光伏發電系統設計研究

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1獨立運行光伏發電系統的研究現狀

雖然太陽能是當前比較受關注，對未來人類社會文明的進步影響比較深遠的主要可再生能源之一，但是，就目前其利用研究情況來看，光伏發電技術并沒有成熟和完善，尚有待進一步提升。因此，在對光伏發電系統進行研究的過程中，研究人員的主要研究精力也都放在如何提升光伏發電技術，提高光伏發電效率上，希望能夠通過該方法來有效解決當前光伏廣泛發電系統所存在的構建成本高，但是發電效率低的問題。與光伏發電系統的構建情況不同，同為新能源之一的風力發電，其對發電系統的構建和研究的進展就相對比較順利，尤其是近幾年來，其更是取得了實質發展，成功通過對發電系統發電單元以及其他相關系統單元進行合理設計的方式成功實現了系統發電功率的大幅度提升，在降低系統構建成本的同時，大大提升了系統的發電能力。因此，為了能夠加強對光伏發電系統的設計和研究，進一步提升光伏發電系統的發電效率，相關研究人員在對光伏發電系統設計進行研究的同時，充分借鑒了風力發電系統構建和系統設計方面的經驗，然后在充分結合光伏發電系統其獨有特點的基礎上不斷對光伏發電系統的設計進行深入研究。近幾年來看，隨著相關研究人員對光伏發電系統設計研究的不斷深入以及科學技術水平的不斷提升，對于光伏發電系統設計的研究終于取得了比較喜人的進展，在原有基礎上大幅度提升了光伏發電系統的發電能力和發電效率。

2獨立運行光伏發電系統的主要組成結構

當前，光伏發電系統的工作原理都是通過利用根據半導體的光生伏特效應原理制成的光伏電池將太陽能轉化成電能來完成系統發電工作。通常情況下，獨立運行的光伏發電系統主要包括光伏電池組件、控制器、逆變器以及蓄電池等幾個基本組成結構。

2.1光伏電池組件

在整個光伏發電系統中，光伏電池組件是整個系統最核心的部分，對發電系統的正常運行以及系統的發電能力和發電效率具有極為重要的影響，因此，在對光伏發電系統進行構建的過程中，一定要對光伏電池組件的設計和安裝引起足夠重視。當前，在光伏發電系統的構建中，光伏電池的應用主要存在兩方面問題，一方面是當前所使用的光伏電池組件對光能的轉換效率相對較低，另一方面是其應用的成本比較高。

2.1.1第一代光伏電池

第一代光伏電池是以硅片為主要材料制成的，由于硅的特性完全符合光伏電池的需求，所以第一代光伏電池不論是發電性能還是應用技術都比較符合光伏發電系統對于光伏發電的要求，所以取得了比較不錯的應用效果。但是由于硅材料需要從二氧化硅中進行提純，其提純成本比較高，所以導致硅電池的制造價格也比較高，大大增加了發電系統的構建成本，不適合大范圍推廣應用。

2.1.2第二代光伏電池

第二代光伏電池是在硅材料上鋪設光電材料薄膜，通過降低光伏材料中硅材料的使用量來降低光伏電池的成本，進而使其能夠得到廣泛應用。前期所用薄膜為非晶硅薄膜，由于其在一定程度上降低了光伏電池的性能和轉換效率，所以很快便被淘汰。后期所用薄膜為多晶硅薄膜，其不僅具有無毒無污染的特性，還能夠進一步提升電池的性能，目前已經被廣泛的應用在光伏發電系統中。

2.1.3第三代光伏電池

第三代光伏電池是在第二代多晶硅薄膜電池的基礎上進一步發展起來，其不僅能夠進一步降低光伏電池的成本，還能夠在原有基礎上再一次提升電池的性能。目前，第三代光伏電池尚處于試用階段，并沒有普及應用。

2.2控制器

光伏發電系統中的控制器主要包括兩種，一種是充放電控制器，一種是MPPT控制器。其中，充放電控制器的主要作用是對系統蓄電池的充放電情況進行監控，根據蓄電池的充放電需要以及蓄電池本身的狀態情況對蓄電池的充放電進行控制。MPPT控制器，屬于整個光伏發電系統的核心模塊，其主要作用監測光伏電池輸出的電壓和電流，然后在基于MPPT控制算法的基礎上對其進行嚴格控制，確保發電系統能夠一直以最大功率運行。

2.3逆變器

逆變器的主要作用是對發電系統的電流進行轉換，將由光伏電池和蓄電池輸送出來的直流電轉換成能夠適合普通設備使用的交流電，以保證其他用電設備的正常運行。除了轉化電流功能之外，逆變器還能夠對系統電壓進行控制，使其處于穩定水平，確保系統供電質量。

2.4蓄電池

同光伏電池一樣，蓄電池也是整個光伏發電系統中最重要的組成部分之一，對整個發電系統的發電能力和發電效率具有比較重要的影響。蓄電池與光伏電池相連，其主要作用是將由光伏電池轉化來的電能進行儲存，以負責供電使用。在整個光伏發電系統中，光伏電池和蓄電池是最重要的兩個組成部分之一，其質量好壞和性能高低能夠直接影響到整個光伏發電系統的發電能力和發電效率，因此，在對光伏發電系統進行設計的過程中，一定要注重對這兩個環節的設計。

3獨立運行光伏發電系統的設計

在對光伏發電系統進行設計的過程中，最重要的任務就是對光伏電池和蓄電池進行選型和設計，但是，由于在當前的光伏發電系統的設計過程中，光伏電池多使用多晶硅薄膜光伏電池，蓄電池多使用技術成熟的鉛酸蓄電池，所以就不多做介紹。

3.1光伏跟蹤控制系統設計

光伏跟蹤系統的設計主要目的是對光伏跟蹤器進行控制，確保讓光伏發電系統的接受面對太陽位置進行跟蹤，最大限度的吸收太陽光輻射所帶來的太陽能。當前，按照部件結構的不同，光伏跟蹤控制系統主要分為兩種，一種是開環伺服系統，一種是閉環伺服系統。

3.1.1開環伺服系統

開環伺服系統是采用步進電機進行驅動，系統中不具備位置反饋裝置和校正控制裝置，在跟蹤過程中，接受面跟蹤精度的控制主要依賴于布距角和傳動結構。在其運行過程中，需要將光敏器件按照規定角度安裝在遮光板下方，確保光敏器件可以通過對陽光照射強度的感應來控制跟蹤器對太陽進行跟蹤。正常情況下，陽光會直接照射到遮光板上，這樣光敏器件就會正好位于遮光板所形成的陰影中。而如果太陽位置發生偏移，陽光無法直接照射在遮光板上，光敏器件無法被遮光板所形成的陰影籠罩，就會暴露在陽光下，就會感受到陽光的照射并將陽光的照射強度轉變成微電流信號輸送到系統中，然后系統會根據信號的強弱對太陽的位置進行判斷，調整跟蹤器角度完成跟蹤。由于在該系統中，步進電機對開環的控制容易受到負載的影響，經常發生丟步和過沖等問題，會降低系統跟蹤性能，所以當前該系統在光伏發電系統設計中已不常用。

3.1.2閉環伺服系統

相比開環伺服系統，閉環系統的跟蹤精度要高很多。閉環系統中除了設有控制器之外，還設有傳感檢測裝置，可以對跟蹤位置進行反饋和檢測，保證跟蹤精度。

3.2控制器的設計

在獨立光伏發電系統中，控制器的主要作用是對蓄電池的充放電進行控制，以確保光伏發電系統的正常運行。在對控制器設計的過程中，最重要的工作就是對控制器進行選型，而在對控制器進行選型的過程中，主要需要注意以下幾個方面。（1）控制器的系統電壓應該與蓄電池電壓一致，當前默認為220V。（2）控制器的最大電流取決于太陽能電池方陣的電流，通常情況下，其以短路電流作為電池陣列的最大電流值。輸入最大電流=電池組件的短路電流×并聯數=8.23A×14=115.22（A）。（3）控制器的輸出最大電流取決于輸出負載的電流，通常以是逆變器的電流為準。（4）控制器應該能對蓄電池的過充電和過放電進行保護，將其控制在允許的范圍內，并應該帶有通信以及數據收集等輔助功能。

4結束語

太陽能作為重要的可再生能源之一，加強其開發和利用對進一步改善人們的生活質量和生活水平具有極為重要的影響作用。因此，在對太陽能源進行開發和利用的過程中，一定要加強對光伏發電系統的設計和研究，并通過加強對光伏跟蹤控制系統、控制器、逆變器以及光伏電池和蓄電池進行研究，在降低系統構建成本的基礎上，進一步提升系統的發電能力和發電效率，更好的解決資源短缺問題。

作者:王悅霖 單位:上海電力設計院有限公司