太陽(yáng)能發(fā)電系統的結構和工作原理

在理解太陽(yáng)能發(fā)電原理之前，如果您對太陽(yáng)能還有所疑問(wèn)的話(huà)，建議您先看一下什么是太陽(yáng)能。

所謂太陽(yáng)能發(fā)電是利用電池組件將太陽(yáng)能直接轉變?yōu)殡娔艿难b置。太陽(yáng)能電池組件(Solar cells)是利用半導體材料的電子學(xué)特性實(shí)現P-V轉換的固體裝置，在廣大的無(wú)電力網(wǎng)地區，該裝置可以方便地實(shí)現為用戶(hù)照明及生活供電，一些發(fā)達國家還可與區域電網(wǎng)并網(wǎng)實(shí)現互補。目前從民用的角度，在國外技術(shù)研究趨于成熟且初具產(chǎn)業(yè)化的是"光伏--建筑(照明)一體化"技術(shù)，而國內主要研究生產(chǎn)適用于無(wú)電地區家庭照明用的小型太陽(yáng)能發(fā)電系統。

1、太陽(yáng)能發(fā)電原理

太陽(yáng)能發(fā)電系統主要包括：太陽(yáng)能電池組件(陣列)、控制器、蓄電池、逆變器、用戶(hù)即照明負載等組成。其中，太陽(yáng)能電池組件和蓄電池為電源系統，控制器和逆變器為控制保護系統，負載為系統終端。

1.1　太陽(yáng)能電源系統

太陽(yáng)能電池與蓄電池組成系統的電源單元，因此蓄電池性能直接影響著(zhù)系統工作特性。

(1)　電池單元：

由于技術(shù)和材料原因，單一電池的發(fā)電量是十分有限的，實(shí)用中的太陽(yáng)能電池是單一電池經(jīng)串、并聯(lián)組成的電池系統，稱(chēng)為電池組件(陣列)。單一電池是一只硅晶體二極管，根據半導體材料的電子學(xué)特性，當太陽(yáng)光照射到由P型和N型兩種不同導電類(lèi)型的同質(zhì)半導體材料構成的P-N結上時(shí)，在一定的條件下，太陽(yáng)能輻射被半導體材料吸收，在導帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子即電子和空穴。同于P-N結勢壘區存在著(zhù)較強的內建靜電場(chǎng)，因而能在光照下形成電流密度J，短路電流Isc，開(kāi)路電壓Uoc。 若在內建電場(chǎng)的兩側面引出電極并接上負載，理論上講由P-N結、連接電路和負載形成的回路，就有"光生電流"流過(guò)，太陽(yáng)能電池組件就實(shí)現了對負載的功率P輸出。

理論研究表明，太陽(yáng)能電池組件的峰值功率Pk，由當地的太陽(yáng)平均輻射強度與末端的用電負荷(需電量)決定。

(2)　電能儲存單元：

太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的直流電先進(jìn)入蓄電池儲存，蓄電池的特性影響著(zhù)系統的工作效率和特性。蓄電池技術(shù)是十分成熟的，但其容量要受到末端需電量，日照時(shí)間(發(fā)電時(shí)間)的影響。因此蓄電池瓦時(shí)容量和安時(shí)容量由預定的連續無(wú)日照時(shí)間決定。

1.2　控制器

控制器的主要功能是使太陽(yáng)能發(fā)電系統始終處于發(fā)電的最大功率點(diǎn)附近，以獲得最高效率。而充電控制通常采用脈沖寬度調制技術(shù)即PWM控制方式，使整個(gè)系統始終運行于最大功率點(diǎn)Pm附近區域。放電控制主要是指當電池缺電、系統故障，如電池開(kāi)路或接反時(shí)切斷開(kāi)關(guān)。目前日立公司研制出了既能跟蹤調控點(diǎn)Pm，又能跟蹤太陽(yáng)移動(dòng)參數的"向日葵"式控制器，將固定電池組件的效率提高了50%左右。

1.3　DC-AC逆變器

逆變器按激勵方式，可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流

電逆變成交流電。通過(guò)全橋電路，一般采用SPWM處理器經(jīng)過(guò)調制、濾波、升壓等，得到與照

明負載頻率f，額定電壓UN等匹配的正弦交流電供系統終端用戶(hù)使用。

2、太陽(yáng)能發(fā)電系統的效率

在太陽(yáng)能發(fā)電系統中，系統的總效率ηese由電池組件的PV轉換率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負載的效率等組成。但相對于太陽(yáng)能電池技術(shù)來(lái)講，要比控制器、逆變器及照明負載等其它單元的技術(shù)及生產(chǎn)水平要成熟得多，而且目前系統的轉換率只有17%左右。因此提高電池組件的轉換率，降低單位功率造價(jià)是太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)和難點(diǎn)。太陽(yáng)能電池問(wèn)世以來(lái)，晶體硅作為主角材料保持著(zhù)統治地位。目前對硅電池轉換率的研究，主要圍繞著(zhù)加大吸能面，如雙面電池，減小反射；運用吸雜技術(shù)減小半導體材料的復合；電池超薄型化；改進(jìn)理論，建立新模型；聚光電池等。幾種太陽(yáng)能電池的轉換效率見(jiàn)表1。

表1　幾種太陽(yáng)能電池的轉換效率

實(shí)驗室典型電池 商品薄膜電池
各種太陽(yáng)能電池 ηmax(%) 各種太陽(yáng)能電池 η(%)
單晶硅 24.4 多晶硅 16.6
多晶硅 18.6 銅銦鎵硒 18.8
GaAs(單結) 25.7 碲化鎘 16.0
a-si(單結) 13 銅銦硒 14.1

充分利用太陽(yáng)能是綠色照明的重要內容之一。而真正意義上的綠色照明至少還包括：照明系統的高效率，高穩定性，高效節能的綠色光源等。

3、太陽(yáng)能發(fā)電應用。

3.1　發(fā)電--建筑照明一體化

目前成功地把太陽(yáng)能組件和建筑構件加以整合，如太陽(yáng)能屋面(頂)、墻壁及門(mén)窗等，實(shí)現了"光伏--建筑照明一體化(BIPV)"。1997年6月，美國宣布了以總統命名的"太陽(yáng)能百萬(wàn)屋頂計劃"，在2010年以前為100萬(wàn)座住宅實(shí)施太陽(yáng)能發(fā)電系統。日本"新陽(yáng)光計劃"已在2000年以前將光伏建筑組件裝機成本降到170～210日元/W，太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量達10MW，電池成本降到25～30日元/W。1999年5月14日，德國僅用一年兩個(gè)月建成了全球首座零排放太陽(yáng)能電池組件廠(chǎng)，完全用可再生能源提供電力，生產(chǎn)中不排放CO2。工廠(chǎng)的南墻面為約10m高的PV陣列玻璃幕墻，包括屋頂PV組件，整個(gè)工廠(chǎng)建筑裝有575m2的太陽(yáng)能電池組件，僅此可為該建筑提供三分之一以上的電能，其墻面和屋頂PV組件造型、色彩、建筑風(fēng)格與建筑物的結合，與周?chē)淖匀画h(huán)境的整合達到了十分完美的協(xié)調。該建筑另有約45kW容量，由以自然狀態(tài)的菜子油作燃料的熱電廠(chǎng)提供，經(jīng)設計燃燒菜子油時(shí)產(chǎn)生的CO2與油菜生長(cháng)所需的CO2基本平衡，是一座真正意義上的零排放工廠(chǎng)。BIPV還注重建筑裝飾藝術(shù)方面的研究，在捷克由德國WIP公司和捷克合作，建成了世界第一面彩色PV幕墻。印度西孟加拉邦為一無(wú)電島117家村民安裝了12.5kW的BIPV。國內常州天合鋁板幕墻制造有限公司研制成功一種"太陽(yáng)房"，把發(fā)電、節能、環(huán)保、增值融于一房，成功地把光電技術(shù)與建筑技術(shù)結合起來(lái)，稱(chēng)為太陽(yáng)能建筑系統(SPBS)，SPBS已于2000年9月20日通過(guò)專(zhuān)家論證。近日在上海浦東建成了國內首座太陽(yáng)能--照明一體化的公廁，所有用電由屋頂太陽(yáng)能電池提供。這將有力地推動(dòng)太陽(yáng)能建筑節能產(chǎn)業(yè)化與市場(chǎng)化的進(jìn)程。

3.2　綠色照明光源研究

綠色照明系統優(yōu)化設計，要求低能耗下獲得高的光效輸出，并延長(cháng)燈的使用壽命。因此DC-AC逆變器設計，應獲得合理的燈絲預熱時(shí)間和激勵燈管的電壓和電流波形。目前處在研究開(kāi)發(fā)中的太陽(yáng)能照明光源激勵方式有四種典型電路：①自激推挽振蕩電路，通過(guò)燈絲串聯(lián)啟輝器預熱啟動(dòng)。該光源系統的主要參數是：輸入電壓DC＝12V，輸出光效＞495Lm/支，燈管額定效率9W，有效壽命3200h,連續開(kāi)啟次數＞1000次。②自激推挽振蕩(簡(jiǎn)單式)電路，該光源系統的主要參數是：輸入電壓DC＝12V，燈管功率9W，輸出光效315Lm/支，連續啟動(dòng)次數＞1500次。③自激單管振蕩電路，燈絲串聯(lián)繼電器預熱啟動(dòng)方式。④自激單管振蕩(簡(jiǎn)單式)電路等方式的高效節能綠色光源。

4、結束語(yǔ)

綠色能源和可持續發(fā)展問(wèn)題是本世紀人類(lèi)面臨的重大課題，開(kāi)發(fā)新能源，對現有能源的充分合理利用已經(jīng)得到各國政府的極大重視。太陽(yáng)能發(fā)電作為一種取之不盡，用之不竭的清潔環(huán)保能源將得到前所未有的發(fā)展。隨著(zhù)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程和技術(shù)開(kāi)發(fā)的深化，它的效率、性?xún)r(jià)比將得到提高，它在包括BIPV在內的各個(gè)領(lǐng)域都將得到廣泛的應用，也將極大地推動(dòng)中國"綠色照明工程"的快速發(fā)展。