太阳能发电系统的设计

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[摘 要] 太阳能电池发电是基于“光生伏打效应”的原理，利用充电效应把太阳辐射直接转化为电能。太阳能具有永久性、清洁性和灵活性三大优点，是其他能源无法比拟的。太阳能既是一次能源，又是可再生能源，它资源丰富，可免费使用。设计优雅美观，与周围景色和谐统一，充分利用纯天然太阳能资源，全面采用绿色环保技术，确保供电可靠。

[关键词] 太阳能电池 控制器 发电 设计

随着全球能源危机和环境污染的加深，太阳能的研究和利用备受人们广泛的关注。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生的绿色能源，不会产生任何的环境污染，是清洁能源。太阳能是氢原子核在超高温时聚变释放的巨大能量，太阳能是人类能源的宝库，如化石能源、地球上的风能、生物质能都来源于太阳。在太阳能的有效利用中，太阳能发电是最具活力的研究领域，也是最受瞩目的项目之一。太阳能的利用是少数常规能源短缺的一个很好的补充，对环境保护也有着积极的作用。太阳能发电系统采用太阳能电池阵列、太阳能控制器、蓄电池（组）、DC/AC 逆变器（并网/不并网）、低压输配电网及交、直流负载等部分组成。下面就谈谈自己对太阳能发电系统的设计的肤浅看法。

一、太阳能简介

太阳能是太阳以电磁辐射形式向宇宙空间发射的能量，也就是太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能，约有二十亿分之一能够顺利地到达地球大气层，成为人类在地球上可开发利用的太阳能资源，是地球上光和热的主要源泉。太阳能的利用有两种方式即：被动式利用（光热转换）和光电转换。水能、风能等也都是由太阳能转换来的，光伏板组件可以制成不同形状，组件可以连接，能够产生更多电力。

1、太阳能资源的的分布

我国幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源。太阳能资源的分布具有明显的地域性，随着大气污染的加重，各地的太阳辐射量呈下降趋势。我国的太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部；在内蒙中西部、青藏高原等地是太阳能丰富区，年总辐射在155千卡／平方公分以上。每年陆地面积接受的太阳辐射能相当于2.4万亿吨标准煤，约等于上万个三峡工程发电量的总和。我国不断加大对少数民族地区太阳能应用的投资，少数民族地区有关部门也更加重视太阳能的开发和利用，使得部分少数民族地区告别了无电的历史，实现了乡一级农牧民的所有用电问题。

2、太阳能辐射

太阳辐射是指太阳向宇宙空间发射的电磁波和粒子流，太阳辐射能量是地球能量的主要来源。到达地平面的太阳辐射，包括太阳直接辐射和散射辐射。由于太阳辐射的随机性，无法确定光伏系统安装后方阵面上各个时段确切的太阳辐照量，太阳辐射强度与日照时间成正比。日照时间的长短，随纬度和季节而变化。通常气象台站提供的是水平面上的太阳辐照量，需要将其换算成倾斜方阵面上的辐照量。

二、太阳能发电装置介绍

太阳能热发电是采用聚焦技术，将数平米甚至数千平米范围上的阳光集中到一条线状或点状，由于高温将介质加热并产生蒸汽，从而推动汽轮机工作并产生电力的过程。太阳能热发电通常有三种形式，槽式，塔式和碟式。其中槽式是公认的最经济最成熟的技术。我国首座位于新疆地区的CSP槽式太阳能示范电站已经一次性试车成功，标志着国产化技术和设备已经达到了热发电的要求，并将进行产业化发展。

1、光伏发电原理及分类

太阳能电池与蓄电池组成系统的电源单元，太阳能电池是一种具有光电转换特性的半导体器件，直接将太阳辐射能转换成直流电，也是光伏发电的最基本单元。阳光照射下，具有特殊电性能的半导体内可以产生自由电荷，这些自由电荷定向移动并积累，从而在其两端形成电动势，当用导体将其两端闭合时便产生电流。这种现象被称为“光生伏打效应”，简称光伏效应。当阳光辐射到电池内保持松散状态的电子时，靠近P-N结的许多电子将朝电池的表层流动，用金属线将太阳能电池的正伏级与伏载相连时，外电路就会形成电流。输出电流受自身面积和日照强度的影响，面积较大的太阳能电池会产生较强的电流。

2、光伏系统的组成

（1）太阳能电池方阵

太阳能电池方阵是太阳能发电系统中的核心部分，是太阳能发电系统中价值最高的部分。电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生"光生电压"，这就是"光生伏打效应"。太阳能电池的两端就会产生电动势，将光能转换成电能。一般由若干太阳电池组件按一定方式连接，再配上适当的支架及接线盒组成。太阳能电池方阵在太阳光照射下输出电能，经过防反充二极管向蓄电池组充电并向直流负载供电。在连续阴雨天太阳电池阵列功率输出不能满足不同负载供电时，由蓄电池通过逆变器向负载供电。

（2）蓄电池组

蓄电池组是太阳电池方阵的贮能装置，蓄电池组一般为铅酸电池，把方阵在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，在有日照时发出的多余电能贮存起来，能够在晚间或阴雨天气供负载使用。必须符合蓄电池自放电要小，而且充电效率要高，白天方阵给蓄电池充电，晚上则负载用电全部由蓄电池供给。

（3）充放电控制器

它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。按负载的电源需求控制太阳电池元件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。控制器的作用是保护蓄电池，避免过充，过放。对蓄电池充电，初期、中期快速充电，恢复蓄电池的容量，充电末期采用小电流长期补充电池因自放电而损失的电量。由于太阳能发电系统工作场合环境苛刻，维修周期长，无人值守，使用寿命要求高等各种特殊需求，需要进行抗老化能力的评估。蓄电池使用寿命是由蓄电池的循环充放电次数及放电深度决定的，运用充放电控制器控制蓄电池组过充电或过放电。

（4）逆变器

逆变器的作用就是将方阵和蓄电池提供的低压直流电转换成交流电的设备，供给负载使用。逆变器可分为独立运行逆变器和并网逆变器，逆变器保护功能：过载保护、短路保护、接反保护、欠压保护、过压保护。逆变器针对短路等过流故障进行保护，并在故障排除之后，自动恢复到正常工作状态，免去了更换器件等繁重的维护过程。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率f，额定电压UN等匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。

三、太阳能光伏发电需要考虑的因素

1、地理位置及气象条件

利用太阳能光伏发电必须要综合考虑各种因素，包括地点、纬度、经度、海拔等，太阳能每月的总辐射量。直接辐射量，年平均气温，最长连续阴雨天数，最大风速降雪及冰雹等特殊气象情况。

2、最大负载及用电特性

随着自然气候条件的变化，太阳能发电系统的发电功率和发电量不断变化，负载每天工作时间及平均耗电量，连续阴雨天需工作的时间，无法通过计算精确预测。由于太阳能电池阵列输出的电流是直流，如果负载是交流的话，需要经过逆变器的转换，才能正常工作，导致所需太阳能电池就会增大，导致太阳能供电系统造价增高。

总之，太阳能发电的过程没有机械转动部件也燃料消耗，不排放包括温室气体在内的任何有害物质，无噪音、无环境污染，太阳能资源分布广泛没有地域限制。维修保养简单，维护费用低，运行可靠性、稳定性好。无需架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短。太阳能发电在利用绿色能源方面，具有一定的社会效益和广泛的推广价值。有效利用太阳能，对于缓解我国的能源问题、保护生态环境、保证经济发展过程中能源的持续稳定供应都将具有重大而深远的意义。

参考文献:

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