光伏发电原理及发电系统简介光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。

这种技术的关键元件是太阳能电池。

太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

一、光伏效应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。

通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。

此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。

对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5~0.6V。

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。

二、原理太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结内建电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。

这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

太阳能发电有两种方式，一种是光-热-电转换方式，另一种是光-电直接转换方式。

(1)光-热-电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。

前一个过程是光-热转换过程;后一个过程是热-电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5~10倍。

(2)光-电直接转换方式该方式是利用光伏效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光-电转换的基本装置就是太阳能电池。

太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。

当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。

太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用;与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染。

三、系统组成光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成。

1、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。

太阳能电池板是太阳能光伏系统中的核心部分，太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中。

太阳能电池板是太阳能光伏系统中最重要的部件之一，其转换率和使用寿命是决定太阳电池是否具有使用价值的重要因素。

组件设计:按国际电工委员会IEC:1215:1993标准要求进行设计，采用36片或72片多晶硅太阳能电池进行串联以形成12V和24V各种类型的组件。

该组件可用于各种户用光伏系统、独立光伏电站和并网光伏电站等。

原材料特点:电池片:采用高效率(16.5%以上)的单晶硅太阳能片封装，保证太阳能电池板发电功率充足。

玻璃:采用低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃)，厚度3.2mm,在太阳电池光谱响应的波长范围内(320-1100nm)透光率达91%以上，对于大于1200nm的红外光有较高的反射率。

此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射，透光率不下降。

EVA:采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为0.78mm的优质EVA 膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、TPT之间的连接剂。

具有较高的透光率和抗老化能力。

TPT:太阳电池的背面覆盖物-氟塑料膜为白色，对阳光起反射作用，因此对组件的效率略有提高，并因其具有较高的红外发射率，还可降低组件的工作温度，也有利于提高组件的效率。

当然，此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。

边框:所采用的铝合金边框具有高强度，抗机械冲击能力强。

也是太阳能光伏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。

2、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。

太阳能蓄电池是'蓄电池'在太阳能光伏发电中的应用，采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池,胶体蓄电池和碱性镍镉蓄电池四种。

国内被广泛使用的太阳能蓄电池主要是:铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池,这两类蓄电池，因为其固有的"免"维护特性及对环境较少污染的特点,很适合用于性能可靠的太阳能电源系统,特别是无人值守的工作站。

3、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。

4、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。

四、系统分类太阳能光伏系统分为离网光伏发电系统、并网光伏发电系统和分布式光伏发电系统:1、离网光伏发电系统。

主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。

2、并网光伏发电系统就是太阳能组件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这后直接接入公共电网。

并网发电系统有集中式大型并网电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。

但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，还没有太大发展。

而分散式小型并网发电系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网发电的主流。

地面光伏电站一次主接线图（一个子阵）3、分布式光伏发电系统，又称分散式发电或分布式供能，是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。

分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另外还有供电系统监控装置和环境监测装置。

其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节。

五、系统设置要想了解太阳能光伏系统设计，必须首先弄清楚太阳能光伏发电原理，它的原理也比较简单--基于半导体的光生伏特效应，利用太阳电池将太阳能直接转化为直流电能。

首先向大家介绍下光伏发电的特点，主要有以下几个方面:1、主要由电子元器件构成，不涉及机械转动部件，运行没有噪声;2、没有燃烧过程，发电过程不需要燃料;3、发电过程没有废气污染，也没有废水排放;4、设备安装和维护都十分简便，维修保养简单，维护费用低，运行可靠稳定，使用寿命很长达到25年;5、环境条件适应性强，可在不同环境下正常工作;6、能够在长期无人值守的条件下正常稳定工作;7、根据需要很容易进行扩展、扩大发电规模。

其次，光伏发电系统按照应用场合、类型区分可分为以下几种模式:1、为无电场合提供电源;2、小型太阳能电子产品;3、大规模光伏发电系统;4、与建筑结合光伏发电系统(BIPV、BAPV)。

光伏系统设计信息收集，主要包括气象资料收集、地点位置信息、相关建筑信息收集三个方面。

气象资料搜集又包括太阳辐射、温度、湿度、风速等几个方面。

太阳辐射又分为太阳短波辐射(直射辐射SL、散射辐射Ed、总辐射Eg、短波反射辐射Er)、地球长波辐射(大气长波辐射EL↓、地面长波辐射EL↑)。

它们之间的转换公式如下:Eg↓=SL+Ed ↓;SL=S*sinHA=S*cosZ;E*=Eg↓+EL↓‐Er↑‐EL↑。

温度有日平均温度、日最高温度、日最低温度三种数值，温度对光伏组件的开路电压，输出电流，输出功率，等电性能有很大影响，在后续设计中是很重要的因素，同时又对相关的电气设备的使用环境也有很大影响。

湿度只有日平均相对湿度一个参数，但也有一定影响，湿度对光伏支架的使用寿命和光伏系统的相关电气设备如逆变器等的使用有影响。

风速又分为日平均风速，日极大风速，日最大风速三个值，其对光伏设备有一定破坏性，风速越大破坏力越强。

这也对安装的光伏组件的支架的抗风安全性，以及安装的光伏幕墙、屋顶等结构件的建筑安全性都提出了更高的要求。

六、设置原理太阳能光伏系统的设计需要考虑的因素:1、太阳能光伏系统在哪里使用?该地日光辐射情况如何?2、系统的负载功率多大?3、系统的输出电压是多少，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。

七、系统特点优点1、太阳能取之不尽，用之不竭，地球表面接受的太阳辐射能，能够满足全球能源需求的1万倍。

只要在全球4%沙漠上安装太阳能光伏系统，所发电力就可以满足全球的需要。

太阳能发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击;2、太阳能随处可处，可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路的损失;3、太阳能不用燃料，运行成本很低;4、太阳能发电没有运动部件，不易用损坏，维护简单，特别适合于无人值守情况下使用;5、太阳能发电不会产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源;6、太阳能发电系统建设周期短，方便灵活，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳能方阵容量，避免浪费。

缺点1、地面应用时有间歇性和随机性，发电量与气候条件有关，在晚上或阴雨天就不能或很少发电;2、能量密度较低，标准条件下，地面上接收到的太阳辐射强度为1000W/M^2。