光伏电源系统的原理及组成

光伏电源系统的原理及组成

首先太阳能电池发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。它由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成，其系统组成如图所示。

1．太阳能电池方阵：

太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4cm2 到100cm2

不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.5V, 工作电流约为20－25mA/cm2, 一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率 (见图1－2) 。 （1）硅太阳能电池单体

常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是P 型硅，表面扩散层是N 区，在这两个区的连接处就是所谓的PN 结。PN 结形成一个电场。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失。

太阳能电池的工作原理如下：

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 结中产生一对对正负电荷，由于在PN 结 区域的正负电荷被分离，因而可以产生一个外电流场，电流从晶体硅片电池 的底端经过负载流至电池的顶端。这就是“光生伏打效应”

将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时，将有电流流过该负载，于是太阳能电池就产生了电流；太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，

伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效

率下降。

（2）硅太阳能电池种类

目前世界上有3种已经商品化的硅太阳能电池：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。对于单晶硅太阳能电池，由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，使单晶硅的使用成本比较昂贵。多晶硅太阳能电池的晶体方向的无规则性，意味着正负电荷对并不能全部被PN 结电场所分离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不规则而损失，所以多晶硅太阳能电池的效率一般要比单晶硅太阳能电池低。多晶硅太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶硅太阳能电池低。非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多数用于弱光性电源，如手表、计算器等。

一般产品化单晶硅太阳电池的光电转换效率为 13――15 % 产品化多晶硅太阳电池的光电转换效率为 11――13 % 产品化非晶硅太阳电池的光电转换效率为 5――8 % （3）太阳能电池组件

一个太阳能电池只能产生大约0.5V 电压，远低于实际应用所需要的电压。为了满足实际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上，太阳能电池的标准数量是36片（10cm ×10cm ），这意味着一个太阳能电池组件大约能产生17V 的电压，正好能为一个额定电压为12V 的蓄电池进行有效充电。

通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨等的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。

太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨等的能力。其潜在的质量问题是边沿的密封以及组件背面的接线盒这种组件的前面是玻璃板，背面是一层合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太阳能电池也是被镶嵌在一层聚合物中。在这种太阳能电池组件中，电池与接线盒之间可直接用导线连接。

组件的电气特性主要是指电流－电压输出特性，也称为Ⅴ－Ⅰ特性曲线，如图1－3所示。Ⅴ－Ⅰ特性曲线可根据图1－3所示的电路装置进行测量。Ⅴ－Ⅰ特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im 与电压Vm 在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路即V ＝0，此时的电流称为短路电流Isc ；如果电路开路即I ＝0，此时的电压称为开路电压Voc 。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P ＝V ×I 。

当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零（短路条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从0开始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至零，即电压达到开路电压Voc 。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。在组件的输出功率达到最大点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压Vm （又称为最大工作电压）；该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im （又称为最大工作电流）；该点的功率，称为最大功率Pm 。

随着太阳能电池温度的增加，开路电压减少，大约每升高1°C 每片电池的电压减少5mV ，相当于在最大功率点的典型温度系数为－0.4%/°C 。也就是说，如果太阳能电池温度每升高1°C ，则最大功率减少0.4%。所以，太阳直射的夏天，尽管太阳辐射量比较大，如果通风不好，导致太阳电池温升过高，也可能不会输出很大功率。

由于太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能电池的温度，因此太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC ）进行，测量条件被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是： 光谱辐照度 1000W/m2

大气质量系数 AM1.5 太阳电池温度 25℃

在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为Wp(peak watt)。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。

通过户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的，因为太阳能电池组件所接受到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置；此外，在测量的过程中，太阳能电池的温度也是不断变化的。在户外测量的误差很容易达到10％或更大。

如果太阳电池组件被其它物体(如鸟粪、树荫等) 长时间遮挡时，被遮挡的太阳能电池组件此时将会严重发热，这就是“热斑效应”。这种效应对太阳能电池会造成很严重地破坏作用。有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热班效应而被破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁通二极管，以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。

连接盒是一个很重要的元件：它保护电池与外界的交界面及各组件内部连接的导线和其他系统元件。它包含一个接线盒和1只或2只旁通二极管。

2．充放电控制器：

充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有简单测量功能的电子设备。由于蓄电池组被过充电或过放电后将严重影响其性能和寿命，充放电控制器在光伏系统中一般是必不可少的。充放电控制器，按照开关器件在电路中的位置，可分为串联控制型和分流控制型；按照控制方式，可分为普通开关控制型(含单路和多路开关控制) 和PWM 脉宽调制控制型(含最大功率跟踪控制器) 。开关器件，可以是继电器，也可以是MOSFET 模块。但PWM 脉宽调制控制器，只能用MOSFET 模块作为开关器件。

3．直流/交流逆变器：

逆变器是将直流电变换成交流电的电子设备。由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统，将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形，又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器，电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器，成本高，但可以适用于各种负载。从长远看，SPWM 脉宽调制正弦波逆变器将成为发展的主流。

4．蓄电池组：

其作用是储存太阳能电池方阵受光照时所发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电系统对所用蓄电池组的基本要求是：(1) 自

放电率低；(2)使用寿命长；(3) 深放电能力强；(4)充电效率高；(5) 少维护或免维护；(6)工作温度范围宽；(7) 价格低廉。

目前我国与太阳能电池发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。配套200Ah 以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封免维护铅酸蓄电池；配套200Ah 以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池。

5．测量设备：

对于小型太阳能电池发电系统，只要求进行简单的测量，如蓄电池电压和充放电电流，测量所用的电压和电流表一般装在控制器面板上。对于太阳能通信电源系统、阴极保护系统等工业电源系统和大型太阳能发电站，往往要求对更多的参数进行测量，如太阳能辐射量、环境温度、充放电电量等，有时甚至要求具有远程数据传输、数据打印和遥控功能，这时要求为太阳能电池发电系统应配备智能化的“数据采集系统”和“微机监控系统”。

6．太阳能光伏电源系统的设计：

太阳能光伏电源系统的设计分为软件设计和硬件设计，且软件设计先于硬件设计。软件设计包括：负载用电量的计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池、蓄电池用量的计算和二者之间相互匹配的优化设计，太阳能电池方阵安装倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。硬件设计包括：负载的选型及必要的设计，太阳能电池和蓄电池的选型，太阳能电池支架的设计，逆变器的选型和设计，以及控制、测量系统的选型和设计。对于大型太阳能电池发

电系统，还要有方阵场的设计、防雷接地的设计、配电系统的设计以及辅助或备用电源的选型和设计。软件设计由于牵涉到复杂的辐射量、安装倾角以及系统优化的设计计算，一般是由计算机来完成；在要求不太严格的情况下，也可以采取估算的办法。

⑴ 太阳能辐射原理：

太阳电池发电的全部能量来自于太阳，也就是说，太阳电池方阵面上所获得的辐射量决定了它的发电量。太阳电池方阵面上所获得辐射量的多少与很多因素有关：当地的纬度，海拔，大气的污染程度或透明程度，一年当中四季的变化，一天当中时间的变化，到达地面的太阳辐射直、散分量的比例，地表面的反射系数，太阳电池方阵的运行方式或固定方阵的倾角变化以及太阳电池方阵表面的清洁程度等。要想较为准确地推算出太阳电池方阵面上所获得的辐射量，必须对太阳辐射的基本概念有所了解。

太阳辐射的基本定律

太阳辐射的直散分离原理、布格－朗伯定律和余弦定律是我们所要了解的三条最基本的定律。 直散分离原理：

大地表面（即水平面）和方阵面（即倾斜面）上所接收到的辐射量均符合直散分离原理，只不过大地表面所接收到的辐射量没有地面反射分量，而太阳电池方阵面上所接收到的辐射量包括地面反射分量： Qp = Sp+Dp QT = ST+DT+RT

Qp: 水平面总辐射

Sp: 水平面直接辐射

Dp: 水平面散射辐射

QT : 倾斜面总辐射

ST: 倾斜面直接辐射

DT: 倾斜面地面反射

布格-朗伯定律: SD’= S0Fm

S0 ：太阳常数 1350W/m2

SD’：直接辐射强度

F: 大气透明度

m: 大气质量 m=1/Sinα × P/P0

α: 太阳高度角 Po: 标准大气压

Sin α = SinφSin δ+Cos φCos δCos ω δ: 太阳赤纬角

δ=23.5Sin(360*(284+N)/365) φ： 当地纬度 （0 － 90° ）

ω： 时角（地球自转一周360度，24小时） 15度/小时或 4分钟度 余弦定律: Sp’ = SD’ Sinα

ST ’ = SD’COSθ

DT ’ = Dp’(1+CosZ)/2

RT ’ = Qp’(1-CosZ)/2

QT = ST+DT+RT

⑵ 太阳电池发电系统的设计(以某高山气象站为例) ：

当地气象地理条件：由当地气象部门提供前10年的平均数据。 纬度: 北纬 30-45 度 经度: 东经 90-120 度 海拔: 1000-4000 米 最长阴雨天: 3 天

水平面全年总辐射量为:165千卡/厘米²。

太阳电池方阵面上的总辐射为180千卡/厘米2。

负载情况

电源系统容量设计步骤:

① 太阳电池组件的选型：

太阳电池选用秦皇岛华美光伏电源系统有限公司的组件 型号为：33D1312X310 开路电压：21V 短路电流：2.4A 峰值电压：17V 峰值电流：2.235A 峰值功率：38 Wp

② 计算等效的峰值日照时数：

全年峰值日照时数为: 180000×0.0116=2088 小时 0.0116为将辐射量(卡/cm²) 换算成峰值日照时数的换算系数: 峰值日照定义: 100毫瓦/cm²=0.1瓦/cm² 1 卡=4.18焦耳=4.18瓦秒 1小时=3600秒 则: 1卡/cm²=4.18瓦秒/卡/(3600秒/小时×0.1瓦/cm²)=0.0116 小时cm ²/卡 于是: 180000卡/cm²年×0.0116 小时cm ²/卡=2088小时/年 平均每日峰值日照时数为：2088÷365＝5.72 小时/日 ③ 根据系统工作电压等级确定太阳电池组件的串联数：

系统工作电压一般选择原则：户用系统为12VDC 或24VDC ；通信系统为48VDC ； 电力系统为110VDC ；大型电站为220VDC ％或更高。

每块标准组件峰值电压为17V ，设计为对12V 蓄电池充电，4块组件串联对48V 蓄电池充电，因此，所需太阳电池的串联数为4块。 ④ 计算每日负载耗电量为：4300Wh ÷48V ＝89.6Ah ⑤ 计算所需太阳电池的总充电电流为： 89.6Ah×1.02/(5.72h×0.9×0.8) ＝22.19A 其中： 0.9: 蓄电池的充电效率 0.8: 逆变器效率

1.02: 20年内太阳电池衰降，方阵组合损失，尘埃遮挡等综合系数。 ⑥ 计算所需太阳电池的并联数为： 22.19A÷2.235A/块＝10块 ⑦ 计算所需太阳电池的总功率为：

（10×4）块×38峰瓦/块＝1520 峰瓦 ⑧ 计算所需蓄电池容量： 蓄电池选用江苏双登全密封阀控式工业用铅酸蓄电池 89.6Ah/天×3天(连续阴雨天数) ÷0.68＝400Ah 0.68:蓄电池放电深度。

选用 GFM-400型蓄电池(10小时放电率的额定容量为400安时)24只（48V ）。 上面的计算可以由设计软件在几分钟之内完成，下面给出一个计算实例：

三．光伏电源充放电控制器：

1．控制器的功能：

（1） 高压（HVD ）断开和恢复功能：控制器应具有输入高压断开和恢复连接的

功能。

（2） 欠压（LVG ）告警和恢复功能：当蓄电池电压降到欠压告警点时，控制器

应能自动发出声光告警信号。

（3） 低压（LVD ）断开和恢复功能：这种功能可防止蓄电池过放电。通过一种继电器或电子开关连结负载，可在某给定低压点自动切断负载。当电压升到安全运行范围时，负载将自动重新接入或要求手动重新接入。有时，采用低压报警代替自动切断。

（4）保护功能：

① 防止任何负载短路的电路保护。

② 防止充电控制器内部短路的电路保护。

③ 防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护。 ④ 防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护。 ⑤ 在多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。

（5）温度补偿功能：当蓄电池温度低于２５℃时，蓄电池应要求较高的充电电压，以便完成充电过程。相反，高于该温度蓄电池要求充电电压较低。 通常铅酸蓄电池的温度补赏系数为 －5mv/ºC/CELL 。

2．控制器的基本技术参数：

（1） 太阳电池输入路数：1――12路 （2） 最大充电电流： （3） 最大放电电流：

（4） 控制器最大自身耗电不得超过其额定充电电流的1% （5）通过控制器的电压降不得超过系统额定电压的5% （6）输入输出开关器件：继电器或MOSFET 模块（ 7）箱体结构：台式、壁挂式、柜式（ 8）

工作温度范围：－15°C — ＋55 ℃ （9）环境湿度：90％

3．控制器的分类：

光伏充电控制器基本上可分为五种类型：并联型、串联型、脉宽调制型、智能型和最大功率跟踪型。

（1〕 并联型控制器： 当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流到内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。因为这种方式消耗热能，所以一般用于小型、低功率系统，例如电压在１２伏、２０安以内的系统。这类控制器很可靠，没有如继电器之类的机械部件。

（2〕 串联型控制器： 利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列。它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。比较容易制造连续通电电流在４５安以上的串联控制器。

（3〕 脉宽调制型控制器：它以PWM 脉冲方式开关光伏阵列的输入。当蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。按照美国桑地亚国家实验室的研究，这种充电过程形成较完整的充电状态，它能增加光伏系统中蓄电池的总循环寿命。

（4〕 智能型控制器： 采用带CPU 的单片机（如 Intel公司的MCS51系列或Microchip 公司PIC 系列）对光伏电源系统的运行参数进行高速实时采集，并按照一定的控制规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离/接通控制。对中、大型光伏电源系统，还可通过单片机的RS232接口配合MODEM 调制解调器进行远距离控制。 （5〕 最

大功率跟踪型控制器： 将太阳电池的电压U 和电流I 检测后相乘得到功率P ，然后判断太阳电池此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉宽，调制输出占空比D ，改变充电电流，再次进行实时采样，并作出是否改变占空比的判断，通过这样寻优过程可保证太阳电池始终运行在最大功率点，以充分利用太阳电池方阵的输出能量。同时采用PWM 调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。