Hybrid）；并网混合系统。

小型太阳能供电系统该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。

其主要用途是一般的家庭户用系统，各种民用的直流产品以及相关的娱乐设备。

在我国西部地区大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流灯，主要用来解决无电地区的家庭照明问题。

简单直流系统该系统的特点是系统中的负载为直流负载而且对负载的使用时间没有特别的要求，负载主要是在白天使用，所以系统中无蓄电池，也无需控制4 / 20器，系统结构简单，直接使用光伏组件给负载供电，省去了能量在蓄电池中的储存和释放过程，以及控制器中的能量损失，提高了能量利用效率。

其常用于PV水泵系统、一些白天临时设备用电和一些旅游设施中。

大型太阳能供电系统与上述两种光伏系统相比，这种光伏系统仍然是适用于直流电源系统，但是这种太阳能光伏系统通常负载功率较大，为了保证可以可靠地给负载提供稳定的电力供应，其相应的系统规模也较大，需要配备较大的光伏组件阵列以及较大的蓄电池组，其常见的应用形式有通信、遥测、监测设备电、农村的集中供电、航标灯塔、路灯等。

交流、直流供电系统与上述的三种太阳能光伏系统不同的是，这种光伏系统能够同时为直流和交流负载提供电力，在系统结构上比上述三种系统多了逆变器，用于将直流电转换为交流电以满足交流负载的需求。

通常这种系统的负载耗电量也比较大，从而系统的规模也较大。

在一些同时具有交流和直流负载的通讯基站和其它一些含有交、直流负载的光伏电站中得到应用。

并网系统这种太阳能光伏系统最大的特点就是光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入市电网络，并网系统中PV方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。

在阴雨天或夜晚，光伏阵列没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。

因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用PV方阵所发的电力从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本。

但是系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压，频率等指标的要求。

因为逆变器效率的问题，还是会有部分的能量损失。

这种系统通常能够并行使用市电和太阳能光伏组件阵列作为本地交流负载的电源。

降低了整个系统的负载缺电率。

而且并网PV系统可以对公用电网起到调峰作用。

混合供电系统这种太阳能光伏系统中除了使用太阳能光伏组件阵列之外，还使用风5 / 20力发电系统，同时还使用了油机作为备用电源。

使用混合供电系统的目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。

比方说，上述的几种独立光伏系统的优点是维护少，缺点是能量的输出依赖于天气，不稳定。

综合使用柴油发电机和光伏阵列，风力发电的混合供电系统和单一能源的独立系统相比就可以提供不依赖于天气的能源。

并网混合供电系统随着太阳能光电子产业的发展，出现了可以综合利用太阳能光伏组件阵列，风力发电，市电和备用油机的并网混合供电系统。

这种系统通常是控制器和逆变器集成一体化，使用电脑芯片全面控制整个系统的运行，综合利用各种能源达到最佳的工作状态，并还可以使用蓄电池进一步提高系统的负载供电保障率，例如AES的SMD逆变器系统。

该系统可以为本地负载提供合格的电源，并可以作为一个在线的UPS（不间断电源）工作，还可以向电网供电或者从电网获得电力。

系统的工作方式通常的是将市电和太阳能电源并行工作，对于本地负载而言，如果光伏组件产生的电能足够负载使用，它将直接使用光伏组件产生的电能供给负载的需求；如果光伏组件产生的电能超过即时负载的需求还能将多余的电能返回到电网；如果光伏组件产生的电能不够用，则将自动启用市电，使用市电供给本地负载的需求。