光伏發電系統實驗臺設計分析

通過光電轉換裝置把太陽輻射能轉換成電能進行利用。由于光電轉換裝置通常是利用半導體器件的光伏效應進行光電轉換的，因此太陽能光發電技術又稱太陽能光伏技術。
1、光伏發電原理
1.1太陽能電池
1.1.1太陽能電池的結構
太陽能電池板作為電源，它是一個直流源，但它不是恒流源，也不是恒壓源。本文選擇晶體硅太陽能電池。晶體硅太陽能電池以硅半導體材料制成大面積ｐｎ結進行工作。一般采用ｎ＋／ｐ同質結的結構，即在約１０ｃｍ×１０ｃｍ 面積的ｐ型硅片（厚度約５００μｍ）上用擴散法制作出一層很薄（厚度約０．３μｍ）的經過重摻雜的ｎ型層。然后在ｎ型層上面制作金屬柵線，作為正面接觸電極。在整個背面也制作金屬膜，作為背面歐姆接觸電極，這樣就成了晶體硅太陽能電池。
為了減少光的反射損失，一般在整個表面上再覆蓋一層減反射膜。
太陽能電池板是太陽能發電系統中的核心部分，其作用是將太陽的輻射能轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。太陽能電池板采用１５ＷＰ單晶硅Ａ 級片兩塊。單塊太陽能電池板的開路電壓Ｖｏｃ＝（２１＋１）Ｖ，短路電流Ｉｓｃ＝（１．０±０．１）Ａ。
1.1.2光伏效應
當太陽光（或其他光）照射到太陽能電池上時，電池吸收光能，能量大于禁帶寬度的光子穿過減反射膜進入硅中，激發出光生電子－孔穴對，并立即被內建電場分離，光生電子被送進ｎ區，光生孔穴則被推進ｐ區，這樣在內建電場的作用下，光生電子－孔穴對被分離，在光電池兩端出現異號電荷的積累，即產生了“光生電壓”，這就是“光生伏特效應”，簡稱光伏。在內建電場的兩側引出電極并接上負載，在負載中就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。圖１和圖２分別是光生電子移動示意圖及光生伏特效應原理圖。

圖１光生電子移動示意圖

圖２光伏效應原理圖
太陽能電池的工作原理是基于光伏效應。當光照射太陽能電池時，將產生一個由ｎ區到ｐ區的光生電流Ｉｐｈ。同時，由于ｐｎ結二極管的特性，存在正向二極管電流ＩＤ，此電流方向從ｐ區到ｎ區，與光生電流相反。因此，實際獲得的電流Ｉ為

式中ＶＤ為結電壓，Ｉ０為二極管的反向飽和電流，Ｉｐｈ為與入射光的強度成正比的光生電流，其比例系數是由太陽能電池的結構和材料的特性決定。ｎ 為理想系數，是表示ｐｎ結特性的參數，通常在１～２之間；ｑ 為電子電荷；ｋＢ為波爾茲曼常數；Ｔ 為溫度。
當電池接上負載Ｒ 后，若負載使電池的功率輸出為最大時，它對應的最大功率Ｐｍ為
Ｐｍ ＝ＩｍＶｍ 
式中，Ｉｍ和Ｖｍ分別為最佳工作電流和最佳工作電壓。
將Ｖｏｃ與Ｉｓｃ的乘積與最大功率Ｐｍ之比定義為填充因子ＦＦ，則：

ＦＦ為太陽電池的重要表征參數，ＦＦ 愈大則輸出的功率愈高。ＦＦ取決于入射光強、材料的禁帶寬度、理想系數、串聯電阻和并聯電阻等。
太陽能電池的轉換效率η定義為太陽能電池的最大輸出功率與照射到太陽能電池的總輻射功率Ｐｉｎ之比，即

1.2最大功率跟蹤器
最大功率跟蹤器的功能是保證太陽能電池板在當前的環境條件下始終以其最大功率輸出，在相同輸出功率的情況下，接該組件可以起到節約太陽能電池板的數量，減少太陽能電池板成本等作用。在一定的光照強度與溫度下，太陽能電池輸出曲線上都可以找到一個最大的功率輸出點Ｐｍ。最大輸出功率隨著光強的變化在變化，光強越大，則最大輸出功率越大（見圖３）。

圖３　不同光強下太陽能電池Ｉ－Ｖ 曲線
如果使太陽能電池工作在最大功率點，就可以極大地提升太陽能電池的效率。
1.3太陽能控制器
太陽能控制器具有過充、過放、電子短路、過載保護、獨特的防反接保護等全自動控制，同時具有高精度溫度補償的特性。太陽能控制器的作用是控制整個系統的工作狀態，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償的功能。其他附加功能，如光控開關、時控開關都應當是控制器的可選項。
1.4蓄電池
蓄電池一般為鉛酸電池，小型系統中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。
本實驗中選用了２個鉛酸蓄電池。充放電實驗時采用１．３Ａｈ鉛蓄電池。離網型光伏發電系統搭建時采用７Ａｈ的鉛蓄電池。
1.5逆變器
逆變升壓器簡稱逆變器，它是光伏系統的重要電力電子設備，其主要功能是把來自太陽能電池板組件輸出的直流電轉換成與電網相同電壓的交流電，并把電力輸送給交流負載使用，同時還具有極大限度地發揮太陽能電池方陣的性能、異?；蚬收蠒r的保護等功能。
2、光伏發電系統實驗設計
2.1離網型太陽能光伏發電系統
2.1.1離網型光伏發電原理
離網型太陽能光伏發電系統（見圖４）是由光伏組件發電，經控制器對蓄電池進行充放電管理，并給直流負載提供電能或通過逆變器給交流負載提供電能的一種新型電源?？蓮V泛應用于環境惡劣的高原、海島、偏遠山區及野外作業，也可作為通信基站、廣告燈箱、路燈等供電系統。
離網型太陽能光伏發電系統主要由太陽能電池板、蓄電池和逆變升壓器３部分組成。系統通過太陽能電池板將太陽能轉變成電能存儲到蓄電池中，再通過逆變升壓器將蓄電池中的直流電轉換成交流電供用電設備使用。

圖4離網型太陽能光伏發電系統圖
2.1.2離網型光伏發電系統搭建
離網逆變器：左端的直流輸入口處紅色端子連接直流正極，黑色端子連接直流負極。
按圖５完成離網系統的搭建，其中蓄電池為７Ａｈ鉛蓄電池，交流負載接２２０Ｖ／４０Ｗ 交流白熾燈泡。

圖５　離網型光伏發電系統接線圖
2.2并網型太陽能光伏發電系統搭建
2.2.1并網型光伏發電原理
并網型太陽能光伏發電系統（見圖６）由光伏組件、并網逆變器、計量裝置及配電系統組成。太陽能通過光伏組件轉化為直流電力，再通過并網型逆變器將直流電能轉化為與電網同頻率、同相位的正弦波電流饋入電網。因為直接將電能輸入電網，免除配置蓄電池，省掉了蓄電池儲能和釋放的過程，可以充分利用可再生能源所發出的電力，減小能量損耗，降低系統
成本。

圖６并網型太陽能光伏發電系統圖
2.2.2并網型光伏發電系統搭建
并網逆變器：左端的直流輸入口處紅色端子連接直流正極，所有的黑色端子連接直流負極。輸出接到并網接口的插線板上。自帶ＭＰＰＴ最大功率跟蹤以及孤島效應檢測。
按圖７完成并網系統的搭建，交流負載接２２０Ｖ／４０Ｗ 交流白熾燈泡。

圖７并網型太陽能光伏系統接線圖
完成并網系統的搭建后，使用示波器讀取電壓和電流波形，計算離網型及并網型電站的太陽能利用效率。
光伏技術前景廣闊，設計并搭建光伏發電實驗臺，為學生提供了直觀學習并研究光伏技術的平臺，拓展了光伏之路。