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1、 【内部资料 注意保密】 员工培训教材 光伏系统知识 编写： 孙 斌 北京普泰日盛新能源科技有限公司 2009-1-18 光伏系统知识 第一章 光伏系统组成 一、概述 太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源。我们 不但可以充分利用太阳辐射能量的光热效应（如太阳能真空管集热、槽式光热发电、碟式高温发电、太阳能海水淡化等等） ，还可以充分利用其光电效应开发各种 各样的太阳能光电产品。尽管光电转换效率只有百分之十几，近几年却得到了快速的发展。未来五年内，光伏行业必将突破瓶颈、大刀阔斧、突飞猛进，其应用前景十分的广阔壮丽。投身于光电事业，前途远大，可以说大得无边无际。投身于光伏事业，是在为绿色环保并可持续
2、发展做着贡献；投身于光伏事业，是在为人类健康、明亮、美好的未来添砖铺瓦；投身于光电事业，是无比光荣的，我们应该为自己的勤奋工作而自豪。 二、太阳能电池的工作原理 那么电是怎么来的呢？为什么半导体 PN 结经太阳光一照就有电呢？ 科学家们将这种光照生电的现象叫做“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。光伏效应的核心原理就是 PN 结的“空穴导电”。空穴代表着正电荷，正电荷的移动就形成了电流，这个电流就叫“光生电流”，它与光电池板的面积、光照度、光电池板表面温度等因素有关。 实验证明，光生电流的大小，受光电池板安装 角度偏差的影响也是非常大的而且变化迅速，在相同实验条件下，光伏电压对安装角度的偏差变化
3、则反应迟钝，受其影响很小。电池的驱动能力的大小也即电动势的大小与电流是直接相关的，虽然电动势是以“伏特”为单位来表示的，但其“实力”是由内部电流的强弱决定的，实践中我们经常能遇到这样的情况，一节（块）电池的电压还很高，但是电流特别小，电压再高也是虚的。那什么是电流呢？电流就是电子的定向移动。回路中电流的方向永远与电子流动的方向相反。对太阳能电池来说，光生电流的方向就是“空穴”移动的方向，也就是电子流的反方向。 光生电流决定了太阳能电池的发电效率，因此 光电产品和光伏工程特别要注意光电池组件板的安装角度。角度偏差一点点，光生电流都会下降很多。 光生电流的产生，表面上看是“空穴导电”形 成的，但实
4、质上还是电子的“定向填充空穴”形成的。那么“空穴移动”和电子“填充空穴”又是怎么回事呢？先看看太阳能电池的制做材料单晶硅的内部结构。 单晶硅内部的分子结构是四价电子结晶形态。 硅原子靠这四价电子相互间形成强劲有力的离子键从而即相互吸引、又相互排斥，所有的硅原子都形成有规则的排列，横看成一，竖看成列，纵看成行，美丽而神奇。原子间的空格也叫晶格，是自由电子活动的空间。 P 型半导体就是在美丽的四价单晶硅中掺杂了三价的硼原子，结果，某一个硼原子取代了硅原子，混在晶格中，但因为硼原子周围只有三个电子，必定有一对离子键因失配而呈现“空缺” （缺少一价电子相配） ，这就存在了一种不稳定或者说不平衡的趋势，
5、 “空穴”的形象化比喻由此而来， “空穴”时时表现出使晶格趋于稳定的态势。这就是 P 型半导体的特性。再说说 N 型半导体。与P 型半导体相类似，单晶硅在高温高压下形成结晶态之前，在纯硅当中掺杂了五价的磷原子，结晶形成后，某一个磷原子占据了硅原子的位置混在晶格中，结果必定有一价电子找不到配对、无家可归因而成为不安定因素。N 型半导体就形成了。 现在要做一件好事，就是把 P 型半导体与 N 型半导体贴合在一起。结果在接触面上就形成了很薄很薄的半导体膜层，这个膜层被科学家称为 PN 结，PN结是一个内建电场，具有单向导电性，即加上正向电场就导通，加上反向电场就截止。 PN 结是半导体器件技术和电子
6、科学发展的最关键之基础。目前实验室内的 PN 结可以细微到纳米级。这意味着超大规模集成电路的开发应用会来一次历史性的飞跃，带给我们的好处是最高档的 PC 机可以制做得很轻、很薄、很小巧。 太阳能电池的外表面向阳的一面是富空穴的 P 型半导体，紧贴下面的就是富电子的 N 型半导体。在太阳光子的激发下，N 区的自由电子异常活跃，终于冲破 PN 结的阻挡，逐次开始填充 P 区中的空穴。有意思的是，这些空穴由下向上逐次被电子填充，就好象空穴由上而下在悄悄移动。这就是“空穴的移动”，这个移动是虚拟移动，晶格中的每个原子都在各自的位置上纹丝不动，动的只是与正电荷相配对的电子而已。太阳能电池的电动势由此而生
7、。但是，空穴的虚拟移动和电子的实际定向移动还都只是带有电荷的载流子向电池上下两面的聚集，只能形成电动势，还不能形成电流。要形成电流还得怎么样？还要在电池的两端加上导线使其构成回路才行。 三、光伏系统的基本组成 1、光伏系统基本上由四部分组成： 1、太阳能电池组件； 2、蓄电池组； 3、蓄电池充放电控制器或称直流控制器； 4、直流负载或交流负载。此外，如果负载是交流的，还要为交流负载配备交流逆变电源，可以将交流逆变电源连同交流负载共同视为一个直流负载子系统。如图所示。 直流负载交流负载交流逆变电源充放电控制器蓄电池组光伏系统组成典型原理框图太阳电池组件阵列2、光伏系统工作原理 （1）太阳能电池组
8、件在阳光照射下会产生光伏电压和光生电流，是光伏系统的发电装置。它输出的是直流电，经充放电控制器整定后用来为蓄电池充电；充电的过程是储能的过程。 （2）蓄电池是光伏系统的储能装置。白天，太阳能被光电池转化为电能，通过给蓄电池充电，电能又转化为化学能。到了晚上，太阳能电池停止发电和充电，蓄电池开始对负载放电，化学能又转化为电能供给光源工作。所以，一个完整的光伏系统在一昼夜间发生了一系列能量的转化：太阳辐射能电能电化学能电能电光照明。 （ 3）智能化充放电控制器在光伏系统能量转化中起着极其重要的控制作用。这个控制器具有先进的充电控制、放电控制以及过充电保护、过放电保护、过载保护反接保护等一系列保护功
9、能。光伏系统的性能好坏与控制器有着重大关系，可以说充放电控制器是光伏系统的心脏。目前光伏系统用充放电控制器都以单片机对充放电过程尤其是充电过程进行严密监控，大大提高了系统可靠性。 3、光伏系统的开发应用实例 较大型的光伏系统目前已经得到了广泛的推广 应用，比如在无电、缺电且太阳辐照度好的地区建造几十千瓦级的甚至更大装机容量的太阳能电站，这种独立运营的光伏电站称为“离网光伏系统”。但这不是发展的主流。发展的主流是什么？是大面积建设与市电并网的光伏系统。只有建造这样的光伏系统，太阳能发电技术和系统产品才能走入城市、走入乡村、走入小区、走入千家万户。最近，大型并网太阳能电站已纷纷建成，这说明政府官员
10、的绿色环保节能意识在不断提升，伟大的太阳能光伏事业越来越受到政府的认可和支持。 中小型的光伏系统常常应用在屋顶。这就是著名的“光伏屋顶计划” ，在我国，不久前，无锡尚德向上海和苏浙地区推出了“1000 屋顶计划” ，受到了国家政府有关部门以及中国太阳能协会的高度赞扬和大力支持。这是个好势头，预示着太阳能时代的到来。 最近一两年，太阳能灯具就如雨后春笋，纷纷 破土而出。太阳能灯具是小型的独立光伏系统，比较成熟的有用于功能照明的路灯，有用于夜景照明的庭院灯，此外还开发出装饰性很强的太阳能草坪灯。更小的堪称微型的光伏系统产品开发也有所创新，如太阳能应急灯，太阳能便携式电源、太阳能手机充电器等等，非常
11、有诱惑力。 并网系统要比离网系统安全可靠、不受天气的 影响，白天为负载供电，多余的电能馈入市电网，如果遇上阴雨天，由市电为负载供电，避免了独立光伏系统受天气影响的弊端。对于独立运行的离网式光伏系统而言，连阴雨天是其软肋，即便将系统设计得再好，也无法避免连阴天造成的蓄电池缺电。通常，为了使阴雨天系统能够正常工作，连阴雨天常被设计成 37 天，假定设计成 5个连阴天，所配备的蓄电池放电容量基本上是一天负载用电量的 5 倍，成本加大不算，实际上能不能避免阴天缺电呢？实践证明了不能。因为一个月内连续出现 79 个连阴天的情况是客观存在的。所以科学合理安全可靠的“光伏并网系统”应运而生。光伏并网系统彻底
12、甩掉了庞大而且沉重的蓄电池包袱，也就免去了蓄电池场地占用，同时免去了蓄电池复杂的充放电管理制度，免去了充放电控制器环节，也免除了循环蓄电池寿命太短而造成的系统维护费用。所以说并网更加科学合理、经济实用。 大力推广光伏并网发电，就是为推广绿色环保 并可持续发展做贡献；大力推广光伏并网发电，就是为人类现在及未来明亮、洁净、健康的美好生活添砖铺瓦。不论是推广者还是使用者，我们都一样的光荣，因为我们都在心甘情愿地承担着一份社会责任。 并网系统要比离网系统安全可靠、不受天气的 影响，白天为负载供电，多余的电能馈入市电网，如果遇上阴雨天，由市电为负载供电，避免了独立光伏系统受天气影响的弊端。对于独立运行的
13、离网式光伏系统而言，连阴雨天是其软肋，即便将系统设计得再好，也无法避免连阴天造成的蓄电池缺电。通常，为了使阴雨天系统能够正常工作，连阴雨天常被设计成 37 天，假定设计成 5个连阴天，所配备的蓄电池放电容量基本上是一天负载用电量的 5 倍，成本加大不算，实际上能不能避免阴天缺电呢？实践证明了不能。因为一个月内连续出现 79 个连阴天的情况是客观存在的。所以科学合理安全可靠的“光伏并网系统”应运而生。光伏并网系统彻底甩掉了庞大而且沉重的蓄电池包袱，也就免去了蓄电池场地占用，同时免去了蓄电池复杂的充放电管理制度，免去了充放电控制器环节，也免除了循环蓄电池寿命太短而造成的系统维护费用。所以说并网更加
14、科学合理、经济实用。 大力推广光伏并网发电，就是为推广绿色环保 并可持续发展做贡献；大力推广光伏并网发电，就是为人类现在及未来明亮、洁净、健康的美好生活添砖铺瓦。不论是推广者还是使用者，我们都一样的光荣，因为我们都在心甘情愿地承担着一份社会责任。 在并网光伏系统中，太阳能电池组件是用来发电的装置，直流电生产出来，要变换成合乎市电规范的交流电，也既符合市电标准电压正弦波形和标准电流余弦波型，逆变的三相交流电每一相的正弦波和余弦波要与相对应的市电单相电同相位、同频率、同振幅此外 ABC 三相相位角互成 120，才可以将逆变的单相电或三相电并入市电网。 光伏发电系统并网有两种方式，一种是单相并 网，
15、另一种是分组三相并网方式。对于小型光伏电站，采用单相集中逆变方案比较简洁，所谓单相集中逆变就是将太阳能电池所生的各支路直流电全部汇并到直流电源母线上，然后集中输送给单台逆变电源输入端，逆变电源输出单相交流电，并入市电网。对于装机容量（20KW）较大的电站，建议采用分组 三相并网方式。这样设计有三个优点，一是避免三相不平衡；二是一旦有一组（发电和逆变系统将平均分为ABC三个单相组）出现了故障不至于影响全局；三是系统直流母线电流大幅度降低，传输线上的电热损耗也会大大降低，线缆的载荷能力也不必要求过高，线径当然也就用不着设计得那么大，这对安装施工和降低安装成本都是有利的。 不论是单相并网还是三相并网
16、，用电负载都仍 然接在市电网上，并网前后的不同是，市电网因有光伏电力的并入会出现调峰电压，这个调峰电压会使用户电度表逆转，电度表逆转读数当然会减少，由此就可冲减总的用电数量。如光伏发电一千瓦时，读数就减少 1 度电。用户最终只需付市电用电和光伏发电电量之间的差额费用即可。 四、几个比较常见的光伏系统概念 1、太阳常数： 在地球大气层的上界，由于太阳光线不受大气层的影响，太阳辐射能有一个比较恒定的数值，这个数值就叫太阳常数。它表明了地球在单位时间内与单位面积上能够接受多少太阳能。具体定义：在地球大气层上界、垂直于太阳光线的平面上，每平方米每分钟接受的太阳太阳总辐射能为 13677W/m2，这个数值就是太阳常数。 2、大气质量： 通常把太阳处于 90高度时，光线穿过大气层的路程，称为 1个大气质量。大气质量越大，太阳光线经过大气的路程就越长，太阳光线的衰减就越多，光照强度也就越弱，到达地面的辐射能量也就越小。 地球大气层上界面太阳光线ABCD所以说，太阳辐射能是由低纬度向高惟纬度逐
