独立运行光伏发电系统设计研究
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摘 要：加强对光伏发电系统设计的研究对提升太阳能源的利用效率，解决全球资源短缺问题具有极为重要的推动作用。文中对独立运行光伏发电系统的研究现状和独立运行光伏发电系统的主要组成结构进行了简单介绍，并从光伏跟踪控制系统设计、控制器设计以及逆变器设计三方面对独立运行光伏发电系统的设计进行了详细研究，为进一步完善光伏发电系统和提升光伏发电系统发电效率提供科学有效的参考依据。
关键词：独立运行；光伏发电系统；系统设计；系统研究
进入21世纪之后，资源短缺已经成为比较严重的世界性问题，各个国家纷纷提出节能环保的发展战略，并在此基础上开始大力提倡可再生能源的开发利用。而在所有可再生资源中，太阳能无疑是其中最具代表性，并且最值得开发利用的一种。各国在很早之前就已经对太阳能进行开发利用，并且经过这些年的发展，对太阳能的开发利用已经取得了不错进展，光伏发电系统的构建就是较为成功的一项研究成果，并被广泛应用在各行业当中。但是，由于受到科技水平相对较低和光伏发电成本较高等各方面因素的限制，一直以来，光伏发电系统的应用效果都不是很理想，在一定程度上限制了其进一步发展和提升。因此，为了能够更好的推动光伏发电的进展，相关研究人员提出了独立运行光伏发电系统的构建概念，并一直为其发电技术水平的提升和系统的完善不断努力着。接下来，文章就以进一步完善独立运行光伏发电系统为主要目的，对其系统设计进行研究。
1 独立运行光伏发电系统的研究现状
虽然太阳能是当前比较受关注，对未来人类社会文明的进步影响比较深远的主要可再生能源之一，但是，就目前其利用研究情况来看，光伏发电技术并没有成熟和完善，尚有待进一步提升。因此，在对光伏发电系统进行研究的过程中，研究人员的主要研究精力也都放在如何提升光伏发电技术，提高光伏发电效率上，希望能够通过该方法来有效解决当前光伏广泛发电系统所存在的构建成本高，但是发电效率低的问题。
与光伏发电系统的构建情况不同，同为新能源之一的风力发电，其对发电系统的构建和研究的进展就相对比较顺利，尤其是近几年来，其更是取得了实质发展，成功通过对发电系统发电单元以及其他相关系统单元进行合理设计的方式成功实现了系统发电功率的大幅度提升，在降低系统构建成本的同时，大大提升了系统的发电能力[1]。因此，为了能够加强对光伏发电系统的设计和研究，进一步提升光伏发电系统的发电效率，相关研究人员在对光伏发电系统设计进行研究的同时，充分借鉴了风力发电系统构建和系统设计方面的经验，然后在充分结合光伏发电系统其独有特点的基础上不断对光伏发电系统的设计进行深入研究。
近几年来看，随着相关研究人员对光伏发电系统设计研究的不断深入以及科学技术水平的不断提升，对于光伏发电系统设计的研究终于取得了比较喜人的进展，在原有基础上大幅度提升了光伏发电系统的发电能力和发电效率。
2 独立运行光伏发电系统的主要组成结构
当前，光伏发电系统的工作原理都是通过利用根据半导体的光生伏特效应原理制成的光伏电池将太阳能转化成电能来完成系统发电工作[2]。通常情况下，独立运行的光伏发电系统主要包括光伏电池组件、控制器、逆变器以及蓄电池等几个基本组成结构，其具体组成结构如图1所示。
图1 独立运行光伏发电系统图的组成结构图
2.1 光伏电池组件
在整个光伏发电系统中，光伏电池组件是整个系统最核心的部分，对发电系统的正常运行以及系统的发电能力和发电效率具有极为重要的影响，因此，在对光伏发电系统进行构建的过程中，一定要对光伏电池组件的设计和安装引起足够重视。当前，在光伏发电系统的构建中，光伏电池的应用主要存在两方面问题，一方面是当前所使用的光伏电池组件对光能的转换效率相对较低，另一方面是其应用的成本比较高。
2.1.1 第一代光伏电池
第一代光伏电池是以硅片为主要材料制成的，由于硅的特性完全符合光伏电池的需求，所以第一代光伏电池不论是发电性能还是应用技术都比较符合光伏发电系统对于光伏发电的要求，所以取得了比较不错的应用效果。但是由于硅材料需要从二氧化硅中进行提纯，其提纯成本比较高，所以导致硅电池的制造价格也比较高，大大增加了发电系统的构建成本，不适合大范围推广应用[3]。
2.1.2 第二代光伏电池
第二代光伏电池是在硅材料上铺设光电材料薄膜，通过降低光伏材料中硅材料的使用量来降低光伏电池的成本，进而使其能够得到广泛应用。前期所用薄膜为非晶硅薄膜，由于其在一定程度上降低了光伏电池的性能和转换效率，所以很快便被淘汰。后期所用薄膜为多晶硅薄膜，其不仅具有无毒无污染的特性，还能够进一步提升电池的性能，目前已经被广泛的应用在光伏发电系统中。
2.1.3 第三代光伏电池
第三代光伏电池是在第二代多晶硅薄膜电池的基础上进一步发展起来，其不仅能够进一步降低光伏电池的成本，还能够在原有基础上再一次提升电池的性能。目前，第三代光伏电池尚处于试用阶段，并没有普及应用。
2.2 控制器
光伏发电系统中的控制器主要包括两种，一种是充放电控制器，一种是MPPT控制器。其中，充放电控制器的主要作用是对系统蓄电池的充放电情况进行监控，根据蓄电池的充放电需要以及蓄电池本身的状态情况对蓄电池的充放电进行控制。MPPT控制器，属于整个光伏发电系统的核心模块，其主要作用监测光伏电池输出的电压和电流，然后在基于MPPT控制算法的基础上对其进行严格控制，确保发电系统能够一直以最大功率运行。
2.3 逆变器
逆变器的主要作用是对发电系统的电流进行转换，将由光伏电池和蓄电池输送出来的直流电转换成能够适合普通设备使用的交流电，以保证其他用电设备的正常运行。除了转化电流功能之外，逆变器还能够对系统电压进行控制，使其处于稳定水平，确保系统供电质量。
2.4 蓄电池
同光伏电池一样，蓄电池也是整个光伏发电系统中最重要的组成部分之一，对整个发电系统的发电能力和发电效率具有比较重要的影响[4]。蓄电池与光伏电池相连，其主要作用是将由光伏电池转化来的电能进行储存，以负责供电使用。
在整个光伏发电系统中，光伏电池和蓄电池是最重要的两个组成部分之一，其质量好坏和性能高低能够直接影响到整个光伏发电系统的发电能力和发电效率，因此，在对光伏发电系统进行设计的过程中，一定要注重对这两个环节的设计。
3 独立运行光伏发电系统的设计
在对光伏发电系统进行设计的过程中，最重要的任务就是对光伏电池和蓄电池进行选型和设计，但是，由于在当前的光伏发电系统的设计过程中，光伏电池多使用多晶硅薄膜光伏电池，蓄电池多使用技术成熟的铅酸蓄电池，所以就不多做介绍。
3.1 光伏跟踪控制系统设计
光伏跟踪系统的设计主要目的是对光伏跟踪器进行控制，确保让光伏发电系统的接受面对太阳位置进行跟踪，最大限度的吸收太阳光辐射所带来的太阳能。当前，按照部件结构的不同，光伏跟踪控制系统主要分为两种，一种是开环伺服系统，一种是闭环伺服系统。
3.1.1 开环伺服系统
开环伺服系统是采用步进电机进行驱动，系统中不具备位置反馈装置和校正控制装置，在跟踪过程中，接受面跟踪精度的控制主要依赖于布距角和传动结构。其系统结构组成，如图2所示。
图2 开环伺服系统结构图
在其运行过程中，需要将光敏器件按照规定角度安装在遮光板下方，确保光敏器件可以通过对阳光照射强度的感应来控制跟踪器对太阳进行跟踪。正常情况下，阳光会直接照射到遮光板上，这样光敏器件就会正好位于遮光板所形成的阴影中[5]。而如果太阳位置发生偏移，阳光无法直接照射在遮光板上，光敏器件无法被遮光板所形成的阴影笼罩，就会暴露在阳光下，就会感受到阳光的照射并将阳光的照射强度转变成微电流信号输送到系统中，然后系统会根据信号的强弱对太阳的位置进行判断，调整跟踪器角度完成跟踪。由于在该系统中，步进电机对开环的控制容易受到负载的影响，经常发生丢步和过冲等问题，会降低系统跟踪性能，所以当前该系统在光伏发电系统设计中已不常用。
3.1.2 闭环伺服系统
相比开环伺服系统，闭环系统的跟踪精度要高很多。闭环系统中除了设有控制器之外，还设有传感检测装置，可以对跟踪位置进行反馈和检测，保证跟踪精度。其系统组成结构，如图3所示。
图3 闭环伺服系统结构图
当接受面接受太阳辐射时，传感装置会将接受到的传感信号传递会控制系统中，然后系统会通过对信号进行分析和计算，对跟踪精度进行评估，并针对评估结果对跟踪器位置进行调整，保证跟踪精度。
由于系统吸收的太阳能越多，光伏电池转化电能的效果就越高，蓄电池储存的电能就越多，所以，在对光伏发电系统进行设计的过程中，一定要对光伏跟踪控制系统的设计引起足够重视，以提升系统的发电能力。
3.2 控制器的设计
在独立光伏发电系统中，控制器的主要作用是对蓄电池的充放电进行控制，以确保光伏发电系统的正常运行。在对控制器设计的过程中，最重要的工作就是对控制器进行选型，而在对控制器进行选型的过程中，主要需要注意以下几个方面。
（1）控制器的系统电压应该与蓄电池电压一致，当前默认为220V。
（2）控制器的最大电流取决于太阳能电池方阵的电流，通常情况下，其以短路电流作为电池阵列的最大电流值。
输入最大电流=电池组件的短路电流×并联数=8.23A×14=115.22（A）。
（3）控制器的输出最大电流取决于输出负载的电流，通常以是逆变器的电流为准。
（4）控制器应该能对蓄电池的过充电和过放电进行保护，将其控制在允许的范围内，并应该带有通信以及数据收集等辅助功能。如表1所示，即为控制器选型时的主要技术参数。
3.3 逆变器的设计
在对逆变器进行设计的过程中，其主要任务也是对逆变器进行选型，在选型的过程中，通常需要注意以下几点。
（1）逆变器的输入直流电压应该与系统电压一致，通常默认为220V。同时，还要对逆变器电流转化的效率进行选择，尽可能选择转化效率高的逆变器，以降低系统发电成本[6]。
（2）逆变器的额定输出电压应该与负载的交流电压一致，通常默认为380V。同时，还要确保逆变器的可靠性，保证其运行效率。
（3）逆变器容量应该与负荷容量一致，并且，根据不同的系统设计要求，应该选择不同的额定容量。比如，系统的负载功率为7kW，日工作时间为10小时，额定容量则应该为100kVA。
（4）逆变器输出的电压波形应该为正弦波。在对光伏发电系统逆变器进行选型的过程中，具体参考技术参数如表2所示。
表2 逆变器选型的主要技术参数
以上即为光伏发电系统设计中的重点注意事项，在对光伏发电系统进行设计的过程中，尽可能在遵循以上技术要求的基础上对系统进行设计，以更好地提升光伏发电系统的发电效率。
4 结束语
太阳能作为重要的可再生能源之一，加强其开发和利用对进一步改善人们的生活质量和生活水平具有极为重要的影响作用。因此，在对太阳能源进行开发和利用的过程中，一定要加强对光伏发电系统的设计和研究，并通过加强对光伏跟踪控制系统、控制器、逆变器以及光伏电池和蓄电池进行研究，在降低系统构建成本的基础上，进一步提升系统的发电能力和发电效率，更好的解决资源短缺问题。
参考文献
[1]葛亮.太阳能光伏发电应用技术[M].电子工业出版社，2010.
[2]殷志刚.太阳能光伏发电材料的发展现状[J].可再生能源，2011（1）.
[3]王长贵.太阳能利用技术[M].化学工业出版社，2011.
[4]蔡宣三.太阳能光伏发电发展现状与趋势[J].电力电子，2011（2）.
[5]彭玉利.太阳能光伏发电技术应用综述[J].河南科技，2012（12）.
[6]程彩艳.光伏发电有功自动控制技术[J].宁夏电力，2012（2）.