一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、电压变换器和蓄 电池（组）构成。
?太阳能电池板：太阳能电池板是光伏发电系统中的核心部分，其作用是将太阳能 直接转换成
电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。
?太阳能控制器：太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电 压，快速、平
稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的 使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。如果用户使用的是直流 负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电
阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定）。
（由于天气的原因，光伏电池方
?电压变换器：逆变器的作用就是将光伏电池阵列和蓄电池提供的低压直流电斩波 成更高的电
压或逆变成交流电，供给交流负载使用。
?蓄电池（组）:蓄电池（组）的作用是将光伏阵列发出的直流电直接储存起来，供负 载使
用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当日照量大时，除了供给负载 用电外，还对蓄电池充电；当日照量小时，这部分储存的能量将逐步放出。
光伏发电系统是由光伏电池板、控制器和电能储存及变换环节构成的发电与电能变 换系统。太阳光辐射能量经由光伏电池板直接转换为电能，并通过电缆、控制器、储能 等环节予以储存和转换，提供负载使用。
2.1.2光伏系统的分类
光伏发电系统接与电力系统关系分类，通常分为独立光伏发电系统（Stand-Alone PV
System）和并网光伏发电系统（Grid-Connected PV System）。 1、独立光伏发电系统（Stand-Alone PV System）
图2-1独立光伏发电系统结构框图
整个独立供电的光伏发电系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器组成。太 阳能电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一 般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。根据负载的需要，系统一般选用铅酸蓄电池 作为储能环节，当发电量大于负载
时，光伏电池通过充电器对蓄电池充电；当发电量不 足时，光伏电池和蓄电池同时对负载供电。控制器一般由充电电路、放电电路和最大功 率点跟踪控制组成。
2、并网光伏发电系统 (Grid-Connected PV System) 图 2-2 并网光伏发电系统结构框图
并网光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统， 像其他类型发电站一 样，可为电力系统提供有功和无功电能。 光伏电池所发的直流电能经变换器变换成与电 网相同频率的交流电能， 以电压源或电流源的方式送人电力系统。 控制器一般由单片机 或数字信号处理芯片作为核心器件构成， 用以实现光伏电池最大功率点跟踪及控制逆变 器并网电流的频率、 波形和功率， 使向电网转送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能 平衡。变换器主要是由电力电子开关器件连接电感或电容构成， 以脉宽调制方式形成所 需电量形式向电网送电。容量可以视为无穷大的公共电网在这里扮演着储能环节的角 色。因此并网系统不需要额外的蓄电池，降低了系统运行成本，提高了系统运行和供电 稳定性。光伏并网系统的电能转换效率要大大高于独立系统， 成为光伏发电的最合理发 展方向。光伏并网技术中目前主要研究重点为：①光伏并网电路拓扑。②能量管理及经 济运行策略。③系统显示和远程监控。
2.2 光伏电池特性分析 讨论光伏并网系统的控制策略，就必须首先要清楚光伏阵列的 V-I ，P-V
特性，进
而提出合理的控制解决方案。
为了更好的理解光伏电池的特性， 根据上面的结论， 光伏电池的非线性函数关系绘 制出其在日照
不同、结温相同情况下的光伏电池
I-V、P-V特性曲线，如图2-3所示。
a 当T = 25C,光照为 0. 2、0. 4、0. 6、0. 8、1 时的 I-U 曲线 b 当 T= 25C,光照为 0. 2、0. 4、0.6、0. 8、1 时的 P-U 曲线 c 当T = 25C,光照为 0. 2、0. 4、0. 6、0. 8、1 时的 P-I 曲线
图2-3光照强度不同情况下I — V、P— V特性曲线
从图中可以得出以下结论
① 光伏电池的短路电流随光照强度增强而变大, 两者近似为比例关系； 光伏电池的 开路电压在各种日照条件下变化不大；
② 光伏电池的最大输出功率随光照强度增强而变大， 且在同一日照环境下有唯一的 最大输出功率点。在最大功率点左侧，输出功率随电池端电压上升呈近似线性上升趋势； 到达最大功率点后，输出功率开始快速下降，且下降速度远大于上升速度；
③ 如图2-3 a所示：在虚线A的左侧，光伏电池的特性近似为电流源，右侧近似为 电压源。虚线 A 对应最大功率点时光伏电池的工作电流，约为电池短路电流的
90%；
④ 如图 2-3 b 所示：结温一定的情况下，光伏电池最大功率点对应的输出电压值基 本不变。该值约为开路电压的 76%。
在太阳能光伏发电系统中， 实现光电转换的最小单元是太阳能电池单体。 太阳能电 池单体实际上是一个PN结，PN结在光照下会产生电动势，这种效应称为光生伏特效应。 当PN结处于平衡状态时，PN结处有一个耗尽层，耗尽层中存在着势垒电场，电场方向 由N区指向P区。当PN结受到光照时，硅原子受光激发而产生电子空穴对，在势垒电 场的作用下，空穴向P区移动，电子向N区移动，从而P区就有过剩的空穴，N区就有 过剩的电子，这样便在 PN结附近形成与势垒电场方向相反的光生电动势。光生电动势 的一部分抵消势垒电场，另一部分使 P区带正电，N区带负电，从而在P区与N区之间 产生光生伏特效应。若在太阳能电池单体两侧引出电极并接上负载，则负载就有 “光生 电流”流过，从而获得功率输出。由上可知，太阳能电池单体将光能转换成电能的工作 原理可概括为以下四个过程 :
(1) 太阳能电池单体吸收光子，在 PN结两侧产生称为“光生载流子”的电子---空 穴对，两者
的电性相反，电子带负电，空穴带正电；
(2) 在太阳能电池单体PN结光生载流子，通过扩散作用到达空间电荷区； (3) 到达空间电荷区的光生载流子被势垒电场分离，电子被分离到
离到P区；
N区，空穴被分
(4) 被势垒电场分离的电子和空穴分别被太阳能电池单体的正、负极收集，若在太 阳能电池单
体正负极之间接入负载，则有光生电流流过，从而获得电能。
实际中使用的太阳能电池是若干个太阳能电池单体经过串并联并封装后形成的太 阳能电池组件，是可以单独作为电源使用的最小单元，其功率一般为几瓦至几十瓦、 百 余瓦。太阳能电池组件再经过串并联组合可以形成太阳能电池阵列， 以满足负载功率要 求。
太阳能电池多为半导体材料制造， 种类繁多， 形式各样， 下面按照太阳能电池的材 料进行分类介绍 :
(l) 硅太阳能电池 : 指以硅为基体材料的太阳能电池， 如单晶硅太阳能电池、 多晶硅 太阳能
电池和非晶硅太阳能电池等， 多晶硅太阳能电池又有片状多晶硅太阳能电池、 铸 锭多晶硅太阳能电池、 筒状多晶硅太阳能电池和球状多晶硅太阳能电池等多种。 硅太阳 能电池特点是由于硅资源丰富， 可以大规模生产，性能稳定且光电转化效率高，是目前 应用最多的太阳能电池。 但其制造过程复杂， 成本高。 目前市场上使用最多的是单晶硅 太阳能电池，转换率为 17%左右，多晶硅转换效率为 14%左右，非晶硅电池转化效率为 6%左右。
(2) 化合物半导体太阳能电池 : 指由两种或两种以上元素组成的具有半导体特性的 化合物半导
体材料制成的太阳能电池， 如碲化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池、硒铟 铜太阳能电池、磷化铟太阳能电池等。化合物半导体太阳能电池具有转换效率高，抗辐 射性好，可在聚光条件下使用等特点，但碲化镉太阳能电池带有毒性，易对环境造成污 染，一般用于特定场合，如空间飞行器和航空系统。
(3) 有机半导体太阳能电池 : 指用含有一定数量的碳 -碳键且导电能力介于金属和绝 缘体之间
的半导体材料制成的太阳能电池。 该种电池虽然转换率低， 但价格便宜、 轻便、 易于大规模制造。
(4) 薄膜太阳能电池 : 指用单质元素、无机化合物或有机材料等制作的薄膜为基体材 料的太阳
能电池。目前主要有非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、化合物 半导体薄膜太阳能电池、 纳米薄膜太阳能电池和微晶硅薄膜太阳能电池等。 其特点是转 换效率相对较高、 成本降低
(尤其是大大降低了晶体硅类太阳能电池的硅材料用量 )、且 适合规模生产，因此薄膜太阳能电池是
未来太阳能电池的一个重要发展方向。
(一) 标准测试条件下太阳能电池的输出特性
太阳能电池的输出特性是指太阳能电池在一定的温度和日照强度下所表现出来的 伏安特性，即输出电压和输出电流之间的对应关系， 常简称为 I-F 特性。由于日照强度、 电池温度等都会影响太阳能电池的特性， 因此需要定义标准测试条件用于地面测试太阳 能电池性能。我国应用的准测试条件定义为日照强度为
1000W加，太阳能电池温度为
25C，太阳辐射光谱为 AMI.5。
一般的太阳能电池组件生产商均提供上述标准测试条件下的五个参数。 当太阳能电 池输出电压比较小时， 随着电压的变化，输出电流的变化很小，太阳能电池近似为一恒 流源，当太阳能电池输出电压超过一定的临界值时，太阳能电池输出电流急剧下降，太 阳能电池可近似为一恒压源。太阳能电池的输出特性是非线性的， 既非恒流源也非恒压 源（在最大功率点左侧为近似恒流源段， 在最大功率点右侧为近似恒压源段），且在一定 的电池温度和日照强度下有唯一的最大输出功率点。
（二）温度和日照强度对太阳能电池输出特性的影响
太阳能电池的I-V特性曲线与日照强度和电池温度有关，
分别为不同日照光强和不
同电池温度时，太阳能电池的输出特性曲线。当温度一定时，太阳能电池短路电流 随日照强度的增加而增加，并与日照强度成正比，太阳能电池开路电压
Csc
Co随日照强度
的增加稍有增加，但增加很小，当日照强度一定时，电池温度升高，太阳能电池开路电 压Co降低，而太阳能电池的短路电流 Csc有轻微的增加。
（一）太阳能电池的理论分析模型
根据半导体电子学理论，当负载为电阻
RL时，太阳能电池的等效电路如图 2.1所
示。当日照强度恒定时，光电流人可看成恒定电流源，二极管的正向电流ID和并联电阻 电流Ish都由光电流I L提供，剩余的光电流通过串联电阻 Rs流出太阳能电池进入负载并 在负载端产生电压V。根据图中的电流电压参考方向，太阳电池的
I-V方程为：
图2-4太阳能电池的等效电路
I IL ID Ish IL l°{exp[
AKT
式中：
1}
Rsh
（ 2-1）
IL--光电流，A；
Io--二极管反向饱和电流，A； q--电子电荷（1.6x10 -19C）; A--二极管因子；
K:波耳兹曼常数（1.38x10 -23J/K）； T--太阳能表面绝对温度，K; Rs:--串联电阻，Q; Ash--并联电阻，Q; I--太阳能电池输出电流，A; V--太阳能电池输出电压，V。 2.3铅酸蓄电池
储能是光伏发电系统的重要组成部分， 尤其对于独立光伏发电系统而言，储能环节 更是不可缺少的组成部分。 储能系统的好坏直接影响到光伏发电系统的性能在实际的光 伏发电系统中，储能部分又是最易受损、最易消耗的部分。所以获得最佳的储能系统成 为光伏系统设计的重要组成部分。 目前光伏发电系统中通常使用蓄电池实现储能， 常用 蓄电池属于电化学电池。 蓄电池在充电时把电能转化为化学能储存起来， 放电时把储存 的化学能转化为电能提供给负载使用。 一般来讲， 光伏发电系统白天把太阳能转化为电 能，通过充电器和蓄电池把电能储存起来， 晚上再通过
太阳能光伏发电毕业论文0001
