太阳能光伏电源系统的原理及组成

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1、回答者：whch6310 | 二级 | 2008-12-22 14:54太阳能光伏电源系统的原理及组成太阳能电池发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射 能直接转换成电能的发电系统。它由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流 /交流逆变器等部分组成，其系统组成如图11所示。1 太阳能电池方阵：太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4cm2到100cm2不等。太 阳能电池单体的工作电压约为0.5V,工作电流约为20 25mA/cm2, 一般不能 单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组 件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的

2、最小单元。太阳能 电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足 负载所要求的输出功率(见图12)。(1)硅太阳能电池单体常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组 成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是P 型硅，表面扩散层是N区，在这两个区的连接处就是所谓的PN结。PN结形成 一个电场。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损 失。太阳能电池的工作原理如下：光是由光子组成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长 决定，光被晶体硅吸收后，在PN结中产生一对对正负电荷，由于在PN结 区

3、域的正负电荷被分离，因而可以产生一个外电流场，电流从晶体硅片电池 的底端经过负载流至电池的顶端。这就是“光生伏打效应”。将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时，将有电流流过该负载，于是太 阳能电池就产生了电流；太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光 子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能 量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损失的影 响将使太阳能电池的效率下降。(3)太阳能电池组件一个太阳能电池只能产生大约0.5V电压，远低于实际应用所需要的电压。为了 满足实际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数

4、 量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上，太阳能电池的标 准数量是36片(10cmx10cm)，这意味着一个太阳能电池组件大约能产生17V 的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效充电。通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一 定的防腐、防风、防雹、防雨等的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领 域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能 电池方阵，以获得所需要的电压和电流。太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨等的能力。 其潜在的质量问题是边沿的密封以及组件背面的接线盒。这种组件的前

5、面是玻璃板，背面是一层合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、 防污。太阳能电池也是被镶嵌在一层聚合物中。在这种太阳能电池组件中，电池 与接线盒之间可直接用导线连接。I。X组件的电气特性主要是指电流一电压输出特性，也称为VI特性曲线， 如图13所示。VI特性曲线可根据图13所示的电路装置进行测量。V I特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太 阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路即V=0,此时的电流称为短 路电流Isc；如果电路开路即1=0,此时的电压称为开路电压Voc。太阳能电池 组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P=VI：电流 Isc:短路电流

6、 Im:最大工作电流V:电压 Voc:开路电压 Vm:最大工作电压图1-3太阳能电池的电流一电压特性曲线当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零 （短路条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从0开始增加；当电压达到一定 值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减 少至零，即电压达到开路电压Voc。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。在 组件的输出功率达到最大点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功 率点电压Vm （又称为最大工作电压）；该点所对应的电流，称为最大功率点电 流Im （又称为最大工作电流）；该点的功率，称为最大功率Pm

7、。C，则最大功率减少0.4%。所以，太阳直射的夏天，尽管太阳辐射量比较大， 如果通风不好，导致太阳电池温升过高，也可能不会输出很大功率。C。也就 是说，如果太阳能电池温度每升高1OC每片电池的电压减少5mV，相当于在最 大功率点的典型温度系数为一0.4%/。随着太阳能电池温度的增加，开路电压减 少，大约每升高1由于太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能 电池的温度，因此太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC）进行，测量条件 被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是：光谱辐照度1000W/m2大气质量系数 AM1.5 太阳电池温度25 C 在该条件下，太阳能电池组件

8、所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为 Wp（peak watt）。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国 际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。通过户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的，因为太阳能电池组件所接 受到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置;此外，在测量的过程中， 太阳能电池的温度也是不断变化的。在户外测量的误差很容易达到10%或更大。 如果太阳电池组件被其它物体（如鸟粪、树荫等）长时间遮挡时，被遮挡的太阳能 电池组件此时将会严重发热，这就是“热斑效应”。这种效应对太阳能电池会造成 很严重地破坏作用。有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被

9、遮 蔽的电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热班效应而被破坏，需要在太阳能电 池组件的正负极间并联一个旁通二极管，以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的 组件所消耗。连接盒是一个很重要的元件：它保护电池与外界的交界面及各组件内部连接的导 线和其他系统元件。它包含一个接线盒和1只或2只旁通二极管。2. 充放电控制器：充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有简单测量功能的电 子设备。由于蓄电池组被过充电或过放电后将严重影响其性能和寿命，充放电控 制器在光伏系统中一般是必不可少的。充放电控制器，按照开关器件在电路中的 位置，可分为串联控制型和分流控制型；按照控制方式，可分为普通开关控制型 （含

10、单路和多路开关控制）和PWM脉宽调制控制型（含最大功率跟踪控制器）。开 关器件，可以是继电器，也可以是MOSFET模块。但PWM脉宽调制控制器， 只能用MOSFET模块作为开关器件。3. 直流/交流逆变器：逆变器是将直流电变换成交流电的电子设备。由于太阳能电池和蓄电池发出 的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。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， 将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形，又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

11、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。从长远 看，SPWM脉宽调制正弦波逆变器将成为发展的主流。4. 蓄电池组：其作用是储存太阳能电池方阵受光照时所发出的电能并可随时向负载供电。太阳 能电池发电系统对所用蓄电池组的基本要求是：（1）自放电率低；（2）使用寿命长； （3）深放电能力强；（4）充电效率高；（5）少维护或免维护；（6）工作温度范围宽； （7）价格低廉。目前我国与太阳能电池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200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封免维护铅酸 蓄电池；配套200Ah以下的铅

12、酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池。 蓄电池组是光伏电站的贮能装置，由它将太阳能电池方阵从太阳辐射能转换来的 直流电转换为化学能贮存起来，以供应用。光伏电站中与太阳能电池方阵配用的蓄电池组通常是在半浮充电状态下长期工 作，它的电能量比用电负荷所需要的电能量要大，因此，多数时间是处于浅放电 状态。当冬季和连阴天由于太阳辐射能减少，而出现太阳能电池方阵充电不足的 情况时，可启动光伏电站备用电源一柴油发电机组给蓄电池组补充充电，以保持 蓄电池组始终处于浅放电状态。固定式铅酸蓄电池性能优良、质量稳定、容量较 大、价格较低，是我国光伏电站目前选用的主要贮能装置。铅酸蓄电池的结构及工作原理： 铅酸

13、蓄电池的结构铅酸蓄电池主要由正极板组、负极板组、隔板、容器、电解液及附件等部分 组成。极板组是由单片极板组合而成，单片极板又由基极（又叫极栅）和活性物质 构成。铅酸蓄电池的正负极板常用铅锑合金制成，正极的活性物是二氧化铅，负 极的活性物质是海绵状纯铅。极板按其构造和活性物质形成方法分为涂膏式和化成式。涂膏式极板在同容 量时比化成式极板体积小、重量轻、制造简便、价格低廉，因而使用普遍;缺点是在充放电时活性物质容易脱落，因而寿命较短。化成式极板的优点是结构坚实， 在放电过程中活性物质脱落较少，因此寿命长；缺点是笨重，制造时间长，成本 高。隔板位于两极板之间，防止正负极板接触而造成短路。材料有木质、

14、塑料、 硬橡胶、玻璃丝等，现大多采用微孔聚氯乙烯塑料。电解液是用蒸馏水稀释纯浓硫酸而成。其比重视电池的使用方式和极板种类 而定，一般在1.200 1.300（25 C）之间（充电后）。容器通常为玻璃容器、衬铅木槽、硬橡胶槽或塑料槽等。 铅酸蓄电池的工作原理蓄电池是通过充电将电能转换为化学能贮存起来，使用时再将化学能转换为 电能释放出来的化学电源装置。它是用两个分离的电极浸在电解质中而成。由还 原物质构成的电极为负极。由氧化态物质构成的电极为正极。当外电路接近两极 时，氧化还原反应就在电极上进行，电极上的活性物质就分别被氧化还原了，从 而释放出电能，这一过程称为放电过程。放电之后，若有反方向电流

15、流入电池时， 就可以使两极活性物质回复到原来的化学状态。这种可重复使用的电池，称为二 次电池或蓄电池。如果电池反应的可逆变性差，那么放电之后就不能再用充电方 法使其恢复初始状态，这种电池称为原电池。电池中的电解质，通常是电离度大的物质，一般是酸和碱的水溶液，但也有 用氨盐、熔融盐或离子导电性好的固体物质作为有效的电池电解液的。以酸性溶 液（常用硫酸溶液）作为电解质的蓄电池，称为酸性蓄电池。铅酸蓄电池视使用场 地，又可分为固定式和移动式两大类。铅酸蓄电池单体的标称电压为2V。实际 上，电池的端电压随充电和放电的过程而变化。铅酸蓄电池在充电终止后，端电压很快下降至2.3伏左右。放电终止电压为 1.

16、7 1.8伏。若再继续放电，电压急剧下降，将影响电池的寿命。铅酸蓄电池的 使用温度范围为+40C-40C。铅酸蓄电池的安时效率为85% 90%，瓦时 效率为70%，它们随放电率和温度而改变。凡需要较大功率并有充电设备可以使电池长期循环使用的地方，均可采用蓄 电池。铅酸蓄电池价格较廉，原材料易得，但维护手续多，而且能量低。碱性蓄电 池，维护容易，寿命较长，结构坚固，不易损坏，但价格昂贵，制造工艺复杂。从 技术经济性综合考虑，目前光伏电站应以主要采用铅酸蓄电池作为贮能装置为 宜。 蓄电池的电压、容量和型号： 蓄电池的电压：蓄电池每单格的标称电压为2伏，实际电压随充放电的情况而变化。充电结 束时，电压为2.5 2.7伏，以后慢慢地降至2.05伏左右的稳定状态。如用蓄电池做电源，开始放电时电压很快降至2伏左右，以后缓慢下降，保 持在1.9 2