太陽能光伏電源系統(tǒng)的原理及組成

太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)是利用以光生伏打效應(yīng)原理制成的太陽能電池將太陽 輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。它由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池組、 直流/交流逆變器等部分組成。

太陽能電池方陣

太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸—般為4c㎡到100c㎡不等。 太陽能電池單體的工作電壓約為0.5V,工作電流約為20—25mA/cm2, —般不能單獨作為電源使用。將太陽能電池單體進(jìn)行串并聯(lián)封裝后，就成為太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨作為電源使用的最小單元。太陽能電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)組合安裝在支架上，就構(gòu)成了太陽能電池方陣，可以滿足負(fù)載所要求的輸出功率

（1）硅太陽能電池單體

常用的太陽能電池主要是硅太陽能電池。晶體硅太陽能電池由一個晶體硅片組成，在晶體硅片的上表面緊密排列著金屬柵線，下表面是金屬層。硅片本身是 P型硅，表面擴(kuò)散層是N區(qū)，在這兩個區(qū)的連接處就是所謂的PN結(jié)。PN結(jié)形成一個電場。太陽能電池的頂部被一層抗反射膜所覆蓋，以便減少太陽能的反射損失。

太陽能電池的工作原理如下：

光是由光子組成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波長決定，光被晶體硅吸收后，在PN結(jié)中產(chǎn)生一對對正負(fù)電荷，由于在PN結(jié)區(qū)域的正負(fù)電荷被分離，因而可以產(chǎn)生一個外電流場，電流從晶體硅片電池的底端經(jīng)過負(fù)載流至電池的頂端。這就是“光生伏打效應(yīng)”。

將一個負(fù)載連接在太陽能電池的上下兩表面間時，將有電流流過該負(fù)載， 于是太陽能電池就產(chǎn)生了電流；太陽能電池吸收的光子越多，產(chǎn)生的電流也就越大。光子的能量由波長決定，低于基能能量的光子不能產(chǎn)生自由電子，一個高于 基能能量的光子將僅產(chǎn)生一個自由電子，多余的能量將使電池發(fā)熱，伴隨電能損 失的影響將使太陽能電池的效率下降。

（2）硅太陽能電池種類

目前世界上有3種已經(jīng)商品化的硅太陽能電池：單晶硅太陽能電池、多晶硅 太陽能電池和非晶硅太陽能電池。對于單晶硅太陽能電池，由于所使用的單晶硅 材料與半導(dǎo)體工業(yè)所使用的材料具有相同的品質(zhì)，使單晶硅的使用成本比較昂 貴。多晶硅太陽能電池的晶體方向的無規(guī)則性，意味著正負(fù)電荷對并不能全部被 PN結(jié)電場所分離，因為電荷對在晶體與晶體之間的邊界上可能由于晶體的不規(guī) 則而損失，所以多晶硅太陽能電池的效率-·般要比單晶硅太陽能電池低。多晶硅 太陽能電池用鑄造的方法生產(chǎn)，所以它的成本比單晶硅太陽能電池低。晶硅太陽能電池屬于薄膜電池，造價低廉，但光電轉(zhuǎn)換效率比較低，穩(wěn)定性也不如晶體 硅太陽能電池，目前多數(shù)用于弱光性電源，如手表、計算器等。

一般產(chǎn)品化單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為13— —15%

產(chǎn)品化多晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為11 — —13%

產(chǎn)品化非晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為5— —8%

(3) 太陽能電池組件

一個太陽能電池只能產(chǎn)生大約0.5V電壓，遠(yuǎn)低于實際應(yīng)用所需要的電壓。 為了滿足實際應(yīng)用的需要，需把太陽能電池連接成組件。太陽能電池組件包含一 定數(shù)量的太陽能電池，這些太陽能電池通過導(dǎo)線連接。一個組件上，太陽能電池 的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量是36片(10cmX10cm),這意味著一個太陽能電池組件大約能產(chǎn)生 17V的電壓，正好能為一個額定電壓為12V的蓄電池進(jìn)行有效充電。

通過導(dǎo)線連接的太陽能電池被密封成的物理單元被稱為太陽能電池組件， 具有一定的防腐、防風(fēng)、防雹、防雨等的能力，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域和系統(tǒng)。當(dāng) 應(yīng)用領(lǐng)域需要較高的電壓和電流而單個組件不能滿足要求時，可把多個組件組成 太陽能電池方陣，以獲得所需要的電壓和電流。

太陽能電池的可靠性在很大程度上取決于其防腐、防風(fēng)、防雹、防雨等的能力。 其潛在的質(zhì)量問題是邊沿的密封以及組件背面的接線盒。

這種組件的前面是玻璃板，背面是一層合金薄片。合金薄片的主要功能是防 潮、防污。太陽能電池也是被鑲嵌在一層聚合物中。在這種太陽能電池組件中， 電池與接線盒之間可直接用導(dǎo)線連接。

組件的電氣特性主要是指電流一電壓輸出特性，也稱為V—I特性曲線，如 圖1—3所示。V—I特性曲線可根據(jù)圖1—3所示的電路裝置進(jìn)行測量。V- I特性曲線顯示了通過太陽能電池組件傳送的電流Im與電壓Vm在特定的太陽 輻照度下的關(guān)系。如果太陽能電池組件電路短路即V=O,此時的電流稱為短路 電流Isc；如果電路開路即1=0,此時的電壓稱為開路電壓Voc。太陽能電池組 件的輸出功率等于流經(jīng)該組件的電流與電壓的乘積，即P=Vxl。

當(dāng)太陽能電池組件的電壓上升時，例如通過增加負(fù)載的電阻值或組件的電壓 從零（短路條件下）開始增加時，組件的輸出功率亦從0開始增加；當(dāng)電壓達(dá)到 一定值時，功率可達(dá)到最大，這時當(dāng)阻值繼續(xù)增加時，功率將躍過最大點，并逐漸減少至零，即電壓達(dá)到開路電壓Voc。太陽能電池的內(nèi)阻呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性。 在組件的輸出功率達(dá)到最大點，稱為最大功率點；該點所對應(yīng)的電壓，稱為最大功率點電壓Vm （又稱為最大工作電壓）；該點所對應(yīng)的電流，稱為最大功率點 電流Im （又稱為最大工作電流）；該點的功率，稱為最大功率Pm。

隨著太陽能電池溫度的增加，開路電壓減少，大約每升高rc每片電池的電壓減少5mV,相當(dāng)于在最大功率點的典型溫度系數(shù)為一0.4%/°Co也就是說， 如果太陽能電池溫度每升高1。。，則最大功率減少0-4%o所以，太陽直射的夏天，盡管太陽輻射量比較大，如果通風(fēng)不好，導(dǎo)致太陽電池溫升過高，也可能不會輸出很大功率。

由于太陽能電池組件的輸出功率取決于太陽輻照度、太陽能光譜的分布和太陽能電池的溫度，因此太陽能電池組件的測量在標(biāo)準(zhǔn)條件下（STC）進(jìn)行，測量條件被歐洲委員會定義為101號標(biāo)準(zhǔn)，其條件是:

在該條件下，太陽能電池組件所輸出的最大功率被稱為峰值功率，表示為 Wp（peakwatt）o在很多情況下，組件的峰值功率通常用太陽模擬儀測定并和國際認(rèn)證機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化的太陽能電池進(jìn)行比較。

通過戶外測量太陽能電池組件的峰值功率是很困難的，因為太陽能電池組件所接受到的太陽光的實際光譜取決于大氣條件及太陽的位置；此外，在測量的過 程中，太陽能電池的溫度也是不斷變化的。在戶外測量的誤差很容易達(dá)到10% 或更大。

如果太陽電池組件被其它物體（如鳥糞、樹蔭等）長時間遮擋時，被遮擋的太陽能電池組件此時將會嚴(yán)重發(fā)熱，這就是“熱斑效應(yīng)”。這種效應(yīng)對太陽能電池會造成很嚴(yán)重地破壞作用。有光照的電池所產(chǎn)生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。為了防止太陽能電池由于熱班效應(yīng)而被破壞，需要在太陽能電池組件的正負(fù)極間并聯(lián)一個旁通二極管，以避免光照組件所產(chǎn)生的能量被遮蔽的組件所消耗。

連接盒是一個很重要的元件：它保護(hù)電池與外界的交界面及各組件內(nèi)部連接的導(dǎo)線和其他系統(tǒng)元件。它包含一個接線盒和1只或2只旁通二極管。

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