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太阳能光伏发电系统是直接将太阳能转化为直流电能或交流电能的光伏电源或光伏电站 ［4］ ，其输出功率从数瓦至数百兆瓦不等。
太阳能光伏发电系统由太阳电池/组件、控制器、逆变器和储能装置（蓄电池组）等部件组成。太阳能光伏发电系统的基本构成框图如图1-3所示。
图1-3 太阳能光伏发电系统的基本构成框图
1.太阳电池和太阳电池组件
太阳电池的作用是直接将太阳能转换成电能，其工作原理基于半导体pn结的光伏效应。太阳能单体电池的电压较低（约0.7V）、电流较小，实际使用时须要将单体电池按要求串/并联，形成太阳电池组件（也称光伏组件），用于构成光伏电源。太阳电池组件按用户的负载需求（电压、功率）再进行串/并联就构成了太阳电池方阵，用于形成光伏电站，如图1-4所示。
图1-4 太阳电池、太阳电池组件和太阳电池方阵
1）太阳电池
（1）基本结构。现在用量最大的太阳电池是晶体硅太阳电池，占全球装机用量的90%以上。晶体硅分为单晶硅和多晶硅两种。晶体硅太阳电池的基本结构：在p型硅片上扩散进磷杂质形成的厚度约为0.5μm的n + 型扩散层，与p型基底构成pn结，结区附近的区域为耗尽区。扩散层的表面沉积了一层减反射膜，在扩散层表面通过丝网印刷并烧结一层栅状金属电极。栅状电极又分主栅电极和副栅电极，可以透过绝大部分入射光。栅状电极又称顶电极。在太阳电池背面通过丝网印刷并烧结一层金属电极，称之为背电极。太阳电池基本结构示意图如图1-5所示。
图1-5 太阳电池基本结构示意图
为了提高太阳电池光电转换效率，科研人员对太阳电池结构做了多方面的改进。在目前普遍采用的太阳电池结构中，正面发射极和背面接触均设置钝化层，并用激光对背钝化层开出分离的接触孔，使太阳电池基区能与背电极有良好的电接触。这类电池称为钝化发射极和背接触（PERC）太阳电池（简称背钝化太阳电池），其结构示意图如图1-6所示。
图1-6 PERC太阳电池结构示意图
（2）工作原理。当太阳电池被照射时，光透过减反射膜进入硅晶体中，能量大于硅晶体禁带宽度的光子在n区、耗尽区和p区中激发出光生电子-空穴对。进入耗尽区以及在耗尽区内产生的光生电子-空穴对，将立即被内建电场分离，光生电子进入n区，光生空穴进入p区。在n区中，扩散到pn结边界的光生空穴受到内建电场作用作漂移运动，越过耗尽区进入p区，光生电子则被留在n区。同样，p区中的光生电子先扩散、后漂移而进入n区，光生空穴留在p区。于是pn结两侧积累了正、负电荷，产生了光生电压。当接上外电路和负载时，就会在负载上流过光电流获得电能。
显然，光生空穴和电子在移动过程中遇到晶格缺陷或杂质等复合中心时会被复合，从而减少光电流输出，降低光电转换效率。PERC太阳电池在正面和背面设置钝化层就是为了饱和硅表面的悬挂键等缺陷，同时利用膜层表面电荷所产生的电场，驱离接近表面的光生载流子，减少其相遇复合的机会，即产生场效应钝化作用。
有光照时，硅太阳电池在短路状态下形成的光电流称为短路电流 I sc ，在开路状态下电池两端形成的电压称为开路电压 U oc 。短路电流随入射光的光强增加呈线性上升；开路电压随光强增加呈指数上升，在强光下趋于饱和。
当太阳电池在光照下接通负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建立起端电压。
（3）等效电路。太阳电池在稳定光照下的工作情况可用等效电路表述。图1-7所示为太阳电池单二极管等效电路图。它由以下元器件构成：能稳定产生光电流 I L 的电流源，处于正偏压下的二极管VD，与VD并联的电阻R sh 、电容C f ，以及与输出端串联的电阻R s 。光电流 I L 提供二极管的正向电流 I D = I 0 ［e eU/ （ AkT ） -1］、旁路电流 I sh 和负载电流 I 。其中： A 为二极管曲线因子； k 为玻耳兹曼常量； T 为温度。
图1-7 太阳电池单二极管等效电路图
（4）电池的输出功率。当流经负载的电流为 I 、负载两端的端电压为 U 时，根据太阳电池的等效电路可得到电流 I 和输出功率 P 的表达式：
式中， I 0 为反向饱和电流。
在光照情况下，当负载 R L 从0变到∞时，可绘出如图1-8（a）所示的太阳电池的电流-电压关系曲线，调节 R L 可获得最大功率点 P m ，此时对应的电流和电压称为最佳工作电流 I m 和最佳工作电压 U m 。根据式（1-2）还可绘制出太阳电池的输出功率-电压关系曲线，如图1-8（b）所示。
2）太阳电池的类别
（1）按制造太阳电池的材料分类。
图1-8 太阳电池特性曲线
元素半导体：主要是硅基太阳电池，即以硅半导体材料为基体的太阳电池，如单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池。
化合物半导体：即以化合物半导体材料为基体的太阳电池，如硫碲化镉（CdTe）太阳电池、铜铟镓硒（CIGS）太阳电池和砷化镓太阳电池等。
有机太阳电池：如染料敏化太阳电池、高分子太阳电池等。
（2）按结构分类。
同质结太阳电池：由同一种半导体材料构成一个或多个pn结的太阳电池，如晶体硅太阳电池、砷化镓太阳电池等。
异质结太阳电池：用两种不同的半导体材料或同种材料不同结晶度，在相接的界面上构成一个异质结的太阳电池，如氧化铟锡/硅太阳电池、非晶硅/单晶硅太阳电池等。
肖特基结太阳电池：用金属和半导体接触组成一个“肖特基势垒”的太阳电池，也称MS太阳电池，如导体-绝缘体-半导体（CIS）电池。这种电池又分为金属-氧化物-半导体（MOS）太阳电池和金属-绝缘体-半导体（MIS）太阳电池。广义地说，肖特基结太阳电池也属于异质结太阳电池。
光电化学太阳电池：由浸于电解质中的半导体电极构成的太阳电池。
（3）按太阳电池的基底形态分类。
片状太阳电池：如单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和砷化镓太阳电池。
薄膜太阳电池：如非晶硅太阳电池、非晶硅/微晶硅叠层太阳电池和铜铟镓硒太阳电池。
由于硅原材料丰富，基于半导体工艺的制造方法比较成熟，产业化生产的单晶硅太阳电池转换效率已达到20%，多晶硅太阳电池转换效率达到18.5%，而且随着电池结构、选用材料和制造工艺的改进，效率还在不断提高，制造成本还在继续下降。从发电成本上分析，太阳电池的效率和组件的寿命有着十分重要的意义。按粗略估计，现有太阳电池的效率每提高1%，发电成本将下降约7%；而组件寿命每提高2年，也可使发电成本下降约7%。现在使用的太阳电池中90%以上是晶体硅太阳电池和组件。
薄膜太阳电池使用的半导体材料少，组件质量小。有的薄膜太阳电池制备工艺相对简单，使其成本可与晶体硅太阳电池相当，甚至略低于晶体硅太阳电池，如CdTe太阳电池。CIGS太阳电池也已开始进入商业化生产阶段。
非晶硅太阳电池是最早实现产业化生产的薄膜太阳电池，历史上作为三种硅基（单晶硅、多晶硅和非晶硅）太阳电池之一，其产量曾占总产量的约17%，但是后来由于其光致衰减效应问题得不到很好的解决，限制了其大规模应用。多晶硅薄膜太阳电池可以减少硅材料用量，人们也为此做过不少努力。由于硅的熔点高（1412℃），如果沉积温度低，晶体生长速率慢，无法实现规模化生产；如果提高沉积温度，则须要采用高纯度的耐高温基底材料，这又会增加制造成本。因此，这类太阳电池至今未能形成规模化生产。现在对于硅基薄膜太阳电池，多数研究工作集中在非晶/微晶叠层硅基薄膜太阳电池的开发方面，希望在性能和制造成本方面达到可实际使用的水平。
一些新型太阳电池（如染料敏化太阳电池等）也被认为是很有发展前景的太阳电池。
3）晶体硅太阳电池组件 单体太阳电池输出电压低（约为0.6～0.7 V），输出电流小，厚度薄（约为0.15～0.20 mm），性能脆，怕受潮，不适宜在通常的环境条件下工作。为了使太阳电池能适应于实际环境条件，须要将单体太阳电池串/并联后，用玻璃、EVA黏结胶膜、TPT背板进行封装保护，引出电极导线，制成数瓦到数百瓦不同输出功率的太阳电池组件。太阳电池组件也称光伏组件。
太阳电池组件是太阳能光伏发电系统的核心部件，其性能优劣直接关系到光伏发电系统的效率、输出电能的质量和系统使用寿命，从而最终影响太阳能光伏发电系统的发电成本。
2.变换器
太阳电池及组件以直流方式输出电能，但是在很多情况下，用电系统都以交流方式供电。变换器的作用是将太阳电池和蓄电池输出的直流电转换成与用电器相匹配的交流电或不同电压水平的直流电。变换器分为直流-交流（DC-AC）变换器和直流-直流（DC-DC）变换器。对变换器的基本要求是：具有较高的变换效率和稳定的交/直流电压输出；具有一定的过载能力；在正弦逆变输出情况下，输出电压的波形失真度和频率偏差应控制在较低的范围内等。
3.控制器
在配备蓄电池的光伏发电系统中，控制器的主要作用是针对蓄电池的特性，对蓄电池的充/放电进行控制，以延长蓄电池的使用寿命。对控制器的基本要求是：确定最佳充/放电方式，有效存储电能；能按照预先设定的保护模式自动切断和恢复对蓄电池的充/放电；需要时有多路充/放电管理功能。控制器还应有自身保护功能，如防雷击、防反充等。
在不配备蓄电池的并网光伏发电系统中，控制器应具备电能的自动监测、控制、调节和转换等多种功能。
4.储能装置
光伏发电系统中的储能装置用于负荷调节、电能质量调节和系统暂态补偿，分为化学储能和物理储能两类。在独立光伏发电系统中，通常使用化学储能的蓄电池，它是系统中必须配备的部件，主要用于存储光照下系统转换的电能。对这类蓄电池的基本要求是，在深放电条件下使用循环寿命长、工作温度范围宽、充电效率高、少维护或免维护和价格低廉等，而且使用时必须配置控制器对蓄电池的充/放电进行控制，延长蓄电池的使用寿命。对光伏电站来说，钠硫电池等新兴电池的性能更优于传统的铅酸电池。新近开发的铅碳电池性能也优于普通的铅酸电池。超级电容器等由于其响应速度快，瞬时输出功率较大，更适合作为暂态补偿和短时间的备用电源。
5.负载
光伏发电系统对负载有一定的要求，容量较大的负载的启动和停止将对光伏发电系统的输出造成较大的冲击，导致系统不能正常运行。特别是当负载为感性负载或容性负载时，系统启动时往往会产生远大于额定电流的浪涌电流，而系统断开时由于电感的续流效应，也会在开关两端产生很大的感应电压，容易击穿或烧毁系统变换器中的电力电子器件。因此，设计光伏发电系统时，不仅要考虑负载的容量，还应考虑负载的性质。同时，系统运行时，为了使负载与系统输出的最大功率相匹配，必要时应调整负载，以提高系统利用率。
分布式发电（Distributed Generation，DG）通常是指发电功率在数千瓦至数十兆瓦的小型模块化、分散式、安置在用户附近的，就地使用、不对外输电的发电单元，包括以液体或气体为燃料的内燃机发电、太阳能发电、风力发电等。
在分布式电源接入电力系统技术标准IEEE 1547中，曾将分布式电源定义为：通过公共连接点与区域电网并网的发电系统。这里，公共连接点一般是指电力系统与电力负荷的分界点。
分布式光伏发电系统是光伏发电系统中的一种，它规模较小，其单个并网点总装机容量通常不超过数兆瓦，以10kV及以下电压等级接入电网。
光伏发电具有昼夜周期性、随机波动性等特点，如图1-9所示。在目前用于光伏发电系统的储能设备的性价比还比较低的情况下，采用并网运行分布式发电模式是实现光伏发电系统规模化发展的优选模式。通过并网运行，在高光照时，系统向电网送电；而低光照或无光照时，用户从电网受电，以实现发电与用电平衡，充分利用分布式光伏发电系统的发电量。同时，还可以通过合理选择光伏发电系统的规模和接入方式，实现系统的低成本并网运行。
图1-9 光伏电站发电实例
微电网（Micro-grids）系统可由光伏、风电、水电、燃气/燃油发电和储能等多种能源形式构成。可再生能源供电的波动性较大，通常须要配置储能装置或者并网使用。采用微电网系统，多能互补，其能量供给的连续性优于单一能源发电方式，只需要相对少的储能容量就能保证微电网稳定供电。微电网可以并网运行，也可以离网运行，电力可以在微电网系统内双向流动。正是由于微电网可降低调峰的难度，减小了储能容量，也就降低了系统发电成本。总之，在可再生能源成为主导能源的情况下，采用微电网系统供电模式是很有利的。
微电网系统的基本配置如图1-10所示。由图可见，在微电网系统中，多种发电方式联网运行，具有储能单元和可调节负荷，既可与大电网并网运行，也可以独立运行。
图1-10 微电网系统的基本配置
我国西部地区建立了一些百兆瓦级大型光伏电站，并已向东部地区输电。西部地区的太阳能资源非常丰富而且优质：年辐射量在1630kW·h/m 2 以上；年日照天数多，日照时间长（在2600h/年以上）。在众多的西部地区能源资源中，太阳能资源的利用不仅不会消耗和破坏资源，还有利于改善生态环境。每个百兆瓦级光伏电站仅须占用4km 2 土地，在黄土高原、戈壁滩、具有固定沙丘的沙漠上很适合建立大型光伏电站 ［5］ 。超高压输/变电技术的发展能有效减少输电损失，增加经济距离。现在，我国已有数个1000kV交流输电工程与±800kV直流特高压输电工程投运，有多条特高压跨区送电通道正在建设之中，太阳能光伏西电东送在技术上是完全可以实现的。
