光伏发电基础知识杨工教材.docx
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光伏发电基础知识杨工教材
基础篇
光伏发电基础知识
目录
第1章光伏发电基本知识………………………1
1．1光伏发电简介………………………………1
1．1．1什么是光伏发电…………………………………………1
1．1．2什么是风力发电…………………………………………2
1．13什么是光伏／风力互补发电………………………………3
1．2光伏发电系统………………………………………………4
1．2．1光伏发电系统构成………………………………………4
1．22光伏发电优点和缺点……………………………………4
第2章光伏发电系统……………………………………………7
2．1光伏发电原理…………………………………………7
2．11太阳电池简介………………………………………7
2．1．2简单光伏电路………………………………………8
2．1．3太阳电池、组件及方阵………………………………8
2．14组件的串联和并联…………………………………9
2．2组件性能及影响因素………………………………………11
2．2．1太阳电池组件简介………………………………………11
2．2．2组件性能及影响因素……………………………………12
2．3太阳电池方阵……………………………………………17
2．3．1不同性能组件的串联和并联……………………………17
2．3．2二极管的作用……………………………………………18
2．3．3方阵支架及类型…………………………………………20
2．4光伏系统类型……………………………………………22
2．4．1白天用光伏系统…………………………………………22
2．4．2储能式直流光伏系统……………………………………22
2．4．3交／直流两用光伏系统…………………………………23
2．4．4并网光伏系统…………………………………………24
2．4．5光伏混合发电系统………………………………………24
第一章光伏发电基本知识
1.1光伏发电简介
1.1.1什么是光伏发电
“太阳能光伏发电”——简称“光伏发电”，是直接将太阳光转换为电能的一种发电形式。
1839年，法国物理学家A.E.Becqurel意外地发现，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池在光照下会产生额外的伏打电势，他将这种现象称为“光生伏打效应”。
以后人们即把能够产生光生伏打效应的器件称为“光伏器件”，其中半导体器件在阳光下的光电转换效率最高，通常称这类光伏器件为“太阳电池”。
用导线将灯泡与阳光照射下的太阳电池相连，灯就亮了起来；将电视机与太阳电池相连，可以收看电视；同样把收录机与太阳电池相连，可以收听广播和欣赏音乐了。
为了保证阴天或夜间也能用上电，还需要给太阳电池装上蓄电池。
一个简单的光伏发电装置如图l一1所示。
早期的光伏发电装置，最初的应用是向手表、计算器提供电
能。
在大规模应用方面具有代表性的是，近年来安装的向地区供
电的大型光伏电站、村落光伏供电系统和用于应急设备的后备电
源等。
由于光伏发电系统利用清洁的太阳能产生电能，不消耗化
石燃料，它正在被广泛地用于各个领域。
图1—1简单的光伏发电装置
1.2光伏发电系统
1.2.1光伏发电系统构成
以独立运行的光伏发电系统为例，其主要部件包括：
（1）太阳电池方阵：
在金属支架上用导线连在一起的多个太阳电池组件的集合体。
太阳电池方阵（简称方阵）产生负载所需要的电压和电流。
（2）蓄电池组：
由若干台蓄电池经串联组成的贮存电能的装置。
（3）控制器：
系统控制装置。
主要功能是对蓄电池进行充电控制和过放电保护，同时对系统输入输出功率起着调节与分配作用，以及系统赋予的其他监控功能。
（4）逆变器：
将直流电转换为交流电的电力电子设备。
（5）交流负载：
以交流电为动力的装置或设备。
独立运行的光伏发电系统构成如图l一4所示。
图1—4独立运行的光伏发电系统框图
1.2.2光伏发电优点和缺点
（一）优点
（1）可靠：
在恶劣的环境和气候条件下，光伏发电系统很少产生故障，因此光伏系统经常用在要求供电可靠性很高的场合。
（2）耐用：
目前绝大多数太阳电池组件的生产技术，都足以保证10年以上其性能不下降，一般可以发电25年或更长的时间。
（3）维护费用低：
在远离城镇的边远地区，为了维护或修理常规发电设备，需要将材料和人员运送到很远的地方，其费用很高。
光伏系统只需要周期性地检查和很少的维护工作量，因此维护费用比常规发电系统少得多。
（4）无需燃料费用：
由于光伏系统不需要燃料，从而免去了购买、运输和储存燃料的费用。
（5）减少噪声污染：
光伏发电系统运动部件很少，基本没有噪声。
（6）安装组件积木化：
便于用户根据自己的需要，选择和调整发电系统的容量大小，安装灵活方便。
（7）安全：
光伏系统不使用易燃的燃料，只要设计合理和安装适当，系统具有很高的安全性。
（8）自主供电：
离网运行的光伏发电系统具有供电的自主性、灵活性。
有些用户采用光伏发电的目的，就是由于该系统独立于公用电网的自主性。
（9）非集中电网：
小型分散的光伏发电站，可减少公用电网故障给用户带来的不良影响及危害。
（10）高海拔性能：
在高海拔地区，随着日照的增强光伏系统的输出功率将增加，因此使用光伏发电非常有利。
相反，由于在高海拔地区空气稀薄，柴油发电机的工作效率降低，机组的实际输出功率减少很多。
（二）缺点
（1）初投资高：
由于太阳电池生产成本高，使光伏系统初投资大大增加。
由于独立运行的光伏系统使用蓄电池储能，进一步增加了系统建设费用和运行成本。
因此，设计时必须对光伏系统进行经济性评估和多种方案比较。
（2）日照不稳定：
由于太阳辐射的季节性变化，气候和场地条件的影响，系统设计参数要随之改变。
（3）需要储能装置：
为了夜间或以后某个时间用电，光伏系统需使用蓄电池储能。
蓄电池组增加了系统成本、规模和维护工
作量。
（4）系统效率较低：
目前，由于太阳电池能量转换效率较低，蓄电池充放电过程有能量损失，加之系统传输损耗等，使光伏系统的总体效率不高。
（5）要求技术培训：
光伏发电系统使用了很多人们不熟悉的新技术，因此用户在使用光伏发电系统前都必须经过技术培训。
第二章光伏发电系统
2.1光伏发电原理
2.1.1太阳电池简介
太阳电池是一种具有光-电转换特性的半导体器件，它直接将太阳辐射能转换成直流电，是光伏发电的最基本单元。
在阳光照射下，具有特殊电性能的半导体内可以产生自由电荷，这些自由电荷定向移动并积累，从而在其两端形成电动势，当用导体将其两端闭合时便产生电流。
这种现象被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。
目前应用最广的属晶体硅太阳电池，
其原理结构如图2—1所示，它由半
导体材料组成，其厚度大约0.35mm，
分为两个区域：
一个正电荷区，一个
负电荷区。
当阳光投射到太阳电池时，
内部产生自由的电子一空穴对，并在电图2-1太阳电池原理
池内扩结构示意图散，自由电子被p—n结扫向n区，空穴被扫向p区，在p—n结两端形成电压，当用金属线将太阳电池的正负极与负载相连时，在外电路就形成了电流。
每个太阳电池基本单元p—n结处的电
动势大约0.5V，此电压值大小与电池片的尺寸无关。
太阳电池的输出电流受自身面积和日照强度的影响，面积较大的电池能够产生较强的电流。
2.1.2简单光伏电路
组成电路的最基本要素是电源、开关、导体和负载，例如把蓄电池、开关、电灯三者用金属导线连到一起，便构成一个最基本的电路，如图2-3（a）所示。
该电路有一个12V电源和12V、24W白炽灯泡作为负载，利用一个开关接通或断开灯泡与电源的连接。
当电路断开时灯熄灭，电路闭合后灯泡将通过2A的电流（24W／12V=2A）。
电流以2A的速率从蓄电池流出通过灯泡返回到蓄电池，这样由蓄电池流出的电子所获得的12v势能在灯丝里被消耗掉了。
太阳电池非常像小的蓄电池，可以用金属导线将多个单个电池串联、并联或混联，以得到负载所需要的电压和电流值。
依照上述电路构成原理，将图2-2（a）中的蓄电池替换成太阳电池，将灯泡替换成12V用电负载，就组成一个最简单的光伏电路，如图2-2（b）所示。
当阳光照射时，将开关闭合，太阳电池（图中所示PV）产生的电流流经负载而做功。
图2—2简单光伏电路原理图
（a）基本电路；（b）简单光伏电
2.1.3太阳电池、组件及方阵
为了使太阳电池在工程中应用，必须对“脆弱”的晶体硅片进行电气上的合理连接和结构上的集成处理，使之成为便于搬运、储存和拆装的太阳电池组件、太阳电池板。
太阳电池按集成形式和规模的不同，可做如下分类：
（1）单体太阳电池——太阳电池的最基本单元，简称“电池片”，是产生电压和电流的基本物质材料。
每个硅电池片的输出电压约0.5V，输出功率1～3W不等。
（2）太阳电池组件——由于电池片易损坏、电压低，为了保护电池片和提高工作电压，出厂前还需要对电池片进行连线焊接和封装，以组装成由多个电池片串联而成的“太阳电池组件”（简称“组件”），组件是构成最小实用型功率系统的基本单元。
目前，每个太阳电池组件的输出电压大约17．5V左右，输出功率在40～200w之间不等。
（3）太阳电池板——为构成功率较大的光伏发电装置，还需要将多个组件置于一个结构单元中，经电气上的串联、并联集合成“太阳电池板”（简称“电池板”）。
电池板的输出电压应满足蓄电池组充电要求，每组电池板通过独立的电缆经接线盒（箱）将电能经控制器送至蓄电池组。
（4）太阳电池方阵——在光伏发电系统中，将多个太阳电池板组装在一起，其功率应满足系统负载的需要，这样的发电装置集合体称为“太阳电池方阵”（简称“方阵”）。
在大型光伏发电站里，为了便于安装和进行能量处理，可以将规模过大的方阵分成多个较小的“子方阵”。
方阵规模可以小至只有一个组件，用于并网的方阵可以大到上十万个组件。
太阳电池片、组件、电池板和方阵如图2—3所示。
2.1.4组件的串联和并联
太阳电池件组件同普通电源一样，也采用电压值和电流值标定。
在充足的阳光下40～50W组件的标称电压是12V（最佳电压17V），电流大约为3A。
同蓄电池的串、并联一样，根据需要组件同样可以组合到一起，得到不同电压和电流的太阳电池板。
组件串联时电流值不变，电压将增加，相同的两个12V、3A组件串联接线后得到24V、3A系统，如图2—4所示。
组件并联时电
图2-3电池片、组件、电池板和方阵
压值不变，电流将增加，相同的两个12V、3A组件并联接线后得到12V、6A系统，如图2-5所示。
太阳电池组件串联接线时，总电压等于每个单独组件电压之和，串联接线的各组件电流相等。
图2-4串联太阳电池组件图2-5并联太阳电池组件
太阳电池组件还可以采用混联接线方式，以使电池板或方阵获得所需要的电压和电流值。
为得到24V、6A的太阳电池板需要四个电池组件，将它们两两串联之后并联，如图2-6所示。
串联接线时将一个组件的正极（+）连到另一个组件的负极
（一）；并联接线时将两个组件的正极与正极相连，负极与负极相连线。
图2—6混联太阳电池组件
2.2组件性能及影响因素
2.2.1太阳电池组件简介
目前在地面光伏发电系统中大量使用的是以硅为基底材料的硅太阳电池。
硅太阳电池组件虽然有多种类型，但是无论哪一种组件都包含有太阳电池片、透明封装材料，结构框架和电气接线等部分。
不同类型的硅太阳电池组件的主要差别在以下三个方面：
（一）电池材料
硅太阳电池可分为单晶硅太
阳电池、多晶硅太阳电池和非晶
硅太阳电池。
目前广为使用的是
单晶硅和多晶硅，非晶硅也有少
量的应用。
近年来又开发出薄膜图2—7太阳电池组件
太阳电池，薄膜电池可以被沉积在基片上，某些性能更加先进的太阳电池目前正在研制开发中。
单晶硅和多晶硅太阳电池组件如图2-7所示。
在能量转换效率和工作寿命等方面，单晶硅和多晶硅太阳电
池均优于非晶硅电池。
目前国内生产的单晶硅太阳电池效率大约在10％～15％的范围，工作寿命大约20年。
多晶硅太阳电池的效率和寿命略低于单晶硅太阳电池。
（二）透明封装材料
用于太阳能电池组件上盖板的透明封装材料有所不同，主要有钢化玻璃、石英玻璃和透明高分子材料等。
从透光率和保护电池片二者考虑，目前用得较多的组件上盖板材料是低铁钢化玻璃。
（三）结构及附件
太阳电池组件都装有硬质材料制成的边框，其作用有二：
一是支撑和保护电池片，二是在构成方阵时用以进行组件之间的连接与固定。
用于边框的材料主要有不锈钢、铝合金、增强塑料及橡胶等。
目前商业化组件的边框材料大多数用重量轻、耐腐蚀的铝合金制成。
组件底板的引出线通常采用橡皮软线或聚氯乙烯绝缘线等。
特别要注意引出线接线盒的防水、防潮性能，关于组件的密封性、底板材料等，在此不一一赘述，详见有关生产厂家的产品技术说明。
2.2.2组件性能及影响因素
太阳电池组件总的输出电功率等于输出电压乘它的工作电流。
太阳电池组件不同于具有电压源特性的蓄电池，蓄电池以相对恒定的电压产生电流，而太阳电池组件可以在很宽的电压范围内产生电流。
任何给定组件的输出性能都可以用特性曲线描述，称为太阳电池组件的I—V曲线，该曲线展示出组件的输出电流与输出电压关系。
图2—8是一个组件的特性曲线实例，水平坐标代表输出电压，垂直坐标代表输出电流。
给出的典型I—V曲线的条件为日照1000W／㎡和电池温度25℃，此参数已被广泛采用为标准化参数。
通常称1000W／㎡为一个“峰值日照”。
在太阳电池I—V曲线上有三个具有重要意义的点，即最大功率点（Vmp,Imp），开路电压（Voc）和短路电流（Isc）。
I—V曲线上最大功率点标注为“Vmp,Imp”。
在这个工作点组件产生
图2—8组件的典型I—V特性
最大的输出功率。
从曲线上可以确定最大功率点的电压，即通过向下延伸垂线，在电压刻度线上读取数值，图2-8曲线表示的最大功率点电压近似为17.3V。
最大功率点的输出电流同样能够确定，方法是通过向左延伸水平线，在电流刻度线上读取数值，图2-8曲线所示的最大功率点电流值近似为2.5A。
用最大输出功率点电压乘电流可以得到最大输出功率点的功率值，随着电压下降输出功率减少，超过最大功率点后，大多数组件随着电压的增加，输出电流或输出功率将减少；开路电压（Voc）是当无电流从组件汲取时可能达到的最大电压，图2-8所示的开路电压大约是21.4V；短路电流（Isc）是组件在回路阻抗等于零，即外电路短路时能够达到的最大输出电流，图2-8曲线所示的短路电流值约为2.65A。
在短路电流Isc和开路电压Voc条件下，组
件输出的功率均为0。
影响太阳电池组件输出特性的主要因素是：
负载阻抗、日照强度、太阳电池温度、阴影和晶体结构。
（一）负载阻抗
通常太阳电池方阵输出电压的确定，取决于负载工作电压和功率大小，以及蓄电池标称电压等因素。
例如，标称电压为12V的光伏系统，组件工作电压范围选定在11.5～17.5V之间较为合适。
为了给蓄电池充电，组件工作电压必须略高于蓄电池组端电
压，具体电压数值的确定还需考虑蓄电
池的类型和特定场地的太阳辐射水平。
图2-9展示了纯阻性负载与组件I—V
特性的匹配原理。
如果负载阻抗RM合
适，则负载与组件的I—V特性处于最
佳匹配，太阳电池组件可以运行在最大
功率点PM，此时组件工作效率最高；当
负载阻抗增加到RH时，组件运行在高于最大功率点的电压上，这时
出电压增加少许，但电流明显下降，使组件输出功率减少，运行效率降低。
当负载阻抗减小到RL时，组件运行在低于最大功率点的电压上，这时输出电流略有上升，但电压急剧下降，同样使组件的输出功率减少，运行效率降低。
当一个感性负载，例如水泵或电动机直接由太阳电池方阵提供电能时，由于负载工作点经常改变，负载与方阵之间的阻抗匹配更为重要。
为此，在大的感性负载系统中，应使用最大“功率跟踪器”。
（二）日照强度
太阳电池组件的输出功率与直接的太阳辐射强度成比例，日
图2-10日照变化对组件I—V曲线特性
照增强时组件输出也随之增加。
日照强度变化对组件I—V曲线的影响见图2-10，从图中可以看出，当I—V曲线的形状保持相似时，随着日照水平的下降曲线向下移动，组件输出电流在减少。
值得注意的是日照强度变化时，组件工作电压基本不变。
（三）太阳电池温度
太阳电池组件温度较高时，工作效率降低。
图2-11显示出较高的电池温度对组件性能的影响，I—V曲线形状虽没有改变，但是随着温度的升高曲线在向左移动，即组件温度上升工作电压下降。
上述现象可以解释为“热量”对电子的流动是一种阻抗。
如果组件或方阵的最大功率点移动到低于负载工作电压时，输出电流将明显减少。
通常在80～90℃之问，温度每上升1℃，组件的效率损失0.5％。
因此，使太阳电池板上、下方的空气流动非常重要，这样可以将热量带走，避免太阳电池温度升高。
设计一种有利于组件冷却的安装方案十分必要，如安装时电池板之间留有缝隙或分层安装等，对组件散热都是较为简单的解决办法。
注意选用高温性能好的太阳电池组件或设计方阵时增加一些组件，以补偿由温度升高引起的电压损失。
设计者要仔细查阅所选用的太阳电池组件的I—V曲线，并就使用中的具体问题向厂商咨询。
（四）阴影
阴影对太阳电池组件性能的影响不可低估，有时组件上的一
图2-11温度对组件输出电流的影响
个局部阴影也会引起输出功率的明显减少。
有些类型的组件对阴影极为敏感，图2-12的曲线和表2-1的数据都显示出，在一个单晶硅电池组件上，一个单电池上的阴影可对整个组件的输出产生很大影响。
例如，一个单电池被完全遮挡时，太阳电池组件可减少输出75％。
由于太阳电池材料的不同特性，阴影的影响可能比展示在图2—12中的要小。
虽然在组件电路里安装了二极管以减少阴影的影响，但由于低估了局部阴影的严重性，有些已建成的光伏系统其性能和投资效果仍达不到设计时的期望值。
图2-12局部阴影对组件输出影响
如果方阵电池板上有可能掠过阴影，设计者应考虑安装时增加一些太阳电池组件，以确保方阵产生的功率能满足负载的需要。
特需要强调的是，确保选择一个没有阴影的场地是设计者和安装人员的重要责任。
表2-1阴影对组件输出的影响
太阳电池被遮挡状况
组件功率损失比例（%）
单个光电池
被遮挡比例
（%）
0
0
25
25
50
50
75
66
100
75
3个光电池被遮挡
93
2.3太阳电池方阵
太阳电池方阵由多个太阳电池组件用导线连接而成，以产生所需要的电压和电流。
安装方阵时应面板朝南（在地球的北半球）并与地平面保持一定的角度。
在晴天太阳正午时，每平方米方阵能接收的太阳辐射强度最多为1000W。
太阳电池方阵可将大约10％～20％的太阳辐射转变为电能，即每平方米方阵面积的峰值功率接近100～200w。
地球相对于太阳的位置每天都在改变，方阵接收到的太阳日辐射量也随之变化，因此输出功率不是一个稳定值，产生最大功率的几率比较小。
2.3.1不同性能组件的串联和并联
为了达到负载所需要的24V/9A供
电要求，通常可利用12V/3A的组件先
并联后串联的方法来实现，如图2-13
所示。
注意，这是在理想情况下，以
组件的电性能完全一样为前提。
如果
组件性能不一致，串、并联后就不一
定是上述结果了。
例如，当两个相同图2-13组件先串联后并联
的组件串联到一起时，电流应保持不变，电压将加倍。
然而，当两个性能不的组件（组件A和组件B）串联到一起时，电压仍相加，电流将被限制到略高于串联组中电流最小的组件（组件B）的电流值，如图2-14虚线所示。
当两个相同的组件并联到一起时，电压应保持不变，电流为单个组件的两倍。
当两个性能不同的组件并联到一起时，电流将增加，但是电压只是二者的平均值，如图2-15虚线所示。
基于以上原因，如组件输出特性有很大差别，则应将特性不同的组件作为单独的方阵处理，这样比
起将不同性能的组件混合使用为好。
2.3.2二极管的作用
当太阳电池组件在方阵中组合时，阴影的存在会减少组件的输出，这将严重地影响整个方阵的输出。
通过使用二极管可以将这一影响减到最小。
多数厂商在太阳电池组件里安装了旁路二极管，以旁路被遮光的太阳电池的电流，这样可减少阴影的影响。
二极管是一个半导体器件，只允许电流在一个方向通过。
在光伏系统中，二极管有着不同的用途。
（一）阻塞二极管
阻塞二极管（亦称屏蔽二极管）置于组件或电池板和蓄电池
之间的正极性线路上（见图2-16），夜间
或阴天时防止蓄电池电流回流到方阵。
有
些控制器已经装有二极管或可实现这一功
能的防反电路。
（二）旁路二极管
旁路二极管（亦称分路二极管）同太
阳电池或组件并联（见图2-16）。
当电池
板出现阴影或损坏时用来旁路该电池或组
件，转移流经该电池或组件的电流。
多数组件在出厂前已预联旁路二极管，当方阵电压不高于48V时，一般已能满足要求。
在大型方阵中当一个电池板的一串组件发生故障时，其他正常电池板的电流可经由旁路二极管形成通路，以保证整个方阵仍可正常工作。
（三）隔离二极管
在方阵工作电压较高（大于48V）时，应安装隔离二极管（见图2-17）。
它的作用是当方阵中的某支路出现故障时，二极管将正常运行支路与故障支路隔离，以保证整个方阵仍可正常工作。
方阵装有隔离二极管后，蓄电池充电回路或控制器不再设置防反用阻塞二极管。
图2一17方阵中的隔离二极管
设计者选择二极管额定电流时，至少是预期通过的最大电流的两倍。
二极管的耐压至少能承受两倍的反向工作电压。
2.3.3方阵支架及类型
当选择一个合适的场地安装太阳电池方阵时，系统设计者必须考虑以下问题：
①系统方位；②场地阴影；③系统结构要求：
④至功率调节设备的距离；⑤维护简便；⑥预防偷窃和破坏行为；⑦审美观点。
安装太阳电池方阵有多种方式，系统设计者应根据房屋位置、场地阴影、气候条件、屋顶材料、土壤和屋顶负荷承载能力，以及系统的用途等来选择具体安装方法。
安装方法有多种选择，从简单的支架到复杂的双轴跟踪系统等。
（一）简单支架
使用一个简单的支架就可以用来安装单个太阳电池组件。
还可以用螺钉将电镀角铁架固定在建筑物外墙上。
一对角铁支架可以构成一个简单、耐用和物美价廉的支架系统，用来支撑单个组件光伏系统。
（二）立柱式支架
利用一个金属构件可将多达24个组件直接装在垂直立柱上，立柱被永久性地、牢固地
固定在地下。
立柱式支架（见图2-18）适用于不希望方阵连接在建筑物上的场合。
（三）地面安装
地面安装的方阵通常使用金属框架式支架（见图2一19），金属框架直接固定在预制的地基上。
标准的支撑金属框架有商品，也可以在现场制作。
图2-18立柱支架（四）屋顶安装
屋顶安装的太阳电池方阵一般
图2—19地面安装的金属框架式支架
有4种形式：
①支架式安装；②分离式安装；③直接安装；④一体化安装。
支架式安装的组件，使用金属框架，并预先调整好角度；分离式安装的系统，组件被装在支撑框架上，该框架被建造在完工的屋顶上（见图2—20）；直接装配的系统，将组件直接安装在传统的屋顶材料上，这样省去了支撑框架和安装用的导轨。
一体化的方阵安装系统，将电池组件直接固定在屋顶的构架上。
这样用太阳电池板取代了传统的屋顶覆盖材料。
图2—20分离式屋顶太阳电池支架
（五）手动调节支架
为了更有效地利用太阳能，可将方阵支架设计成倾角可调式结构（见图2—21），通过简易的手动调节，
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