太阳能光伏发电系统

多晶硅13%-15% 20.3%效率高，技术成熟原料成本较高
非晶硅5%-8% 13%弱光效应好，成本相对较低转化率较低
薄膜电池碲化镉5%-8% 15.8%弱光效应好，成本相对较低有毒污染环境
铜铟硒5%-8% 15.3%弱光效应好，成本相对较低稀有金属
晶硅类电池分为单晶硅电池组件和多晶硅电池组件，两种组件最大的差别是单晶硅组件的光电转化效率略高于多晶硅组件，也就是相同功率的电池组件，单晶硅组件的面积小于多晶硅组件的面积。单晶硅、多晶硅太阳能电池具有制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高的特点。
非晶硅薄膜太阳能电池具有弱光效应好，成本相对于硅太阳能电池较低的优点。而碲化镉、铜铟硒电池则由于原材料剧毒或原材料稀缺性，其规模化生产受到限制。
我国从上世纪50年代起就开始对太阳能电池进行研究，上世纪80至90年代先后从国外引进多条太阳能电池生产线。近几年，太阳能电池的研究开发和生产飞跃发展。整体上看，我国不但在太阳能电池生产能力上进入国际先进行列，而且在薄膜太阳能电池的研究开发上达到国际先进水平，同时还在新的有机纳米晶太阳能电池的研究取得国际领先成果。
基于安全考虑，并网的逆变器将在掉电时自动切断且一般没有存储能量的电池组。同时，离网太阳能逆变器工作在独立模式，无需与外部AC电网同步。所以，它不需要任何反孤岛保护措施。
大型太阳光伏并网电站的控制逆变技术是太阳能光伏并网发电领域的最核心技术之一。光伏发电系统必须对电网和太阳能电池的输出情况进行实时监测，对周围环境做出准确判断，完成相应动作，如对电网的投、切控制，系统的启动、运行、休眠、停止、故障等状态检测，以确保系统安全、可靠的工作。由于太阳能电池的输出曲线是非线性的，受环境影响很大，为确保系统能最大输出电能，需采用最大功率跟踪控制技术，通过白寻优方法使系统跟踪并稳定运行在太阳能光伏系统的最大输出功率点，从而提高太阳能输出电能利用率；同时光伏发电系统作为分散供电电源，当电网由于电气故障、误操作或自然因素等外部原因引起中断供电时，为防止损坏用电设备以及确保电网维修人员的安全，系统必须具有孤岛保护的能力。随着现代电力电子技术、微电子技术和控制技术的进步，特别是电力电子器件和高性能微控制器技术的提高，使高性能、高可靠性的能量变换装置成为可能。目前许多新能源领域的国外公司都在致力于这方面的研发工作，而且已经取得卓著的成效，形成了比较完善的针对并网逆变器的标准。例如：德国SMA公司已经研制成功大型并网逆变器，并开始系列化生产，其单台最大功率达到l000kW，由两台500kW逆变单元通过采用群控技术并联而成，具有完善的运行保护功能，而且可以通过网络通信实现在中央控制室对逆变器的监控。
1.3.2逆变器性能分析
太阳能逆变器的效率指的是逆变器把直流电转换为交流电的效率，在逆变器输出效率方面，由于现在常用的太阳电池矩阵的光电转换效率小于15%，如果逆变器效率低，将太阳电池好不容易转换来的电能损耗掉，则十分可惜，这样势必要增加矩阵中太阳电池组件的数量，增大矩阵所占的面积，从而大大增加太阳能发电设备的投资和土建费用。所以，要求逆变器效率要大于90％。大功率逆变器在满载时，效率必须在90％或95％以上，中小功率的逆变器在满载时，效率必须在85％或90％以上。在逆变器额定功率10％的情况下，也要保证90％以上的转换效率(大功率逆变器)。
逆变器是一种电源转换装置，太阳能逆变器的作用是将太阳能电池产生的DC电压转换成为电网兼容的AC输出。太阳能发电系统对逆变器的主要要求是可靠、效率高、波形畸变小、功率因数高。在可靠性和可恢复性方面，要求逆变器应具有一定的抗干扰能力、环境适应能力、瞬时过载能力及各种保护功能。
1.3.1太阳能逆变方式
由于建筑的多样性，势必导致太阳能电池板安装的多样性，为了使太阳能的转换效率最高同时又兼顾建筑的外形美观，这就要求我们的逆变器的多样化，来实现最佳方式的太阳能转换。现在世界上比较通行的太阳能逆变方式为：集中逆变器、组串逆变器，多组串逆变器和组件逆变，现将几种逆变器运用的场合加以分析。
太阳能光伏发电是直接将太阳能转换为电能的一种发电形式。在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过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。通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将光能转换成的电能贮存起来，以便夜晚和阴雨天使用；或者通过逆变器将直流电转换成交流电后与电网相连，向电网供电。
当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。
太阳能光伏发电系统
太阳能光伏发电系统
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太阳能是资源最丰富的可再生能源。具有独特的优势和巨大的开发利用潜力，充分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐及能源与环境的协调发展。人类对太阳能的早期利用主要是光和热。光伏发电技术的出现为太阳能利用开辟了广阔的领域。上世纪90年代以来，太阳能光伏发电的发展很快，已广泛用于航天、通讯、交通，以及偏远地区居民生活等领域。
2.组串逆变
组串逆变器已成为现在国际市场上最流行的逆变器。组串逆变器是基于模块化概念基础上的，每个光伏组串（1kW-5kW）通过一个逆变器，在直流端具有最大功率峰值跟踪，在交流端并联并网。许多大型光伏电厂使用组串逆变器。优点是不受组串间模块差异和遮影的影响，同时减少了光伏组件最佳工作点。
3.多组串逆变
1.1.3太阳能电池技术发展
太阳能电池技术是太阳能发电技术的主要组成部分。太阳能电池主要有以下几种类型：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等。各类型电池主要性能如表1。
表1.各类电池主要性能表
种类电池类型商用效率实验室效率优点缺点
晶硅电池单晶硅14%-17% 23%效率高，技术成熟原料成本高
同时，直流电缆的长度减少、将组串间的遮影影响和由于组串间的差异而引起的损失减到最小。
4.组件逆变器
组件逆变器是将每个光伏组件与一个逆变器相连，同时每个组件有一个单独的最大功率峰值跟踪，这样组件与逆变器的配合更好。通常用于50W到400W的光伏发电站，总效率低于组串逆变器。由于是在交流处并联，这就增加了交流侧的连线的复杂性，维护困难。另一需要解决的是怎样更有效的与电网并网，简单的办法是直接通过普通的交流电插座进行并网，这样就可以减少成本和设备的安装，但往往各地的电网的安全标准也许不允许这样做，电力公司有可能反对发电装置直接和普通家庭用户的普通插座相连。另一和安全有关的因素是是否需要使用隔离变压器（高频或低频），或者允许使用无变压器式的逆变器。这一逆变器在玻璃幕墙中使用最为广泛。
1.集中逆变
集中逆变一般用与大型光伏发电站（>10kW）的系统中，很多并行的光伏组串被连到同一台集中逆变器的直流输入端，一般功率大的使用三相的IGBT功率模块，功率较小的使用场效应晶体管，同时使用DSP转换控制器来改善所产出电能的质量，使它非常接近于正弦波电流。最大特点是系统的功率高，成本低。但受光伏组串的匹配和部分遮影的影响，导致整个光伏系统的效率和电产能。同时整个光伏系统的发电可靠性受某一光伏单元组工作状态不良的影响。最新的研究方向是运用空间矢量的调制控制，以及开发新的逆变器的拓扑连接，以获得部分负载情况下的高的效率。
控制器对整个系统实施过程控制，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，控制器还应具备温度补偿的功能。
1.3逆变器
由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，当负载是交流负载时，逆变器是将直流电转换成交流电的必不可少的设备。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。逆变器按输出波型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。
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目前，太阳能光伏发电系统大致可分为两类：离网光伏蓄电系统与光伏并网发电系统。
2.1离网光伏蓄电系统
太阳能离网发电系统包括：
1、太阳能控制器(光伏控制器和风光互补控制器)对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要时，太阳能控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时，太阳能控制器要控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池。控制器的性能不好时，对蓄电池的使用寿命影响很大，并最终影响系统的可靠性。
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太阳能光伏发电技术主要涉及太阳能电池和矩阵、电源转换(逆变器、充电器)、控制系统、储能系统、并网技术等领域，本文主要就太阳能并网电站涉及的主要技术进行综述。
1.1太阳能电池方阵
太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
多组串逆变是取了集中逆变和组串逆变的优点，避免了其缺点，可应用于几千瓦的光伏发电站。在多组串逆变器中，包含了不同的单独的功率峰值跟踪和直流到直流的转换器，这些直流通过一个普通的直流到交流的逆变器转换成交流电，并网到电网上。光伏组串的不同额定值（如：不同的额定功率、每组串不同的组件数、组件的不同的生产厂家等等）、不同的尺寸或不同技术的光伏组件、不同方向的组串（如：东、南和西）、不同的倾角或遮影，都可以被连在一个共同的逆变器上，同时每一组串都工作在它们各自的最大功率峰值上。
1.1.2光—电直接转换方式
光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。简单的说就是:在有光照(无论是太阳光还是其它发光体产生的光照)情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，如同一个能量转换器。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。