小型太陽能光伏發電系統探究

張勇

【摘要】太陽能光伏發電是利用電池組件將太陽能直接轉變為電能的裝置。本文主要介紹了太陽能光伏發電系統的組成與原理，提出了提高太陽能光伏發電轉化效率的思路。

【關鍵詞】 太陽能 光伏發電 逆變器

一、前言

太陽能光伏發電是利用電池組件將太陽能直接轉變為電能的裝置。太陽能電池組件是利用半導體材料的電子學特性實現P-V轉換的固體裝置，國內主要研究生產適用于無電地區家庭照明用的小型太陽能發電系統。

在廣大的無電力網地區，該裝置可以方便地實現為用戶照明及生活供電，一些發達國家還可與區域電網并網實現互補。

二、太陽能光伏發電系統

太陽能光伏發電的主要部件是太陽能電池組件，太陽能光伏發電系統就是由電池組件將太陽能直接轉變為電能并儲存經變換后應用。太陽能發電系統由太陽能電池方陣，蓄電池組，充放電控制器，逆變器，交流配電柜、太陽能跟蹤系統、太陽能組件除塵系統等設備組成。其中交流配電柜、太陽能跟蹤系統、太陽能組件除塵系統等設備是太陽能發電系統的輔助設備，在提高發電效率，維護系統壽命方面起著關鍵作用。

2.1 電池單元

由于技術和材料原因，單一電池的發電量是十分有限的，實用中的太陽能電池是單一電池經串、并聯組成的電池系統，稱為電池組件（陣列）。

單一電池是一只硅晶體二極管，根據半導體材料的電子學特性，當太陽光照射到由P型和N型兩種不同導電類型的同質半導體材料構成的P-N結上時，在一定的條件下，太陽能輻射被半導體材料吸收，在導帶和價帶中產生非平衡載流子即電子和空穴。

同于P-N結勢壘區存在著較強的內建靜電場，因而能在光照下形成電流密度J，短路電流Isc，開路電壓Uoc。若在內建電場的兩側面引出電極并接上負載，理論上講由P-N結、連接電路和負載形成的回路，于是就有“光生電流”流過，太陽能電池組件就實現了對負載的功率P輸出。

2.2 電能儲存單元

太陽能電池產生的直流電先進入蓄電池儲存，蓄電池的特性影響著系統的工作效率和特性。蓄電池技術是十分成熟的，但其容量要受到末端需電量，日照時間（發電時間）的影響。因此蓄電池瓦時容量和安時容量由預定的連續無日照時間決定。

2.3 控制器

控制器的主要功能是使太陽能發電系統始終處于發電的最大功率點附近，以獲得最高效率。而充電控制通常采用脈沖寬度調制技術即PWM控制方式，使整個系統始終運行于最大功率點Pm附近區域。放電控制主要是指當電池缺電、系統故障，如電池開路或接反時切斷開關。

目前日立公司研制出了既能跟蹤調控點Pm，又能跟蹤太陽移動參數的“向日葵”式控制器，將固定電池組件的效率提高了50%左右。

2.4 逆變器

在很多場合，都需要提供220VAC、110VAC的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽能發電系統所發出的直流電能轉換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。

由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，而負載是交流負載時，逆變器是必不可少的。

逆變器按運行方式，可分為獨立運行逆變器和并網逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能電池發電系統，為獨立負載供電。并網逆變器用于并網運行的太陽能電池發電系統。逆變器按輸出波型可分為方波逆變器和正弦波逆變器。

方波逆變器電路簡單，造價低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統。正弦波逆變器成本高，但可以適用于各種負載。

三、太陽能發電系統的效率

在太陽能發電系統中，系統的總效率ηese由電池組件的PV轉換率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負載的效率等組成。

但相對于太陽能電池技術來講，要比控制器、逆變器及照明負載等其它單元的技術及生產水平要成熟得多，而且目前系統的轉換率只有17%左右。

因此提高電池組件的轉換率，降低單位功率造價是太陽能發電產業化的重點和難點。太陽能電池問世以來，晶體硅作為主角材料保持著統治地位。目前對硅電池轉換率的研究，主要圍繞著加大吸能面，如雙面電池，減小反射；運用吸雜技術減小半導體材料的復合；電池超薄型化；改進理論，建立新模型；聚光電池等。

四、結束語

太陽能發電作為一種取之不盡，用之不竭的清潔環保能源將得到前所未有的發展。隨著太陽能產業化進程和技術開發的深化，它的效率、性價比將得到提高，它在各個領域都將得到廣泛的應用。