太阳能发电系统的原理及组成

太阳能(Solar)是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，是各种可再生能源中最重要的基本能源，也是人类可利用的最丰富的能源。太阳每年投射到地面上的辐射能高达1.05×1018千瓦时，相当于1.3×1014亿吨标准煤，为全世界目前一年耗能的一万多倍。按目前太阳的质量消耗速率计，可维持6×1010年，可以说它是“取之不尽，用之不竭”的能源。在地球大气层之外，地球与太阳平均距离处，垂直于太阳光方向的单位面积上的辐射能基本上为一个常数。这个辐射强度称为太阳常数，或称此辐射为大气质量为零(AM0)的辐射，其值为1.367 kW/m2。太阳是距离地球最近的恒星，是由炽热气体构成的一个巨大球体，中心温度约为10 7 K，表面温度接近5 800 K，主要由氢(约占80%)和氦(约占19%)组成。晴天，决定总入射功率的最重要的参数是光线通过大气层的路程。太阳在头顶正上方时，路程最短，实际路程和此最短路程之比称为光学大气质量。光学大气质量与太阳天顶角有关。当太阳天顶角为0°时，大气质量为1或称AM1;天顶角为60°时，大气质量为2或称AM2。天顶角为48.2度时，大气质量为AM1.5，为光伏业界的标准。

地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳;即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然气等)从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无须运输，对环境无任何污染。太阳能的利用主要通过光—热、光—电、光—化学、光—生物质等几种转换方式实现。

太阳能发电系统是利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统，光生伏打效应就是太阳光照到太阳能电池表面而产生电压的效应。太阳能发电系统分为离网型太阳能发电系统和并网型太阳能发电系统:太阳能光伏发电系统中，没有与公用电网相连接的光伏系统称为离网(或独立)太阳能光伏发电系统;与公共电网相连接的光伏系统称为并网(或联网)太阳能光伏发电系统。并网型太阳能发电系统是将所发电量送入电网;离网型太阳能发电系统是将所发电量在当地使用，不并入电网。离网(或独立)运行的光伏发电系统中，根据系统中用电负载的特点，可分为直流系统、交流系统、交直流混合系统。对于并网型太阳能发电系统要求全年所发电量尽可能最大，而对于离网型太阳能发电系统则要求全年发电量尽可能均衡，以满足负载需要。离网型太阳能发电与并网型太阳能发电的最大区别是前者一般需要蓄电池来储存电能。图1－2是离网型太阳能发电系统典型组成示意图，它包括太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成。

在并网型太阳能发电系统中需要防止孤岛效应，所谓孤岛现象是指当电网供电因故障或停电维修而跳脱时，各个用户端的分布式并网发电系统(如光伏发电、风力发电、燃料电池发电等)未能即时检测出停电状态而将自身切离市电网络，而形成由分布电站并网发电系统和周围的负载组成的一个自给供电的孤岛。

图1－2　太阳能电池发电系统示意图

孤岛一旦产生将会危及电网输电线路上维修人员的安全;影响配电系统上的保护开关的动作程序，冲击电网保护装置;影响传输电能质量，电力孤岛区域的供电电压与频率将不稳定;当电网供电恢复后会造成相位不同步;单相分布式发电系统会造成系统三相负载欠相供电。因此对于一个并网系统必须能够进行防孤岛效应检测，逆变器直接并网时，除了应具有基本的保护功能外，还应具备防孤岛效应的特殊功能。从用电安全与电能质量考虑，孤岛效应是不允许出现的;当发生孤岛现象时，并网系统必须快速、准确地切除并网逆变器，向电网供电。孤岛发生时必须快速、准确地切除并网逆变器，向电网供电。