【摘要】　本文講述了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。太陽能發(fā)電系統(tǒng)在廣大無電地區(qū)或供電嚴(yán)重不足地區(qū)應(yīng)用，可有效地解決居民照明及生活用電的困難。文中提出充分利用太陽能，研究開發(fā)推廣節(jié)能型的綠色光源，是實現(xiàn)建筑綠色照明，實施國家"綠色照明工程"的重要措施。

【關(guān)鍵詞】　太陽能發(fā)電　綠色照明　光伏--建筑照明一體化

太陽能發(fā)電是利用電池組件將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。太陽能電池組件(solar cells)是利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性實現(xiàn)p-v轉(zhuǎn)換的固體裝置，在廣大的無電力網(wǎng)地區(qū)，該裝置可以方便地實現(xiàn)為用戶照明及生活供電，一些發(fā)達(dá)國家還可與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)實現(xiàn)互補。目前從民用的角度，在國外技術(shù)研究趨于成熟且初具產(chǎn)業(yè)化的是"光伏--建筑(照明)一體化"技術(shù)，而國內(nèi)主要研究生產(chǎn)適用于無電地區(qū)家庭照明用的小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

1　太陽能發(fā)電原理

太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要包括：太陽能電池組件(陣列)、控制器、蓄電池、逆變器、用戶即照明負(fù)載等組成。其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護(hù)系統(tǒng)，負(fù)載為系統(tǒng)終端。

1.1　太陽能電源系統(tǒng)

太陽能電池與蓄電池組成系統(tǒng)的電源單元，因此蓄電池性能直接影響著系統(tǒng)工作特性。

(1)　電池單元：

由于技術(shù)和材料原因，單一電池的發(fā)電量是十分有限的，實用中的太陽能電池是單一電池經(jīng)串、并聯(lián)組成的電池系統(tǒng)，稱為電池組件(陣列)。單一電池是一只硅晶體二極管，根據(jù)半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，當(dāng)太陽光照射到由p型和n型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的p-n結(jié)上時，在一定的條件下，太陽能輻射被半導(dǎo)體材料吸收，在導(dǎo)帶和價帶中產(chǎn)生非平衡載流子即電子和空穴。同于p-n結(jié)勢壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場，因而能在光照下形成電流密度j，短路電流isc，開路電壓uoc。 若在內(nèi)建電場的兩側(cè)面引出電極并接上負(fù)載，理論上講由p-n結(jié)、連接電路和負(fù)載形成的回路，就有"光生電流"流過，太陽能電池組件就實現(xiàn)了對負(fù)載的功率p輸出。

理論研究表明，太陽能電池組件的峰值功率pk，由當(dāng)?shù)氐奶柶骄椛鋸?qiáng)度與末端的用電負(fù)荷(需電量)決定。

(2)　電能儲存單元：

太陽能電池產(chǎn)生的直流電先進(jìn)入蓄電池儲存，蓄電池的特性影響著系統(tǒng)的工作效率和特性。蓄電池技術(shù)是十分成熟的，但其容量要受到末端需電量，日照時間(發(fā)電時間)的影響。因此蓄電池瓦時容量和安時容量由預(yù)定的連續(xù)無日照時間決定。

1.2　控制器

控制器的主要功能是使太陽能發(fā)電系統(tǒng)始終處于發(fā)電的最大功率點附近，以獲得最高效率。而充電控制通常采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)即pwm控制方式，使整個系統(tǒng)始終運行于最大功率點pm附近區(qū)域。放電控制主要是指當(dāng)電池缺電、系統(tǒng)故障，如電池開路或接反時切斷開關(guān)。目前日立公司研制出了既能跟蹤調(diào)控點pm，又能跟蹤太陽移動參數(shù)的"向日葵"式控制器，將固定電池組件的效率提高了50%左右。

1.3　dc-ac逆變器

逆變器按激勵方式，可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流

電逆變成交流電。通過全橋電路，一般采用spwm處理器經(jīng)過調(diào)制、濾波、升壓等，得到與照

明負(fù)載頻率f，額定電壓un等匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。

2　太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率

在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總效率ηese由電池組件的pv轉(zhuǎn)換率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負(fù)載的效率等組成。但相對于太陽能電池技術(shù)來講，要比控制器、逆變器及照明負(fù)載等其它單元的技術(shù)及生產(chǎn)水平要成熟得多，而且目前系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換率只有17%左右。因此提高電池組件的轉(zhuǎn)換率，降低單位功率造價是太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的重點和難點。太陽能電池問世以來，晶體硅作為主角材料保持著統(tǒng)治地位。目前對硅電池轉(zhuǎn)換率的研究，主要圍繞著加大吸能面，如雙面電池，減小反射；運用吸雜技術(shù)減小半導(dǎo)體材料的復(fù)合；電池超薄型化；改進(jìn)理論，建立新模型；聚光電池等。幾種太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率見表1。

表1　幾種太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率

實驗室典型電池 商品薄膜電池
各種太陽能電池 ηmax(%) 各種太陽能電池 η(%)
單晶硅 24.4 多晶硅 16.6
多晶硅 18.6 銅銦鎵硒 18.8
gaas(單結(jié)) 25.7 碲化鎘 16.0
a-si(單結(jié)) 13 銅銦硒 14.1

充分利用太陽能是綠色照明的重要內(nèi)容之一。而真正意義上的綠色照明至少還包括：照明系統(tǒng)的高效率，高穩(wěn)定性，高效節(jié)能的綠色光源等。

3.1　發(fā)電--建筑照明一體化

目前成功地把太陽能組件和建筑構(gòu)件加以整合，如太陽能屋面(頂)、墻壁及門窗等，實現(xiàn)了"光伏--建筑照明一體化(bipv)"。1997年6月，美國宣布了以總統(tǒng)命名的"太陽能百萬屋頂計劃"，在2010年以前為100萬座住宅實施太陽能發(fā)電系統(tǒng)。日本"新陽光計劃"已在2000年以前將光伏建筑組件裝機(jī)成