1、皖西学院本科毕业论文（设计）第 1 页光伏发电系统组成技术分析 作 者指导教师 摘要：太阳能光伏发电是一种最具有可持续/发展的最理想的特殊性能优越的可再生能源发电技术，太阳能光伏发电设备产业，是人类社会发展与科技创新的重大项目工程，是世界发展速度最快的产业之一。本文简单阐述了当前太阳能发电技术的现状以及发展趋势，太阳能光伏发电技术的核心器件太阳电池出发,介绍了各类太阳电池的特点和发展情况，分析了现阶段我国在光伏发电领域所取得的进展和存在问题，并对国内太阳能光伏发电的前景进行展望。关键词：光伏发电技术；太阳能；光伏电源；相关问题；并网Photovoltaic power generation s
2、ystem of technical analysisAbstract：Solar photovoltaic power generation is one of the most ideal special performance the most sustainable advantage of renewable energy power generation technology,solar photovoltaic power generation equipment industry,the development of human society and science and
3、technology innovation of the great project,is the worlds fastest growing industries of.This paper briefly discusses the present situation and development trend of the current solar photovoltaic power generation technology,the core component of solar photovoltaic power generation technology introduce
4、s the characteristics and development of all kinds of solar cells,has analyzed the present stage our country has made in the fields of photovoltaic power generation development and existing problems,and the domestic solar photovoltaic power generation prospects prospect.Key words：Photovoltaic power
5、generation technical ,The solar anergy,Photovoltaic (pv) power supply,issues related to,interconnection引言：化石燃料日趋枯竭的危机局面正一步一步威胁人类的生存和发展,传统的化石能源使用过程中产生的环境污染和温室效应正在导致一系列生态灾难。在这样的背景下,太阳能作为一种清洁的、可再生新能源引起能源界大量的技术研发投入。太阳能光伏发电具有安全可靠、能源质量高、无噪声、无污染、无枯竭危险、无需消耗燃料、无需架输电线路、可以方便地与建筑物相结合、维修保养简单、维护费用低等优点,是未来太阳能大规模利用
6、的方式,成为太阳能利用的重点研究领域。本文将对太阳能光伏发电技术的特点及其发展进行简单的介绍与分析。1 光伏发电 PV 原理光照能使半导体材料内部的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流光伏电池是基于半导体 P-N 结接受太阳光照产生光伏效应，直接将光能转换成电能的能量转换器。1954 年，美国 Bell 实验室的 G Pearson 等发明了单晶硅光伏电池，其原理如图 1 所示。皖西学院本科毕业论文（设计）第 2 页图 1 单晶硅光伏电池发电原理光伏发电系统的应用非常广泛，它的基本形式一般可分为两大类，即: 独立发电系统和并网发电系统。前期应用主要在太空航空器、通信系统、微波中继站、电视差转
7、台、光伏水泵和无电缺电地区户用供电。目前，我国已开展推广光伏并网发电系统，主要是建设户用屋顶光伏发电系统和 MW 级集中型大型并网发电系统等，同时在交通工具和城市照明等方面也在大力推广太阳能光伏系统的应用。光伏发电系统主要包括:太阳能电池阵列、控制器、蓄电池、逆变器、电力用户即负载等,其系统构成见图 2.图 2 光伏发电系统构成1.1 太阳能电池事实上单一 PV 电池单元的发电量是十分有限的,实用中的 PV 电池是由一系列太阳能电池单元经串、并联组成的电池系统(PV system)称为 PV 阵列。对于单一硅晶电池而言理论上讲是一只 Si 晶体二极管,根据半导体材料的电子学特性,当太阳光照射到
8、由 P 型和 N 型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的 P-N 结上时,在一定的条件下,太阳能辐射被半导体材料吸收,在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。由于 P-N 结势垒区存在着较强的内建静电场,因而能在光照下形成电流密度 J,短路电流 ISC,开路电压 VOC。若在内建电场的皖西学院本科毕业论文（设计）第 3 页两侧面引出电极并接上负载,在理论上讲则由 P-N 结、连接电路和负载形成的回路中就有“光生电流”流过 ,对 PV 阵列来讲就实现了对负载的功率 P 输出。1.2 光伏阵列的特性光伏阵列是由多个太阳电池组合而成, 其简化等值电路如图3, 电气特性如式(1)、(2) 所示。
9、(1)1)(exp00 Ssatg RIVAKTqII(2)st式中, 是光电流, A； 是反向饱和电流, A； 是充电电荷量； 是无量纲常数； 是玻尔兹曼gIsatIqAK常数； 是开氏温度,K； 阵列等值串联阻抗, ； 是 等值负荷阻抗或外部电路等值阻抗, ； TSRLRI、 分别为光伏阵列输出电流( A) 、电压(V) ； 、 分别为负荷或并网点的注入电流(A) 、电压( V0IVV) 。图3 光伏发电系统简化等值电路光伏阵列输出特性即I- V 特性和PV特性都具有非线性, 且存在唯一的最大输出功率点。研究表明: 除材料工艺外, 影响最大功率点的主要因素还有日照强度和光伏片温度。因此,
10、应采取控制措施, 使光伏阵列能够在当前日射和温度不断变化的情况下能不断追踪阵列所能提供的最大功率点。1.3 光伏发电原理“光伏发电”是将太阳光能直接转换为电能的一种发电形式。法国科学家贝克勒尔（A.E.Becqurel）在 1839 年首先发现了“光生伏打效应(Photovoltaic Effect)”。然而，第一个实用性的单晶硅光伏电池(Solar Cell)直到一个多世纪后的 1954 年才在美国贝尔实验室研制成功。20 世纪 70 年代中后期开始，光伏电池技术不断趋于完善，成本不断降低，带动了光伏产业的蓬勃发展。光伏发电原理如图 4 所示。PN 结两侧因多数载流子（N区中的电子和 P 区
11、中的空穴）向对方的扩散而形成宽度很窄的空间电荷区 W ，建立自建电场 。iE皖西学院本科毕业论文（设计）第 4 页它对两边多数载流子是势垒，阻挡其继续向对方扩散；但它对两边的少数载流子（N区中的空穴和 P 区中的电子）却有牵引作用，能把它们迅速拉到对方区域。稳定平衡时，少数载流子极少，难以构成电流和输出电能。但是，光伏电池受到太阳光子的冲击，在光伏电池内部产生大量处于非平衡状态的电子空穴对，其中的光生非平衡少数载流子（即 N区中的非平衡空穴和 P 区中的非平衡电子）可以被内建电场 牵引到对方区域，然后在光伏电iE池中的 PN 结中产生光生电场 ，当接通外电路时，即可流出电流，输出电能。这便是P
12、VE一个小的太阳能光伏电池单元的发电原理。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。图 4 太阳能光伏发电系统的构成1.4Pm 控制器控制器实质上主要功能是 PV 系统的态 控制器,其 P 的影响因子 包括太阳能辐)(FP射量随时间和空间的变化。如辐射角度 ,昼夜及季节即时间 T,环境及天气气候的影响即光照强度 等。因此 ,即 。因此输出功率 P 是个不稳定的变量,控)(XIEET,ETf制器将通过微处理器对输出电流和输出电压 U 进行测控,从而实现对 P 的测控,保证 PV 系统工作在某一个相对稳定的“最佳” 状
13、态,此即最大输出功率点 Pm,进而实现对蓄电池充放电的控制。充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即 PWM(Pulse Width Modulation)控制方式,使PV 阵列始终运行于最大功率点 Pm.放电控制主要是指当电池亏电、系统故障,如电池开路或接反时切断开关。目前日立公司研制出了既能跟踪调控点 Pm,又能跟踪太阳移动的“向日葵”式控制器,将固定 PV 的效率 LPV 提高了 50%左右。1.5光伏电池的工作特性光伏电池的输出特性方程为 (l)式中: , ShRSOSLG IVIAKTqI 1)(exp V分别为分别为光伏电池的输出电流和输出电压 , 为光电流, 为电池板特性常数, 为I
14、LGI SOI暗饱和电流, 为光伏电池的表面温度, 为玻尔兹曼常数, 为电池的并联电阻, 为电T Sh皖西学院本科毕业论文（设计）第 5 页池的串联电阻, 为单位电荷。q图5为一定温度和光强下太阳能电池的I 一V 曲线, 实直线为负载电阻线, 虚曲线为等功率线, 为光伏电池的最大功率点, ， 分别为光伏电池在最大功率点运行时对应的电mPmI压和电流。如果将太阳能电池通过变换器与负载连接, 光伏电池的工作点 则由负载限制),(mIVP来确定. 当负载不可调节时, 太阳能电池运行在A 点,A 点的输出功率小于在最大功率点的输出功率, 当负载可调节 , 通过检测光伏电池输出电压 及电流 , 计算 ,
15、 VUPVIPV确定模糊控制律, 调整 变换器的占空比, 将负载电压调节至 处, 使负载上PVDCT的功率从A点移动到与太阳能电池的最大功率点在同一条等功率线上B 点同时引入自适应机制, 自动调整模糊控制器参数, 以适应外界环境变化。 图 5 一定温度和光强下 I-V 曲线2 关于光伏电池光伏电池:光伏电池是太阳能光伏发电系统最重要、也是最基本的器件。目前已经商业化批量生产和规模化应用的光伏电池有 ：晶体硅光伏电池、薄膜光伏电池和硅异质结光伏电池（HIT）等。当前世界上主要的光伏发电技术一个是晶体硅电池，包括单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。单晶硅太阳电池的实验室最高转换效率可达 24.7%，批
16、量生产已超过 17%，无锡尚德的冥王星技术则超过了 18%。多晶硅太阳电池的实验室最高效率也超过了 20%，平均效率达到 16%以上。晶体硅电池中还有一种背接触高效电池，实验室最高效率已达 26.8%。另一种主要光伏发电技术是薄膜太阳电池，其中已商业化的主要是非晶硅薄膜电池，最高效率可稳定在 12.8%左右。还有一种聚光太阳电池，转换的最高效率可达 40.7%。2.1 晶体硅光伏电池1954 年美国贝尔实验室研制出 6%的实用型单晶硅电池聚光高效硅基电池：硅光电池的转化率和其所用多晶硅的多少成正比，即硅光电池的转化率越高，所用多晶硅就越少。现在使用的 n 型硅基聚光电池的转化率是 22%。新型
17、高效聚光电池的研发还有很多的技术壁垒需要突破，但正是这样才会有人不断探索从而开发出新行的高效聚光电池。我个人认为，最有前途的技术方向是：晶体硅电池+能带结构不相同的薄膜组成的各种硅薄膜电池。所用多晶硅，已下降到只有通常不跟踪平板式多晶硅光伏电池的 1/41/5。获得高效硅基电池的首要任务是提高硅光电池的太阳能转化率，而这一“绿色”技术的核心技术便是太阳能炼硅。晶体硅太阳能电池的发展自 1985 年后进入第三阶段：已经出现光电转换效率达 24.4%钝化发射极和背面点接触电池。这次进步使得大规模产业化生产转换效率单晶有了喜人的前景。2009 年大规模产业化生产转换效率单晶达到 18%,多晶将超过
18、17%，今后并仍将占据市皖西学院本科毕业论文（设计）第 6 页场主导地位。目前已做到，工业硅（2 个“9” ）+添加剂+萃取剂 稳定地产出收率80%的高纯硅（7 个“9” ） 。目前也已做到每公斤耗能30 度电/每公斤，主要是用定向凝固进一步处理高纯硅时的耗能。下面图 6 和图 7 是有关太阳能炼硅的一些图片：图 6 图 7虽然晶体硅光伏电池在技术上已经有了飞跃性的突破，但若想使其太阳能光伏转化效率达到更高的水平还需要更多的努力。仍有一些方面需要并且值得我们去深入探讨的。比如，如何获得更高纯度的单晶硅、怎样简化晶体硅的萃取过程、以及如何缩减在大规模生产晶体硅光伏电池工业化了流程中的成本等等。2
19、.2 薄膜电池 (Thin lm )另一种主要光伏发电技术是薄膜太阳电池，其中已商业化的主要是非晶硅薄膜电池，最高效率可稳定在 12.8%左右。和晶体硅光电池一样，薄膜电池的发展也有了长足性的进步。目前，薄膜电池的转换效率达到 6%-8%，近两年可达到 10%-20%，五年内有望达到 18%，其功率衰退问题也已解决。薄膜电池对弱光的转化率十分高，即使在阴天照样能够发电。其技术正在成为太阳能电池主流技术，与晶体硅太阳能电池技术并驾齐驱。薄膜太阳电池的主要类型有：（1）非晶、纳米晶、微晶等硅薄膜；（2） 碲化镉薄膜；(3) 即铜铟镓硒TeCdCIS组成的薄膜；（4）新出现的一个品种是， 砷化镓薄膜
20、电池，据报导，其转化率已高达aAs28.4%！(5)一个新发展是 (Sn、Se、S）即由铜锌二价元素和六价元素硒和硫还有四价3CZ元素锡组成的薄膜，优点是材料成本低廉，而且比较丰富。我认为，这将是诸多薄膜电池中，最有发展前景的品种。2.3 硅异质结光伏电池（HIT）还有一种常用的光伏电池即硅异质结光伏电池。非晶硅薄膜电池、碲化镉(CdTe)、铜铟硒 (CIS) 的实验室效率分别达到了 13%、16.4%和 19.5%。主要产品有：背面叉指 IBC 级联电池，其效率可达 22%。垂直多结 VMJ 电池.点接触电极(point con-tact) PC 电池，效率超过了 22%.双面 DS 电池，
21、单体电池效率可达到 21%，系统可达 20%.激光刻槽埋栅电池,与传统丝网印刷电池在中试线上的性能高出 25% 30%，效率可达 19%以上,双面刻槽埋栅比单面刻槽电池效率高出 10%左右.具有转换光谱 P(K)膜的电池,在 CaF2 晶片或玻璃中掺入稀土元素 Fu2+，利用其荧光效应使太阳中的短波向长波偏移，提高单位面积发电量，其转换效率皖西学院本科毕业论文（设计）第 7 页可提高 5%。表面钝化背面定域扩散(PERL)电池，能吸集半导体内大部分光生载流子，其转换效率已达到 24.14%。这一光伏电池的工业化批量生产业具有非常广泛的应用前景。2.4 光伏电池的应用现状 从整个市场分布看，仍以
22、晶硅电池为主，目前占到 90%；随着技术的进步，薄膜电池的份额将会逐步增长，到 2012 年会占到 30%；薄膜电池中则以非晶硅电池为主，到 2012年 将 占 60% 。而从应用的角度看，并网发电是 主 流 ，到 2010 年，光伏发电的 90%以上都是并网发电。随着传统能源的稀缺程度增高，到 2030 年，微网系统和独立系统会占到 30%左右的比例。据预测，2020 年全球光伏发电的总装机将达到 2.88 亿千瓦，其中太阳能热发电和高倍聚光电池可能分别占到 4%和 2%，其他 94%都是平板太阳电池，包括晶硅电池和薄膜电池。平板电池又可分为固定安装与带向日跟踪系统的，在日照直射光较好的地区
23、，自动跟踪可以提高 20%50%的发电量，是降低发电成本的最有效途径，未来带自动跟踪的平板电池系统将占到总份额的 35%。3 PV 发电的效率在 PV 发电系统中，系统的效率 由 PV 转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器es效率及负载的效率等组成。但相对于 PV 电池技术来讲，控制器、逆变器及负载等其它单元的技术及生产水平要成熟得多，而且 PV 的转换率目前只有 17%左右(实验室 GaAs(单晶)25.7%).因此提高 PV 的转换率降低单位功率造价(目前约为 415 美元/WP)是 PV 发电产业化的重点和难点.几种太阳电池的转换率见表 1。表 1实验室典型电池 商品薄膜电池PV （%
24、）maxPV (%)单晶硅多晶硅CaAs(单结 )a-Si(多结)24.418.625.713多晶硅铜铟镓硒碲化镉铜铟硒16.618.816.014.1太阳能电池问世以来,晶体硅 Si 作为主角材料保持着统治地位。目前对 Si 电池转换率的研究，主要围绕着加大吸能面，如双面电池，减小面反射；运用吸杂技术减小半导体材料的复合；电池超薄型化；改进理论，建立新模型；聚光电池等。主要产品有：背面叉指 IBC级联电池，其效率可达 22%。垂直多结 VMJ 电池 .点接触电极 PC 电池，效率超过了 22%。双面 DS 电池，单体电池效率可达到 21%，系统可达 20%。激光刻槽埋栅电池，与传统丝网印刷电
25、池在中试线上的性能高出 25% 30%，效率可达 19%以上，双面刻槽埋栅比单面刻槽电池效率高出 10%左右。具有转换光谱 膜的电池，在 晶片或玻璃中掺入稀土元)(P2CaF素 ，利用其荧光效应使太阳中的短波向长波偏移，提高单位面积发电量,其转换效率可2Fu提高 5%。表面钝化背面定域扩散(PERL)电池，能吸集半导体内大部分光生载流子，其转换效率已达到 24.4%。4 控制器和逆变器三大部分的相关技术及进展皖西学院本科毕业论文（设计）第 8 页逆变器的主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电.通过全桥电路,一般采用 SP-WM 处理器经过调制、滤波、升压等得到与负载频率 F,额定电压 UN 等
26、匹配的正弦交流电供电力终端用户使用.光伏发电作为并网光伏系统在光伏电站、户用并)(sinVtUum网光伏系统、混合光伏系统等领域大有前途。光伏发电系统中常用的逆变器通常分 4 种:直接耦合系统、工频隔离系统、高频隔离和不隔离系统,如图 7 所示。4.1 直接耦合系统 由于省去了笨重的工频变压器,故其效率(96%左右,H5Bridge 技术效率可达 98%)高、质量轻、结构简单、可靠性较好。但它也存在一些缺点:太阳能电池板与电网之间没有实现电气隔离,太阳能电池板两极有电网电压,存在安全隐患,即人触摸电极时会造成触电事故。这在许多国家的电气安全标准中是不允许的。直流侧电压需要达到能够直接逆变的电压
27、等级,即一般直流侧 MPPT 电压大于 350 V,太阳能电池阵列的开路电压为 440 V。这对于太阳能电池组件乃至整个系统的绝缘有较高要求,容易出现漏电现象。4.2 工频隔离系统 工频隔离系统的优点是结构简单、可靠性高、抗冲击性和安全性能良好、直流侧 MPPT电压上下限比值范围一般在 3 倍以内。但其系统效率相对较低,且由于变压器的存在使得系统较为笨重。与德国 SMA 公司研制成功的大型并网逆变器相比，我国在并网型逆变器的研究上起步较晚，并网型太阳能发电设备还未形成规模生产。图 8 光伏发电系统逆变器的类型 5 关于系统并网技术的要求太阳能光伏电池的阵列输出的功率与非常容易受到环境因素的影响
28、，太阳能电池的伏-安特性是非线性的，需要 MPPT 控制器找到光伏阵列在确定日照和温度条件下输出最大功率时对应的工作电压，以弥补环境的变化对其产生的影响。光伏电池阵列输出的直流电力通过逆变器转换为交流电力，逆变器的工作点在输入侧要与光伏电池阵列输出电压匹配，在输出侧要满足交流并网的条件；在交流侧逆变器会注入高次谐波，我们就要通过优化逆变器控制皖西学院本科毕业论文（设计）第 9 页方式和滤的方式波来降低谐波含量；光电能量转换过程中不产生也不消耗元功，在逆变过程需要消耗元功，这是与其他常规发电系统的重要区别之一，因此光伏发电系统需要配置无功补偿设备，对并网点的功率因数进行控制。5.1 光伏发电并网
29、原理光伏发电系统在光生伏打效应的作用下，光伏电池的两端产生电动势，将光能转化成电能。常见的光伏系统由太阳能电池方阵、蓄电池、控制器、直流配电柜、逆变器和交流配电柜等设备组成，见图 9。其中逆变器和太阳能电池方阵是光伏系统的基本要素。通过太阳能电池组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。太阳能通过光伏组件转化为直流电力，通过直流监测配电箱汇集至逆变器（有蓄电池组时，还经充放电控制器同时向蓄电池组充电） ，将直流电能转化为交流电力。图 9 光伏发电系统构成示意图太阳能光伏发电系统构的成示意图与现有的主要发电方式相比较，光伏发电系统的特点有：工作点变化较快，这是由于温度等
30、外界环境因素的影响、很大光伏发电系统受光照；输入侧的一次能源功率不能主动在技术范围内进行调控，只能被动跟踪当时光照条件下的最大功率点，争取实现发电系统的最大输出；光伏发电系统的输出为直流电，需要将直流电优质地通过逆变器逆变为工频交流才能带负荷。5.2 光伏发电系统并网技术根据系统的可用性状态划分,可将系统的状态划分为全额运行状态、资源限制的减额出力状态、设备故障的减额出力状态和停用状态四个状态。光伏发电系统并网的基本必要条件是，逆变器输出之正弦波电流的频率和相位与电网电压的频率和相位相同。光伏发电系统并网有2 种形式：集中式并网和分散式并网。集中式并网：特点是电池所产生的发电能被直接输送到大电
31、网，由大电网统一调配向用户供电，与大电网之间的电力交换是单向的。逆变器后380 V 三相交流电，接至升压变前 380 V 母线，升压后上网，升压变比 0.4/10.5 kV，示意图如图 10 所示。适于大型光伏电站并网，通常离负荷点比较远，荒漠光伏电站采用这种方式并网。皖西学院本科毕业论文（设计）第 10 页图 10 光伏发电系统集中式并网分散式并网：特点是所发的电能直接分配到用电负载上，多余或不足的电力通过联接大电网来调节，与大电网之间的电力交换可能是双向的，如图 11 所示。适于小规模光伏发电系统，通常城区光伏发电系统采用这种方式，特别是与建筑结合的光伏系统。图 11 光伏发电系统分散式并
32、网在微网中运行，通过中低压配电网接入互联特/超高压大电网，是光伏发电系统并网的重要特点。5.3 直流-交流并网逆变器逆变器正常工作的时候,将光伏电池阵列的直流电变为交流电并入电网。当系统出线故障时,逆变器会停止运行并终止工作状态发出警报信号进行故障处理。逆变器的并网和发电过程均为自动进行的,无需受到人为干扰和控制。在检测到交流电网是否满足并网条件同时也检查到光伏阵列是否有足够能量。具备一切条件之后光伏发电系统后会进入并网发电模式。在此过程中,逆变器一直以最大功率点跟踪方式使光伏阵列输出的能量最大。当电网电压超出最大范围三相(250V-362V)和电网频率超出正常范围(47HZ-51.5HZ)出
33、现异常时,会马上与电网断开,立即进入保护程序。当检测到电网侧发生短路时,逆变器向电网输出的短路电流大于额定电流的 120%,经延时与电网断开。5.4 光伏发电并网研究现状光伏电池阵列输出的功率很容易受到环境因素的影响，太阳能电池的伏-安特性呈非线性，需要 MPPT 控制器找到光伏阵列在确定日照和温度条件下输出最大功率时对应的工作电压，才能适应环境的变化。光伏电池阵列输出的直流电力通过逆变器转换为交流电力，逆变器的工作点在输入侧要与光伏电池阵列输出电压匹配，在输出侧要满足交流并网的条件；逆变器会在交流侧注入高次谐波，要通过优化逆变器控制方式和滤波来降低谐波含量；光电能量转换过程中不产生也不消耗无功，在逆变过程需要消耗无功，这是与其他常规发电系统的重要区别之一，因此光伏发电系统需要配置无功补偿设备，对并网点的功率因数进行控制。大电网受到的扰动可能影响并网光伏发电系统正常运行，尤其是如果出现光伏发电系统孤岛运行时，必须迅速感知以调整逆变器的运行状态，避免光伏发电系统受到危害，且为后续再并网做好准备。目前光伏发电并网研究的问题主要是围绕这些特点展开，包括最大功率点跟踪 、逆变器的拓扑结构和控制方式、滤波（降低谐波含量） 、无功补偿（功率因数控制） 、孤岛检测等方面及其相互之间的协调配合，侧重于以逆变器为核心的并网光伏发电系统设备设计与应用研究。
