光伏发电系统实验台设计分析
通过光电转换装置把太阳辐射能转换成电能进行利用。由于光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应进行光电转换的，因此太阳能光发电技术又称太阳能光伏技术。
1、光伏发电原理
1.1太阳能电池
1.1.1太阳能电池的结构
太阳能电池板作为电源，它是一个直流源，但它不是恒流源，也不是恒压源。本文选择晶体硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池以硅半导体材料制成大面积ｐｎ结进行工作。一般采用ｎ＋／ｐ同质结的结构，即在约１０ｃｍ×１０ｃｍ 面积的ｐ型硅片（厚度约５００μｍ）上用扩散法制作出一层很薄（厚度约０．３μｍ）的经过重掺杂的ｎ型层。然后在ｎ型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极。在整个背面也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极，这样就成了晶体硅太阳能电池。
为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜。
太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板采用１５ＷＰ单晶硅Ａ 级片两块。单块太阳能电池板的开路电压Ｖｏｃ＝（２１＋１）Ｖ，短路电流Ｉｓｃ＝（１．０±０．１）Ａ。
1.1.2光伏效应
当太阳光（或其他光）照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，能量大于禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中，激发出光生电子－孔穴对，并立即被内建电场分离，光生电子被送进ｎ区，光生孔穴则被推进ｐ区，这样在内建电场的作用下，光生电子－孔穴对被分离，在光电池两端出现异号电荷的积累，即产生了“光生电压”，这就是“光生伏特效应”，简称光伏。在内建电场的两侧引出电极并接上负载，在负载中就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。图１和图２分别是光生电子移动示意图及光生伏特效应原理图。
图１光生电子移动示意图
图２光伏效应原理图
太阳能电池的工作原理是基于光伏效应。当光照射太阳能电池时，将产生一个由ｎ区到ｐ区的光生电流Ｉｐｈ。同时，由于ｐｎ结二极管的特性，存在正向二极管电流ＩＤ，此电流方向从ｐ区到ｎ区，与光生电流相反。因此，实际获得的电流Ｉ为
式中ＶＤ为结电压，Ｉ０为二极管的反向饱和电流，Ｉｐｈ为与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数是由太阳能电池的结构和材料的特性决定。ｎ 为理想系数，是表示ｐｎ结特性的参数，通常在１～２之间；ｑ 为电子电荷；ｋＢ为波尔兹曼常数；Ｔ 为温度。
当电池接上负载Ｒ 后，若负载使电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率Ｐｍ为
Ｐｍ ＝ＩｍＶｍ
式中，Ｉｍ和Ｖｍ分别为最佳工作电流和最佳工作电压。
将Ｖｏｃ与Ｉｓｃ的乘积与最大功率Ｐｍ之比定义为填充因子ＦＦ，则：
ＦＦ为太阳电池的重要表征参数，ＦＦ 愈大则输出的功率愈高。ＦＦ取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。
太阳能电池的转换效率η定义为太阳能电池的最大输出功率与照射到太阳能电池的总辐射功率Ｐｉｎ之比，即
1.2最大功率跟踪器
最大功率跟踪器的功能是保证太阳能电池板在当前的环境条件下始终以其最大功率输出，在相同输出功率的情况下，接该组件可以起到节约太阳能电池板的数量，减少太阳能电池板成本等作用。在一定的光照强度与温度下，太阳能电池输出曲线上都可以找到一个最大的功率输出点Ｐｍ。最大输出功率随着光强的变化在变化，光强越大，则最大输出功率越大（见图３）。
图３ 不同光强下太阳能电池Ｉ－Ｖ 曲线
如果使太阳能电池工作在最大功率点，就可以极大地提升太阳能电池的效率。
1.3太阳能控制器
太阳能控制器具有过充、过放、电子短路、过载保护、独特的防反接保护等全自动控制，同时具有高精度温度补偿的特性。太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能，如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。
1.4蓄电池
蓄电池一般为铅酸电池，小型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。
本实验中选用了２个铅酸蓄电池。充放电实验时采用１．３Ａｈ铅蓄电池。离网型光伏发电系统搭建时采用７Ａｈ的铅蓄电池。
1.5逆变器
逆变升压器简称逆变器，它是光伏系统的重要电力电子设备，其主要功能是把来自太阳能电池板组件输出的直流电转换成与电网相同电压的交流电，并把电力输送给交流负载使用，同时还具有极大限度地发挥太阳能电池方阵的性能、异常或故障时的保护等功能。
2、光伏发电系统实验设计
2.1离网型太阳能光伏发电系统
2.1.1离网型光伏发电原理
离网型太阳能光伏发电系统（见图４）是由光伏组件发电，经控制器对蓄电池进行充放电管理，并给直流负载提供电能或通过逆变器给交流负载提供电能的一种新型电源。可广泛应用于环境恶劣的高原、海岛、偏远山区及野外作业，也可作为通信基站、广告灯箱、路灯等供电系统。
离网型太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池板、蓄电池和逆变升压器３部分组成。系统通过太阳能电池板将太阳能转变成电能存储到蓄电池中，再通过逆变升压器将蓄电池中的直流电转换成交流电供用电设备使用。
图4离网型太阳能光伏发电系统图
2.1.2离网型光伏发电系统搭建
离网逆变器：左端的直流输入口处红色端子连接直流正极，黑色端子连接直流负极。
按图５完成离网系统的搭建，其中蓄电池为７Ａｈ铅蓄电池，交流负载接２２０Ｖ／４０Ｗ 交流白炽灯泡。
图５ 离网型光伏发电系统接线图
2.2并网型太阳能光伏发电系统搭建
2.2.1并网型光伏发电原理
并网型太阳能光伏发电系统（见图６）由光伏组件、并网逆变器、计量装置及配电系统组成。太阳能通过光伏组件转化为直流电力，再通过并网型逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流馈入电网。因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用可再生能源所发出的电力，减小能量损耗，降低系统
成本。
图６并网型太阳能光伏发电系统图
2.2.2并网型光伏发电系统搭建
并网逆变器：左端的直流输入口处红色端子连接直流正极，所有的黑色端子连接直流负极。输出接到并网接口的插线板上。自带ＭＰＰＴ最大功率跟踪以及孤岛效应检测。
按图７完成并网系统的搭建，交流负载接２２０Ｖ／４０Ｗ 交流白炽灯泡。
图７并网型太阳能光伏系统接线图
完成并网系统的搭建后，使用示波器读取电压和电流波形，计算离网型及并网型电站的太阳能利用效率。
光伏技术前景广阔，设计并搭建光伏发电实验台，为学生提供了直观学习并研究光伏技术的平台，拓展了光伏之路。
