1.2 太陽能光伏發電系統的構成、工作原理與分類

1.2.1 太陽能光伏發電系統的構成

通過太陽電池將太陽輻射能轉換為電能的發電系統稱為太陽能光伏發電系統，也可簡稱為光伏發電系統。盡管太陽能光伏發電系統的應用形式多種多樣，應用規模也跨度很大（從小到不足1W的太陽能草坪燈應用，到幾百千瓦甚至幾十兆瓦的大型光伏電站應用），但系統的組成結構和工作原理卻基本相同，主要由太陽電池組件（或方陣）、儲能蓄電池（組）、光伏控制器、光伏逆變器（在有需要輸出交流電的情況下使用）等，和直流匯流箱、直流配電柜、交流匯流箱或配電柜、升壓變壓器、光伏支架以及一些測試、監控、防護等附屬設施構成。

1. 太陽電池組件

太陽電池組件也叫光伏電池板，是光伏發電系統中實現光電轉換的核心部件，也是光伏發電系統中價值最高的部分。其作用是將太陽光的輻射能量轉換為直流電能，送往蓄電池中存儲起來，也可以直接用于推動直流負載工作，或通過光伏逆變器轉換為交流電為用戶供電或并網發電。當發電容量較大時，需要用多塊電池組件串、并聯構成太陽電池方陣。目前應用的太陽電池組件主要分為晶硅組件和薄膜組件。晶硅組件分為單晶硅組件、多晶硅組件；薄膜組件包括非晶硅組件、微晶硅組件、銅銦鎵硒（CIGS）組件、碲化鎘（CdTe）組件等幾種。

2. 儲能蓄電池

儲能蓄電池主要用于離網光伏發電系統和帶儲能裝置的并網光伏發電系統，其作用主要是存儲太陽電池發出的電能，并可隨時向負載供電。光伏發電系統對蓄電池的基本要求是，自放電率低，使用壽命長，充電效率高，深放電能力強，工作溫度范圍寬，少維護或免維護以及價格低廉。目前光伏發電系統配套使用的主要是鉛酸電池、鉛碳電池、磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池等，在小型、微型系統中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池或超級電容器等。當有大容量電能存儲時，就需要將多只蓄電池串、并聯起來構成蓄電池組。

3. 光伏控制器

光伏控制器是離網光伏發電系統中的主要部件，其作用是控制整個系統的工作狀態，保護蓄電池；防止蓄電池過充電、過放電、系統短路、系統極性反接和夜間防反充等。在溫差較大的地方，控制器還具有溫度補償的功能。另外，光伏控制器還有光控開關、時控開關等工作模式，以及對充電狀態、用電狀態、蓄電池電量等各種工作狀態的顯示功能。光伏控制器一般分為小功率、中功率、大功率、風光互補控制器等。

4. 光伏逆變器

光伏逆變器的主要功能是把電池組件或者儲能蓄電池輸出的直流電能盡可能多地轉換成交流電能，提供給電網或者用戶使用。光伏逆變器按運行方式不同，可分為并網逆變器和離網逆變器。并網逆變器用于并網運行的光伏發電系統。離網逆變器用于獨立運行的光伏發電系統。由于在一定的工作條件下，光伏組件的功率輸出將隨著光伏組件兩端輸出電壓的變化而變化，并且在某個電壓值時組件的功率輸出最大，因此光伏逆變器一般都具有最大功率點跟蹤（MPPT）功能，即逆變器能夠調整電池組件兩端的電壓使得電池組件的功率始終輸出最大。

5. 直流匯流箱

直流匯流箱主要是用在幾十千瓦以上的光伏發電系統中，其用途是把電池組件方陣的多路直流輸出電纜集中輸入、分組連接到直流匯流箱中，并通過直流匯流箱中的光伏專用熔斷器、直流斷路器、電涌保護器及智能監控裝置等的保護和檢測后，匯流輸出到光伏逆變器。直流匯流箱的使用，大大簡化了電池組件與逆變器之間的連線，提高了系統的可靠性與實用性，不僅使線路連接井然有序，而且便于分組檢查和維護。當組件方陣局部發生故障時，可以局部分離檢修，不影響整體發電系統的連續工作，保證光伏發電系統發揮最大效能。

6. 直流配電柜

在大型的并網光伏發電系統中，除了采用許多個直流匯流箱外，還要用若干個直流配電柜作為光伏發電系統中二、三級匯流之用。直流配電柜主要是將各個直流匯流箱輸出的直流電纜接入后再次進行匯流，然后輸出與并網逆變器連接，有利于光伏發電系統的安裝、操作和維護。

7. 交流配電柜與匯流箱

交流配電柜是在光伏發電系統中連接逆變器與交流負載或公共電網的電力設備，它的主要功能是對電能進行接受、調度、分配和計量，保證供電安全，并顯示各種電能參數和監測故障。交流匯流箱一般用在組串式逆變器系統中，主要作用是把多個逆變器輸出的交流電經過二次集中匯流后送入交流配電柜中。

8. 升壓變壓器

升壓變壓器在光伏發電系統中主要用于將逆變器輸出的低壓交流電（0.4kV）升壓到與并網電壓等級相同的中高壓（如10kV、35kV、110kV、220kV等），通過高壓并網實現電能的遠距離傳輸。小型并網光伏發電系統基本都是在用戶側直接并網，自發自用、余電直接饋入0.4kV低壓電網，故不需要升壓環節。

9. 光伏支架

光伏發電系統中使用的光伏支架主要有固定傾角支架、傾角可調支架和自動跟蹤支架幾種。自動跟蹤支架又分為單軸跟蹤支架和雙軸跟蹤支架。其中單軸跟蹤支架又可以細分為平單軸跟蹤、斜單軸跟蹤和方位角單軸跟蹤支架三種。在光伏發電系統中，目前以固定傾角支架和傾角可調支架的應用最為廣泛。

10. 光伏發電系統附屬設施

光伏發電系統的附屬設施包括系統運行的監控和檢測系統、防雷接地系統等。監控檢測系統全面監控光伏發電系統的運行狀況，包括電池組件串或方陣的運行狀況，逆變器的工作狀態，光伏方陣的電壓、電流數據，發電輸出功率、電網電壓頻率、太陽輻射數據等，并可以通過有線或無線網絡的遠程連接進行監控，通過電腦、手機等終端設備獲得數據。

1.2.2 太陽能光伏發電系統的工作原理

太陽能光伏發電系統從大類上可分為離網（獨立）光伏發電系統和并網光伏發電系統兩大類。

圖1-10是離網光伏發電系統的工作原理示意圖。太陽能光伏發電的核心部件是太陽電池組件，它將太陽光的光能直接轉換成電能，并通過光伏控制器把電池組件產生的電能存儲于蓄電池中。當負載用電時，蓄電池中的電能通過光伏控制器合理地分配到各個負載上。電池組件所產生的電流為直流電，可以直接以直流電的形式應用，也可以用交流逆變器將其轉換成為交流電，供交流負載使用。太陽能發電的電能可以即發即用，也可以用蓄電池等儲能裝置將電能存儲起來，在需要時使用。

離網光伏發電系統適用于下列情況及場合：①需要移動攜帶的設備電源；②遠離電網的邊遠地區、農林牧區、山區、島嶼；③不需要并網的場合；④不需要備用電源的場合等。

一般來說，在遠離電網而又必需電力供應的地方以及如柴油發電等需要運輸燃料、發電成本較高的場合，使用離網光伏發電系統比較經濟、環保，可優先考慮。有些場合為了保證離網供電的穩定性、連續性和可靠性，往往還需要采用柴油發電機、風力發電機等與光伏發電系統構成風光柴互補的發電系統。

圖1-11是并網光伏發電系統的工作原理示意圖。并網光伏發電系統由電池組件方陣將光能轉變成電能，并經直流匯流箱和直流配電柜進入并網逆變器，有些類型的并網光伏發電系統還要配置儲能系統儲存電能。并網光伏逆變器由功率調節、交流逆變、并網保護切換等部分構成。經逆變器輸出的交流電通過交流配電柜后供用戶或負載使用，多余的電能可通過電力變壓器等設備逆流饋入公共電網（可稱為賣電）。當并網光伏發電系統因氣候原因發電不足或自身用電量偏大時，可由公共電網向用戶負載補充供電（稱為買電）。系統還配備有監控、測試及顯示系統，用于對整個系統工作狀態的監控、檢測及發電量等各種數據的統計，還可以利用計算機網絡系統遠程控制和顯示數據。

并網光伏發電系統可以向公共電網逆流供電，其“晝發夜用”的發電特性正好可對公共電網實行峰谷調節，對加強供電的穩定性和可靠性十分有利。與離網光伏發電系統相比，可以不用儲能蓄電設備（特殊場合除外），從而擴大了使用范圍和靈活性，并使發電系統成本大大降低。

對于有儲能系統的并網光伏發電系統，光伏逆變器中將含有充放電控制功能，負責調節、控制和保護儲能系統正常工作。

1.2.3 太陽能光伏發電系統的分類

太陽能光伏發電系統按大類可分為離網（獨立）光伏發電系統和并網光伏發電系統兩大類。其中，離網光伏發電系統又可分為直流光伏發電系統和交流光伏發電系統以及交、直流混合光伏發電系統。而直流光伏發電系統又可分為有蓄電池的系統和沒有蓄電池的系統。

并網光伏發電系統可分為有逆流光伏發電系統和無逆流光伏發電系統，并根據用途也可分為有儲能系統和無儲能系統等。光伏發電系統的分類及具體應用可參看圖1-12和表1-1。

離網光伏發電系統主要是指分散式的獨立發電供電系統，其主要有兩種運行方式：①系統獨立運行向附近用戶供電；②系統獨立運行，但在光伏發電系統與當地電網之間有保障供電的自動切換裝置。

并網光伏發電系統按運行方式又可分為3種：①系統與電網系統并聯運行，但光伏發電系統對當地電網無電能輸出（無逆流）；②系統與電網系統并聯運行，且能向當地電網輸出電能（有逆流）；③系統與電網系統并聯運行，并帶有儲能裝置，可根據需要切換成局部用戶獨立供電系統，也可以構成局部區域或用戶的“微電網”運行方式。

按接入并網點的不同可分為用戶側并網和電網側并網兩種模式，其中用戶側并網又分為可逆流向電網供電和不可逆流向電網供電兩種模式。

按發電利用形式不同可分為完全自發自用、自發自用+余電上網和全額上網三種模式。

按裝機容量的大小可分為小型光伏發電系統（≤1MW）；中型光伏發電系統1MW至30MW，包含30MW和大型光伏發電系統（＞30MW）。

按并網電壓等級不同可分為小型光伏電站：接入電壓等級為0.4kV低壓電網；中型光伏電站：接入電壓等級為10～35kV高壓電網；大型光伏電站：接入電壓等級為66kV及以上高壓電網。

下面就對各種光伏發電系統的構成與工作原理分別予以介紹。