光伏發電電池和變換器拓撲綜述

王志川

（中鐵武漢電氣化局集團有限公司合蕪鐵路站后四電項目經理部）

摘 要：光伏發電技術發展概述，光伏電池類型介紹，光伏變換器拓撲結構綜述。

關鍵詞：單晶硅；多晶硅；逆變拓撲

光伏發電在整個能源消費中所占比例雖然還不大，但其增長速度比較快，且在某些應用場合是無法替代的。中國目前光伏發電的40%用于解決邊遠無電地區人民生活用電問題。作為可再生清潔能源的主要形式之一，光伏發電的發展得到了國家、地方各級政府的支持與扶持。

光伏發電技術主要分為三代。第一代是晶體硅光伏電池，分為單晶硅和多晶硅，現在用得非常普遍，在我國其市場占有份額很大。第二代是品種繁多的薄膜電池，優點是材料用量少，缺點是轉化率通常只有晶體硅的一半。主要品種有：非晶、納米晶、微晶等硅薄膜電池；銅銦鎵硒薄膜電池；碲化鎘薄膜電池；銅鋅硒硫錫薄膜電池和砷化鎵薄膜電池等。其中砷化鎵薄膜電池的光電轉化率可達28.2%，具有良好發展前景。第三代光伏發電技術，主要是引入了現代光學技術，尤其以均勻聚光技術為核心。根據愛因斯坦的光電定律，發電量和光的強度成正比，通過聚光可以實現多發電。關鍵是要非常均勻地聚光，這是近幾年發展起來的新技術，稱為無光像自適應光學。通過均勻聚光，可以成倍地提高光伏電池的輸出電功率，通常其光電轉化率也有所提高。例如，N型晶體硅光伏電池的轉化率為22.5%，通過6倍聚光后，該電池的轉化率上升到了24.5%，實際輸出的電功率變為24.5%的6倍。

1 光伏電池類型

光伏效應（Photo-Voltaic Effect）是在1839年被發現的，它是太陽能電池工作的基本原理。由太陽光的光量子與材料相互作用而產生電勢，從而把光的能量轉換為電能，這種實現光電能量轉換的元件稱為光伏電池。1954年Bell實驗室研發出第一個光伏電池。1958年起，美蘇相繼在太空飛行器上開始裝設光伏電池。在航天技術中，光伏電池的作用變得不可替代。1990年以后，光伏電池的發展開始與民用電相結合，離網型和并網型光伏發電系統開始推廣。

光伏電池材料主要包括：產生光伏效應的半導體材料、薄膜用襯底材料、減反射膜材料、電極與導線材料、組裝封裝材料等。按形態，光伏電池分為塊狀（Bulk）和薄膜（Thin-Film）兩種。塊狀光伏電池一般指晶體硅（包括單晶硅、多晶硅）電池，其發電層的厚度在250～450？滋m之間；目前以單晶硅為主。薄膜光伏電池的薄膜厚度一般在2～3？滋m，其特點是在降低成本上有很大優勢，便于大面積連續生產。薄膜光伏電池包括：硅薄膜型（含多晶硅、非晶硅和微晶硅）；化合物半導體薄膜型（含非結晶型、III-V族（GaAs、InP等）、II-VI族和磷化鋅等）；新材料薄膜電池（含聚合物薄膜電池、染料敏化電池）。

據文獻報導，目前光伏電池的光電轉化率：多晶硅電池為19.8%，單晶硅電池為24.7%，非晶硅薄膜電池為14.5%，砷化鎵（GaAs）薄膜電池為25.7%，銅銦鎵硒（CIGS）薄膜電池為18.8%，多結疊型薄膜電池（InGaP/GaAs/InGaAs Multijunction Tandem Cell）為33.3%。

柔性光伏電池近年來發展較快，它的特點是重量輕、可以折疊和卷曲、可以粘貼在汽車玻璃和衣物等物體表面，市場前景廣闊。荷蘭、法國和葡萄牙開發的柔性光伏電池（H-Alpha Solar）的轉化率約為13%，生產成本低、通用性好。夏普公司2004年發明了一種厚200？滋m、有2張名片大小、重1g的柔性光伏電池，發電能力為2.6w，光電轉化率高達28.5%。

2 光伏變換器拓撲

并網型光伏發電系統的逆變拓撲如圖1所示。圖1（a）所示為集中逆變拓撲，它通過一臺三相逆變器把多個光伏電池串的電能逆變上網，其特點是結構簡單、易于控制；但其不足是，因為只有一個集中的最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）算法，會在各光伏電池間不匹配和有局部陰影時造成輸出功率的降低。除此之外，二極管也會產生導通損耗。這種拓撲現在看來已有些過時了。

圖1（b）為串型逆變拓撲，它的每一個光伏電池串都有一臺自己的逆變器，可以因此改善MPPT效果并提高發電量；并且它還有利于模塊化設計，因為增加串的數目不會影響逆變器尺寸。根據一串的光伏電池數量不同，可能需要dc-dc升壓變換器或升壓變壓器以達到電網電壓；同樣，因為各光伏電池間的不匹配和有局部陰影，無實現MPPT的最優化。目前，該拓撲是最常用的。

圖1（c）為多串逆變拓撲，它結合了集中和串型逆變拓撲的優勢，由于每串有dc-dc變換器可提高這一串的MPPT能力。這樣，該拓撲也可實現模塊化，甚至串有不同數目電池的串可連接到一起，還可根據需要進一步擴展。但集中的逆變器容量必須選擇合適。另外，在每一串的dc-dc變換器和集中逆變器間需要更長的直流電纜，這會產生附加損耗。

圖1（d）為模塊逆變拓撲，或稱變換器集成模塊，是最模塊化并具有最好的MPPT能力，因為一臺變換器是一個光伏電池模塊專用的。它主要針對小系統和家用。主要缺點是必須直流升壓環節或升壓變壓器，這顯然比串型逆變拓撲成本高。

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