任务2.1 光伏发电系统的组成及分析
【任务目标】
（1）了解光伏发电系统的组成。
（2）掌握太阳能电池的发电原理。
（3）掌握光伏发电系统各部分的作用。
【相关知识】
2.1.1 光伏发电系统的组成
光伏发电系统通常由太阳能电池组件、蓄电池组、控制器、逆变器等几部分组成，如图2.1所示。
图2.1 光伏发电系统的组成
1.太阳能电池组件
太阳能电池组件也称为太阳能电池板，是太阳能发电系统中的核心部分，是能量转换的器件，其作用是将光能转换成电能。当发电电压、容量较大时，就需要将多块电池组件串、并联后构成太阳能组件方阵。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池3种。
2.蓄电池组
蓄电池的作用是储存太阳能电池方阵受光照时发出的电能，并可随时向负载供电。光伏发电系统对所用蓄电池组的基本要求是使用寿命长，深放电能力强，充电效率高，维护少或免维护，价格低廉。
3.控制器
控制器的作用是使太阳能电池和蓄电池高效、安全、可靠工作，以获得最高效率并延长蓄电池的使用寿命，能自动防止蓄电池过充电和过放电。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。
4.逆变器
逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，当负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的光伏发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的光伏发电系统。逆变器按输出波形可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。
2.1.2 太阳能电池的工作原理
1.太阳能电池的物理基础
（1）本征半导体和掺杂半导体。
1）本征半导体。晶格完整且不含杂质的半导体称为本征半导体。半导体在热力学温度为0℃时，电子填满价带，导带是空的。此时的半导体和绝缘体的情况相同，不能导电。当温度高于热力学温度零度时，价电子在热激发下有可能克服共价键的束缚从价带跃迁到导带，使其价键断裂。电子从价带跃迁到导带后，在价带中留下一个空位，称为空穴，具有一个断键的硅晶体如图2.2所示。
图2.2 具有一个断键的硅晶体
空穴可以被相邻满键上的电子填充而出现新的空穴，这样的过程一直重复，其结果可以简单地描述成空穴在晶体中的移动。自由电子和空穴在晶体内的运动都是无规则的，并不能产生电流。但如果存在电场，自由电子将沿着电场方向的相反方向运动，空穴则与电场同向运动，半导体就是靠电子和空穴的定向移动来形成电流的，电子和空穴都被称为载流子。晶体中的电子浓度n等于空穴浓度p。这个浓度称为本征载流子浓度ni。实验表明，ni的值随晶体温度的升高而增大，而随晶体禁带宽度的增大而减小。在室温条件下，半导体硅的本征载流子浓度约为1×1010/cm3。
2）掺杂半导体。在本征半导体中掺入其他元素后就得到掺杂半导体。所谓掺杂，是指在一定的温度下，将一种元素作为杂质掺透到另一种主体元素中。晶体硅太阳能电池的主体元素就是本征硅。
高纯本征半导体具有很高的电阻率，若将一定数量的杂质掺入到半导体内，则会在它的禁带中产生附加的能级。当半导体受激发产生电子跃迁时，电子就有可能首先跳到这些附加的能级上，然后再跃迁到导带中去，这显然要比电子从价带直接跃迁到导带要容易得多。尽管掺杂很小，却会很明显地改变导带中的电子数和价带中的空穴数，从而显著地影响半导体的电阻率。因此，在实际的半导体技术中，有选择地掺杂，可得到所需要的半导体导电类型。适量的掺杂可得到所需要的导电率，不适当地掺杂则会使半导体成为废料。
a.N型半导体。硅的最外层有4个价电子，若掺入少量的五价元素磷，这时在硅的晶格中，一个磷原子中的4个价电子与其周围4个硅原子的价电子形成共价键，还剩下1个价电子。这个多余的价电子因不能被安排在硅原子晶格的正规结构中而游离，致使磷原子电离，其电离能约为0.44eV。硅中掺杂的元素磷，在室温下全部电离，同时提供等量的自由电子，从而产生自由电子导电运动。如图2.3（a）所示。这种在掺杂半导体中提供电子的杂质称为施主型杂质，这里指的是掺入的磷元素，其浓度用符号ND表示。在掺有五价元素（施主型杂质）的半导体中，存在着大量带负电荷的自由电子，以及等量带正电荷的磷原子和少量空穴，平衡状态下呈电中性。这样的半导体称为电子型或N型半导体。在这种半导体中，自由电子的浓度远远大于空穴的浓度，自由电子是多数载流子，简称多子，空穴是少数载流子，简称少子。半导体主要依靠自由电子导电，导电方向与电场方向相反。
图2.3 N型和P型硅晶体结构
（a）N型硅晶体结构；（b）P型硅晶体结构
b.P型半导体。同理，若在纯净的硅中掺入少量的三价元素硼，这时在硅的晶格中，一个硼原子的3个价电子与其周围4个硅原子的价电子形成共价键，还缺少了1个电子，要从其中一个硅原子的价键中获取一个电子填补。这样就在硅中产生了一个空穴，而硼原子由于接受了一个电子而成为带负电的硼离子，如图2.3（b）所示。这就是说，掺入硅的硼原子带着一个很容易电离的空穴，其电离能为0.45eV。硅中掺杂的元素硼，在室温下将全部电离，同时提供等数量的空穴。硼原子在晶体中起着接受电子而产生空穴的作用，所以称为受主型杂质，其浓度用符号NA表示。在含有三价元素（即受主型杂质）的半导体中，存在着大量带正电荷的空穴，以及等量的带负电荷的硼原子和少量电子，平衡状态下呈电中性。这样的半导体称为空穴型或P型半导体。在这种半导体中，空穴的浓度远远超过电子的浓度，空穴是多数载流子，即多子，电子为少数载流子，即少子。半导体主要依靠空穴来导电，导电方向与电场方向相同。
（2）PN结。
1）PN结的形成。当P型半导体和N型半导体紧密结合成一起时，在其交界面处即形成所谓的PN结。PN结有同质结和异质结两种，用同一种半导体材料制成的PN结称为同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结称为异质结。PN结是构成太阳能电池、二极管、三极管、可控硅等多种半导体器件的基础。因此，讨论PN结的形成和它的导电性是十分必要的。
如图2.4（a）所示，把一块P型半导体和一块N型半导体接触之后，在其交界处，由于P区空穴浓度大于N区，N区电子浓度大于P区，因此N区中的电子要向P区扩散，而P区中的空穴则要向N区扩散。这样扩散的结果是在PN结交界面的N型一侧，留下带正电荷的不能移动的电离施主，形成一层很薄的正电荷区；而在交界面的P型一侧，则留下带负电荷的不能移动的电离受主，形成一层很薄的负电荷区。半导体这个N区和P区交界面两侧的正、负电荷薄层区域称为“空间电荷区”，即通常所说的PN结，也称阻挡层或耗尽层，如图2.4（b）所示。
图2.4 PN结
（a）形成PN结前载流子的扩散过程；（b）PN结空间电荷区和内建电场
在空间电荷区内，有一个从N区指向P区的电场，称为“内建电场”或“自建电场”。内建电场一方面阻止N型区的电子继续向P型区扩散，以及P型区的空穴向N型区扩散，也就是对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。另一方面又促使P型区中含量极少的电子（P型半导体中的少数电子载流子）向N区漂移，N型区中含量极少的空穴（N型半导体中的少数空穴载流子）向P区漂移，也就是内建电场在这里对少数载流子起着协助漂移的作用。漂移运动与由于浓度差所产生的扩散运动的方向正好相反。
综上所述，在PN结内部存在着两个方向相反的扩散运动和漂移运动，在开始时扩散运动占优势，空间电荷区内两侧的正电荷的正负电荷逐渐增加，空间电荷区增宽，内建电场增强。随着内部电场的增强，漂移运动也随之增强，阻止扩散运动的进行，使其逐步减弱。最后，扩散运动和漂移运动趋向平衡，扩散和漂移的载流子数目相等而运动方向相反，达到动态平衡。此时，内建电场中N区的电势高于P区的电势，这个电势差称为PN结势垒，也称为内建电势差或接触电势差，用符号UD表示。由电子从N区流向P区可知，P区相对于N区的电势差为负值。由于P区相对于N区具有电势-UD（取N区电势为0），所以P区中所有电势差都具有一个附加电势能，其值为
式中 q——电子电荷；
qUD——势垒高度。
2）PN结的单向导电性。给PN结加上正向电压（外部电压正极接P区，负极接N区），如图2.5（a）所示，这时外加电场的方向与内建电场的方向相反，外电场使N区的电子向左移动，使P区的空穴向右移动，从而使原来的空间电荷区的正电荷和负电荷得到中和，电荷区的电荷量减少，空间电荷区变窄，即阻挡层变窄。因此外电场起削弱内电场的作用，使载流子的扩散运动超过漂移运动，于是，多数载流子在外电场的作用下顺利通过阻挡层，同时外部电源又源源不断地向半导体提供空穴和电子，所以电路出现较大的电流，称为正向电流。因此，PN结在正向导通时的电阻是很小的。
图2.5 PN结的单向导电特性
（a）加正向电压，PN结导通；（b）加反向电压，PN结截止
相反，给PN结加上反向电压（外部电压负极接P区，正极接N区），如图2.5（b）所示，这时外加电场的方向与内建电场的方向相同，增强了空间电荷区中的电场，使空间电荷区加宽，即阻挡层加宽。这样，多数载流子的扩散运动便无法进行下去。不过漂移运动会因内电场的增大而加强，但漂移电流是半导体中少数载流子形成的，它的数量很小，因此PN结加反向电压时，反向电流极小，呈现很大的反向电阻，基本上可以认为没有电流通过，将这种现象称为“截止”。
由于PN结具有上述单向导电特性，所以半导体二极管被广泛应用于整流、检波等电路方面。
2.太阳能电池的工作原理、特性
（1）太阳能电池的工作原理。当PN结受到光照时，根据光量子理论，照射光的能量满足下式：
式中 h——普朗克常数；
v——照射光频率；
c——光速；
Eg——禁带宽度，Si材料Eg＝1.12eV。
价带电子就会吸收这个照射光而被激发到导带，产生一个自由电子和一个空穴。辐射所激发的电子或空穴，在进入导带或满带后，也具有迁移率。因而辐照的结果就是使半导体中的载流子浓度增加。比热平衡载流子浓度增加出来的这部分载流子称为光生载流子，由此而增加的电导率则称为光电导。
由于入射光强度从表面到太阳能电池体内成指数衰减，在各处产生光生载流子的数量有差别，沿光强度衰减方向将形成光生载流子的浓度梯度，从而产生载流子的扩散运动。N区中产生的光生载流子到达PN结的N侧边界时，由于内建电场的方向是从N区指向P区，静电力立即将光生空穴拉到P区，光生电子阻留在N区。同理，在P区中到达PN结区P侧边界的光生电子立即被内建电场拉向N区，空穴被阻留在P区。同样，空间电荷区中产生的光生电子——空穴对则被内建电场分别拉向N区和P区。PN结及两边产生的光生载流子就被内建电场所分离，在P区聚集光生空穴，在N区聚集光生电子，使P区带正电，N区带负电，在PN结两端产生光生电动势，这种现象就称为光生伏特效应或光伏效应。光生电动势的电场方向和PN结内建电场的方向相反，光伏效应原理如图2.6所示。
图2.6 光伏效应示意图
当在太阳能电池的两端接入负载，在持续稳定的光照条件下，这些被分离的电荷就会在外回路中不断地流过电流，从而将太阳辐射能转换为电能，如图2.7所示，这就是太阳能电池的基本工作原理。
（2）太阳能电池的技术参数。
1）开路电压。受光照的太阳能电池处于开路状态，光生载流子只能积累于PN结两侧产生光生电动势，这时在太阳能电池两端测得的电势差称为开路电压，用符号U。c表示。
2）短路电流。如果把太阳能电池从外部短路，测得的最大电流就称为短路电流，用符号Isc表示。
图2.7 太阳能电池的工作原理
（a）能带图；（b）太阳能电池基本工作原理
硅太阳能电池开路电压和短路电流与光照度的关系如图2.8所示，由此可见，短路电流与光照强度成正比，开路电压则在开始时随光照强度的增大而增大，随后则几乎保持不变。
3）最大输出功率。把太阳能电池接上负载，负载电阻中便有电流流过，该电流称为太阳能电池的工作电流（I），也称负载电流或输出电流；负载两端的电压称为太阳能电池的工作电压（U）。负载两端的电压与通过负载的电流的乘积称为太阳能电池的输出功率（P，P＝UI）。
图2.8 硅太阳能电池开路电压和短路电流与光照度的关系
太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线，就得到太阳能电池的伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率，用符号Pm表示。最大输出工况也就是最佳输出工况，此时的工作电压和工作电流分别称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用符号Um和Im表示，Pm＝UmIm。
4）填充因子。最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比称为填充因子，是评估太阳能电池带负载能力的重要指标。
式中 Isc——短路电流；
U。c——开路电压；
Im——最佳工作电流；
Um——最佳工作电压。
太阳能电池的功率输出能力与其面积大小密切相关，面积越大，在相同光照条件下的输出功率也越大。太阳能电池的优劣主要由开路电压和短路电流这两项指标来衡量。
5）转换效率。太阳能电池的转换效率（η）是指，在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳能电池的最大输出功率Pm与入射到太阳能电池表面的能量之比
式中 Pin——入射太阳辐射功率。
转换效率是评估太阳能电池性能的重要指标，目前，实用太阳能电池的转换效率为15%左右。
（3）太阳能电池的等效电路。根据光照条件下发生在太阳能电池内部的各种物理过程，从电气回路上研究，太阳能电池是一个能够稳定地产生光生电流的恒流源，端点跨接一个处于正偏置的二极管，以及并联电阻Rsh，再经串联电阻Rs，接至外负载RL，如图2.9所示，称为太阳能电池的等效电路。
图2.9 太阳能电池的等效电路
当RL＝0时，所测得电流为电池的短路电流Isc。测量短路电流的方法是用内阻小于1Ω的电流表接在太阳能电池的两端进行测量。Isc值与太阳能电池的面积有关，面积越大，Isc值越大。一般来说，1cm2太阳能电池的Isc值为16～30mA。同一块太阳能电池，其Isc值与入射光的辐照度成正比；当环境温度升高时，Isc略有上升。
当RL为无穷大时，所测得电压为电池的开路电压U。c。ID（二极管电流）为通过PN结的总扩散电流，其方向与Isc相反。串联电阻Rs主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面接触电阻所组成。Rsh为旁路电阻，它是由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的。一个理想的太阳能电池，串联电阻Rs很小，而并联电阻Rsh很大，所以在进行电路计算时，可以忽略不计。
2.1.3 光伏发电系统的分类及原理分析
光伏发电系统是利用太阳能电池组件和其他辅助设备将太阳能转换成电能的系统。一般将光伏发电系统分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。
1.独立光伏发电系统
独立光伏发电也称为离网光伏发电。通常将它建设在远离电网的偏远地区或作为野外移动式便携电源。独立光伏发电系统主要由太阳能电池组件、控制器和蓄电池组成，若要为交流负载供电，则还需要配置交流逆变器，系统示意图如图2.10所示。其工作原理：白天在太阳光的照射下，通过控制器的控制太阳能电池组件产生的直流电一部分经逆变器转化为交流电，另一部分对蓄电池进行充电；当阳光不足时，蓄电池向逆变器送电，经逆变器转化为交流电供交流负载使用。
图2.10 独立光伏发电系统示意图
2.并网光伏发电系统
太阳能并网光伏发电系统是将光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转换成符合公共电网要求的交流电，之后直接接入公共电网，直接将电能输入电网，免除了配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用光伏阵列所发的电力，从而减小了能量的损耗，降低了系统的成本。但是系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网对电压、频率等指标的要求。因为逆变器效率的问题，还是会有部分能量损失。
并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏系统，也有分布式中小型并网发电系统。集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大。而分布式小型并网光伏，特别是光伏建筑一体化光伏发电，由于投资小，建设快，占地面积小，国家政策支持力度大等优点，是目前并网光伏发电的主流。
常见并网光伏发电系统一般有以下几种形式。
（1）有逆流并网发电系统。有逆流并网发电系统示意图如图2.11所示。当太阳能光伏发电系统发出的电能充裕时，可将剩余的电能送入公共电网；当太阳能光伏发电系统提供的电力不足时，由电网向负载供电。由于向电网供电时与电网供电的方向相反，所以称为有逆流光伏发电系统。
图2.11 有逆流并网发电系统示意图
（2）无逆流并网发电系统。无逆流并网发电系统示意图如图2.12所示。即使太阳能光伏发电系统发电充裕时，也不向公共电网供电，但当太阳能光伏发电系统供电不足时，则由公共电网负载供电。
（3）切换型并网光伏发电系统。切换型并网光伏发电系统示意图如图2.13所示。它具有自动运行双向切换的功能：一是当光伏发电系统因天气及自身故障等原因导致发电量不足时，切换器能自动切换到公共电网供电侧，由公共电网向负载供电；二是当公共电网因某种原因突然停电时，光伏发电系统可以自动切换使电网与光伏发电系统分离，成为独立光伏发电系统工作状态。一般切换型并网光伏发电系统都带有储能装置。
图2.12 无逆流并网发电系统示意图
图2.13 切换型并网光伏发电系统示意图
【任务实施】
（1）认识独立光伏发电系统。结合一个实际的独立光伏发电系统，识别光伏组件、控制器、蓄电池和逆变器等设备，记下该设备的型号，说明其作用，填入表2.1中，分析独立光伏发电系统的工作原理。
表2.1 独立光伏发电系统表
（2）认识并网光伏发电系统。结合一个实际的并网光伏发电系统，识别光伏组件、并网逆变器等设备，记下该设备的型号，说明其作用，填入表2.2中，分析并网光伏发电系统的工作原理。
表2.2 并网立光伏发电系统表
