1.2.2【相关知识】光伏组件的发电原理和主要技术参数
1.2.2.1 基本概念
1. 半导体的光伏效应
光伏发电的主要原理是半导体的光伏效应。
光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大时，就能克服金属内部引力做功，从金属表面“逃逸”出来，成为光电子，电子的移动就形成了电流，这种电流可称为“光生电流”。
2. PN结光伏效应
PN结光伏效应指的是在光照射到近表层的PN结时，在其上产生电动势的现象。
光照在PN结两端产生光生电动势，相当于在PN结两端施加正向电压，使势垒降低，产生正向电流。在PN结开路情况下，当光生电流和正向电流相等时，PN结两端就会产生稳定的电势差，这就是光电池的开路电压。
如果将PN结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，换言之，PN结起了电源的作用。这便是光电池（太阳电池）的基本原理。
3. 光伏发电基本原理
实际生产中的光电池实质上是一个大面积的PN结（见图1-8），当光照射到PN结的一个面，如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后产生一个与光照强度有关的电动势，再配合功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。
图1-8 光伏发电基本原理图
1.2.2.2 光伏发电系统的组成及各部件功能
1. 光伏发电系统的组成及分类
光伏发电系统包括光伏组件阵列、支架安装系统、汇流设备、储能与充放电设备、逆变器、变配电设备、线缆及监控系统等。光伏组件产生的电能经过电缆传输、控制器控制、储能等环节予以储存和转换，转换为负载所能使用的电能。
光伏发电系统按照与电力系统的关系分为独立光伏发电系统与并网光伏发电系统。
独立光伏发电系统由光伏组件阵列、储能装置、电能变换装置、控制系统和配电设备组成，是未与公共电网相连的光伏发电系统。它只依靠或主要依靠太阳电池供电，仅在必要时可以用油机发电、风力发电、电网电源或其他电源作为补充。该系统工作特点是光伏阵列发电全部供给负载使用，发电和用电是平衡的。独立光伏发电系统根据用电负载的特点又分为直流光伏系统、交流光伏系统与交直流光伏系统，这些系统最大的区别是系统中是否带有逆变器，如图1-9所示。
并网光伏发电系统是与公共电网相连的光伏发电系统，分为集中式和分散式，由光伏组件阵列、变换器和控制器组成。它使光伏发电进入大规模商业应用阶段，成为电力工业的重要方向之一，是世界光伏发电技术发展的主流趋势。该系统的工作特点是省略了蓄电池这一储能环节，降低了能量损失。
2. 独立光伏发电系统
（1）太阳电池方阵
太阳电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为2cm×2cm～15cm×15cm。太阳电池单体的工作电压约为0.45～0.5V，工作电流约为20～25mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。
将太阳电池单体进行串并联封装后，就成为太阳电池组件，其功率一般为几瓦、几十瓦、百余瓦，是可以作为电源使用的最小单元。太阳电池组件经过串并联后装在支架上，就构成了太阳电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率。
图1-9 独立光伏发电系统
a）直流光伏系统 b）交流光伏系统 c）交直流光伏系统
（2）防反充二极管
又称为阻塞二极管。其作用是避免由于太阳电池方阵在阴雨天和夜晚不发电时或出现短路故障时，蓄电池组通过太阳电池方阵放电。它串联在太阳电池方阵电路中，起单向导通的作用。防反充二极管应能承受足够大的电流，而且正向电压要小，反向饱和电流要小。一般可选用合适的整流二极管。
（3）蓄电池组
其作用是储存太阳电池方阵受到光照时所产生的电能并随时向负载供电。
蓄电池组的最基本要求是自放电率低、使用寿命长、深放电能力强、充电效率高、少维护或免维护、工作温度范围宽及价格低廉。
（4）控制器
对于蓄电池尤其是铅酸蓄电池，频繁地过充电和过放电都会影响其使用寿命。过充电会使蓄电池大量出气，造成水分散失和活性物质脱落；过放电则容易加速栅板的腐蚀和不可逆硫酸化。为了保护蓄电池不受过充电和过放电的损害，必须要有一套控制系统来防止蓄电池的过充电和过放电，这套系统称为充放电控制器。充放电控制器通过检测蓄电池的电压和荷电状态，判断蓄电池是否已经达到过充点或过放点，并根据检测结果发出继续充放电的指令。
（5）逆变器
逆变器是通过半导体功率开关的通断作用把直流电转变为交流电的一种变换装置，执行的是整流变换的逆过程，逆变器及逆变技术可按输出波形、输出频率、输出相数等分类。
（6）测量设备
对于小型光伏发电系统，只要求进行简单的测量，如蓄电池电压和充放电电流，测量所用的电压表和电流表一般就装在控制器上。对于太阳能通信电源系统、管道阴极保护系统等工业电源系统和中大型光伏电站，往往要求对更多的参数进行测量，如太阳辐射、环境温度、充放电电量等。有时甚至要求具有远程数据传输、数据打印和遥控功能，这就要求光伏发电系统配备数据采集系统和微机监控系统。
3. 并网光伏发电系统
光伏发电系统发展的主流类型是并网光伏发电系统。太阳电池产生的电流是直流，必须通过逆变装置变换成交流电，再同电网的交流电合起来使用，这种形态的光伏系统就是并网光伏系统。
并网光伏发电系统可分为住宅用并网光伏发电系统和集中式并网光伏发电系统两大类。住宅用并网光伏发电系统是将其产生的电能直接分配到住宅的用电负载上，多余或不足的电力通过连接电网来调节。集中式并网光伏发电系统是将其产生的电能直接输送到电网，再由电网把电力统一分配到各个用电单位。
根据联网系统是否允许通过供电区变压器向主电网馈电的情况，光伏发电系统分为可逆流和不可逆流并网光伏发电系统。
如图1-10所示，可逆流系统是在光伏发电系统产生剩余电力时将该电能送入电网，由于与电网的供电方向相反，所以成为逆流；当光伏发电系统电力不足时，则由电网供电。这种系统一般是因光伏发电系统的发电能力大于负载和发电时间同负载用电时间不匹配而设计的。
如图1-11所示，不可逆流系统是指光伏发电系统的发电量始终小于或等于负载的用电量，缺少的电量由电网提供，即光伏发电系统与电网形成并联后向负载供电。这种系统中，即使光伏发电系统由于某种特殊原因而产生了剩余电能，也只能通过某种方法加以处理或放弃。由于不会出现光伏发电系统向电网输电的情况，所以这种系统称为不可逆流系统。
图1-10 可逆流并网光伏发电系统
图1-11 不可逆流并网光伏发电系统
1.2.2.3 光伏组件的主要技术指标
1. 光伏组件光电转换效率
光伏组件光电转换效率是指标准测试条件下（AM1.5，组件温度为25℃，辐照度为1000W/m2）光伏组件的最大输出功率与照射在该组件上的太阳光功率的比值。
光伏组件光电转换效率由通过国家资质认定的第三方检测实验室，按照GB/T 6495.1—1996规定的方法测试，必要时可根据GB/T 6495.4—1996进行温度和辐照度的修正。
批量生产的光伏组件必须通过经中国国家认证认可监督管理委员会批准的认证机构认证，且每块单体组件产品的实际功率与标称功率相差不得高于2%。
2. 光伏组件衰减率
光伏组件衰减率是指光伏组件运行一段时间后，在标准测试条件下，最大输出功率和投产运行初始最大输出功率的比值。
光伏组件衰减率的确定可采用加速老化测试、实地比对验证或其他有效方法。加速老化测试方法是利用环境试验箱模拟户外实际运行时的辐照度、温度、湿度等环境条件，并对相关参数进行加倍或者加严控制，以达到较短时间内加速组件老化衰减的目的。加速老化完成后，要在标准测试条件下对试验组件进行功率测试，然后依据衰减率公式，得出光伏组件发电性能的衰减率。