【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)是利用太陽能電池的光生伏打效應(yīng)，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種新型發(fā)電 系統(tǒng)。一套基本的光伏發(fā)電系統(tǒng)一般是由太陽能電池板、太陽能控制器、逆變器和蓄電池 (組 )構(gòu)成。如圖 所示 : 圖 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖 : 太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來，或使負(fù)載工作。 : 太陽能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控 制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開關(guān)、時(shí)控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)。 : 一般為鉛酸電池，微小型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳福電池或鏗電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來，到需要的時(shí)候再釋放出來。 : 太陽能的直接輸出一般都是 12VDC、 24VDC、 48VDC。為能向 220VAC蓄電池組 DC/AC 逆變器 交流負(fù)載 直流負(fù)載 控制器 10 的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用 DC/AC 逆變器。 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是光伏陣列產(chǎn)生的直 流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入市電網(wǎng)絡(luò)，并網(wǎng)系統(tǒng)中光伏方陣所產(chǎn)生電力除了供給交流負(fù)載外，多余的電力反饋給電網(wǎng)。在陰雨天或夜晚，光伏陣列沒有產(chǎn)生電能或者產(chǎn)生的電能不能滿足負(fù)載需求時(shí)就由電網(wǎng)供電。系統(tǒng)中需要專用的并網(wǎng)逆變器，以保證輸出的電力滿足電網(wǎng)電力對電壓，頻率等指標(biāo)的要求。因?yàn)槟孀兤餍实膯栴}，還是會(huì)有部分的能量損失。這種系統(tǒng)通常能夠并行使用市電和太陽能光伏組件陣列作為本地交流負(fù)載的電源。降低了整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載缺電率。但是，光伏并網(wǎng)供電系統(tǒng)作為一種分散式發(fā)電系統(tǒng)，對傳統(tǒng)的集中供電 系統(tǒng)的電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生一些不良的影響，如諧波污染，孤島效應(yīng)等。 圖 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 目前常用的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有兩種結(jié)構(gòu)形式，其不同之處在于是否帶有蓄電池作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。 不帶有蓄電池環(huán)節(jié)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)稱為不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電能，當(dāng)主電網(wǎng)斷電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止向電網(wǎng)供電。當(dāng)有日照照DCDC DCAC 電網(wǎng) 交流負(fù)載 直流負(fù)載 控 制 器 11 射、光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的交流電能超過負(fù)載所需時(shí)，多余的部分將送往電網(wǎng) 。夜間當(dāng) 負(fù)載所需電能超過光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的交流電能時(shí)，電網(wǎng)自動(dòng)向負(fù)載補(bǔ)充電能。 帶有蓄電池環(huán)節(jié)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)稱為可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，由于此系統(tǒng)中逆變器配有主開關(guān)和重要負(fù)載開關(guān)，使得系統(tǒng)具有不間斷電源的作用，可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在功能和性能方面較之不可調(diào)度式有若干擴(kuò)展和提高，核心變流器一般由并網(wǎng)逆變器和蓄電池充電器兩部分組成。其功能不僅是將太陽電池陣列產(chǎn)生的直流電能逆變后輸向電網(wǎng)，同時(shí)還經(jīng) DC/DC 變換后向蓄電池充電 ?？烧{(diào)度系統(tǒng)不僅能向電網(wǎng)饋送同頻同相的正弦波電能，而且還充當(dāng)功率調(diào)節(jié)器的作用，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、 抵消有害的高次諧波分量從而提高電能質(zhì)量 。此外，大功率可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置可以根據(jù)運(yùn)行需要自由確定并網(wǎng)電流的大小，這有益于電網(wǎng)調(diào)峰。電網(wǎng)負(fù)荷增加時(shí)，可以調(diào)度增加光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置的上網(wǎng)電流，有助于電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。 光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) 隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的增加，它們在一定程度上改變和影響了電網(wǎng)及其調(diào)節(jié)能力。因此，國際上相關(guān)部門針對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)制定出一些列的技術(shù)尺度和并網(wǎng)要求。 2021 年 6 月，由標(biāo)準(zhǔn)制定委員會(huì) 21 次會(huì)議 (SCC21)發(fā)布的 一 2021 是第一個(gè)規(guī)范燃料電池 、光伏系統(tǒng)，分布式發(fā)電裝置、能量存儲(chǔ)設(shè)備這類分布式電源系統(tǒng)的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。 一 2021 考慮的容量為不超過 10Mva，工作頻率為 60Hz 的分布式發(fā)電系統(tǒng)。所以針對國內(nèi)的工頻 50Hz 市電，將該標(biāo)準(zhǔn)按照比例修改后作為參考。該標(biāo)準(zhǔn)所關(guān)注的是技術(shù)規(guī)范、測試規(guī)范以及并網(wǎng)連接本身，它包括通用的技術(shù)指標(biāo)、異常狀態(tài)響應(yīng)情況、并網(wǎng)波形質(zhì)量、孤島、保護(hù)措施，并網(wǎng)維護(hù)、測試標(biāo)準(zhǔn)等。下面是標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于并網(wǎng)的幾個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)和要求 : (l) 電壓異常范圍和響應(yīng)時(shí)間 并網(wǎng)工作時(shí)，電網(wǎng)電壓正常范圍為標(biāo)準(zhǔn)電壓的 88%一 110%，當(dāng)電網(wǎng)相電壓超出正常范圍時(shí) (如表 所示 )時(shí)，并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)該立刻檢測出異常并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)脫離電網(wǎng)或做出響應(yīng)。 12 表 并網(wǎng)系統(tǒng)電壓異常響應(yīng)時(shí)間 電壓范圍（標(biāo)準(zhǔn)電壓百分比 %） 響應(yīng)時(shí)間（ Ms） V50% 160 50%≤ V88% 2021 110%V120% 1000 V≥ 120% 160 (2) 頻率異常范圍和系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)中以 60Hz 分布式發(fā)電系統(tǒng)為規(guī)范對象，將數(shù)據(jù)按照比例修改，得到表 的頻率異常范圍和響應(yīng)時(shí)間。根據(jù)功率情況分為兩類，容量大于 30KW的裝 置其數(shù)據(jù)為可變范圍。 表 并網(wǎng)系統(tǒng)頻率異常響應(yīng)時(shí)間 系統(tǒng)容量 頻率范圍（ Hz） 響應(yīng)時(shí)間（ Ms） ≤ 30KW 160 160 30KW 160 () 1603000 160 (3) 并網(wǎng)電流諧波要求 并網(wǎng)系統(tǒng)不能對電網(wǎng)造成污染，因此對并網(wǎng)電流的諧波要求如表 所示。 表 并網(wǎng)電流諧波指標(biāo) 奇次諧波 H H11 11≤ H17 17≤ H23 23≤ H35 35≤ H 總諧波（ THD） （ %） (4) 并網(wǎng)同步要求 并網(wǎng)系統(tǒng)工作時(shí)，其相位、頻率必須和電網(wǎng)電壓同步，在系統(tǒng)和電網(wǎng)閉合之前還必須使電壓幅值跟蹤電網(wǎng)電壓，當(dāng)該指標(biāo)符合表 所示的要求時(shí)才允許閉合連接裝置，使系統(tǒng)和電網(wǎng)并聯(lián)工作。 13 表 系統(tǒng)并網(wǎng)同步參數(shù)指標(biāo) 容量（ KVA） 頻率（Δ F,HZ） 電壓差（Δ V,%） 相位差（Δ U，；176。） 0~500 10 20 500~1500 5 15 1500~10000 3 10 (5) 電壓諧波要求 系統(tǒng) 獨(dú)立逆變運(yùn)行時(shí)的電壓諧波要求如表 所示 : 表 電壓諧波技術(shù)指標(biāo) 奇次諧波 H H11 11≤ H17 17≤ H23 23≤ H35 35≤ H 總諧波（ THD） （ %） (6) 關(guān)于功率因素的要求，在該標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確指出，可在其他相關(guān)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)中查詢。例如在 一 2021 中規(guī)定光伏系統(tǒng)在輸出功率大于 10%額定功率時(shí)，功率因數(shù)應(yīng)該大于 。 14 3 太陽能電池的結(jié)構(gòu)原理 太陽能電 池是一種具有光一電轉(zhuǎn)換特性的半導(dǎo)體器件，它直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成直流電，是光伏發(fā)電的最基本單元。電池單元是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，一般不單獨(dú)作為電源使用。將太陽能光伏電池單元進(jìn)行串、并聯(lián)并封裝后就成為太陽能光伏電池組件，其功率可達(dá)幾瓦、幾十瓦甚至上百瓦。若干太陽能光伏電池組件按需要進(jìn)行串、并聯(lián)后形成太陽能光伏電池陣列。如圖 池模型。 圖 太陽能電池模型 目前，在地面太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，普遍采用的是以硅為基底材料的硅太陽電池。包括單晶硅太陽電池，多晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池。其中廣為 使用的是單晶硅和多晶硅，非晶硅有少量應(yīng)用。當(dāng)前國際研發(fā)的焦點(diǎn)主要集中在低成本、高效率、高穩(wěn)定性的薄膜光伏電池。 未來太陽能光伏電池的發(fā)展趨勢是 :從材料上來說，基于薄膜技術(shù)的光伏電池，采用新型的納米技術(shù)，將使轉(zhuǎn)換率更高 。從結(jié)構(gòu)上來說，疊層光伏電池和玻璃光伏電池結(jié)構(gòu)的發(fā)展使吸收太陽能范圍更廣、效率更高。 太陽能電池的基本原理及構(gòu)造 太陽電池的基本特性和二極管類似，原理是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)適當(dāng)波長的光照射到半導(dǎo)體系統(tǒng)上，系統(tǒng)吸收光能后兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象 15 就稱為光生伏打效應(yīng)。 如圖 所示，當(dāng) 光照射到由 P型和 N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的 PN結(jié)上時(shí)，在一定條件下，光能被半導(dǎo)體吸收后，產(chǎn)生電子一空穴對。由于 PN 結(jié)勢壘區(qū)存在較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場，在內(nèi)建電場的作用下，光生的電子和空穴被分離，各向相反方向作漂移運(yùn)動(dòng)，于是 PN 結(jié)兩端出現(xiàn)正負(fù)電荷的積累，形成“光生電壓”，這就是 PN 結(jié)的光生伏特效應(yīng)。如果在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載就有“光生電流”流過，只要光照不停止，就會(huì)不斷有電流流過電路。 圖 光伏電池受光照形成電能示意圖 光伏電池分類 太陽能電池按使用狀態(tài)分類，可分為 平板太陽電池、聚光太陽電池和分光太陽電池 。結(jié)晶狀態(tài)可分為結(jié)晶系薄膜式和非結(jié)晶系薄膜式兩大類，而前者又分為單結(jié)晶形和多結(jié)晶形 。按材料可分為硅薄膜形、化合物半導(dǎo)體薄膜形和有機(jī)膜形，而化合物半導(dǎo)體薄膜形又分為非結(jié)晶形、Ⅲ V 族、 IIVI 族和磷化鋅等 。按用途可分為空間太陽電池 (剛性襯底與柔性襯底 )、地面太陽電池 (剛性襯底與柔性襯底 )與光伏傳感器三類。 太陽能電池根據(jù)所用基體材料的不同，還可分為 :硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機(jī)太陽能電池。其中硅太陽能電池是 目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。 硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜 16 太陽能電池三種。 單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為 %，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為 22%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。 多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為 18%，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為 10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽能電池市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。 非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么非晶硅大陽能電池?zé)o疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。 多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機(jī)鹽，其主要包括砷化嫁 m一 v族化合物、硫化鍋、硫化福及銅錮硒薄膜電池等。 硫化福、蹄化福多晶薄膜 電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于福有劇毒，會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產(chǎn)品。 砷化嫁 (GaAs)化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 28%， GaAs 化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強(qiáng)，對熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是 GaAs 材料的價(jià)格不菲，因而在很大程度上限制了用 GaAs 電池的普及。 銅錮硒薄膜電池 (簡稱 CIS)適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價(jià)格低廉、性能良好和 工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個(gè)重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于錮和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。 以有機(jī)聚合物代替無機(jī)材料是剛剛開始的一個(gè)太陽能電池制造的研究方向。由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模 17 利用太陽能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。但以有機(jī)材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研 究探索。 納米 Ti02 晶體化學(xué)能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在 10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的 1/5 一 1/10。壽命能達(dá)到 20 年以上。但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計(jì)不久的將來會(huì)逐步走上市場。 有機(jī)太陽能電池，就是由有機(jī)材料構(gòu)成核心部分的太陽能電池。大家對有機(jī)太陽能電池不熟悉，這是情理中的事。現(xiàn)如今量產(chǎn)的太陽能電池里， 95%以上是硅基的，而剩下的不到 5%也是由其它無機(jī)材料制成的。 光伏電池等效 模型 太陽電池是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)制成的。所謂光伏效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料吸收光能后產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象。單體太陽電池是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，一般不能單獨(dú)作為工程電源使用。將單體太陽電池進(jìn)行串并聯(lián)并封裝后就成為太陽電池組件。太陽電池組件的 I— V 特性強(qiáng)烈地隨日射強(qiáng)度 S 和較強(qiáng)烈地隨電池溫度 T而變化，即 I=f(V， S， T)。 根據(jù)電子學(xué)理論，太陽電池的等效電路如圖 所示，其中各個(gè)量的物理含義如下： Iph（ A）為光生電流，其值正比于光伏電池的面積和入射光的輻射度，而且會(huì)隨環(huán)境溫度的升高而略有上升。由于光伏電池是由 PN 結(jié)構(gòu)成的二極管器件，對應(yīng)于一定的工作電壓必然會(huì)產(chǎn)生一定的二極管電流 Id，也稱為暗電流。 Id 的大小反映出了當(dāng)前環(huán)境溫度下，光伏電池 PN