光伏发电系统原理

当前，晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占有率在90%以上,而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。多晶硅材料的生产技术长期以来掌握在美、日、德等3个国家7个公司的10家工厂手中，形成技术封锁、市场垄断的状况。多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池。按纯度要求不同，分为电子级和太阳能级。其中，用于电子级多晶硅占55%左右，太阳能级多晶硅占45%，随着光伏产业的迅猛发展，太阳能电池对多晶硅需求量的增长速度高于半导体多晶硅的发展，预计到2008年太阳能多晶硅的需求量将超过电子级多晶硅。1994年全世界太阳能电池的总产量只有69MW，而2004年就接近1200MW，在短短的10年里就增长了17倍。专家预测太阳能光伏产业在二十一世纪前半期将超过核电成为最重要的基础能源之一。

太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。

一、太阳能板

太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中。太阳能电池板是太阳能发电系统中最重要的部件之一，其转换率和使用寿命是决定太阳电池是否具有使用价值的重要因素。组件设计：按国际电工委员会IEC：1215：1993标准要求进行设计，采用36片或72片多晶硅太阳能电池进行串联以形成12V和24V各种类型的组件。该组件可用于各种户用光伏系统、独立光伏电站和并网光伏电站等。

原材料特点：电池片：采用高效率（16.5%以上）的单晶硅太阳能片封装，保证太阳能电池板发电功率充足。玻璃：采用低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃)，厚度3.2mm,在太阳电池光谱响应的波长范围内(320-1100nm)透光率达91%以上，对于大于1200nm的红外光有较高的反射率。此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射，透光率不下降。EVA：采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为0.78mm的优质EVA膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、TPT之间的连接剂。具有较高的透光率和抗老化能力。TPT：太阳电池的背面覆盖物—氟塑料膜为白色，对阳光起反射作用，因此对组件的效率略有提高，并因其具有较高的红外发射率，还可降低组件的工作温度，也有利于提高组件的效率。当然，此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。边框：所采用的铝合金边框具有高强度，抗机械冲击能力强。也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。

二、太阳能控制器

太阳能控制器是由专用处理器CPU、电子元器件、显示器、开关功率管等组成。

主要特点：

1、使用了单片机和专用软件，实现了智能控制；

2、利用蓄电池放电率特性修正的准确放电控制。放电终了电压是由放电率曲线修正的控制点，消除了单纯的电压控制过放的不准确性，符合蓄电池固有的特性，即不同的放电率具有不同的终了电压。

3、具有过充、过放、电子短路、过载保护、独特的防反接保护等全自动控制；以上保护均不损坏任何部件，不烧保险；

4、采用了串联式PWM充电主电路，使充电回路的电压损失较使用二极管的充电电路降低近一半，充电效率较非PWM高3%-6%，增加了用电时间；过放恢复的提升充电，正常的直充，浮充自动控制方式使系统由更长的使用寿命；同时具有高精度温度补偿；

5、直观的LED发光管指示当前蓄电池状态，让用户了解使用状况；

6、所有控制全部采用工业级芯片（仅对带I工业级控制器），能在寒冷、高温、潮湿环境运行自如。同时使用了晶振定时控制，定时控制精确。

7、取消了电位器调整控制设定点，而利用了E方存储器记录各工作控制点，使设置数字化，消除了因电位器震动偏位、温漂等使控制点出现误差降低准确性、可靠性的因素；

8、使用了数字LED显示及设置，一键式操作即可完成所有设置，使用极其方便直观的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项；

三、蓄电池

蓄电池的作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。太阳能蓄电池是‘蓄电池’在太阳能光伏发电中的应用，采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池,胶体蓄电池和碱性镍镉蓄电池四种。国内被广泛使用的太阳能蓄电池主要是：铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池,这两类蓄电池，因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点,很适合用于性能可靠的太阳能电源系统,特别是无人值守的工作站。

四、逆变器

太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。2100433B

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。

光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。

国产晶体硅电池效率在10至13%左右，国外同类产品效率约18至23%。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件。光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场合提供电源，主要为广大无电地区居民生活生产提供电力，还有微波中继电源、通讯电源等，另外，还包括一些移动电源和备用电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草坪灯等；三是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施。我国并网发电还未起步，不过，2008年北京奥运会部分用电由太阳能发电和风力发电提供。

第1章 太阳能光伏发电系统概论

11太阳能光伏发电的重要意义1

111世界能源危机日益加剧1

112自然生态环境日趋恶化1

113常规电网的局限性3

12太阳能光伏发电原理及特点3

121太阳能光伏发电原理3

122太阳能光伏发电的特点4

13太阳能光伏发电系统的组成与应用6

131太阳能光伏发电系统的组成6

132太阳能光伏发电技术的应用与发展历程9

133光伏发电技术的知识结构16

思考题与习题16

第2章 太阳与太阳能

21太阳17

211太阳的基本参数17

212太阳的基本结构*17

22太阳与地球19

221太阳与地球的位置关系*19

222地球绕太阳的运行规律21

223太阳的视运动21

224太阳高度角、方位角、日照时间的计算23

23太阳能25

231太阳辐射能25

232太阳辐射光谱26

233到达地球表面上的太阳辐射能27

234我国的太阳能资源30

思考题与习题32

第3章 太阳能光伏电池

31太阳能光伏发电原理34

311半导体基础知识*34

312pn结39

313光伏效应40

314太阳能电池的结构和性能41

32太阳能电池材料制备*44

321硅材料的优异性能44

322硅材料的制备44

33太阳能电池制造工艺48

331硅片的加工48

332硅太阳能电池的制造50

333新型太阳能电池简介*55

34太阳能电池组件的封装60

341太阳能电池组件设计60

342太阳能电池组件的封装结构62

343太阳能电池组件封装材料*62

344太阳能电池组件封装工艺67

345太阳能电池组件的技术要求和检验测试69

35太阳能电池方阵的设计71

351太阳能电池方阵的组成71

352太阳能电池方阵组合的计算75

思考题与习题76

第4章 光伏蓄电池

41光伏蓄电池概述78

411蓄电池简介78

412铅酸蓄电池的基本概念79

42铅酸蓄电池的结构和工作原理80

421铅酸蓄电池的结构80

422铅酸蓄电池的工作原理81

423铅酸蓄电池的分类和命名83

424蓄电池的性能参数85

43VRLA蓄电池的充、放电特性92

431VRLA蓄电池的充电特性92

432VRLA蓄电池的放电特性96

44VRLA蓄电池的使用与维护98

441VRLA蓄电池的安装99

442VRLA蓄电池的正确使用101

443VRLA蓄电池的维护104

思考题与习题107

第5章 光伏控制器

51光伏控制器概述108

511光伏控制器的基本概念108

512光伏控制器的主要功能108

52光伏控制器的基本原理109

521蓄电池充电控制基本原理109

522蓄电池过放电保护基本原理110

53蓄电池充、放电技术112

531VRLA蓄电池充电器112

532VRLA蓄电池充电控制技术113

533VRLA蓄电池温度补偿技术115

54光伏控制器的电路原理116

541光伏控制器的分类116

542光伏控制器的电路原理116

55光伏控制器的选用128

551光伏控制器的主要性能特点128

552光伏控制器的主要技术参数130

553光伏控制器的配置选型131

思考题与习题132

第6章 光伏逆变器

61光伏逆变器概述133

611光伏逆变器的分类133

612光伏逆变器的电路构成133

613光伏逆变器的主要元器件134

62光伏逆变器的电路原理134

621单相逆变器电路原理134

622三相逆变器电路原理137

623并网型逆变器的电路原理139

63光伏逆变器的技术参数与选用143

631光伏逆变器的主要性能特点143

632光伏逆变器的主要技术参数143

633光伏逆变器的选用145

634光伏逆变器产品简介146

64光伏逆变器的操作与维护148

641逆变器的操作要点148

642逆变器的维护检修148

思考题与习题149

第7章 太阳能光伏发电系统应用技术

71太阳能光伏发电系统的组成和分类150

711太阳能光伏发电系统的组成150

712太阳能光伏发电系统的分类151

72太阳能光伏发电系统的设计151

721独立光伏发电系统151

722并网光伏发电系统154

723太阳能光伏发电系统的设计156

73太阳能光伏发电系统的安装调试161

731太阳能光伏发电系统的安装施工161

732太阳能光伏发电系统的检查测试174

733太阳能光伏发电系统逆变器的调试177

74太阳能光伏发电系统的维护管理179

741太阳能光伏发电系统的运行维护179

742太阳能光伏发电系统的故障排除181

75太阳能光伏发电的应用182

751太阳能光伏发电技术的应用优势182

752太阳能光伏发电技术的应用实例184

思考题与习题190

第8章 风光互补发电系统

81风光互补发电系统组成192

811风光互补发电系统192

812风力发电机组195

813风力发电机组的性能199

814垂直轴风力发电机201

815光伏发电系统及其组成202

82风光互补发电系统的设计和安装202

821风光互补发电系统的设计202

822风力发电机位置的选择204

823光伏场地的选址206

824风光互补发电系统的安装207

83风光互补发电系统调试运行208

831风力发电机组的调试208

832光伏系统的调试209

833风光互补发电系统的运行209

84风光互补发电系统的维护保养209

841小型风力发电机的维护保养209

842光伏方阵的维护210

843控制逆变器的维护210

844蓄电池的维护保养210

845常见故障及排除210

846风光互补发电系统的应用211

思考题与习题213

第9章 实验

91实验设备214

92实验项目215 2100433B

太阳与太阳能的基本知识；太阳能电池与太阳能电池组件的原理、结构及制造工艺；光伏发电系统的主要部件光伏蓄电池、光伏控制器、光伏逆变器以及防雷接地等的结构、原理、设计方法和技术特性；太阳能光伏发电系统的设计与工程应用技术。同时，从中小型光伏发电系统实际应用出发，简要介绍了太阳能、风能互补发电系统的结构、原理与应用。每章末附有相当数量的思考题与习题供教学使用，以便加深理解、巩固知识；书末适当安排一定的光伏发电技术基础实验供教学参考

《电工基础》、《电子技术》、《光伏产品装配与调试》、《PLC技术及应用》、《电力电子技术》、《单片机技术及应用》、《光伏系统电源技术》、《光伏发电系统原理及实践》、《组态技术》、《光伏控制器设计》。