光伏发电系统设计研究

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1独立运行光伏发电系统的研究现状

虽然太阳能是当前比较受关注，对未来人类社会文明的进步影响比较深远的主要可再生能源之一，但是，就目前其利用研究情况来看，光伏发电技术并没有成熟和完善，尚有待进一步提升。因此，在对光伏发电系统进行研究的过程中，研究人员的主要研究精力也都放在如何提升光伏发电技术，提高光伏发电效率上，希望能够通过该方法来有效解决当前光伏广泛发电系统所存在的构建成本高，但是发电效率低的问题。与光伏发电系统的构建情况不同，同为新能源之一的风力发电，其对发电系统的构建和研究的进展就相对比较顺利，尤其是近几年来，其更是取得了实质发展，成功通过对发电系统发电单元以及其他相关系统单元进行合理设计的方式成功实现了系统发电功率的大幅度提升，在降低系统构建成本的同时，大大提升了系统的发电能力。因此，为了能够加强对光伏发电系统的设计和研究，进一步提升光伏发电系统的发电效率，相关研究人员在对光伏发电系统设计进行研究的同时，充分借鉴了风力发电系统构建和系统设计方面的经验，然后在充分结合光伏发电系统其独有特点的基础上不断对光伏发电系统的设计进行深入研究。近几年来看，随着相关研究人员对光伏发电系统设计研究的不断深入以及科学技术水平的不断提升，对于光伏发电系统设计的研究终于取得了比较喜人的进展，在原有基础上大幅度提升了光伏发电系统的发电能力和发电效率。

2独立运行光伏发电系统的主要组成结构

当前，光伏发电系统的工作原理都是通过利用根据半导体的光生伏特效应原理制成的光伏电池将太阳能转化成电能来完成系统发电工作。通常情况下，独立运行的光伏发电系统主要包括光伏电池组件、控制器、逆变器以及蓄电池等几个基本组成结构。

2.1光伏电池组件

在整个光伏发电系统中，光伏电池组件是整个系统最核心的部分，对发电系统的正常运行以及系统的发电能力和发电效率具有极为重要的影响，因此，在对光伏发电系统进行构建的过程中，一定要对光伏电池组件的设计和安装引起足够重视。当前，在光伏发电系统的构建中，光伏电池的应用主要存在两方面问题，一方面是当前所使用的光伏电池组件对光能的转换效率相对较低，另一方面是其应用的成本比较高。

2.1.1第一代光伏电池

第一代光伏电池是以硅片为主要材料制成的，由于硅的特性完全符合光伏电池的需求，所以第一代光伏电池不论是发电性能还是应用技术都比较符合光伏发电系统对于光伏发电的要求，所以取得了比较不错的应用效果。但是由于硅材料需要从二氧化硅中进行提纯，其提纯成本比较高，所以导致硅电池的制造价格也比较高，大大增加了发电系统的构建成本，不适合大范围推广应用。

2.1.2第二代光伏电池

第二代光伏电池是在硅材料上铺设光电材料薄膜，通过降低光伏材料中硅材料的使用量来降低光伏电池的成本，进而使其能够得到广泛应用。前期所用薄膜为非晶硅薄膜，由于其在一定程度上降低了光伏电池的性能和转换效率，所以很快便被淘汰。后期所用薄膜为多晶硅薄膜，其不仅具有无毒无污染的特性，还能够进一步提升电池的性能，目前已经被广泛的应用在光伏发电系统中。

2.1.3第三代光伏电池

第三代光伏电池是在第二代多晶硅薄膜电池的基础上进一步发展起来，其不仅能够进一步降低光伏电池的成本，还能够在原有基础上再一次提升电池的性能。目前，第三代光伏电池尚处于试用阶段，并没有普及应用。

2.2控制器

光伏发电系统中的控制器主要包括两种，一种是充放电控制器，一种是MPPT控制器。其中，充放电控制器的主要作用是对系统蓄电池的充放电情况进行监控，根据蓄电池的充放电需要以及蓄电池本身的状态情况对蓄电池的充放电进行控制。MPPT控制器，属于整个光伏发电系统的核心模块，其主要作用监测光伏电池输出的电压和电流，然后在基于MPPT控制算法的基础上对其进行严格控制，确保发电系统能够一直以最大功率运行。

2.3逆变器

逆变器的主要作用是对发电系统的电流进行转换，将由光伏电池和蓄电池输送出来的直流电转换成能够适合普通设备使用的交流电，以保证其他用电设备的正常运行。除了转化电流功能之外，逆变器还能够对系统电压进行控制，使其处于稳定水平，确保系统供电质量。

2.4蓄电池

同光伏电池一样，蓄电池也是整个光伏发电系统中最重要的组成部分之一，对整个发电系统的发电能力和发电效率具有比较重要的影响。蓄电池与光伏电池相连，其主要作用是将由光伏电池转化来的电能进行储存，以负责供电使用。在整个光伏发电系统中，光伏电池和蓄电池是最重要的两个组成部分之一，其质量好坏和性能高低能够直接影响到整个光伏发电系统的发电能力和发电效率，因此，在对光伏发电系统进行设计的过程中，一定要注重对这两个环节的设计。

3独立运行光伏发电系统的设计

在对光伏发电系统进行设计的过程中，最重要的任务就是对光伏电池和蓄电池进行选型和设计，但是，由于在当前的光伏发电系统的设计过程中，光伏电池多使用多晶硅薄膜光伏电池，蓄电池多使用技术成熟的铅酸蓄电池，所以就不多做介绍。

3.1光伏跟踪控制系统设计

光伏跟踪系统的设计主要目的是对光伏跟踪器进行控制，确保让光伏发电系统的接受面对太阳位置进行跟踪，最大限度的吸收太阳光辐射所带来的太阳能。当前，按照部件结构的不同，光伏跟踪控制系统主要分为两种，一种是开环伺服系统，一种是闭环伺服系统。

3.1.1开环伺服系统

开环伺服系统是采用步进电机进行驱动，系统中不具备位置反馈装置和校正控制装置，在跟踪过程中，接受面跟踪精度的控制主要依赖于布距角和传动结构。在其运行过程中，需要将光敏器件按照规定角度安装在遮光板下方，确保光敏器件可以通过对阳光照射强度的感应来控制跟踪器对太阳进行跟踪。正常情况下，阳光会直接照射到遮光板上，这样光敏器件就会正好位于遮光板所形成的阴影中。而如果太阳位置发生偏移，阳光无法直接照射在遮光板上，光敏器件无法被遮光板所形成的阴影笼罩，就会暴露在阳光下，就会感受到阳光的照射并将阳光的照射强度转变成微电流信号输送到系统中，然后系统会根据信号的强弱对太阳的位置进行判断，调整跟踪器角度完成跟踪。由于在该系统中，步进电机对开环的控制容易受到负载的影响，经常发生丢步和过冲等问题，会降低系统跟踪性能，所以当前该系统在光伏发电系统设计中已不常用。

3.1.2闭环伺服系统

相比开环伺服系统，闭环系统的跟踪精度要高很多。闭环系统中除了设有控制器之外，还设有传感检测装置，可以对跟踪位置进行反馈和检测，保证跟踪精度。

3.2控制器的设计

在独立光伏发电系统中，控制器的主要作用是对蓄电池的充放电进行控制，以确保光伏发电系统的正常运行。在对控制器设计的过程中，最重要的工作就是对控制器进行选型，而在对控制器进行选型的过程中，主要需要注意以下几个方面。（1）控制器的系统电压应该与蓄电池电压一致，当前默认为220V。（2）控制器的最大电流取决于太阳能电池方阵的电流，通常情况下，其以短路电流作为电池阵列的最大电流值。输入最大电流=电池组件的短路电流×并联数=8.23A×14=115.22（A）。（3）控制器的输出最大电流取决于输出负载的电流，通常以是逆变器的电流为准。（4）控制器应该能对蓄电池的过充电和过放电进行保护，将其控制在允许的范围内，并应该带有通信以及数据收集等辅助功能。

4结束语

太阳能作为重要的可再生能源之一，加强其开发和利用对进一步改善人们的生活质量和生活水平具有极为重要的影响作用。因此，在对太阳能源进行开发和利用的过程中，一定要加强对光伏发电系统的设计和研究，并通过加强对光伏跟踪控制系统、控制器、逆变器以及光伏电池和蓄电池进行研究，在降低系统构建成本的基础上，进一步提升系统的发电能力和发电效率，更好的解决资源短缺问题。

作者:王悦霖 单位:上海电力设计院有限公司