光伏发电的基本原理范文

导语：如何才能写好一篇光伏发电的基本原理，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：太阳能 风能 混合发电 研究应用

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（c）-0064-02

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

风力发电可以有效减少污染，因此被世界上很多国家和地区开发和利用，像荷兰就是著明的风车王国。风力发电的发展可以分为三个阶段：第一阶段是在20世纪70年代到90年代中期，此时风力发电还处于探索阶段。第二阶段是20世纪中期到21世纪，此阶段是风力发电技术走向迅速发展的阶段。进入21世纪后是风力发电发展的第三个阶段，这个阶段越来越重视保护环境，风能等可持续利用清洁能源的发展受到政策支持，开始出现大规模、集中发展。

目前全世界有上万个村庄使用太阳能光伏发电，光伏发电被应用于通讯、照明、航空航天、公共电力等很多方面。过去的几年中世界光伏组件快速增长，平均增长率可以达到15%。日本曾经提出“阳光计划”和“新阳光计划”用以发展太阳能电光伏产业，其光伏产业也得到了快速增长。世界上很多国家都有光伏计划，光伏发电也正在走向产业化。

1.2 国内研究现状

我国土地广阔，并有2/3的地区为多风地带，风力资源丰富，在20世纪早期我国就进行过风力发电的研究和实验。为了应对世界能源危机和满足偏远地区用电需求我国开始大力发展风电产业，并于1987年建立了第一座并网运行的发电站。随着不断发展我国建立了很多风力发电站，但是风力发电总装机容量在电力网络的总容量中所占比例还比较低，还有很大发展空间。

我国光伏发电的起步慢，发展快。20世纪50年代我国开始进行光伏电源的建造，在1959年成功制作了第一块光伏电池，之后我国光伏发电快速发展，1992年在新疆某地实现了用太阳能消灭无电状况，2004年在深圳建立了当时亚洲最大的太阳能并网电站。如今，我国太阳能光伏发电发展迅速，在规模和范围上都在不断扩大，在未来有很大的发展潜力。

太阳能和风能具有普遍、无污染、储量巨大等优点，并且除购买设备和维修之外不需要额外投入，价格低廉，因此被广泛利用。但是由于这两种能源的利用容易受到天气、地形的影响，并且分散不易集中，因此，在单独利用时需要面临供电可靠性低、造价高等问题。随着太阳能和风能发电技术的发展，人们根据这两种能源在多方面的互补性，提出了太阳能-风能混合发电系统。目前在风光混合发电系统的研究上，一方面是对控制系统进行计算机仿真和优化设计；另一方面则在研究提高系统供电运行的稳定性和高效性。就目前而言，我国太阳能-风能混合发电系统的应用还不够广泛。

2 太阳能和风能相关的理论概念

2.1 风能的相关概念

风是一种常见的自然现象，其成因是太阳辐射，全球能够利用的风能约2×107 MW，这是全球可利用水能总量要大10倍左右。风能的优点体现在蕴藏量大、无污染、可再生以及分布广泛，可以在电网不能到达的就地取材，为偏远地区提供电力。风能也存在一定的缺点，如：能量密度低、不稳定、地区差异大等，容易受到地理环境的影响。

2.2 太阳能相关概念

太阳能是一种取之不尽用之不竭的能源，太阳会通过辐射的方式向地球输送大量的能量，而被地球所接受的能量中，人的利用量极少。太阳辐射的优点在于其分布的普遍性，尤其是在一些偏僻地区能够弥补电网不能到达的空缺。太阳能还具有长久性和清洁型，太阳能是可以开发的蕴藏量最大的能源，并且太阳能发电可以极大减少环境污染，对于环境的保护有重要意义。不过太阳能也存在很明显的缺点，首先太阳能具有分散性，这也导致了利用太阳能的低效率以及高成本，虽然能量总量很大，但是能流密度却比较低，使得需要大面积收集和转换装备，使得利用太阳能发电较其他能源的成本较高。太阳能另一个显著特点是间歇性，太阳能的利用会受到海拔、经纬度以及天气阴晴的影响，因此，在利用太阳能时要做好蓄能工作。

3 风能和太阳能发电原理

风力发电的基本原理是通过风车叶片旋转来驱动风力发电机工作，随着旋转速度的增加，就可以产生电能。通过对于风力发电的研究人们知道，风速超过3 km/h的时候风车就可以进行发电，风力发电是一个系统，系统中包括充电器、风力发电机和数字逆变器等设备。在风力发电机中是通过定子绕组切割磁力线来产生电能的，这是风能转化成电能的过程。由于风量时常发生变化，所以发电机会输出交流电压，其输出的功率将会通过整流器和充电器对蓄电池进行充电，这个过程电能被转化成了化学能，之后保护电路里的逆变电源将电池中的化学能再次转化成电能。目前常用的风力发电机主要有异步风力发电机、双馈异步发电机和直驱式交流永磁同步发电机等三种类型，不同的风力机组有不同的数学模型和工作原理以及分析方法，在功能上则各有优势。

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关键词：光伏发电材料 转换效率 新进展 规模化应用

中图分类号：TK514 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）08（b）-0002-01

随着太阳能尤其是太阳能光伏发电（简称“光伏发电”）的应用越来越广泛，更多新材料和新技术不断涌现。本文将着重介绍近期光伏发电材料技术的进展，并简述规模化应用趋势。

1 太阳能光伏效应

光伏材料将光能转换为电能，这个过程叫做光伏效应。光伏效应的过程即半导体材料吸收光子能量，使到半导体中的原子发生原子能级跃迁，然后释放电子并形成电压的过程。入射光子的能量e=hν，（h为普朗克常数，ν为入射光子的频率），只有当入射光子的频率达到一定数值，使到入射光子的能量e大于半导体能级跃迁并释放电子所需要的最小能量—— 禁带宽度，才能使原子能级跃迁并产生电子。

2 太阳能光伏应用常见材料特性

根据NREL的最新光伏转换效率统计发现[1]，近年来，光伏转换效率在全世界的各个实验室不断被刷新，为光伏发电的发展奠定了坚实的技术基础。

2.1 多重结和单重结III-V族材料

多重结和单重结太阳能电池的转换效率最高，在多重太阳聚焦下，单重结的效率可达20%～30%，而三重结材料的光伏转换效率，可达到40%。2011年在美国Solar-Junction公司的试验数据显示最高的转换效率为43.5%[1]。在2006年，Emcore公司推出了有效面积为108mm2的三重结太阳能电池，其在200余倍聚焦数下能量转换效率达到37%[2]。多重结材料生长制备一般采用金属有机化学气相沉积，这需要精密的材料配比控制和生长速率控制，成本较高，加上重结III-V族材料如Ga、As和Ge在地壳中的含量还不到10%～5%，综合考虑下更适用于高密度辐照下的光电转换。

2.2 单晶硅和多晶硅

在硅系太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术最成熟。UNSW大学在2000年以前就已经实现25%的单晶硅材料的转换效率。多晶硅太阳电池的出现主要是为了降低成本，其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，制造过程简单、省电、节约硅材料，对材质要求也较低。弗劳恩霍夫研究所的太阳能系统在2005年前发表的最高的多晶硅转换效率为20.4%。在实规模化应用中，多为单晶硅产品，其效率在13%～16%左右。

2.3 薄膜技术

薄膜技术可采用的材料包括无定型硅、多晶硅、微晶硅以及碲化镉（CdTe）和铜铟硒（CIS）等，其电池的转换效率从12%～20%不等。薄膜技术电池可通过薄膜制备方法如射频建设、真空蒸发等将这些材料沉积到玻璃基板甚至柔软的基板上制作。其制备简单，转换效率也不低，据报道，CuInGaSe电池的转换效率已经达到19.2%[3]。由于铜、铟和硒材料资源相对丰富，薄膜技术制备简单，其成本低很多，适合大规模应用。

2.4 有机聚合物、无机聚合物和燃料敏化物太阳能电池

目前，这几种材料仍然在研究、开发和探索之中。目前实验室数据为有机聚合物的效率为10.6%、无机聚合物的效率为10.1%和染料敏化物的效率为11.4%[1]。这些材料制成的太阳能电池成本远远低于半导体材料，而且可以制备柔软底板的大面积电池。因其制作成本也远远低于半导体材料，而且可以制备柔底板的大面积电池，适合用于建筑物上。

2.5 新兴材料

基于薄膜技术的表面等离子材料，一般用玻璃、塑料或者钢材来做衬底，这样可以降低成本。目前的一种方法是通过在薄膜太阳能面板上放置金属纳米粒子，光入射后，金属纳米粒子实现等离子共振然后对光进行散射，这样增加光吸收而无需增加更多的薄膜电池层，从而实现效率的提高，其效率可预计能达到40%～60%。

另外一种新型材料是由碳原子构成的单层片状结构的石墨烯。这是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。这种材料的太阳能电池，目前最新研究得到的效率为8.6%[4]。

2.6 其他

基于纳米科技的量子点、量子阱和超晶格材料也有不少机构在研究。此类型材料的优势一般是可更好地匹配太阳能光谱，但其研究还比较少，目前的效率不高，离稳定性和量产化还有一段距离。研究指出[5]，相对于常规的块状太阳能电池，多量子阱、超晶格以及量子点用于光伏设备可大大提高理论上的最大效率，可实现光伏转换效率达40%甚至更高。

3 结语

随着光伏发电材料的不断深入研究和试验，可以预测在未来的5～10年，将会有越来越多新型和改进型材料的出现，逐步解决材料的吸收问题，效率问题，稳定性问题，工艺规模化生产的成本问题。从规模化生产和应用的角度看，硅技术、薄膜技术和聚合物电池仍为主导，量子点和纳米技术将给传统技术带来新的生命。

参考文献

[1] National Renewable Energy Laboratory （NREL）， Best Research-Cell Efficiencies （revision 2012.04.04）， http：///wiki/File：PVeff（rev120404）.jpg.

[2] EMCORE T1000 Cell-Triple-Junction High-Efficiency Solar Cells for Terrestrial Concentrated Photovoltaic Applications[R].Http：///assets/photovoltaics/T1000%20Data%20Sheet%20March%2007.pdf.

[3] 方祖捷，陈高庭，叶青.太阳能发电技术的研究进展[J].中国激光，2009，1，36（1）：5-14.

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关键词：新能源发电；教学方法；教学改革；教学理念

中图分类号：TM619 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）14-0217-03

从2006年秋季学期开始，我校电气信息学院就面向电气工程及其自动化专业学生开设了新能源发电技术方面的选修课，2009年学院改革，对原有专业进行重组、调整，新成立了电气与新能源学院，开始招收电气工程及其自动化（新能源发电方向）专业的本科生，重点培养从事新能源技术领域的研究、开发、维护、管理等方面的高级工程技术人才，并在2010年开始招生，现已经达到80人规模，开设的相关课程（含实验）一般安排在第五学期。

开设“新能源发电技术”专业选修课的目的是为了帮助电气工程及其自动化专业的学生全面了解能源科学概况、世界范围内面临的能源问题及其解决对策和发展前景、新能源开发利用的重要性以及新能源开发利用技术等方面的知识。课程内容涉及新能源基础知识、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等内容。针对目前选修课的建设和完善已成为高校教学改革深化的重要环节，选修课教学已然成为高校基于社会对复合型人才的迫切需求，本文将以新能源发电技术课程为例，分别从教学内容的选择、教学方法、教学手段和教学理念等方面进行一些改革研究与分析，其目的在于提高选修课教学质量、促进学生综合能力。

一、精选教学内容

新能源发电技术是一门专业性、综合性较强的应用学科，涵盖了风能、太阳能、生物质能等多种新能源的内容，综合了电气工程、机械工程、工程力学、物理学等学科知识。因其涉及的专业门类、知识面比较宽广，学生普遍反映不太容易找到学习规律，难以把握重点，理解稍困难。因此，结合新能源发电技术课程的培养目标，适当选择课程的教学内容，综合与电气工程相关的专业课，在教学过程中以新能源的发电方式为核心，分析各种类型的新能源、能量转化方式、发电原理等内容之间的相关联系，引导学生逐步把各个关联的知识点汇成知识链，促进学生学习和记忆。对于各种新能源的发展历史、资源分布和特点则可做简单介绍。另一方面，考虑到电气工程专业对学生的培养目标要求，比如有关风力机的空气动力学原理、太阳能热转换原理、生物质热裂解过程等内容可只做概述性讲解，让学生了解其基本概念。教师在教学过程中，需要注意引进当前国际国内的最新科研成果来丰富新能源课程的教学内容。该课程涵盖多方面学科，是当前大力提倡发展的一个技术方向，其涉及到的信息量多，知识更新快。特别是最近几年，不断涌现出研究新能源发电及其相关技术的新方法，使得新能源发电技术得到大力发展。因此，在选择和组织教学内容时，以教材为主体，综合大量的相关文献资料及网络资源，例如中国新能源网、中国新能源发电网等，适当增加一些不仅能反映新能源发电技术前沿领域的新理论、新技术，而且又能展现学科交叉、扩大学生视野的教学内容，不断在教学实践过程中提高这门课程的教学质量。

二、探索灵活的教学方法

在新能源发电技术课程的教学中，需要积极探索，发掘与课程特点相匹配的教学方法。在课堂教学中，需要注重知识性、趣味性，注意理论与实际相结合，可在教学过程中采用启迪式、比较式、讨论式和流程式等多种不同的教学方法，目标明确，重点突出，充分调动学生的学习积极性。

1.启迪式教学法。这种方法可以较好地激发学生的学习积极性，促进他们主动思考，培养他们分析和解决问题的能力。例如，在讲解并网光伏发电系统时，根据学生之前掌握的光伏发电基本原理，启发他们思考为什么要对独立的大规模光伏发电系统进行并网、并网的方式是怎样的、并网的过程中还需要增加哪些相应的装置。通过在教学过程中设置这样一些问题，逐渐开阔他们的思维方式，让他们认识到要使得太阳能发电得到大规模、高效率的利用，必然要对光伏发电系统进行并网，在并网的光伏发电系统中，并网逆变器又是核心设备，不仅能够把光伏电池组件输出的直流电转换成与电网同频同相的交流电馈入电网，同时还起到调节电力的作用。此外，在讲解上述知识点的过程中，还能够巩固学生在电力电子技术课程中所学到的关于逆变器的知识点，培养他们对所学到的各种知识点进行融会贯通、举一反三的学习能力。

2.比较式教学法。采用不同形式的图表对各种新能源发电方式或同一种新能源的不同利用形式进行互相对比，不但形象直观，还有利于培养学生综合分析问题的能力。例如在讲解恒速恒频与变速恒频风力发电系统时，由于这两种风电系统涉及到的知识点特别多，且较难理解，学生在学习过程中难以深入掌握各种系统的工作原理、结构差别等内容，多数学生仅了解大概情况，因此，十分有必要采用图表形式，分别从恒速恒频与变速恒频风力发电系统的拓扑结构、原理、发电机类型、并网方式等多种角度进行归纳、对比，加强学生对这两种最重要的风力发电系统的认识，逐步化解学习风力发电的困惑。

3.讨论式教学法。这种教学方法不仅可以发挥教师的导向作用，还可引发学生的学习主动性。比如在讲解三种经典的太阳能热发电系统时，可以提前安排三组学生分别搜集关于槽式、塔式和碟式太阳能热发电系统的资料，并在上课时先分别邀请各组的学生代表描述他们所认识的这三种不同的太阳能热发电系统，可以从热发电系统的基本原理、系统结构、组成部件、系统功能、应用情况等方面进行阐述。在讲述过程中，教师可适时启发他们，就其中的某一知识点，可以是大家感兴趣的，或者是十分重要的知识点进行展开，和同学们一起探讨，帮助学生深入理解不同类型的太阳能热发电系统的工作原理等内容。同时，在这种讨论式教学过程中，结合不同太阳能热发电系统的图片进行讲解，可以使得整个教学过程更生动、更丰富多彩。

4.流程式教学法。当涉及到知识点繁多、关联性强的教学内容时，可以采用流程式教学法。这种方法可首先从系统的角度进行说明，再逐层清晰讲解，可帮助学生培养良好的思维习惯和分析解决实际问题的能力。例如，在讲解有分拣场垃圾发电工艺流程时，结合美国的H-Power夏威夷垃圾发电厂实例，采用如图1所示的垃圾发电工艺流程来介绍。

先阐述在垃圾焚烧前，需要经过一系列输送、筛选和粉碎装置，把那些不易处理和不能燃烧的垃圾首先在分拣场清理掉。再介绍经过处理后的垃圾则被送入高温焚烧炉中焚烧，形成的残渣、灰渣送出填埋。烟气在排放前需注入石灰脱硫，中和酸性气体，并传热给水变成高温高压蒸汽，进入汽轮机发电。最后，还要说明烟气经锅炉尾部受热面后，经静电除尘达标后，进入烟囱排放，静电除尘后的细灰渣则可做建材进行综合利用。通过这样一个简洁的垃圾发电工艺流程图，可让学生迅速掌握垃圾发电的基本原理，了解各个生产环节的作用和相互关系，培养学生分析复杂问题的系统性思维。

三、采取多样的教学手段

相对于必修课而言，专业选修课的特点决定了它的教学方式有所不同，其更注重知识体系的完整性和学生兴趣的引导。这必然要求教师不断革新自己的教育观念，在教学过程中全面认真地设计教案，采用多样化的教学手段调动学生的学习兴趣，充分激发学生的学习积极性，引导他们主动参与到课堂教学过程中，展现他们的课堂主人翁精神。

1.主次分明，突出重点。由于新能源发电技术课程涵盖内容较多，而授课学时又有限，因此在教学中不可能讲授全部内容，必须做到重点突出，精讲主要内容。比如在纵多类型的新能源发电方式中，根据我们学院的专业设置特点，可重点讲授太阳能发电、风能发电和小水力发电。此外，还要注意详略结合，对主要的、基本的内容仍可采用讲课方式，而对其他内容则可以讲座、讨论方式开展，增大课堂教学的信息容量。比如在讲授太阳能发电时，就应以讲课方式详细讲解光伏发电，而以讲座方式讲解太阳能热发电。这种主次分明的讲课模式，不仅能使学生扎实学到本课程最主要、最核心的内容，还可以开阔他们的知识面和视野。

2.应用先进教学手段，提升教学效果。根据精选的授课内容，有效地运用网络资源，制作形象直观的多媒体课件，以改善教学的直观效果，增加授课内容的信息量。例如，当介绍不同类型的水平轴式风力机和垂直轴式风力机时，可以多向学生演示一些与它们相关的图片和Flas，结合这些多媒体资料讲解，可加深学生印象，让他们对这几种典型的风力机及其工作方式等内容有更深刻的理解。同时在上述教学过程中，要注意与传统板书方式相结合，引导学生逐步分析，并适当地留给学生一些思考时间，较好地把握课堂节奏。

3.结合实事，激发学生学习积极性。新能源发电技术课程所讲授的一些主要新能源发电方式在目前逐渐得到越来越多的应用，与人们的日常生活也越来越紧密。在介绍不同类型的新能源时，可以充分结合当前社会生活中出现的一些相关时事焦点事件，把它们提出来让学生讨论，既能激发他们的学习热情，活跃课堂气氛，还加强了他们对讲课内容的理解。例如，墨西哥湾的BP公司漏油事件、康菲环渤海湾污染事件，特别是全球石油供需关系的发展态势、气候变化和环境保护的压力，都迫切需要全球共同确定和构筑能源发展的新理念，开创新时期能源发展的新路子。结合上述实例，引导学生思索大力发展新能源、调整能源结构的必要性，让他们从新能源利用方式等层次进行探讨。通过这种教学方式，不仅可让学生深入理解课程内容，激发他们的兴趣，还能培养学生解决实际问题的能力。

4.穿插习题，实时归纳。在风力发电部分的教学过程中，其涉及到的不同类型风力机结构、发电方式、并网方法等知识点比较多，多数学生会感到理解有一定困难。为了让学生能够及时掌握课堂所学内容，讲课过程中可在恰当时候穿插一些事先准备好的习题，这些习题不一定来自教材，教师可根据其他相关资料自主设计。通过课堂练习，可以考查学生对相关知识点的掌握程度和存在问题，及时解决他们的困惑。比如，在讲解变速风机驱动双馈异步发电机并网系统时，可穿插一个关于发电机转子回路控制方式的多选题，通过该练习，能够加深学生对这部分重要内容的理解，从一定程度上也可改善课堂氛围，充分激发学生的学习主动性，发挥学生的主体作用。

5.结合共同点，学习新能源发电。新能源发电方式与常规能源发电方式，除了在一次能源的来源与能量转换方式等方面有较大不同外，它们在发电环节大多具有很多共同点。因此，在讲授各种新能源发电形式时，注意随时和常规能源发电方式进行类比，结合两者之间的共同点讲解，不仅可以促进学生对新能源发电方法的理解，还可以巩固他们对常规能源发电方法的认识。例如，在讲授地热发电时，其和火力发电的原理基本一样，都是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能，然后带动发电机发电。所不同的是，地热发电不象火力发电那样要装备庞大的锅炉，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地热能。

四、培育素质教育的教学理念

不论是专业必修课，还是选修课，教师都需要培育素质教育的教学理念，新能源发电技术课程的教学更是如此。通过在理论教学过程中，结合一些生动的经典案例等进行讲授，既可调动学生学习的主观能动性，又能加强他们对新能源发电方法的认识，逐渐培养学生探索求知的精神。比如，通过介绍风能发电的几种典型装置与设备，以探究风能发电在当前得以大规模运用的原因。正是这些大量科研人员对风能发电装置的研发，才使得风能发电不仅仅是论文里的成果。通过一些经典案例，充分调动学生学习的主观能动性、学习兴趣和求知欲，这样才能达到开设专业选修课“培养学生能力，挖掘学生潜能”的目的。

五、结语

新能源发电技术课程是一门知识覆盖面广、学科前沿的专业选修课，而随着其利用方式和技术的不断发展，这门课程的教学内容也将不断更新，教学方法也会随之不断改进，通过改进教学手段和逐步增加实验环节，实时强化创新意识，这样就一定能够逐步改善人才培养过程中普遍出现的一些问题，如学生能力薄弱、缺乏创造性、主动性等，达到真正提升学生的思维创造能力以及综合素质的目的，培养出与时俱进的、创新型的合格应用型人才。

参考文献：

[1]高婷，童莉葛，王新立.公共选修课《新能源技术》的教学[J].河北理工大学学报（社会科学版），2006，6（1）：156-158.

[2]李桂峰，肖春玲.运用现代教育技术培养学生的创新能力[J].农业与技术，2008，28（3）：175-176.

[3]付蓉，郭前岗，王瑾.电力电子与新能源发电方向课程体系的构建与实践[J].中国电力教育，2009，（8）：86-87.

[4]孙云莲.新能源及分布式发电技术[M].北京：中国电力出版社，2009.

[5]翟秀静，刘奎仁，韩庆.新能源技术[M].北京：化学工业出版社，2011.

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关键词：太阳能；光伏发电系统；蓄电池组；逆变器

1 前言

传统的煤炭、石油等一次能源是不可再生的，终归要走向枯竭。提高能源利用效率、开发新能源、加强可持续能源的利用，是解决经济和社会快速发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾的必然选择。太阳能是所有可再生能源类型中以其资源储存量高、占用土地资源少、分布广泛等优势成为一致公认的最具开发潜力的新能源，而光伏发电更是因为其污染几乎为零及能源转换环节少的特征成为太阳能利用中最为广泛应用的一种方式，并成为各国普遍重视的一种新能源利用方式。从我国国家发展战略来看， 大力开发太阳能资源是能够保证我国能源供给、实现节能减排、促进产业结构调整及发展新兴战略性行业最终实现可持续发展的重要条件。

2 光伏发电基本原理

太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种发电系统。太阳能半导体晶片上部为N型半导体，下部为P型半导体，当P型半导体和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。光是由光子组成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定，光被晶体硅吸收后，在PN结中产生成对正负电荷，PN结区域的正负电荷被分离，形成外电流场。如果将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间，负载将有电流流过。太阳能半导体晶片通过有序的组合形成太阳能电池组件，若干太阳能电池组件构成太阳能电池方阵。

3 光伏发电系统构成

光伏发电系统主要由太阳能光伏电池组件、控制器、蓄电池、逆变器等组成

3.1 太阳能光伏电池组件

太阳能光伏电池组件由太阳能电池片经串并组合，并用高强度、高透光、性能强的太阳能专用钢化玻璃及高性能、耐紫外线辐射的专用密封材料层压而成，形成不同规格的电池板，即太阳能光伏发电系统的基础和核心器件。目前工程上采用的光伏电池主要有：单晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅电池三种。

3.2 控制器

控制器的作用是使太阳能电池和蓄电池高效、安全、可靠地工作，以获得最高效率并延长蓄电池的使用寿命。控制器对蓄电池的充、放电进行控制，并按照负载的电源需求控制太阳能电池组件和蓄电池对负载的输出电能。

控制器是整个光伏发电系统的核心部分，通过控制器对蓄电池充放电条件加以限制，防止蓄电池反充电、过充电及过放电。另外，控制器还应具有电路短路保护、反接保护、雷电保护及温度补偿等功能。

3.3 蓄电池

蓄电池组是太阳能光伏发电系统中的储能装置，由它将太阳能电池方阵从太阳辐射能转换来的直流电转换为化学能储存起来，以供负载应用。由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池才能使负载正常工作。

蓄电池容量应在满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件的能量尽量的存储下来，并能存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。但若容量过大，使蓄电池处在亏电状态，将影响蓄电池寿命，造成浪费。

3.4 逆变器

逆变器可分为自激式振荡逆变和他激式震荡逆变，按照波形可以分为方波逆变器和正弦波逆变器。主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电，经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等匹配的正弦波交流电源，供系统终端用户使用。逆变器具有电路短路保护、欠压保护、过流保护、反接保护及雷电保护等功能。

4 光伏发电系统设计

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，确定最少的太阳能电池组件和蓄电池容量，以尽量减少投资，即同时考虑可靠性及经济性。系统设计总体考虑主要是通过技术经济分析合理地确定满足要求的太阳能电池组成件数量和蓄电池容量，包括安全性、可靠性方面的要求。

在进行光伏系统的设计之前，需要了解并获取一些进行计算和选择必需的基本数据：光伏系统现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔；该地区的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量以及散射辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速以及冰雹、降雪等特殊气象情况等。

4.1 蓄电池容量计算

设计蓄电池容量的基本公式见下：

Bc=A×Ql×Nl×To/Cc

式中：Bc―蓄电池容量（Ah）；

A―安全系数，取1.1～1.4之间；

Ql―负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数（Ah）；

Nl―最长连续阴雨天数；

To―温度修正系数，一般在0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2；

Cc―蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。

4.2 太阳能电池方阵设计

1）太阳能电池组件串联数Ns的基本公式见下：

Ns=UR/Uoc=（UF+UD+Uc）/Uoc

式中：UR―太阳能电池方阵输出最小电压（V）；

Uoc―太阳能电池组件的最佳工作电压（V）；

UF―蓄电池浮充电压（V）；

UD―二极管压降，一般取0.7V；

UOC―其它因数引起的压降。

2）太阳能电池组件并联数Np的基本公式见下：

Np=（Bcb+Nw×Ql）/（Qp×Nw）

式中：Bcb―需补充的蓄电池容量（Ah）；

Nw―两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数；

Qp―太阳能电池组件日发电量（Ah）。

3）太阳能电池方阵功率的基本公式见下：

根据太阳能电池组件的串并联数，即可得出所需太阳能电池方阵的功率P：

P=Po×Ns×Np

式中：Po―太阳能电池组件的额定功率（W）。

4.3 最大功率点跟踪（MPPT）

目前光伏电源能源利用率较低、供电稳定性与可靠性也不高。光伏系统的最大功率点跟踪方法可以最大限度地利用光伏电池所产生的直流电能，通过实时检测光伏阵列的输出功率和一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，从而改变当前的阻抗情况来满足最大功率输出的要求。这样即使太阳能电池的结温升高使得阵列的输出功率减少，系统仍然可以运行在当前工况下的最佳状态。常用的MPPT实现方法有：定电压跟踪法、功率反馈法、扰动观测法、导纳增量法、实际测量法。

4.4 孤岛效应

由于光伏并网发电系统直接将太阳能逆变后输送到电网，所以需要各种完善的保护措施。除了通常的电流、电压和频率监测保护外，还需要考虑一种特殊的故障状态，即孤岛状态。所谓孤岛，电网由于电气故障、人为或自然等原因中断供电时，光伏并网系统未能及时检测出停电状态并脱离电网，使该系统和周围的负载组成一个不受电力公司掌控的自给供电孤岛的情况。一般采用具有反孤岛功能的并网逆变器，当向孤岛负载中的任一种供电时，能够在10个电网周期内检测出孤岛状态并停止供电。

5 结束语

近年来，随着国内能源消耗量的日渐攀升，国内能源供应日趋紧张，成本持续创新高。与此同时，太阳能光伏技术不断得到创新和发展，非晶硅薄膜太阳能电池的生产成本逐渐降低，生产技术已日趋成熟。专家预测，我国城乡建设和太阳能光伏发电的有效结合，并切实实施光伏并网发电，将逐步优化我国的传统能源结构，对于解决因传统能源使用而造成的环境问题、改善生态环境、解决能源供应紧张和实现人类健康和可持续发展等具有重要意义。

参考文献：

[1]王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2]周志敏，纪爱华.太阳能光伏发电系统设计与实用实例[M].北京：电子工业出版社，2010.

篇5

关键词：光伏发电系统；并网；配电网；影响

中图分类号：U223文献标识码： A

近年来，以可再生能源为主的分布式发电技术得到了快速发展，成为大系统电能供应不可缺少的有益补充，集中式与分布式电源的有机结合将是21世纪电力工业与能源产业的重要发展方向[1]。一般来说，分布式电源是集成或单独使用、靠近用户的小型模块化发电设备，多为容量在50MW以下的小型发电机组，包括风电、光伏、生物能等在内的可再生能源发电系统。

本文主要分析分布式光伏发电系统。从电网运行管理这个角度出发，光伏发电本身具有的特性异于常规发电方式（如火电、水电的可控性），这对电网的运行管理，特别是电能质量、可靠性以及安全性等方面提出了更高的要求。现阶段人们对光伏并网发电系统的特性（包括光伏发电系统自身、并网光伏发电系统对电网的影响以及电网对并网光伏发电系统的影响）认识还不够。所以研究实际的并网光伏发电系统对电网的影响就变得非常有实际意义。

以新疆博州地区20MWp光伏发电系统为例，通过35kV输电线路接入系统，通过该光伏电站实际运行数据并结合现阶段博州地区电网负荷特性，分析分布式光伏发电系统接入电网对博州地区电网电压、负荷预测、调度运行等方面的影响。

1博州地区电网特性

博州地区电网处于新疆电网末端，相对于新疆地区电网来说该地区电网属于较小的电网，且该地区无大型工业负荷，基本靠农灌负荷支撑，因此负荷峰谷差较大，电压矛盾突出，调压手段单一。

2分布式光伏接入系统情况

海润光伏电站是目前博州地区容量最小的一座光伏电站，通过35kV海润杞光一线直接接入110kV红杞变与主网相连，本期规模为20MWp，目前已全部并网运行。接入系统示意图如图1所示。

图1 海润光伏电站系统接入示意图

该光伏电站站内采用40台SG500MX型号光伏组件，机端额定电压315V，额定功率为0.5MW，通过20台分列升压变分成4组升压汇集线至35kV母线，35kV母线上接有一台SVG，容量为-2~+2Mvar。

3光伏发电基本原理与特点

光伏发电是指利用光伏电池将太阳辐射能量直接转化为电能的发电方式。根据入网方式和安装类型，太阳能光伏发电系统可分为独立太阳能光伏系统（也称离网型）、并网光伏系统和混合型光伏发电系统[1]。

海润光伏电站则属于并网光伏系统，它由光伏组件、直流检测配电箱、交流逆变器、计量装置以及上网配电系统组成。该站通过太阳电池阵列产生电能，通过交流器逆变成交流接入到主网系统中。

图2 并网光伏发电系统示意图

光伏发电系统特点是太阳能无枯竭危险、属于清洁型能源、基本不受资源分布地域的限制、可在负载处就近发电、能源质量高等，但也存在其劣势，比如造价高、夜间不发电、照射能量分布密度小等。

4对电网的影响

4.1对电压的影响

海润光伏电站通过35kV输电线路接入110kV红杞变35kVⅠ母，110kV红杞变采用中低压侧分列运行方式。在正常运行方式下，110kV红杞变35kVⅠ、Ⅱ母电压均衡，当光伏电站满发时，由于光伏发电，是的母线上传输功率下降，导致该段母线电压升高，从而导致某些节点的电压越上限，分析表明电压上升的幅度与接入光伏电站的位置和总量的大小密切相关。

对于上述电压越上限的问题，通常采取的措施是调节配网中有载变压器的分接头、电压调节器和投退无功补偿等设备。然而合理设置光伏电站的运行方式对于配网中的电压调整也是至关重要的。如在冬季负荷低谷期，主网系统电压本身偏高的情况下，而光伏电站此时处于停发状态，站内SVG并没有参与电网的调压工作，那么接入点的电压明显被抬高。此时接入点电压将可能越上限，这时就必须合理的设置光伏电站的运行方式。比如规定光伏电站必须参与电网的调压，吸收输电线路中多余的无功功率。在线路重负荷期间，光伏电站必须多发无功，以改善线路的电压质量。

光伏发电对电压的影响还表现在谐波、电压偏差、电压不平衡度、直流分量、电压波动和闪变等方面。光伏发电的出力受太阳的入射福照度而变，可造成局部线路电压波动和闪变，若与负荷的波动叠加在一起，又将带来更大的电压波动和闪变。如图3、4、5所示为海润光伏电站出力情况和对接入点电压的影响。

图3 红杞变侧光伏电站有功曲线

（单位：MW,h）

图4 红杞变侧光伏电站无功曲线

（单位：Mvar,h）

由图3可以看出，在13:00-15:00之间，海润光伏电站出力最大，受光照密度小的影响并未达到满发状态。光伏最大出力时，该站也发出一部分无功功率，对电网电压有一定的调节作用，在13:00-15:00之间，受光伏无功出力影响，电压明显有下降趋势。但因博州地区负荷基数小，电压长期偏高，最高可达38.7kV，最低电压也在37.6kV，电压振幅可达1.1kV。如图5所示。

图5 接入点35kV母线电压曲线

（单位：kV,h）

对于该地区电网而言，调压手段单一且负荷基数小是导致调压困难的最主要原因，加之近年来光伏、风电等新能源和电气化铁路的大量接入，加重了调压难度。同时该地区电网目前并无SVC静止无功补偿装置，无法达到优良的无功补偿效果。

4.1.1 SVC技术原理及应用

SVC是以晶闸管控制的电抗器TCR、晶闸管投切电容器TSC及两者混合装置TCR+TSC等主要形式组成，其重要特性就是能比较稳定的保持动态变化负荷的功率因数，同时还具有较快的响应速度以维持端电压的恒定。能较好解决单相负荷造成的供电网严重三相不平衡及功率因数低、谐波含量高、电压波动与闪变等问题。因此SVC非常适合大量光伏电站接入系统的电网。

4.2 对负荷预测的影响

新疆地区电网现行的电网发电计划，尤其是日负荷预测是当日12:00前预测第3工作日的负荷。由于光伏发电站的发电量受天气变化影响，使得整个电网的负荷总量具有了更多的多变性和随机性，从而给电网的发电计划，尤其是日负荷预测的准确性带来了较大的难度。

4.3 对调度运行的影响

光伏发电受光照变化的影响出力不受控制。海润光伏电站也不具有调度自动化功能，电网调度运行部门不能对其直接控制，所以不能参与电网电压的调整和电网的调频。这无疑会减少配网中的可调度发电厂的容量，给配网控制与调度运行带来更大地难度。

4.4对继电保护的影响

博州电网中的配网保护主要是断路器的电流三段保护，主线路上装设有自动重合闸，支路上为熔断器。海润光伏电站接入配电网的末端，改变了原有的单侧电源和辐射型网络，使其变成了双断网络，从而改变了故障电流的方向、大小和持续时间。

图6光伏并网与配网典型接线示意图

如图7所示，当线路AB段K1点发生短路故障，依据选择性原则应由保护QF1动作切除故障。故障点K1的故障电流由系统电源和PV共同提供，此时的故障电流要大于PV接入前的故障电流，然而QF1感受到的故障电流仅由电源侧提供，由于PV分流作用使得QF1感受到的故障电流减小，影响了保护QF1的灵敏性，若接入点PV的容量很大，保护QF1可能会拒动。当K2点故障，故障电流由系统电源和PV共同提供，由于PV的助增电流作用，使得保护QF2的灵敏性增加。

光伏电站自身的故障也会对并网系统的运行和保护产生影响。另外，当光伏系统抗孤岛保护功能时间不能和自动重合闸装置协调配合时，也会引起非同期合闸等危害。

当配电网故障时，光伏并网发电系统可能采取解列运行方式，但解列后重新接人电网的同期过程中，应尽量减少对配电网产生的冲击，且应采取一定的控制策略和手段给予保证。

5 结论

光伏作为分布式新能源发电的一种形式，越来越受到人们的青睐，其发展的步伐不可阻挡。然而大量的光伏并网发电运行，对传统的输配电网的安全稳定运行带来了新的挑战。

本文根据实际的海润光伏电站运行数据的分析，指出光伏电站对配电网电压、短路电流、电网调度和日负荷预测等方面影响。因此，有必要进行深入的研究并网发电对配电网的影响。使接入光伏的配电网能够更加安全、稳定和经济的运行。

参考文献

[1] 吴素农，范瑞祥，朱永强等.分布式电源控制与运行 [J].太阳能,2012(3):64-65.

[2] 方廷,韩郁,张岚.一种多逆变器太阳能光伏并网发电系统的组群控制方法[J].电网与清洁能源,2009,25(7):57-60.

[3] 马胜红,陆虎俞.太阳能光伏发电技术 储能蓄电池[J].大众用电，2006 (4) 40-43.

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【关键词】：太阳能；光伏发电；建筑节能；

中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：

前言

我国是建筑产业快速发展的国家，建筑运行能耗占到全社会总能耗的30%左右。因此，如何提高建筑的能源使用效率，和实现节能减排成为了建筑业的重中之重。太阳能作为一种天然的能源，越来越受到人们的重视，成为人们关注的焦点。太阳辐射能是取之不尽、用之不竭、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于世界上能耗的40倍。当代世界太阳能科技发展有两大基本趋势，一是光电与光热结合，二是太阳能与建筑的结合。太阳能建筑系统是绿色能源和新建筑理念两大革命的交汇点。并且我国2008年实施的《民用建筑节能条例》中规定，国家鼓励和扶持新建建筑和既有建筑节能改造中采用太阳能，地热等可再生的绿色资源。

1、太阳能技术在建筑电气中的应用

太阳能光电建筑应用就是要和建筑一体化，要大规模地推广太阳能光伏发电，要把太阳能光伏发电应用到千家万户，就是要和建筑的一体化。当前太阳能光电建筑应用主要为太阳能屋顶、光伏幕墙等光电建筑一体化。其中屋顶太阳能光电建筑应用较为广泛，其主要特点是：可以调节太阳能电池板与太阳光之间的朝向，我国地处北半球，太阳能电池板要朝南，要朝北就不行，因此光伏幕墙有一定的局限性。光伏发电系统的核心部件就是太阳电池组件，太阳电池组件通常是一个平板状结构，经过特殊设计和加工，完全可以满足建筑材料的基本要求。因此，光伏发电系统与一般的建筑结合，即通常简称的光伏建筑一体化应该是太阳能利用最佳形式。

太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池板、蓄电池、控制器、DC-AC逆变器和用电负载等组成。其中，太阳能电池板、蓄电池为电源系统，控制器、逆变器为控制保护系统。太阳能技术在民用建筑电气领域应用主要包括路灯、庭园灯、楼道灯等节能灯、LED灯的照明供电。太阳能系统建筑可以在日常的使用过程中实现与常规电力进行切换，从而实现在太阳能发电系统发电量不足的情况下，改由常规电力供电。太阳能电池板产生的直流电力通过逆变器转变为交流电，然后向用电负荷供电，同时多余的电量又通过控制器向蓄电池组充电。在无日照的情况下，通过逆变器由蓄电池向用电负荷供电，当蓄电池的电力不足时，自动切换到常规电力，由常规电力给用电器提供电能。该太阳能发电系统主要由太阳能电池组件、太阳能电池支架、控制器、逆变器、蓄电池组等组成。整个系统全自动运行无需人工管理。真正实现节能建筑。

太阳能家用发电系统已经成功的运用到民用住宅中，如一些高档的住宅区和别墅区，主要负载为空调负荷，照明负荷，和部分厨卫用电的小型负荷。根据客户的需要，系统安装既可以采用并网发电形式，也可以采用离网发电系统。光伏阵列安装在屋面和墙面上，并直接吸收太阳能，避免了墙面温度和屋顶温度过高，降低了空调负荷，改善了室内环境。采用太阳能与建筑相结合的形式有很大的优越性，可原地发电、原地使用、减少电流运输过程的费用和能耗，还省去了单独为光电设备提供的支撑结构。

太阳能系统在民用建筑中的防雷。太阳能电池板通常都装设于屋顶上，并且很多时候太阳能设备都高出屋面许多。按我国现行的国家规范《建筑物防雷设计规范》和《民用建筑电气设计规范》规定，引出屋面的金属物体可不装接闪器，但应和屋面防雷装置相连。在屋面接闪器保护范围之外的非金属物体应装设接闪器，并应和屋面防雷装置相连。所以，对于太阳能装置的屋面防雷应在局部增设避雷针或避雷带，并且，太阳能装置的底座应与屋面避雷装置做可靠连接。

2、工程举例

现有一个单体别墅，常住人口约为3~5人，处在光照比较充足地区，根据业主需求，整体解决方案如下：

负载需求：

太阳能发电系统指标如下：太阳能电池容量 30kw；交流输出额定功率3kw；额定输出电压（V） 220±10%（AC；功率因数达到0.8以上。

图1 太阳能离网发电系统图

本系统由太阳能电池板，逆变器，控制器，蓄电池，双电源切换自动装置（ATS）,稳压保护装置组成（见图1）。

本系统负载主要包括LED照明灯具，小型家电，手机充电等，为确保系统安全可靠运行，系统安装容量设计为30KW，根据负载情况，当太阳能系统供电不能满足要求时，由ATS自动转换至市电运行，以保持负载正常运行所需电量。ATS需保证两路电源不同时运行。经过业主的使用运行，可以支持2~3天的阴雨天，并且基本满足业主的使用要求，月电费节省30%~40%左右。反应良好。

3、太阳能技术在建筑电气应用中的缺陷及局限性

建筑电气的节能设计潜力很大，工作人员在设计中应考虑各种可行的技术措施。同时，在选用节能的新设备时，技术人员应具体了解节能产品的原理、性能、效果，从技术、经济上进行比较，合理选择节能设备，推动建筑电气节能的发展。

当然，太阳能技术在目前的情况也存在着许多缺陷：一，不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度、海拔高度和天气等自然条件的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。二，效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。

篇7

关键词：太阳能电池 原理 种类

0前言

2004年欧盟联合研究中心针对当前能源的结构和使用情况预测：在未来的几十年内，碳水化合物等非再生能源随着人类的大量的开发将逐渐较少，取而代之的将是可再生能源。其中太阳能的利用将会得到很大的重视与提高。

太阳能的利用主要有3种形式：光热、光化学转换和光伏发电。光热利用具有低成本、方便、利用效率较高等优点，但不利于能量的传输；光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但目前人类还不能很好地利用；光伏发电利用以电能作为最终表现形式，具有传输极其方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势，且由于太阳能电池的原料硅的储量十分丰富、太阳电池转换效率的不断提高、生产成本的不断下降，都促使太阳能光伏发电在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。

太阳能发电有两种方式，一种是光-热-电转换方式，另一种是光-电直接转换方式。光-热-电转换方式是利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光-热转换过程；后一个过程是热-电转换过程。一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元，它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合而很难大规模的应用。而光-电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光-电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。

太阳能电池的种类很多，主要包括硅基类太阳能电池、有机化合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池和无机化合物类太阳能电池等，具有永久性、 清洁性和灵活性三大优点。Shockley和Queisser通过细致平衡极限原理计算得出，理想单结太阳能电池的效率是材料带隙能量的函数，当Eg大约为1.3eV时，在1sun 照射下的极限效率仅为31% ，全聚光下的极限效率为40%。目前无机硅光伏打电池的最高能量转换效率已经达到24%，基于砷化镓半导体的光伏电池转换效率甚至已经达到了31%～32%。

1、原理

太阳能电池发电是根据爱因斯坦的光电效应；值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关，只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时，电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关，譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155eV，因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。太阳电池是一种可以将太阳能转换的光电元件，其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”，它是不导电的，但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成P型与N型半导体，再利用P型半导体有个电子空穴与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，所以当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和空穴的对流，这些电子和空穴均会受到内建电位的影响，分别被N型及P型半导体吸引，而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来，形成一个回路，这就是太阳电池发电的原理。

2、硅基类太阳能电池

硅太阳能电池以硅为基体材料的太阳能电池。按硅材料的结晶形态，可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。硅太阳能电池具有重量轻、体积小、效率高、寿命长、光谱响应范围广、灵敏度高等优点而被广泛使用。

一般情况下，硅太阳能电池的光谱响应范围在0.40～1.10微米；响应时间为10-3～10-4秒；使用温度在-65℃～+125℃之间；在100毫瓦/厘米2入射光强下，硅太阳能电池的开路电压为450～600毫伏，短路电流为20～30毫安/厘米2，光电转换效率为8～13%左右。研究发现，在不同光照角度条件下，电池的开路电压和短路电流会发生变化。当光照角度小于50°时电池的短路电流输出与光照角余弦值成正比；大于50°时，电流输出低于理论值；大于85°时短路电流与光照角余弦值曲线一起收敛；光照角等于90°时降落到零。电路的开路电压随着温度升高而降低；电池的短路电流随温度增加稍有增加；而电池的输出功率随温度的增加而降低。

单晶硅太阳能电池是研究应用最早的硅太阳能电池，其转换效率最高，技术也最为成熟。在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。往往通过单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺来提高转化效率。但由于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响，要想大幅度降低其成本是非常困难的。

多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池相近，但是从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要低得多。然而，多晶硅太阳能电池的光电转化效率相比单晶硅太阳能电池要低。多晶硅薄膜太阳能电池是兼具晶体硅太阳能电池的高光电转换效率、稳定长寿和非晶硅太阳能电池的材料制备工艺简单、成本低并且无污染，可大面积生长等优点于一身的新一代太阳能电池，具有广阔的发展前景。

非晶硅是一种很好的电池材料，但由于其光学带隙为1.7eV， 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应，使得电池性能不稳定。

3、有机化合物太阳能电池

有机太阳能电池利用的也是光伏效应。有机太阳能电池在太阳光的照射下有机材料吸收光子，如果该光子的能量大于有机材料的禁带宽度Eg就会使得产生激子。如图三就是给体-受体结构。受激发的电子给体吸收光子，使其HOMO轨道上的一个电子跃迁到LUMO。通常由于给体LUMO的电离势比受体LUMO的电离势低，电子就由给体转移到受体，完成了电子的转移。激子分离后产生的电子和空穴向相反的方向运动，被收集在相应的电极上，就形成了光电压。

有机太阳能电池的主体材料一般为非晶态的小分子或聚合物，其载流子传输性能虽然逊于无机材料，但是其有着自身的优点：主体有机材料可以通过不同的分子修饰，优化有机材料的光伏性能；器件的制备方法简便，成本低廉；易于制备出大面积且柔韧性好的有机光伏器件。按照主体有机材料区分，可以将有机太阳能电池分为小分子型太阳能电池和聚合物型太阳能电池。

小分子光伏材料由于具有纯度高、易合成等优点，成为研究光伏器件基本原理的理想材料之一。概括地讲，小分子光伏材料主要分为5 类：酞菁类材料、 液晶材料、 稠环芳香化合物、 噻吩寡聚物和三苯胺及其衍生物等。

有机太阳能电池使用的聚合物结构中一般含有双键或多环芳烃，这些P共轭体系具有较高的载流子迁移率， 利于传导空穴。聚合物材料的能级是否能与受体材料的能级较好地匹配，是影响光伏器件性能的重要原因。常用的光伏性能优良的聚合物材料，大致可分为3类：聚苯撑乙烯（PPV）及其衍生物材料、聚噻吩衍生物材料和D-A型共聚物材料。

篇8

关键词： 光伏电池； 交流并网； 双闭环控制； Matlab

中图分类号： TM615 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2012）01-0047-04

1 引言

太阳能作为一种清洁的可再生能源，被国际社会公认为是最理想的替代能源。太阳能的利用主要有光热利用、光伏利用和光化学利用三种主要形式。光伏利用主要是光伏发电，具有以下明显的优点：无污染、可再生、资源具有普遍性、机动灵活性、通用性、可存储性等，并可形成分布式电力系统，将提高整个能源系统的安全性和可靠性。可以预料，太阳能光伏发电在人类社会的未来发展中必将占据越来越重要的地位。

2 光伏并网原理

光伏并网的工作原理就是要把太阳能电池组件发出的直流电转换成交流电，并入市电电网，可供正常的交流用电电器使用。白天或晴天时太阳能系统发电量部分由家庭使用，剩余部分销售给电力公司；晚上或阴雨天气等太阳能发电量小于家庭使用电量时通过从电力公司购买来补充。

太阳能光伏供电系统包括接线箱、升压／降压变换器以及带保护功能的逆变器。接线箱汇集太阳能电池板各支路电能，为逆变器提供直流电；升压／降压变换器调整各支路电压使之一致，从而更加有效利用屋顶有效面积，提高电池阵列效率；逆变器将直流电逆变为交流电，同时保证系统安全运行。

光伏并网控制系统主要有三种回路形式：工频变压器隔离方式、高频变压器隔离方式和无变压器方式。本文采用的是无变压器形式，首先用无隔离的DC/DC变换器将太阳能电池阵的直流电压提升到逆变器并网需要的直流电压，再经过逆变与电网相连。这种方式在尺寸、重量和效率等方面具有更大的优势，因而在并网系统中成为目前研究的热点和发展趋势。其结构如图2.1所示。

3 光伏电池

光伏发电的基础部件就是光伏电池（又称太阳电池）阵列。

光伏电池的I-U和P-U曲线是随光强、温度变化的非线性曲线。由于基于光伏阵列物理机制的数学表达和模型参数与光伏阵列产品常规参数对应关系不明确，参数求解困难等问题。我们在仿真应用中，可根据光伏阵列曲线来描述模型，使得模型容易理解，参数求解简单。光伏电池非线性曲线拟合公式为：

基于电池组件 Solarex MSX60 60W 的外特性参数，如表3.1所示。

使用Matlab软件进行仿真可得出I-U特性曲线和P-U曲线，分别如图3.1和图3.2所示。

虽然基于光伏阵列外特性的模型仿真精度不是很高，但是其模型简单、易于理解，具有一定的仿真利用价值。基于这些优点，选用这种方式来作为光伏电池建模，且是用5个上述Solarex MSX60 60W光伏电池串联起来工作，其输出的电压作为DC/DC的输入直流电压。

4 直流斩波电路（DC/DC变换器）

直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一种固定电压或可调节电压的直流电，也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）。直流斩波电路的种类较多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本得电路，也是应用最为广泛的电路，文中使用Boost电路来实现DC/DC变换。

4.1 Boost电路

升压斩波电路（Boost Chopper）的原理图如图4.1所示。

Boost电路的基本工作原理为：首先假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。当iG为高电平时，开关管VT开通，电源E给电感L充电储能；当iG为低电平时，开关管VT断开，电源和电感同时向负载释放能量。电容C起到支撑电压和滤波的作用。

Boost电路在电感电流连续时，输出平均电压Uo与电源电压E的关系为

式中，α称为占空比或导通比。由于α≤1，因此该电路称为升压斩波电路。升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有是电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。

4.2 Boost 电路参数的设计

临界电感值为

Boost电路的输入电压为65.5~106V之间，输出端得电压稳定在610V，纹波系数低于0.2%，负载电阻为100Ω，开关管选择MOSFET，开关频率为40kHz。由式（4.1）可确定占空比范围：

根据式（4.2）可确定电感值为

实际电感取临界值的1.2倍，再考虑一定的裕度取电感值0.1mH。

实际中考虑一定的裕度，所以取电容值为150μF。

为使DC/DC变换器工作在太阳能电池的最大工作点处，取D=85.65%。在实际的模型中，D取85.07%，则Boost变换器仿真电路如图4.2所示，其仿真波形如图4.3所示。

5 逆变器的拓扑结构和并网控制技术

5.1逆变器的拓扑结构

DC-AC变换电路，通称为逆变器。就并网系统而言，逆变器分为电压型逆变器和电流型逆变器。本文讨论电压型逆变器。

电压型变流器的直流侧并联大电容，能够很好地抵御由电网干扰带来的直流电压波动，因而受电网干扰的影响较小，能够适应于波动较大的弱电网工况。电压型逆变器采用电流控制，只需控制逆变器的输出电流跟踪电网电压，既可达到并网运行的目的，其控制方法相对简单，是最常用的光伏并网逆变器结构。

典型的电压型逆变器结构如图5.1所示。

5.2逆变器的调制技术

逆变器的控制有PWM控制、双极性SPWM控制、单极性SPWM控制等几种方法。

经比较，在所有参数都相同时，单极性SPWM输出的基波电压小于双极性SPWM输出的基波电压；在线性调制情况下它的谐波性能明显优于双极性调制：开关次整数倍谐波消除，值得考虑的最低次谐波幅值较双极性调制小得多，所需滤波器也较小。

但是双极性的控制方式要比单极性简单。且单极性控制方式的特点是三角波载波的频率必须是调制正弦波频率的整数倍，否则在正弦波后半个周期的末端会产生三角波与正弦波不能交结的问题，因此单极性控制方式适用于输出波形频率固定的场合，对于并网逆变器电流跟踪控制方式来说，给定电流与实际电流的比较值是时刻变化的，因此选用双极性的控制方式可以避免这个问题的产生。

双极性SPWM的输出及控制波形如图5.2所示。其参数分别如下：输入电压为300V，电感为2mH，电阻为1Ω，调制波频率为50Hz，载波频率为750Hz。

5.3光伏并网逆变器的交流侧滤波电路设计

带阻尼的 LC滤波器电路如图5.3所示

具体设计原则如下：

（1）滤波电感串联等值电阻R1

由于滤波电感值一般只有几毫亨或更小，所以可取R1=0.01~0.1Ω 。

（2）滤波电感Lf

选择滤波电感时，要求电感上的基波压降不能超过一定的范围。一般要求电感上的基波压降不超过3%~5%，即

（3）滤波电容Cf

选择电容值，使空载时流经电容之路的基波电流不超过逆变器电流输出容量的 10%。另外，电容和电感值还要受到截止频率的限制，这两个条件决定了电容的取值范围，即有

（4）阻尼电阻Rf

阻尼比的合理取值范围一般是0.4~0.8。阻尼电阻的取值不应使滤波器损耗过大，滤波电容与阻尼电阻串联支路的最大电流为1A，取阻尼电阻的取值范围为：0~10Ω。

（5）滤波截止频率

选择原则为：其中：

fc――LRC 滤波器的截止频率；

fn――调制信号波频率（即电网频率）；

fs――SPWM 控制方式的载波频率。

5.4双闭环控制方案的基本原理

光伏并网逆变器的控制目标是控制并网逆变器输出为稳定的高质量的正弦波电流，同时要求并网逆变器的输出电流与电网电压同频同相，因此必须采用合适的控制策略以达到上述的控制目标。

因为并网逆变器设计成电压型控制的电流源结构，这样并网系统和电网电压实际上就是一个交流电流源和电压源的并联。逆变器的输出电压幅值自动被钳位为电网电压，只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网电压，即可达到并联运行的目的。

电压外环电容电流内环的双闭环控制系统结构框图如图5.4所示。其中，us为理想正弦波给定；Kvf为输出电压反馈系数；Kif为电容电流反馈系数；KPWM=Ud/uT，为开关频率足够高的情况下逆变桥的等效增益；Ud为逆变器直流电压；uT为三角调制波的峰值。

电容电流内环采用比例控制器P，比例控制器用来增加逆变器的阻尼系数，使整个系统工作稳定，而且P控制器有较强的鲁棒性。电压外环则采用比例积分控制器PI，使输出电压波形瞬时跟踪指令采用这种双环控制方案的逆变器输出稳态误差小，动态响应也很快。

其工作原理是：外环电压以理想的正弦波为参考电压，输出电压与参考电压比较后再经PI调节后作为电流内环的参考值，该电流参考值与反馈电流比较，再经过P调节后输出与三角波比较，产生驱动信号驱动逆变器。

电压和电流控制器分别为：

5.5参数设计并仿真

闭环系统的动态响应性能、稳定性主要由闭环极点在S平面的分布位置决定，对于一个高阶(高于二阶)系统，其动态特性主要由闭环主导极点决定。上述系统为三阶系统，如果根据控制系统期望的性能指标确定了闭环系统主导极点为s1，2=-ζωn±jωn，其中ζ、ωn分别为期望的阻尼比和自然振荡频率，那么闭环非主导极点可以选取s3=-nζωn，式中n是正的常数，起的取值越大，则由s1，2、s3三个极点确定的三阶系统响应特性就越接近由闭环主导极点决定的二阶系统，一般取，n=5～10时均可，本论文中n=8。

此时双环控制系统的期望特征方程为：

Dr（s）=（s2+2ζωns+ωn2）（s+nζωn） （5.11）

对于一个二阶系统来说，ζ、ωn越大，输出响应越快，抑制负载扰动的能力更强，另一方面抑制输入端高频噪声的能力减弱，综合考虑在实际设计中取ζ为0.7左右比较合适。

在5.3节光伏并网逆变器的交流侧滤波电路设计中已经得出了滤波电感Lf=1mH，滤波电容Cf=120μF，因此

论文中设计的为5 kW 的并网系统，逆变器的输入电压Ud=610V；开关频率fs=10kHz；滤波电感Lf=1mH，滤波电容C=120μF；死区时间t=3μs；电压反馈系统KVf=0.01；电流反馈系统Kif=0.4；等效串联电阻为r=0.1Ω；输出电压U0=220V；K1P=28.8；K1i=32400，K2P=1。

对上述设计进行Matlab仿真验证，其模型如图5.5所示

其中逆变器输出的交流电压和电流的波形如图5.6所示。从图中可以看出电压电流的波形均为50Hz的正弦波。对这两个波形分别进行傅里叶分析，得到的结果如图5.7和图5.8所示。

从图5.7和图5.8可以看出，逆变器输出电压u0的峰值为312.9V，有效值为221.2V，谐波畸变率为3.33%，符合逆变器并网的要求。逆变器输出电流i0的峰值为32.32V，有效值为22.85V，谐波畸变率为3.33%。说明了本系统的输出功率为5kW。同时可见采用电压外环电容电流内环的双闭环的这种控制方法是有效而可行的。

6小结

在对分布式光伏发电并网系统中的核心问题做了详细的分析和研究以后，本文采用了无变压器式并网逆变器拓扑结构。该并网逆变器主要由前级的DC-DC直流换电路和后级的DC-AC单相相逆变电路组成。本文设计的光伏并网交流电路，经过理论分析和仿真调试，最终能够输出理想的波形。

参考文献：

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[关键词]太阳能 利用技术 应用分析

[中图分类号] TK519 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-9-186-2

0引言

太阳能使用技术指利用太阳能的直接或者间接转化利用的技术。把太阳辐射能转变成热能并使用的技术就归属太阳能热利用技术；根据半导体器件的光伏效应原理直接把太阳能转换成电能称之太阳能光伏技术。太阳既免费使用，又不需运输，对环境也无任何污染。它是一个巨大无比的能源，它辐射到达地球表面的能量高达4*1015MW，相当于每年1.46*1018MW，约为全球能耗的2000倍。在目前的技术领域中，人们在对太阳能的转换、收集、储存运输等方面的应用研究，正在取得显著的进展。太阳能的利用主要是通过光电转换、光热转换、光化学转换等途径。

1太阳能利用技术

1.1太阳能的概念

太阳能（Solar Energy），通常是指太阳光的辐射能，近代科技中一般用作发电。自从地球出现生物就依靠太阳提供的光和热生存，在人类文明的进程中太阳一直扮演着极其重要的角色。古代人懂得利用阳光晒干衣物，还可以晾晒食物用以长期保存，如晒咸鱼和制盐等。在当前煤炭等化石燃料日趋减少的情况下，才开始把太阳能开发利用。太阳能具有巨大、普遍、无害和长久利用的优势。太阳能的利用主要分被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。

虽然太阳能热利用有着广泛的应用领域， 但最终还是能归纳为太阳能热发电（能源产出） 和建筑用能等，其中有采暖、空调和热水三个方面的用处。目前太阳能热利用最活跃且形成产业的就是太阳能热水器、太阳能热发电和太阳能制冷。除此之外还有太阳能热泵、热推进技术等新型领域中也有相当多的研究与应用。

1.2太阳能的国内外开发现状

我国大部分地区处于北纬30°附近，夏季来临时太阳越过赤道往北回归线附近移动，给我们带来非常丰富的太阳能资源，所以太阳能的利用非常具有前景。由于中国人口众多，在太阳能利用方面处在世界前列，是全世界最大的国家太阳能热水器生产、使用以及太阳能光伏电池的生产。目前中国更具有技术含量的太阳能产品有两个： 太阳能热水系统和太阳能光伏发电系统。

随着技术的改进，美日等国家硅半导体光电池的发电成本大幅度下降：从每瓦50美元下降到5美元。因此专家们认为使用太阳能电站比传统电站（主要是火电站）更具有市场经济竞争力，但是由于发展时间较短，所以还要将其成本再大幅下降才行。目前，美国等国家建的利用太阳池发电的项目很多。美国计划将其盐湖的8.3%面积（约8000平方千米）建成太阳池，为600兆瓦的发电机组供热。在死海之畔有一个1979年建的7000的实验太阳池，为一台150千瓦发电机供热。亚美尼亚无线电物理所的专家宣布，已在该国山地开始建造“第一个小型实验样板”型工业太阳能电站。这个电站使用的涡轮机是从使用寿命已届满而从直升机上拆的旧涡轮机，装机容量100千瓦，发电成本只需0.5美分/千瓦小时，效率高达40%―50%。

2太阳能技术的应用

2.1太阳能热水器

太阳能热水器是运行最多，应用最广泛的技术。在国际上，太阳能热水器产品从闷晒式、平板式、全玻璃真空管式的发展过程中一路走来。当前热水器产品的发展方向仍是关注提升集热器的效率， 例如把透明隔热材料运用在集热器的盖板与吸热层之间，确保尽量少的使热量流失。

2.2太阳能热发电

太阳光发电的工作原理是在运用太阳能光伏技术直接把光能转变为电能的发电力方式。其中有光感应发电、光生物发电、光伏发电和光化学发电等方面。光伏发电是利用半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，把光能转换成电能的直接发电方式，是目前流行的太阳光发电方式。在世界上目前运用最广泛的太阳能电池是由单晶或者多晶硅组成的太阳能电池以及薄膜太阳能电池等。

在太阳能发电系统上可分为离网发电系统和并网发电系统：

（1）并网发电系统就是由太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换后适合市电配电要求的交流电后直接接入公共电网。并网发电系统中的集中式大型并网电站通常都是国家级电站，其主要特点是把所发电能直接输送到公关电网中，再通过电网统一调配给用户。但这种电站投资大、占地面积大、建设周期长，所以并没有大规模的发展。而分散式小型并网发电系统，尤其是一体化光伏建筑发电系统，因为其投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等特点，是并网发电目前的主流。

（2）离网发电系统。是由太阳能电池组件、控制器、蓄电池等主要部件及其他附件组成的，若果配置交流逆变器还可以为交流负载供电。

2.3太阳能制冷

实现太阳能制冷有两条途径：一是太阳能光电转换，以电制冷；一是太阳能光热转换，以热制冷；前一种方法成本太高，应用非常少，所以一般情况下都使用以热制冷的途径。太阳能以热制冷的研究方向分为三个方面进行，就是太阳能喷射式制冷、太阳能吸收式制冷和太阳能吸附式制冷。除了吸附式制冷目前还在研究阶段，吸收式制冷和喷射式制冷均已经投入到应用阶段。

目前独立的、可靠完善的太阳能空调系统目前还不具备这样的技术，未来有可能发展完善的太阳能空调系统必须具备的是吸附式空调系统，而并非简单用热能带动的吸收式溴化锂系统。

2.4太阳能热泵

太阳能热泵系统是将太阳能作为蒸发器热源的热泵系统。它工作的基本原理是： 在蒸发器吸热后，其经过压入热气体在压缩机中通过绝热压缩变为高温、高压的气体，再在冷凝器定压冷凝成为低温高压的液体，释放出大量的气化热，与冷凝水再将热量交换，使冷凝水加热成热水，供用户使用。还可以液态气体再经过降压阀绝热节流之后成为低温低压液体，并回到蒸发器定压吸收热源热量，蒸发变为过热蒸气，这样就是一个完整的系统。

2.5太阳能热推进

太阳能推进分别是热推进和电推进，STP是利用聚集的太阳能直接加热气体产生推力的推进技术。STP与电推进技术进行对比，并不需电能转换、管理分配系统等，从而使系统简单可靠、能量利用率高；与核火箭发动机相比， STP使用丰富充沛的太阳能，不可能有粒子污染，具有较好的对比作用；与化学能推进型发动机相比， 它的有效载荷质量比提高1.36―3.4倍，很大程度上节省了资源。STP是空间推进技术发展的一个重要方向，STP发展过程中关键技术是推力室的高温热结构设计、高性能吸收器和太阳能主聚光器的研制。

2.6太阳能路灯

太阳能路灯是使用太阳能作为能源的路灯，它不会因为供电问题而受到影响，且不会消耗常规的电能，也不用开沟埋线，在阳光充沛的地方就可以安装工作的特点。所以很受人们的欢迎，还有它不会污染环境，而被称之为绿色环保路灯。太阳能路灯不但能够用在城镇公园、街道、道路和草坪的照明运用中，还能够应用在交通不发达、不便利且常规燃料匮乏的地区，人口分布密度很小，所以不易使用常规能源发电而太阳能资源丰富的地区都可以使用，用来解决特别地区的生活家用照明问题等。

3结束语

随着目前世界上广泛关注的可持续发展战略，太阳能的开发利用已经被推到了非常具有价值的地位。随着国民经济的发展以及人口结构的变化，将对实现经济和社会可持续发展有着重大的挑战，在环保严格要求以及资源有限的双重制约下发展经济己成为全球关注的热点。所以要广泛采用太阳能光热的应用领域，政府必须及早成立新能源与再生能源的新生部门，并积极制定相关的法律法规，大力推动新能源和可再生资源的发展。

参考文献

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关键词：新能源；风光互补发电系统；配电自动化；FTU终端设备

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）28-0047-02

1 FTU终端设备概述

随着智能电网建设的有序推进，配电自动化作为智能配电网建设的关键环节已在国内大规模开展建设工作，配电自动化终端设备FTU的应用也日趋广泛。提高配电自动化终端设备运行可靠性，从而实现提高配电网供电可靠性和改善供电质量，已纳入国家电网公司智能配电网建设的整体规划设计考虑范围。在国网公司颁布的企业标准《配电自动化终端/子站功能规范》（Q/GDW514-2010）中明确提出配电自动化终端设备供电电源可采用新型能源作为供电电源。

在配电自动化系统的应用与实践中，目前户外线路上FTU终端设备的工作电源接入方式单一，主要依靠外接线路电压互感器作为FTU终端设备供电电源。外接电压互感器方式存在后期维护难度高，维护时线路需停电等问题。并且存在如果线路长时间停电检修，此时FTU终端蓄电池组需要充电而无电可充的运行风险。随着太阳能发电技术和风力发电技术的进步，光电及风电的转换效率已大幅提高，新能源供电技术也从原来的低级应用向高级应用方向发展，在电力系统中的应用也越来越广泛。新能源供电技术应用于FTU终端设备供电电源，将实现FTU终端设备供电电源多样化，有效提高FTU终端设备供电稳定性，满足配网自动化系统可靠运行的要求，同时将有利于探索解决偏远地区配电自动化建设中户外配电终端设备工作电源供电问题。

2 风光互补发电系统简述

风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏组件、逆变器等部分组成，是集风能、太阳能等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。

（1）风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，经过逆变器对负载供电。

（2）光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电。

（3）逆变系统由几台逆变器组成，把直流电变成标准的220V交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量。

风光互补是风力发电机和太阳能电池方阵两种发电设备共同发电。夜间和阴雨天无阳光时由风能发电，晴天由太阳能发电，在既有风又有太阳的情况下两者同时发挥作用，实现了全天候的发电功能，比单用风机和太阳能更经济、科学、实用。

风光互补发电比单独风力发电或光伏发电有以下

优点：

（1）利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性。

（2）在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量。

（3）通过合理地设计与匹配，可以基本上由风光互补发电系统供电，很少或基本不用启动备用电源如柴油机发电机组等，可获得较好的社会效益和经济效益。

风光互补发电系统可采用垂直轴风机作为风力发电主体组件，其具有如下优点：

（1）安全放心涡轮垂直式外形设计。采用单涡轮垂直叶片设计，连接紧固，设计一体成形，无风轮飞车危险，极大地增加使用安全系数。外形异于一般的水平轴风力发电机，所以增加视觉吸引力及美化景观的效果。而且由于没有风轮范围的限制，非常适合用于作为同杆架设的配电终端后备电源应用。

（2）外转子发电效率高。采用盘式无铁芯发电机，外转子机芯，启动扭力低，减少机械损失。新一代无噪音发电机置顶设计，有效减少发电机运作震动时，对杆造成的压力，无共振危险，超静音。

（3）360°全方位迎风（1.5m/s）超低风起动。垂直轴风力发电机，风叶设计不受风向影响，能适应风向及风速的频繁变化，平稳发电。专门针对低风速地区设计，360°全方位迎风，自然风（1.5m/s）即可启动，风能利用率高。

3 风光互补发电系统应用于配电终端供电电源实践

桐乡市供电局结合当前正在进行的配电自动化建设，开展了配电自动化FTU（柱上开关运行监测终端）终端供电新能源应用技术研究，积极探索FTU终端设备供电电源多样化，提高配电终端设备安全运行水平。

依托20kV配网线路，选取该线路已装设配电自动化终端FTU的4台分段开关，采用同杆架设方式安装了风光互补发电系统，风光互补发电系统由300W垂直轴风力发电机组、80W光伏发电组件及逆变器组成。下图1是风光互补发电系统后备电源现场安装实例图。

图1 风光互补发电系统后备电源现场安装效果图

如下图2，是风光互补后备电源供电方式示意图。风光互补发电系统发出的电能通过逆变器逆变为220V交流电，接入FTU蓄电池充电模块，该充电模块支持双路充电电源输入。形成与原有的由外接式线路电压互感器变换的220V交流充电回路构成双回路充电模式。在线路运行正常时，风光互补发电系统与外接式线路电压互感器同时为蓄电池充电模块提供充电电源，当线路发生故障时，风光互补发电系统独立为蓄电池提供充电电源，保障蓄电池稳定持续输出电能，为FTU配电终端及相关通信设备提供工作电源。

图2 风光互补后备电源供电方式示意图

根据现场运行证明，FTU配电终端及相关通信设备运行功率30W，配套蓄电池组件可在无外界充电电源供应下满足持续正常工作9小时，在装设了风光互补发电系统后，当线路发生故障及线路检修情况下，蓄电池组件可得到风光互补发电系统输出的电能持续充电，避免了蓄电池组件电能耗空，FTU配电终端及相关通信设备停止运行的风险，确实提高了配电自动化终端设备运行可靠性。

4 结语

综上所述，随着智能配电网建设的全面推进，特别是农村电网配电自动化建设的逐步开展，配电自动化终端设备的运行可靠性将越来越凸显出其重要性。相比于传统的单一依靠外接式电压互感器作为配电自动化终端及其相关通信设备工作电源的建设模式，引入风光互补发电系统作为后备供电电源将实现供电电源的多样化，有效提高配电自动化终端设备的运行可靠性。特别在风、光资源条件较好，同时地处偏远地区的配电自动化建设中，风光互补发电系统将成为直接解决户外配电终端设备工作电源供电问题的一种可尝试应用的建设

模式。

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