独立光伏系统的设计、安装及维修.doc

独立光伏系统的设计、安装和维修 独立光伏电站是独立光伏系统中规模较大的应用。它的主要特点就是集中供电，如在一个十几户的偏远村庄就可建立光伏电站来利用太阳能。用这种方式供电便于统一管理和维护。而户用系统是采用分散供电的方式提供电能，如果要在该村庄安装户用光伏系统，这样每一户都得需这么一套光伏系统，它比起独立光伏电站来，所需的元器件规格要小，控制器、逆变器和蓄电池及负载都比较小，但是独立光伏电站和户用光伏系统基本结构是完全一致的，我们将它们统称为独立光伏系统，下面我们就介绍这种独立光伏系统的设计，安装和维修。 一、独立光伏系统的组成及工作原理 独立光伏系统的构成主要包括：光伏组件（阵列）、蓄电池、逆变器、控制器。见图 1 图 1 独立光伏系统方框图 1. 光伏电池工作原理及特性 光伏电池是将光能直接转换成电能的器件。它的基本构造是由半导体的 PN 结组成。 此外，异质结、肖特基势垒等也可以得到较好的光电转换效率。图 2 表示了无光照时典型的电流电压特性（暗电流）。当太阳光照射到这个光伏电池上时，将有和暗电流方向相反的光电流 Iph流过。 图2 无光照及光照时电流－电压特性 当给光伏电池连结负载 R，并用太阳光照射时，则负载上的电流 Im和电压 Vm将由图中有光照时的电流一电压特性曲线与 V=-IR 表示的直线的交点来确定。此时负载上有 Pout=RI2m的功率消耗，它清楚地表明正在进行着光电能量的转换。通过调整负载的大小，可以在一个最佳的工作点上得到最大输出功率。 1.1光伏电池转换效率 输出功率（电能）与输入功率（光能）之比称为太阳电池的能量转换效率。转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻 R 时，得到的最大能量转换效率，其定义为 (式1.1) 即电池的最大功率输出与入射功率之比，这里我们定义一个填充因子 FF 为 (式1.2) 填充因子正好是 I-V 曲线下最大长方形面积与乘积 Voc×Isc之比，所以转换效率最终可表示为 (式1.3) 1.2光伏电池的等效电路 为了描述电池的工作状态，往往将电池及负载系统用一等效电路来模拟。在恒定光照下，一个处于工作状态的太阳电池，其光电流不随工作状态而变化，在等效电路中可把它看作是恒流源。光电流一部分流经负载 RL，在负载两端建立起端电压 V，反过来它又正向偏置于 p—n 结二极管，引起一股与光电流方向相反的暗电流 Ibk，这样，一个理想的 PN 同质结 太阳电池的等效电路就被绘制成如图 3(a)所示。但是，由于前面和背面的电极和接触以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免的要引入附加电阻。流经负载的电流，经过它们时，必然引起损耗。在等效电路中，可将它们的总效果用一个串联电阻 Rs来表示。由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一并联电阻 Rsh来等效。其等效电路就绘制成上图 3（b）的形式。其中暗电流等于总面积 AT 与 Jbk乘积，而光电流 IL为电池的有效受光面积 AE与 JL的乘积，这时的结电压不等于负载的端电压，由图3a可见 （式1.4） 图 3 PN结太阳电池等效电路 （a）不考虑串并联电阻 （b）考虑串并联电阻 1.3 光伏电池的输出特性 根据图3b就可以写出输出电流 I 和输出电压 V 之间的关系 （式1.5） 其中暗电流 Ibk应为结电压 Vj的函数，而 Vj又是通过式1.4与 输出电压 V 相联系的。 当负载 RL从 0 变化到无穷大时，输出电压 V 则从 0 变到 VOC，同时输出电流便从 ISC变到 0，由此得到电池的输出特性曲线，如图 4 所示。曲线上任何一点都可以作为工作点,工作点所对应的纵横坐标，即为工作电流和工作电压,其乘积为电池的输出功率 P = IV（式1.6） 图 4 太阳电池的输出特性 1.4光伏电池的温度效应 载流子的扩散系数随温度的增高而增大，所以少数载流子的扩散长度也随温度的升高稍有增大，因此，光生电流 JL也随温度的升高有所增加。但是 Jo随温度的升高是指数增大，因而 Voc随温度的升高急剧下降。当温度升高时，I—V 曲线形状改变，填充因子下降，所以转换效率随温度的增加而降低。 1.5光伏电池阵列 单体太阳电池不能直接作电池使用。作电源用必须将若干单体电池串、并联连接并严密封装成组件，即光伏阵列。对于一个给定的电池面积，电流与太阳辐照度成正比且几乎与温度无关，而电压（功率）随温度升高而下降。一般来说，晶体硅电池的电压降为 0.5%