光伏发电技术应用研究

于红亮 马斌

摘 要：在可再生能源中，太阳能资源是地球上分布最广泛的可再生能源，取之不尽，用之不竭。本文阐述了光伏发电的基本原理和光伏发电系统的基本构成，提出符合工程实际的光伏电池方阵、蓄电池组的计算方法，分析了最大功率点跟踪和孤岛效应。

关键词：太阳能；光伏发电系统；蓄电池组；逆变器

1 前言

传统的煤炭、石油等一次能源是不可再生的，终归要走向枯竭。提高能源利用效率、开发新能源、加强可持续能源的利用，是解决经济和社会快速发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾的必然选择。太阳能是所有可再生能源类型中以其资源储存量高、占用土地资源少、分布广泛等优势成为一致公认的最具开发潜力的新能源，而光伏发电更是因为其污染几乎为零及能源转换环节少的特征成为太阳能利用中最为广泛应用的一种方式，并成为各国普遍重视的一种新能源利用方式。从我国国家发展战略来看， 大力开发太阳能资源是能够保证我国能源供给、实现节能减排、促进产业结构调整及发展新兴战略性行业最终实现可持续发展的重要条件。

2 光伏发电基本原理

太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种发电系统。太阳能半导体晶片上部为N型半导体，下部为P型半导体，当P型半导体和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。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结中产生成对正负电荷，PN结区域的正负电荷被分离，形成外电流场。如果将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间，负载将有电流流过。太阳能半导体晶片通过有序的组合形成太阳能电池组件，若干太阳能电池组件构成太阳能电池方阵。

3 光伏发电系统构成

光伏发电系统主要由太阳能光伏电池组件、控制器、蓄电池、逆变器等组成

3.1 太阳能光伏电池组件

太阳能光伏电池组件由太阳能电池片经串并组合，并用高强度、高透光、性能强的太阳能专用钢化玻璃及高性能、耐紫外线辐射的专用密封材料层压而成，形成不同规格的电池板，即太阳能光伏发电系统的基础和核心器件。目前工程上采用的光伏电池主要有：单晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅电池三种。

3.2 控制器

控制器的作用是使太阳能电池和蓄电池高效、安全、可靠地工作，以获得最高效率并延长蓄电池的使用寿命。控制器对蓄电池的充、放电进行控制，并按照负载的电源需求控制太阳能电池组件和蓄电池对负载的输出电能。

控制器是整个光伏发电系统的核心部分，通过控制器对蓄电池充放电条件加以限制，防止蓄电池反充电、过充电及过放电。另外，控制器还应具有电路短路保护、反接保护、雷电保护及温度补偿等功能。

3.3 蓄电池

蓄电池组是太阳能光伏发电系统中的储能装置，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储存起来，以供负载应用。由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池才能使负载正常工作。

蓄电池容量应在满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件的能量尽量的存储下来，并能存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。但若容量过大，使蓄电池处在亏电状态，将影响蓄电池寿命，造成浪费。

3.4 逆变器

逆变器可分为自激式振荡逆变和他激式震荡逆变，按照波形可以分为方波逆变器和正弦波逆变器。主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电，经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等匹配的正弦波交流电源，供系统终端用户使用。逆变器具有电路短路保護、欠压保护、过流保护、反接保护及雷电保护等功能。

4 光伏发电系统设计

光伏发电系统总的设计原则是在保证满足负载用电需要的前提下，确定最少的太阳能电池组件和蓄电池容量，以尽量减少投资，即同时考虑可靠性及经济性。系统设计总体考虑主要是通过技术经济分析合理地确定满足要求的太阳能电池组成件数量和蓄电池容量，包括安全性、可靠性方面的要求。

在进行光伏系统的设计之前，需要了解并获取一些进行计算和选择必需的基本数据：光伏系统现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔；该地区的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量以及散射辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速以及冰雹、降雪等特殊气象情况等。

4.1 蓄电池容量计算

设计蓄电池容量的基本公式见下：

Bc=A×Ql×Nl×To/Cc

式中：Bc—蓄电池容量（Ah）；

A—安全系数，取1.1～1.4之间；

Ql—负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数（Ah）；

Nl—最长连续阴雨天数；

To—温度修正系数，一般在0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2；

Cc—蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。

4.2 太阳能电池方阵设计

1）太阳能电池组件串联数Ns的基本公式见下：

Ns=UR/Uoc=（UF+UD+Uc）/Uoc

式中：UR—太阳能电池方阵输出最小电压（V）；

Uoc—太阳能电池组件的最佳工作电压（V）；

UF—蓄电池浮充电压（V）；

UD—二极管压降，一般取0.7V；

UOC—其它因数引起的压降。

2）太阳能电池组件并联数Np的基本公式见下：

Np=（Bcb+Nw×Ql）/（Qp×Nw）

式中：Bcb—需补充的蓄电池容量（Ah）；

Nw—两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数；

Qp—太阳能电池组件日发电量（Ah）。

3）太阳能电池方阵功率的基本公式见下：

根據太阳能电池组件的串并联数，即可得出所需太阳能电池方阵的功率P：

P=Po×Ns×Np

式中：Po—太阳能电池组件的额定功率（W）。

4.3 最大功率点跟踪（MPPT）

目前光伏电源能源利用率较低、供电稳定性与可靠性也不高。光伏系统的最大功率点跟踪方法可以最大限度地利用光伏电池所产生的直流电能，通过实时检测光伏阵列的输出功率和一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，从而改变当前的阻抗情况来满足最大功率输出的要求。这样即使太阳能电池的结温升高使得阵列的输出功率减少，系统仍然可以运行在当前工况下的最佳状态。常用的MPPT实现方法有：定电压跟踪法、功率反馈法、扰动观测法、导纳增量法、实际测量法。

4.4 孤岛效应

由于光伏并网发电系统直接将太阳能逆变后输送到电网，所以需要各种完善的保护措施。除了通常的电流、电压和频率监测保护外，还需要考虑一种特殊的故障状态，即孤岛状态。所谓孤岛，电网由于电气故障、人为或自然等原因中断供电时，光伏并网系统未能及时检测出停电状态并脱离电网，使该系统和周围的负载组成一个不受电力公司掌控的自给供电孤岛的情况。一般采用具有反孤岛功能的并网逆变器，当向孤岛负载中的任一种供电时，能够在10个电网周期内检测出孤岛状态并停止供电。

5 结束语

近年来，随着国内能源消耗量的日渐攀升，国内能源供应日趋紧张，成本持续创新高。与此同时，太阳能光伏技术不断得到创新和发展，非晶硅薄膜太阳能电池的生产成本逐渐降低，生产技术已日趋成熟。专家预测，我国城乡建设和太阳能光伏发电的有效结合，并切实实施光伏并网发电，将逐步优化我国的传统能源结构，对于解决因传统能源使用而造成的环境问题、改善生态环境、解决能源供应紧张和实现人类健康和可持续发展等具有重要意义。

参考文献：

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