按照入网方式，太阳能光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统、并网太阳能光伏发电系统和混合式太阳能光伏发电系统。光伏发电系统主要由电子元器件构成，不涉及机械运动部件，所以光伏发电设备具有安装维护简便、可靠稳定性高、寿命长等优点。从理论分析，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，从天空的航天器到地面上的家用电源，从大容量的电站到电子玩具，光伏电源无处不在。
1.独立太阳能光伏发电系统
独立光伏发电系统被称为离网光伏发电系统，指不与电网相连，只靠太阳能电池供电。通常用作便携式设备的电源，给远离现有公用电网的地区或者设备供电。主要由太阳能电池组件（方阵）、控制器、蓄电池、逆变器和监控系统等组成。如图12-20所示。其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。
图12-20 独立光伏发电系统
其各部分设备的作用是：
（1）太阳能电池组件。太阳电池组件由太阳电池片、支架和接线盒组成。太阳能电池组件是太阳能光伏发电系统中的核心部分，也是价格最昂贵的部分。其作用是将太阳光能直接转换成电能，是能量转换的器件，供给负载使用或存储于蓄电池备用。
（2）控制器。控制器主要由电子元器件、仪表、开关和继电器等组成。在小型光伏系统中，控制器也被称为充放电控制器，主要作用是保护蓄电池，避免过充和过放。在大中型光伏系统中，控制器担负着整个光伏系统的能量的平衡管理，保护蓄电池以及整个光伏系统正常工作。控制器可以单独给直流负载供电，也可以配合蓄电池给直流负载供电；如果给交流负载供电，还需在交流负载和蓄电池间配备逆变器。在独立光伏发电系统中，通常需要控制器来控制其充电状态和放电深度，以保护蓄电池延长其使用寿命。
在光伏发电系统中，通常使用的控制器主要有两种类型：一是分路控制器，用以更改或分路电池充电电流。这些控制器带有一个大的散热器用以散发多余电流产生的热量，大部分的分路控制器是为30A以下电流的系统设计的。另一类是串联控制器，通过断开太阳能光伏组件来断开充电电流。
光伏充电控制器基本上可分为五种类型：并联型光伏控制器、串联型光伏控制器、脉宽调制型光伏控制器、智慧型光伏控制器和最大功率跟踪型光伏控制器。
控制器的主要功能如下：
①过充过放保护，避免蓄电池因充电电压过高或者放电到过低电压而造成损坏，可以延长蓄电池的寿命。
②防反接功能，避免太阳能电池板和蓄电池因极性接反而不能使用甚至酿成事故。
③防雷击，避免因雷击而损坏整个系统。
④定时功能，控制负载的工作时间，避免能源浪费。
⑤过流保护，当负载过大或短路时，自动切断负载，进行保证光伏系统的安全运行。
⑥过热保护，当系统工作温度过高时，自动停止给负载供电，故障排除后，自动恢复正常工作。
⑦光伏系统工作状态显示，可以显示出负载状态、环境状态显示、蓄电池端电压和荷电状态显示。
⑧最优化的系统能量管理（如温度补偿等）。
（3）蓄电池。其作用是贮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。
太阳能光伏发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。
常见的蓄电池的种类及其特点如表12-1所示。
表12-1 蓄电池的种类及特点
（4）逆变器。逆变器又被称为电源调制器，是一种主要有半导体器件组成的电力调节装置，通过半导体功率开关的开通和关断作用，把直流电转换为交流电的设备，便于满足大多数负载的需要，如大多数家用电器：日光灯、电视机、电冰箱等和绝大多数动力机械等都是用交流电工作。对于使用交流负载的独立光伏系统而言，逆变器是必不可少的。逆变器的输出包括直流输出和交流输出。直流输出的逆变器也被称为变换器，可以提供不同的直流电压给直流负载。交流输出，除了考虑输出功率和电压外，还需考虑其波形和频率。
现代逆变器种类很多，主要分类方式有：
①逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网运行逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能光伏发电系统，为独立负载供电。并网运行逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。并网运行逆变器根据有无变压器分为变压器型逆变器和无变压器型逆变器。
②逆变器按输出波型主要可分为方波逆变器、修正波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，维修方便，成本低廉，但谐波分量大，损耗大，噪声大，一般用于几百瓦至千瓦之间，并对谐波要求不高的设备。修正波逆变器输出的波形为阶梯波，比方波的质量明显改善，谐波分量明显减少，但电路比较复杂，对设备仍存在一些高频干扰。正弦波逆变器输出波形好，失真度低，干扰小，噪声低，但电路相对复杂，维修技术高，成本高，但可以适用于各种负载。
③逆变器按相数分类，分为单相逆变器、三相逆变器和多相逆变器。
④逆变器按输出交流电的频率分为工频逆变器（频率为50到60Hz）、中频（频率为几百Hz到十几kHz）和高频逆变器（十几kHz到MHz）。
对逆变器的基本要求：a.能输出电压稳定的交流电；b.能输出频率稳定的交流电；c.电压和频率在一定范围内可调；d.具备一定的过载能力：e.输出电压波形谐波成分尽可能的小；f.具备一定的保护和报警功能等，例如短路保护、接反保护、欠压保护、过压保护、过流保护、防雷保护、过温保护等，以应对各种异常情况，使逆变器本身以及系统其他部件免受损伤。
（5）监控系统。
监控系统是监控整个系统的运行状态，记录系统发电量等数据，并能对故障进行报警。
2.并网太阳能光伏发电系统
并网光伏发电系统是利用太阳能电池组件，在白天有光照时产生的直流电通过并网逆变器转换成符合电网需求的交流电之后直接与电网相连，产生的电力除了供给交流负载外，多余的电能反馈给电网。在阴雨天或者晚上没有光照时，太阳能电池组件不能产生电能就不能满足负载需求，由电网供电。并网发电不经过蓄电池储能，既可以节省蓄电池的费用，也可以充分利用太阳能光伏组件所发的电能从而减小能耗，并降低太阳能发电的成本。并网发电直接与公用电网相连，把太阳能转换成电能，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。
并网光伏发电系统的主要太阳能电池方阵（组件）、并网逆变器、配电柜、公共电网和监控系统等组成。如图12-21所示。其中的配电柜在并网发电系统的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系统正常供电，同时对线路的电能进行计量。
图12-21 并网光伏发电系统
并网光伏发电系统的重要特点是在微网中运行，通过中低压配电网接入互联特大或者超大的高压电网。并网光伏发电系统必须具备的条件是，逆变器输出的正弦波电流的频率和相位与电网电压的频率和相位相同。
并网光伏发电系统可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑；不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。
并网光伏发电系统主要有两种形式：集中式并网光伏发电系统和分布式并网光伏发电系统。
集中式并网光伏发电的特点是所发电能被直接输送到大电网，由大电网统一分配到各个用电单位，与大电网之间的电力交换是单向的。适于大型光伏电站并网，通常离负荷点比较远，比如荒漠上的光伏电站就采用此种方式并网发电。
分布式并网光伏发电，又称为分散式并网光伏发电或者住宅用并网光伏系统。指所发出的电能直接分配到住宅内的用电负载上，多余或者不足的电力通过联结大电网来调节，与大电网之间的电力交换可能是双向的，适于小型的光伏发电系统。
3.混合式太阳能光伏发电系统
混合式光伏发电系统，不但使用太阳能电池组件发电，还使用各种发电技术，如燃油发电机，风力发电等。与单一能源的独立太阳能光伏发电相比，对天气的依赖性小，负载匹配性更好。但混合发电的系统控制相对复杂，设计、安装工程量大；维护起来也更复杂，更多样；存在噪音和污染。
使用混合式光伏发电系统可以综合利用各种发电技术的优点，避免自身的缺点。如风光互补发电系统，主要由太阳电池组件、风力发电机组、控制器及蓄电池组等组成，如图12-22所示。
图12-22 风光互补发电系统的结构示意图
风光互补发电系统有很多优点：①利用太阳能、风能的互补性，具有昼夜互补、季节互补的特点，可以获得比较稳定的输出，提高系统供电的稳定性和可靠性；②在保证同样供电的情况下，可大大减少蓄电池的容量；③通过合理的设计和匹配，可以基本上由风光系统供电，无需外界供电；④可以独立供电；⑤低压供电，运行安全，维护简便；⑥减少了电力设施建设和维护等多项开支，节约成本。所以综合开发利用风能、太阳能，发展风光互补光伏发电系统有着广阔的前景。
二、太阳能光伏发电系统的应用
太阳能光伏发电系统按规模可以分为大中小三类，其中大型是指独立光伏发电系统的独立光伏发电站和混合式光伏发电系统的风光互补光伏发电站等；中型是指应用系统，如通讯、工业和交通设施灯，城市与建筑结合的并网光伏发电系统（BIPV）的应用等；小型是指比用户系统规模还要小的类型，如太阳能日用电子产品，例如太阳能电池充电器、太阳能电池路灯、太阳能电池手表等，太阳能光伏技术的应用无处不在。
（1）用户太阳能电源。
①小型电源10～100W不等，用于偏远无电地区如高原、牧区、边防哨所、海岛等军民生活用电，如照明、电视等；
图12-23 太阳能电源
图12-24 太阳能逆变器
②3～5kW家庭屋顶并网发电系统，如图12-25所示；
图12-25 屋顶并网发电系统
图12-26 光伏水泵
③光伏水泵。我国西藏、西北地区、内蒙古等地区干旱少雨，但这些地区太阳能资源丰富，利用光伏水泵可与灌溉设施配套使用，有效解决耕地灌溉问题，节水节能。
（2）交通领域。
如航标灯（图12-27所示）、交通/铁路信号灯（图12-28所示）、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯（图12-29所示）、高速公路/铁路无线电话亭（图12-30所示）、公路道班供电等。
图12-27 航标灯
图12-28 交通信号灯
图12-29 高空障碍灯
图12-30 高速公路无线电话亭
（3）通讯、通信领域。
如太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统、卫星通信和卫星电视接收系统、农村程控电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。图12-31所示为太阳能微波中继站。
图12-31 微波中继站
（4）石油、海洋、气象领域。
如石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等，图12-32为中国科学院南海研究所制作的海洋气象检测设备。
（5）太阳能日用电子产品。
如太阳能庭院灯、路灯、草坪灯；太阳能电池手表、计算器；太阳能电池帽；太阳能电池电动玩具；太阳能电池换气扇等。
（6）光伏发电站。
独立光伏电站、风光互补电站、各种大型停车场充电站等。如图12-33为青海黄河水电公司投资建设的黄河水电格尔木二期20MW光伏电站。
图12-33 格尔木光伏电站(www.xing528.com)
图12-34 BIPV结构示意图
（7）与建筑结合的并网光伏发电系统（BIPV）。
使光伏发电与建筑物结合，让太阳能电池光伏组件作为建筑物的一部分。利用建筑物的迎光面，吸收太阳辐射能直接变成电能。在有电网的地方提高峰值电力，减少常规能源消耗，保护环节。在无电地区配合蓄电池，解决生活和生产用电。BIPV结构图如图12-34所示，图中的①为太阳能电池组件；②为开关保护装置；③为电缆；④为并网逆变器；⑤为电表（显示的是光伏发电电量）。
其典型的应用为日本三洋太阳能光电公司运用简单的建筑意向设计，以诺亚方舟神话，修建了非常精美的超大太阳能建筑，堪称为太阳方舟。本身有超过5000块中型太阳能电池组件，全长315m，最大功率为630kW，年发电量50万kWh左右，可以为周围建筑提供电力，如图12-35所示。
图12-35 太阳方舟
2008年，世界上最大的太阳能多媒体幕墙在北京落成，总面积2200平方米，由2300块、9种不同的光电板组成。该墙体采用太阳能电池板和LED灯。白天，安装在玻璃幕墙后的太阳能电池板将太阳能转换为电能并储存；晚上，储存的电能为多媒体幕墙的显示工作提供能源，如图12-36所示。
三、太阳能光伏发电系统的设计
一个完善的太阳能光伏发电系统，需要综合考虑许多因素，比如，系统所在的位置，当地的气候条件、日照时间、负载的用电量等要素，才能确定电池板的安装方式、最低功率、规格及蓄电池的容量、性能及控制方式，使产品达到最佳性价比。如果对相关因素的估算失误，就会直接影响到独立光伏发电系统性能和造价。
光伏发电系统总的设计原则是在保证满足负载用电需要的前提下，确定最少的太阳电池组件和蓄电池容量，尽量减少成本，还必须保证可靠性。具体的设计如下：
1.收集基本数据
（1）安装地点的地理位置。
包括：地点、纬度、经度、海拔等。
（2）安装地点的气象条件。
包括：逐月太阳能总辐射量，直接辐射量（或日照百分比），年平均气温，最长连续阴雨天数，最大风速及冰雹、降雪等特殊气象情况。
（3）负载特性。
包括：负载的用电特性、负载对电源的要求等要素。
由于太阳能电池阵列输出的电流是直流，如果给交流负载供电，需要经过逆变器的转换，才能正常工作，这样太阳能最终供给负载的能量损耗就增大，从而所需太阳能电池就会增大，导致太阳能供电系统造价增大。
不同的交流负载对逆变器的要求也不同。通常，纯电阻性质的负载对逆变器要求不高，而电视、电动机等对电源要求相对要高，需要的逆变器功率及输出特性都要高，需用大功率的正弦波的逆变器，才能保证负载能正常工作，免受干扰。
2.计算最大负载量
负载每天工作时间及平均耗电量，连续阴雨天需要工作的时间。
3.选择蓄电池容量
蓄电池储备容量的大小主要取决于负载的耗电情况，此外还要考虑现场的气候条件，环境温度，系统控制的规律，还要考虑系统失效的后果等因素，通常储备10～20天容量比较适宜。
4.决定方阵倾角
通常用一种较近似的方法来确定方阵倾角。在我国南方地区，方阵倾角比当地纬度增加10°～15°；在北方地区倾角可比当地纬度增加5°～10°，纬度较大时，增加的角度可小一些。在青藏高原，倾角不宜过大，可大致等于当地纬度。同时，设计方阵支架时考虑到安装方便，方阵倾角常取成整数。
5.计算日辐射量
从收集到的气象数据需要换算成倾斜面上的太阳辐射量。
6.计算方阵电流，进而确定最佳电流
如果蓄电池全年荷电状态低于原定的放电深度，应增加电池方阵的输出电流；如果荷电状态始终远高于放电深度允许的值，则可减少方阵电流。当然也可相应地增加或减少蓄电池容量。若有必要，还可修改方阵倾角，以求得最佳的方阵输出电流。
7.计算太阳能电池方阵电压
方阵输出的电压要足够大，确保全年能有效地对蓄电池充电。
8.计算太阳能电池方阵功率
由于温度升高会导致太阳能电池方阵的输出功率下降，因此要求光伏发电系统即使在最高温度下也能正常运行。
四、太阳能光伏发电系统的安装与维护
在设计好光伏发电系统后，就要运输到安装现场。光伏发电系统通常在偏远地区建设，在运输中，所有部件都要妥善包装。例如，太阳能电池组件等易碎物品要用木箱装运，以免损坏，蓄电池不能倾倒，防止电解液溢出等不同的包装方式。
1.太阳能光伏发电系统的安装
在设计好太阳能光伏发电系统后，可以把各个部件连接起来组成一个完整的光伏系统。采用合适的连线、连接器和保护元件是非常重要的，它们可以保证系统可靠工作20年以上。整个系统的性能，安全性、可靠性、稳定性依赖于每一个连接，选用合适的工具使连线更加牢固，由此可见，安装是个很重要的环节。
以独立光伏发电系统为例，安装步骤如下：
（1）安装电池方阵。
必须考虑安装的方阵是固定的还是跟踪式的，是安装在地上还是杆上或者建筑物上。在方阵小系统中必须安装开关或熔断器作为保护装置，方便维修时能断开方阵。一般太阳能电池仿真采用钢化玻璃封装，外框用铝合金封装，能有效抵御风霜雪雨和冰雹的袭击，安装用金属支架固定，能抵御10级以上大风。
（2）安装蓄电池。
蓄电池是必须保护的部件，在北方冬天寒冷，蓄电池要采取保暖措施。可将电池放在防水的盒子内并埋在地下霜冻线以下，也可以将电池放在能保持温度高于0°的建筑物中。埋电池时，选择排水性良好的地点，而且要挨电池挖一个排水孔。任何电池都应该放在非专业人员接触不到的地方，特别注意不要让小孩靠近电池。蓄电池室应保持通风干燥、清洁。一般都有通风、散热窗子，以利于蓄电池散热。
（3）控制中心的安装。
控制器、逆变器、转换器通常与保护装置（如开关、保险等）安装在控制中心内。控制器必须安装在接线盒内，而且能确保将其他元件固定在其上。控制器和逆变器都不要和电池安装在一起，逆变器安装在可控制环境中，应该尽可能靠近电池，这样可以节省导线。另外，在安装时不要忽视接地。
（4）系统布线。
系统布线要遵循以下基本原则：首先，确保系统必须是安全的；第二，布线不能减低系统单元的性能；每个单元要处于最佳的工作状态。
另外，在安装时还有一些注意事项：
（1）安装时最好用指南针确定方位，并确保全天不能有高大建筑物或树木等遮住太阳能电池方阵需要的阳光。
（2）仔细检查地脚螺钉及方阵支架等是否结实可靠，所有螺钉接线柱等均应拧紧，不能有松动。
（3）如果方阵安装在房顶上，必须安装防火设备。
（4）在高处安装的太阳能电池组件应该安装避雷针。必要时还需设置驱鸟器。
（5）在太阳光下安装时注意不要同时接触组件（尤其是方阵）的正、负两极，以免电击，必要时可用不透明材料覆盖后再接线或安装。
（6）安装组件时要轻拿轻放，严禁碰撞、敲击，以免损坏。
（7）注意组件的极性，如二极管、蓄电池、控制器等不要接反。
2.太阳能光伏发电系统的维护
太阳能光伏发电系统没有机械部件，一般不容易损坏，其维护也非常简便。但仍然需要作定期维护，否则可能影响正常使用，甚至缩短使用寿命。
定期检查系统中所有接线的紧密度、牢固性。蓄电池的连线和方阵需要清洁。通常当方阵倾角超过300时，灰尘可由雨水冲刷而自行清洁，不过在风沙较大地区，应当经常清除灰尘，保持方阵表面的干净，以免影响发电量。
检查方阵安装支架，并保养各种安装牢固的支架。
经常检查蓄电池的充电放电情况，定期测量电解液的比重，及时添加新的电解液。随时观察电极或接线是否有腐蚀或接触不良之处。
在有负载时，检查每一个蓄电池的电压，可以监测出该电池是否需要替换。
检查系统走线。如果有线裸露出来，要检查绝缘性，检查绝缘处是否破裂。
检查保护装置，确保保护功能良好。
小 结
1.晶硅和非晶硅是制备太阳能电池的理想材料。
2.单晶硅的制备需要历经三个阶段：将沙子还原为冶金级硅；将冶金级硅提纯为半导体级多晶硅；将半导体级多晶硅转变为单晶硅片。
3.随着太阳能电池的应用从空间扩展到地面，电池生产成本成为推广应用的最大障碍。要想降低太阳电池的成本，就要降低硅材料成本。
4.单晶硅太阳能电池片制造工艺包括表面准备、扩散制结、等离子刻蚀、去磷硅玻璃、制备减反射膜、丝网印刷、烧结和检测分级等工序。
5.硅太阳能电池片包括单晶硅太阳能电池片、多晶硅薄膜太阳能电池片和非晶硅薄膜太阳能电池片。每种电池的制作工艺各不相同。
6.太阳能电池组件是太阳能光伏发电系统中的最重要的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或者送往蓄电池中存储起来，或者推动负载工作。太阳能电池组件的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。
7.太阳能电池组件主要由高效晶体硅太阳能电池片、钢化玻璃、EVA、透明TPT背板以及铝合金边框等组成。
8.太阳能电池组件的封装工艺流程：电池片测试；单片焊接；串焊；叠层（包括玻璃清洗、材料切割、玻璃预处理、敷设）；层压；修边；装框（包括涂胶、装角键、冲孔、装框、擦洗余胶）；焊接接线盒；组件测试；高压测试；成品检验；包装入库。
9.太阳能电池组件的封装通常有三种方式：环氧树脂胶封太阳能电池组件、有机硅胶封太阳能电池组件、钢化玻璃层压封装太阳能电池组件。
10.按照入网方式，太阳能光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统、并网太阳能光伏发电系统和混合式太阳能光伏发电系统。
思考与练习
1.简述从单晶硅到单晶硅太阳能电池组件的制备过程。
2.太阳能电池组件和太阳能电池方阵一样吗？有什么区别和联系？
3.太阳能电池组件有哪些部分组成？并叙述出各部分的作用。
4.试着阐述制备太阳能电池组件的要求。
5.试对不同封装的太阳能电池组件的应用举例。
6.逆变和整流什么关系？在太阳能光伏发电系统中为什么要用逆变器？
7.在独立太阳能光伏发电系统中，给直流负载供电一定要蓄电池吗？
8.简述在太阳能光伏发电系统中，控制器的作用。
9.如何降低太阳能光伏发电系统的损耗？
10.结合所见所闻，说出太阳能光伏发电系统的应用实例。
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