太阳能光伏发电站的原理以及核心设备

太阳能电站的结构

一、太阳能发电系统的基本概述：

（1）太阳能发电系统可分为两大类别：一是，独立系统：太阳能发电系统的最基本形式；

二是，系统联系系统（与交流电网联系系统）。（2）太阳能发电系统的构成组件：光伏阵列系统、逆变器、、控制器、蓄电池、交流负载。（3）光伏发电系统的基本结构示意图如下：

二、太阳能发电系统各个组件的特点及意义：

（1）光伏组件：单体———>模块————>阵列

单体：一片单晶硅片构成的光伏电池称为单体。

单晶硅单晶硅片

模块：由多个光伏电池单体组成的构件称为光伏模块。单个模块的功率可以是数瓦W 到200W，有多种规格可供选用。单个住宅用的太阳能发电系统常用的模块是100W。

正面图截面图

阵列：多个光伏电池模块群构成的大型装置称为光伏电池阵列。光伏电池阵列是根据需要将若干个模块通过串并联进行连接，得到规定的输出电压和电流，从而使用户获取电力。需要注意的是，在模块串并联部分需反并联二极管，以防止反向电流对电池的破坏，总的接线处也要串联定向二极管。这都是利用二极管的单向导电性原理，一旦有某个电池片发生故障，二极管会导通这部分，起到引流作用，不至于使电池片作为一个负载，在电路中发热，而被损坏。

阵列电池片组件结构

从硅矿到电池片组件的整个工作流程过程：

（2）光伏发电原理：

光伏效应（PV）：在半导体上照射光后，由于其吸收光能会激发出电子和空穴，从而半导体中有电流流过，称为光伏发电效应。光伏电池所用的典型材料是硅，其外层电子数是4，则，硅由4个原子组成的分子态称为真性半导体，若在真性半导体中掺杂杂质，例如，掺入5价磷，会产生多于电子，称为N型半导体；若掺如3价硼，则缺少一个电子状态，产生空穴，称为P型半导体，这两种半导体结合就成为ＰＮ结，在接受光照时，就会在边界形成正负电子中和的界面，若外部接线并带上负电荷，就会产生电流（电子流）。

（3）功率控制器（太阳能发电专用变频器）：主要由逆变器和系统联系保护装置组成。

①逆变器（变频器）：把直流变为交流的装置。在实际运用中，不单纯是电流变换问题，应该同时考虑到，频率、电压、电流、相位、电能质量等问题，因此它具有多重功能。

<1>系统的自动启动和关闭：对系统进行自动启动和关闭。

<2>最大功率点跟踪（MPPT）：随着光伏电池温度变化和日照强度的变化，相应的输出电压、电流也变化，这时，应自动控制光伏电池的输出功率始终保持最大值，这个环节称为最大功率跟踪控制。

<3>防止单独运行：系统虽然已停电，但由于太阳能继续工作，逆变器的输出电压并未变动，此时就不能正确地检测出是否停电，一旦再恢复来电，有肯能造成事故，这种情况称为单独运行。为保护设备维修人员不受到伤害，系统应设置此保护功能。

<4>电压自动调整：太阳能发出的富余功率要反馈给电网（逆潮流供电），但在某种情况下，逆变输出的电压上升可能会超过交流电压网电压，故应有自动调整装置。

<5>事故时的解列关断：系统或逆变器本身均有可能出现事故，当检测出不正常信号时，应安全地将系统解列或完全的关断。

②系统联系保护装置：主要为了保护系统即保护电网的安全。一旦太阳能发电系统或逆变器发生故障，应当立即关断逆变器，并把与电网的联系迅速切断，此外，也要检测频率的上升或下降，对欠电压、电网停电等进行有效的处理。系统保护装置有两种方式：带绝缘隔离变压器方式和不带绝缘变压器方式。

（4）蓄电池：储能元件，主要功能是，当日照量减少或者夜间不发电是补充负荷要求的功率。目前运用最广的是铅酸蓄电池。

与蓄电池相比超级电容器具有更加优越的特点：功率密度高、循环寿命长、工作温度范围宽、免维护、绿色环保。因此，也可以作为太阳能发电装置的辅助电源，将发电装置所产生的能量以较快的速度存储起来，并按照要求释放。因此与传统蓄电池相比，一方面超级电容器对于充放电没有严格的限制，更加设和太阳能发电装置的电源波动范围较大的特点；另一方面，超级电容器的长寿命、免维护和环保，保证了新型能源的杜绝二次污染。

超级电容器的分类：

①双电层电容器：利用电极/电解质界面电荷分离所形成的双电层。

②法拉第准电容器：电荷迁移反应。

③混合型超级电容器：一极是DLC碳材料，一极是法拉第准电容器的电极。三、最大功率点跟踪控制：

光伏电池在工作时，随着日照强度和环境温度的不同，其端电压将发生变化，使输出功率也产生很大的变化，故光伏电池本身是一种极不稳定的电源，如何能在不同日照、温度条件下输出尽可能多的电能，提高系统的效率，这就需要最大功率点跟踪。

（1）概念：是指在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性由关外，还受使用环境如辐照度、负载和温度等因素的影响。在不同的外界条件下，光伏电池运行在不同且唯一的最大功率点(MPP)上。因此，对于光伏发电系统来说，应当寻求电池板的最佳工作状态，最大限度进行光电转换。利用控制方法实现电池板的最大功率输出运行的技术为最大跟踪点跟踪（MPPT）技术。

（2）MPPT控制的算法：功率扰动观察法、增量电导法、滞环比较法、模糊控制法等。

功率扰动法最大优点：结构简单，测量参数少，通过不断扰动使阵列输出功率趋于最大；

缺点：初始值以及跟踪步长的选取对精度和速度有较大影响，且有可能在阵列最大功率点附近振荡，导致部分功率损失，有时还会发生程序控制在运行中的失序，出现误判现象。