五、光伏发电系统原理
DC/DC斩波器
DC/AC逆变器
太阳能电池阵列
DC/DC变换器 蓄电池
驱动电路 PWM控制器
典型并网光伏发电系统
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电抗器
电网
～
变压器
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五、光伏发电系统原理
（1）光伏阵列
光伏电池组件的串联，要求所串联组件具有相同的电流容量； 光伏电池的并联，要求所并联组件具有相同的电压等级。 1个光伏电池额定输出电压大约为0.45V.
举例：双极性PWM控制方式
V1、V4和V2、V3两组相互导通。
ur >uc，给V1、V4导通信号，如io>0，则V1和V4通，如io<0，则VD1和VD4通，不管哪种 情况都是uo=Ud
ur<uc，给V2、V3导通信号，如io<0，则V2和V3通，如io>0，则VD2和VD3通，不管哪
种情况都是uo=-Ud
uUN
uUN '
uUN '
uVN' 3
uWN '（2）储能 Nhomakorabea蓄电池、蓄能元件及辅助发电设备 蓄电池或其他蓄能元件如超导、 超级电容器等是将太阳能电池阵列转换后的电能储存起来，以使无光照 时也能够连续并且稳定的输出电能，满足用电负载的需求。
（3）负载
终端电能消耗设备，通过消耗电能作功，将电能再次转换成其他形式的 能量。——直流负载，交流负载
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主流电池
汇流条和互连条的作用是一样的，都是收集电荷用，互联条是将单个电池片 上的电荷进行收集并起到将电池片进行串联的目的，汇流条是将每一串的电 流进行连接的，汇集一起进行输出。汇流条和互联条都是涂锡铜带。
光伏电池封装胶膜（EVA）一种热固性有粘性的胶膜，用来粘结固定钢化玻璃 和发电主体（如电池片）
五、光伏发电系统原理
（4）电力电子变换器
电力电子变换器实现DC-AC或DC-DC电能变换，完成升压，对蓄电 池或其他中间蓄能元件进行充放电控制外，按照负载电源的需求进行 逆变，使光伏阵列转换的电能经过变换后可以供一般的用电设备使用。 是光伏发电系统的关键部分。
变 直流变换器（DC-DC）:将直流电变换为不同电压等级的直流电 换 器 逆变器——将直流电逆变成交流源
1958年，美国第二颗卫星“先锋1号”首次 采用太阳电池，为蓄电池充电，在太空连 续工作8年。
1977年，前苏联首次将GaAs太阳电池用在 人造卫星上。
我国1958年开始研制太阳电池，于1971年 将封装有20多块单晶硅太阳电池的组合板 用在我国第二颗人造卫星上。
硅太阳电池的三位发明人、美 国贝尔实验室的皮尔逊、查平 和富勒（Pearson, Chapin, Fuller）在测量早期太阳电池
失谐电池不但对组件输出没有贡献，而且会消耗其他电池产生 能量，导致局部过热。这种现象称为热斑效应。
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四、热斑效应
热斑效应的破坏力:
有光照的组件所产生的部分能量或全部能量都可能被遮蔽 的电池所消耗。热斑效应会使焊点融化，破坏封装材料( 如无旁路二极管保护)，甚至会使整个方阵失效。
组件热斑产生的原因:
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五、光伏发电系统原理
光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转换为 电能的直接发电形式。
光伏发电系统主要由光伏阵列、控制器、储能、电力电 子变换器、负载等环节组成，将太阳能转换为可利用的电 能。
独立光伏发电系统 并网光伏发电系统
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五、光伏发电系统原理
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独立光伏发电系统组成
Hitachi 日立（日本） IXYS 艾赛斯（德国） Sanken 三肯 （日本）
San Rex 三社（美国）
IR (美国） Concept (瑞士)
Eupee 优派克（德国）
Semikron 西门康（德国） Mitsubishi 三菱（日本） Infineon 英飞凌（德国）
ABB 山大电气-WH
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双极性PWM控制方式波形
三相桥式PWM型逆变电路
三相桥式PWM型逆变电路
◆采用双极性控制方式
◆电路工作过程（U相为例）
当urU>uc时，上桥臂V1导通，下桥臂V4关断，则U相相对 于直流电源假想中点N’的输出电压uUN’=Ud/2。
个别坏电池的混入、 电极焊片虚焊 电池由裂纹演变为破碎、 个别电池特性变坏、 电池局部受到阴影遮挡等。
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解决热斑效应的方法:
在组件上加装旁路二极管 旁路二极管的工作原理:
四、热斑效应
一般来说,一个由36个单体光伏电池串联的商用光伏组件 中,每18个单体光伏电池会并联上一个旁路二极管
当urU<uc时，V4导通，V1关断，则uUN’=-Ud/2。 V1和V4的驱动信号始终是互补的。 当 二给 极管V1V(VD4)1加(V导D4通)续信流号导时通，，可这能要是由V阻1(V感4)负导载通中，电也流可的能方是
向来决定。 uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形都只有±Ud/2两种电平。
` 光伏发电基本原理
山东大学电气工程学院 王辉
2017.08.03
内容
1. 新能源发电技术概述
2. 光伏发电系统
3. 光伏发电系统控制技术
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4. 其他关键技术
一、能源的定义和分类
按照开发和使用程度可分为：常规能源 （媒、石油、水利等）、新能源（太阳能、 风能、海洋能等）
按照是否可反复使用可分为：不可再生能 源（化学能源、核能）、可再生能源（太 阳能、水能、风能、地热能、海浪能等）
的光响应。
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三、光伏电池的分类
1. 单晶硅太阳能电池 2. 多晶硅太阳能电池 3. 非晶硅太阳能电池
在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和 多晶硅 电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。
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三、光伏电池的分类 外观
： 四角为截角或圆形
蓝灰色，质地单一
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美国加州建造的一个槽式抛物面聚焦系统照片
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槽式抛物面镜线聚焦太阳能热发电系统工作原理图
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太阳能热发电—塔式
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太阳能热发电—塔式
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太阳能热发电—塔式
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二、光伏电池工作原理
1)太阳光子打到半导体表面，能 量大于禁带宽度的，打出电子 空穴对。
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三相桥式PWM逆变电路波形
三相桥式PWM型逆变电路
三相桥式PWM逆变电路波形
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三相桥式PWM型逆变电路
输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构 成。
√当臂1和6导通时，uUV=Ud。
√当臂3和4导通时，uUV=－Ud。 √当臂1和3或臂4和6导通时，uUV=0。
负载相电压uUN可由下式求得
2)由于P-N结具有由N指向P的内 建电场，电子和空穴分别向相 反方向移动，在两侧电极积累。
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二、光伏电池工作原理
1839年，法国物理学家贝克勒尔（E. Becquerel）在湿电池实验中发现光伏效应。 但效率不足1%。
1953年，美国贝尔实验室的皮尔逊 (G.Pearson)、查平(D.Chapin)、富勒(C. Fuller) 利用掺杂半导体硅晶片，得到比 以前高得多的光电转换效率。
应用范围
99.999％ 以上的
单晶硅棒 晶粒生长 各向同性
需要高度提纯 严苛的晶粒 生长环境 生产成本高
电耗大
20％左右
精密电子仪器 半导体元器件 重要场所的 光伏电池原料
多晶硅电池
根据不同需要 掺入各种杂质
晶粒生长 呈不规则性
生产工艺纯熟 成本低
电耗相对小
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16％左右
普通场所 大型光伏电站
背板作用，密封、绝缘、防水（一般都用TPT、TPE等材质必须耐老化） 山大电气-WH
几个概念
单体：
由1片硅晶片构成的太阳能电池
光伏组件（模块）：
多个太阳能电池单体构成
光伏阵列：
多个光伏组件构成
热斑效应：
为了达到较高转换效率，光伏组件中的单体电池须具有相似的特性 。在实际使用过程中，可能出现电池裂纹或不匹配、内部连接失效、局 部被遮光或弄脏等情况，导致一个或一组电池的特性与整体不谐调。
Lb
Ui
Q OFF
Lb iLb + ULb _ Ui
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D
Q Cf
AD Q Cf
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0
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0
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0
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RLd
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Iin
Ton Ts
ILbmax Toff
ILbmin t
Uo
1 1 DUi
绝缘栅双极晶体管
■IGBT的结构和工作原理
◆IGBT的结构 ☞是三端器件，具有栅极G、
石油—40年；天然气—60年；煤— 200年 （低碳生活）
按照是否经过加工或转换，可分为一次能 源、二次能源。
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二、相关新能源发电技术
太阳能发电 风力发电
生物质能发电 海洋能利用与发电 燃料电池、地热能、空气能、核能等 储能技术（蓄电池、抽水蓄能、飞轮储能、
氢能等）