南昌航空大学
自 学 考 试 毕 业 论 文
题 目 小型并网光伏发电系统设计 专 业 光伏材料应用技术 学生姓名 汤传兵 准考证号 [1**********]6 指导教师 陈立
年 月
目录
第一章 绪论
1.1 太阳能系统的分类
1.2 国内外光伏发电的发展及状况
1.2.1 国外太阳能发电状况
1.2.2 国内太阳能发电状况
1.4 本课题的研究内容
第二章 太阳能电池
2.1 太阳能电池的发电原理及构造
2.1.1 单晶硅太阳能电池
2.1.2 多晶硅太阳能电池
2.1.3 非晶硅太阳能电池
第三章 太阳能光伏发电系统
3.1 独立系统
3.1.1 独立系统的用途
3.2 并网系统
3.2.1 并网发电系统的优点
3.2.2 并网发电系统的原理及组成
3.2.3 系统主要组件简介
参考文献
第一章 绪论
太阳能光伏发电是当前利用新能源的主要方式之一，光伏并网发电是光伏发电的发展趋势。光伏并网发电的主要问题是提高系统中太阳能电池阵列的工作效率和整个系统的工作稳定性，实现并网发电系统输出的交流正弦电流与电网电压同频同相[1-2]。最大功率点跟踪MPPT(maximum power point tracking)是太阳能光伏发电系统中的重要技术，它能充分提高光伏阵列的整体效率。在确定的外部条件下，随着负载的变化，太阳能电池的输出功率也会变化，但始终存在一个最大功率点。当工作环境变化时，特别是日光照度和结温变化时，太阳能电池的输出特性也随之变化，且太阳能电池输出特性的变化非常复杂。目前太阳能光
伏发电系统转换效率较低且价格昂贵，因此，使用最大功率点跟踪技术提高太阳能电池的利用效率，充分利用太阳能电池的转换能量，应是光伏系统研究的一个重要方向。
1.1 太阳能系统的分类
1.小型太阳能供电系统
该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。其主要用途是一般的家庭户用系统，各种民用的直流产品以及相关的娱乐设备。如在我国西部地区就大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流灯，用来解决无电地区的家庭照明问题。
2.简单直流系统
该系统的特点是系统中的负载为直流负载而且对负载的使用时间没有特别的要求，负载主要是在白天使用，所以系统中没有使用蓄电池，也不需要使用控制器，系统结构简单，直接使用光伏组件给负载供电，省去了能量在蓄电池中的储存和释放过程，以及控制器中的能量损失，提高了能量利用效率。其常用于PV水泵系统、一些白天临时设备用电和一些旅游设施中。下图显示的就是一个简单直流的PV水泵系统。这种系统在发展中国家的无纯净自来水供饮的地区得到了广泛的应用，产生了良好的社会效益。
3.大型太阳能供电系统
与上述两种光伏系统相比，这种光伏系统仍然是适用于直流电源系统，但是这种太阳能光伏系统通常负载功率较大，为了保证可以可靠地给负载提供稳定的电力供应，其相应的系统规模也较大，需要配备较大的光伏组件阵列以及较大的太阳能蓄电池组，其常见的应用形式有通信、遥测、监测设备电源，农村的集中供电，航标灯塔、路灯等。我国在西部一些无电地区建设的部分乡村光伏电站就是采用的这种形式，中国移动公司和中国联通公司在偏僻无电网地区建设的通讯基站也有采用这种光伏系统供电的。如山西万家寨的通讯基站工程。
4.交流、直流供电系统
与上述的三种太阳能光伏系统不同的是，这种光伏系统能够同时为直流和交流负载提供电力，在系统结构上比上述三种系统多了逆变器，用于将直流电转换为交流电以满足交流负载的需求。通常这种系统的负载耗电量也比较大，从而系统的规模也较大。在一些同时具有交流和直流负载的通讯基站
和其它一些含有交、直流负载的光伏电站中得到应用。
5.并网系统
种太阳能光伏系统最大的特点就是光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入市电网络，并网系统中PV方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚，光伏阵列没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。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PV方阵所发的电力从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本。但是系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压，频率等指标的要求。因为逆变器效率的问题，还是会有部分的能量损失。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能光伏组件阵列作为本地交流负载的电源。降低了整个系统的负载缺电率。而且并网PV系统可以对公用电网起到调峰作用。但是，并网光伏供电系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，如谐波污染，孤岛效应等。
1.2 国内外光伏发电的发展及状况
太阳能做为一种清洁，可再生能源在当今社会受到越来越多的关注.从电池板的生产到电力变换器的设计，众多的光伏相关技术都得到了极大的发展.中国的光伏电池板产量处于世界领先地位，但由于技术，政策等方面的原因，光伏市场份额和世界领先水平想比还有很大差距.本文在简单介绍光伏发电系统的基础上，介绍了一种高效率的光伏逆变器拓扑，并对中国光伏发电产业的现状和发展情况进行了分析.
1.2.1 国外太阳能发电状况
德国：巴伐利亚州将建成大型太阳能发电场
太阳能发电技术位居世界前列的德国，在巴伐利亚州法兰哥尼亚地区的阿恩施泰因建成大型的太阳能发电场，其发电功率为12.4兆瓦，可以同时满足3500户家庭的用电需要。
这座太阳能发电场占地77公顷，将拥有1500套太阳能发电装置。它由两家私人企业联合策划，建成后发电功率是目前世界上最大的5兆瓦风力发电站的两倍多。这两家企业计划完全通过私人购买的方式，筹集建场所需的7500万欧元。
个人购买套太阳能发电装置的需要先投资1.44万欧元。据调查，这种集资建太阳能发电场的全新途径在德国有着广阔的发展前景。
生产可再生能源的现代科学技术在德国一直广受欢迎。德国环境部委托该国Forsa市场调查机构于2005年5月初进行调查，调查结果显示，接近62%的德国人认为应该增加在可再生能源方面的投入。大部分受访者支持利用风力发电，并赞同努力在未来20至25年内实现。利用海上风力发电站，可满足该国15%的电力需求。
在未来20年至30年内，太阳能是另一个将获得长足发展的能量来源。调查结果还显示，有85%的德国民众将太阳能视为替代传统能源的理想选择。
日本：自家发电还能卖给政府
1973年第一次石油危机的爆发对日本产生了重大影响，石油危机终结了日本经济高速增长的时代。此后，日本政府提倡节省能源，加强新能源开发，放宽能源限制，大力开发新能源，采用太阳能、风能、燃料电池、氢能、超导能等。日本正在极力谋求多角度、全方位的能源安全措施，通过这些努力来保护环境，构筑新层次的可持续发展的社会。在替代能源和节能技术的研发上，日本舍得投入，力图确保未来能源科技的制高点，推出"新阳光计划"，每年拨款570多亿日元研究再生能源技术、能源输送与储存技术等。
在日本，太阳能发电是非常普及的。在家庭方面，太阳能发电普及的难点就是费用非常高。购买太阳能发电装置的费用能否比电费合算是关键，这在以前也是做不到的。当时的太阳能发电装置很难卖出去，正是因为卖的数量少，所以不能大规模批量生产。
现在，家庭购买这种装置，一半的费用由政府来补贴，所以现在卖出去的越来越多，价格也随之降低了。据了解， 10年前，日本3千瓦的发电设备价格约为600万日元，这大概够交几十年的电费，而现在的市场价格降低了一半。折合成人民币，约从40万元降到了20万元左右。
在日本使用太阳能发电装置还有一个独特的好处：白天不用电，而是发电卖给电力公司或者政府，而后者也积极收购，这样得到的收入可以用来抵消部分电费。根据统计资料可以看到一个有意思的情况--在普及了太阳能发电装置的家庭，节电工作反而做的更好。
经过多年的苦心经营，日本成为世界上能源利用效率最高的国家之一（为美国的2.75倍）。日本的太阳能技术全球独领风骚，2002年日本的太阳能发电量
占全球总量的46%。
韩国：2006年将建设世界最大太阳能电厂
韩国全罗南道政府日前称，他们将于4月份与美国公司一起建设世界最大太阳能电厂，每小时发电17兆瓦。
该电厂发电量远远超过德国同类型电厂每小时5兆瓦发电量，目前属世界最大的太阳能发电厂。
早些时候，全罗南道政府与美资全资拥有的Kore集团达成项目协议，该项目注入外资1．5亿美元。
该协议是根据地区政府与美国公司2004年谅解备忘录（MOU）在朝鲜半岛木浦市建设太阳能发电厂。MOU明确Kore集团为项目提供资金并实施监督。
以色列：立法推动太阳能开发
众所周知，以色列是一个日照充足、太阳能资源条件较好的国家，在太阳能利用技术的研究与开发方面，不但受到政府主管部门、研究机构和企业的高度重视，同时，还与美国、欧洲、澳洲等国家和地区有广泛的合作关系，从而使以色列在此领域一直处于世界领先行列。
一座占地1000英亩、发电功率为50万千瓦的世界最大的太阳能发电厂，将在以色列南部内盖夫沙漠中建设。该太阳能电厂一期发电能力将达10万千瓦，到2012年工程全部完工时，发电能力将达到50万千瓦，发电量约占以全国电力生产的5% 。长期以来，以色列一直重视对太阳能技术的研究与开发，国内著名的研究机构在太阳能开发技术领域取得了许多重要成果，使以色列在开发和利用太阳能技术方面保持世界领先水平。但由于太阳能发电成本居高不下，极大地制约着以色列太阳能的开发和利用。这座电站是以色列的第一座太阳能电站。
缺乏常规能源的以色列是惟一在法律上规定民用建筑必须安装太阳能热水器的国家，因此，以色列太阳能热水器的普及率高达90%，人均使用太阳能热水器面积居世界首位.
1.2.2 国内太阳能发电状况
一、中国光伏产业现状
中国太阳能光伏技术开始于20世纪70年代，开始时主要用运于空间技术，而后逐渐扩大到地面并形成了中国的光伏产业，已利用太阳能发电为中国内蒙古、甘肃、新疆、西藏、青海和四川等地共20万无电户解决了用点问题。目前，中
国已安装光伏电站约10万千瓦，主要为边远地区居民供电。
二、中国光伏发电市场容量
按照有关规划，到2020年，实现国内光电市场将达到1000万千瓦。2005年国际能源巨头BP集团的全资子公司BP太阳能与中国新疆新能源股份有限公司组建合资企业“碧辟新能源有限公司”，将共同在中国开展太阳能光伏产品和系统的生产、营销。合资企业注册资本超过1000万美元。该企业将拥有2.5万千瓦的制造能力，主要致力于为中国偏远地区提供可持续电力，以及开发国内的并网发电市场。BP太阳能自上世纪90年代以来参与中国大型太阳能项目的设计、供应和建设工程。太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电，是太阳能热利用的重要方面。
三、国际太阳能产业政策分析
国外鼓励太阳能产业发展的政策，早在1996年，美国加州创立5.4亿美元的公共收益基金以支持可更新能源的发展，而其他的州也在仿效加州的做法并尝试新的计划。2000年4月，德国政府引入了“税收返还”政策，太阳能产品提供商承诺一价格执行20年，并将太阳能能源并入公用电力网络后，每千瓦时电力的输出将获得政府约50欧分的回报，成本由全部电力用户分担，因而公用事业部门也没有受到消极的冲击。在日本，受到了七万屋顶计划的利好刺激，最近几年太阳能市场迅速发展，计划的实施使得太阳能产品价格降低幅度超过50%，政府的投资还为该国培育了具有国际竞争力的太阳能大规模制造能力。
四、中国的太阳能产业政策
国际上的共同经验表明，国家必须从金融、财政、税收等方面对企业或消费者给予扶持。2006年1月份发改委最新出台《可再生能源发电有关管理规定》，指出，生物质发电、地热能发电、海洋能发电和太阳能发电等四类项目可向国家申报政策和资金支持。
1.4 本课题的研究内容
本课题主要研究小型并网发电系统在生活中的各种优势，及给予人们生活的好处和方便，在当今的国情下是否能行的通,以及怎样去构造一个这样的发电系统，该怎样的去让它实现最大的效益。
第二章 太阳能电池
2.1 太阳能电池的发电原理及构造
1.太阳能电池的结构图
太阳电池是一种可以将能量转换的光电元件，其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”，它是不导电的，但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成P型与N型半导体，再利用P型半导体有个电洞，与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，所以当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和电洞的对流，这些电子和电洞均会受到内建电位的影响，分别被N型及P型半导体吸引，而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来，形成一个回路，这就是太阳电池发电的原理。 简单的说，太阳光电的发电原理，是利用太阳电池吸收0.4μm～1.1μm波长(针对硅晶)的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。 由于太阳电池产生的电是直流电，因此若需提供电力给家电用品或各式电器则需加装直/交流转换器，换成交流电，才能供电至家庭用电或工业用电。
2.太阳能电池的充电发展
太阳能电池应用在消费性商品上，大多有充电的问题，过去一般采用镍氢或镍镉干电池来充电，但是镍氢干电池无法抗高温，镍镉干电池有环保污染的问题。 近年来超级电容发展快速，容量超大，面积反缩小，加上韩国产品价格低廉，因此有部份太阳能产品开始应用超级电容来充电，因而改善了太阳能充电的许多问题： 1.充电较快速， 2.寿命长5倍以上， 3.充电温度范围较广， 4.减少太阳能电池用量(可低压充电)。
2.1.1 单晶硅太阳能电池
特点
硅系列太阳能电池中，单晶硅的光电转换效率最高，技术也最成熟，高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关成熟的加工工艺基础上。提高转换效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。单晶硅太阳能电池的转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍旧占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本据高不下，严重影响了其广泛应用。
单晶硅太阳能电池的特点是对于大于0.7μm的红外光也有一定的灵敏度。以p型单晶硅为衬底，其上扩散n型杂质的太阳能电池与n型单晶硅为衬底的太阳能电池相比，其光谱特性的峰值更偏向左边（短波长一方）。它对从蓝到紫色的短波长（波长小于0.5μm）的光有较高的灵敏度，但其制法复杂，成本高，仅限于空间应用。此外，带状多晶硅太阳能电池的光谱特性也接近于单晶硅太阳能电池的光谱特性。
结晶形态分 高纯多晶硅 铸造多晶硅
带状多晶硅
薄膜多晶硅
非晶硅
2.1.2 多晶硅太阳能电池
特点
单晶硅太阳能电池的缺点是制造过程复杂，制造电池的能耗大。为解决这些问题，用浇铸法或晶带法制造的多晶硅太阳能电池的开发取得了进展。在1976年证明用多晶硅材料制作的太阳能电池的转换效率已超过10%，对大晶粒的电池，有报道效率可达20%。这种低成本的多晶硅太阳能电池已经大量生产，目前，它在太阳能电池工业中所占的分额也相当大。
但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许多
晶界存在，电池效率比单晶硅低；
晶向不一致，表面织构化困难。
单晶、多晶与非晶的区别
多晶：短程有序（团体有序），成百上千个原子尺度，通常是在微米的量级； 非晶：局部有序（个体有序），微观尺度，几个原子、分子尺度，一般只有十几埃至几十埃的范围；
单晶：长程有序（整体有序），宏观尺度，通常包含了整块固体材料。
尽管多晶硅材料由于存在晶粒间界而不利于太阳能电池转换效率的提高。但因为制备多晶硅材料比制备单晶硅材料要便宜得多，所以研究人员正致力于减少颗粒间界的影响以期得到低成本多晶硅太阳能电池。
结晶形态分 铸造多晶硅
带状多晶硅
薄膜多晶硅
非晶硅
2.1.3 非晶硅太阳能电池
1非晶硅具有较高的光吸收系数
这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素。
2非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0eV的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。
③材料和制造工艺成本低、设备简单；而且非晶硅薄膜厚度仅有数千埃，不足晶体硅太阳电池厚度的百分之一，大大降低了硅原材料的成本；沉积温度为100～300ºC。
④由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它几乎可以淀积在任何衬底上，如
不锈钢、塑料甚至廉价的玻璃衬底。
⑤易于形成大规模的生产能力，这是因为非晶硅适合制作特大面积、无结构缺陷的薄膜，生产可全流程自动化，显著提高劳动生产率。（最大1100mm*1250mm单结晶非晶硅太阳电池）
⑥多品种和多用途，不同于晶体硅，在制备非晶硅薄膜时，只要改变原材料的气相成分或气体流量，便可使非晶硅薄膜改性，制备出新型的太阳电池结构；并且根据器件功率、输出电压和输出电流的要求，可以自由设计制造，方便地制作出适合不同需求的多品种产品。
⑦易实现柔性电池，非晶硅可以制备在柔性的衬底上，而且其硅原子网络结构的力学性能特殊，因此，它可以制备成轻型、柔性太阳电池，易于与建筑集成。 ⑧制备非晶硅太阳能电池能耗少，约100千瓦小时，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。
第三章 太阳能光伏发电系统
3.1 独立系统
1、独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。
3.1.1 独立系统的用途
独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要蓄电池来存储夜晚用电的能量。独立太阳能光伏发电在民用范围内主要用于边远的乡村，如家庭系统、村级太阳能光伏电站；在工业范围内主要用于电讯、卫星广播电视、太阳能水泵，在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统，如风力发电/太阳能发电互补系统等。
3.2 并网系统
并网光伏发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电这后直接接入公共电网。并网光伏发电系统有集中式大
型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，目前还没有太大发展。而分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是目前并网光伏发电的主流。
3.2.1 并网发电系统的优点
1、利用清洁干净，可再生的自然能源太阳能发电，不耗用不可再生的，资源有限的含碳化石能源，使用中无室气体和污染物排放，与生态环境和谐，符合经济社会可持续发展战略。
2、所发电能馈入电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池，比独立太阳能光伏系统的建设投资可减少达25%—45%，从而使发电成本大为降低。省掉蓄电池并可提高系统的平均无故障时间和蓄电池的二次污染。
3、光伏电池组件与建筑物完美结合，既可发电又能作为建筑材料和装饰材料，使物质资源充分利用发挥多种功能，不但有利于降低建设费用，并且还使建筑物科技含量提高，增加卖点。
4、分布式建设，就近就地分散发供电，进入和退出电网灵活，既有利于增强电力系统抵御战争和灾害的能力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低线路损耗。
5、可起调峰作用。联网太阳能光伏系统是世界各发达国家在光伏应用领域竞相发展的热点和重点，是世界太阳能光伏发电的主流发展趋势，市场巨大，前景广阔。
3.2.2 并网发电系统的原理及组成
太阳能电池发电系统是利用光生伏打效应原理制成的，它是将太阳辐射能量直接转换成电能的发电系统。它主要由太阳能电池方阵和并网逆变器两部分组成。如下图所示:白天有日照时，太阳能电池方阵发出的电经过并网逆变器将电能直接输送到交流电网上，或将太阳能所发出的电经过并网逆变器直接为交流负载供电。
工作原理图：
3.3.3 系统主要组件简介
1、太阳能电池组件
一个太阳能电池只能产生大约0.5伏的电压，远低于实际使用所需电压。为了满足实际应用的需要，需要把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。如一个组件上，太阳能电池的数量是36片，这意味着一个太阳能组件大约能产生17伏的电压。
通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐，防风，防雹，防雨的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。
2、光伏并网逆变器
将直流电变换成交流电的设备。由于太阳能电池发出的是直流电，而一般的负载是交流负载，所以逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。
南昌航空大学
自 学 考 试 毕 业 论 文
题 目 小型并网光伏发电系统设计 专 业 光伏材料应用技术 学生姓名 汤传兵 准考证号 [1**********]6 指导教师 陈立
年 月
目录
第一章 绪论
1.1 太阳能系统的分类
1.2 国内外光伏发电的发展及状况
1.2.1 国外太阳能发电状况
1.2.2 国内太阳能发电状况
1.4 本课题的研究内容
第二章 太阳能电池
2.1 太阳能电池的发电原理及构造
2.1.1 单晶硅太阳能电池
2.1.2 多晶硅太阳能电池
2.1.3 非晶硅太阳能电池
第三章 太阳能光伏发电系统
3.1 独立系统
3.1.1 独立系统的用途
3.2 并网系统
3.2.1 并网发电系统的优点
3.2.2 并网发电系统的原理及组成
3.2.3 系统主要组件简介
参考文献
第一章 绪论
太阳能光伏发电是当前利用新能源的主要方式之一，光伏并网发电是光伏发电的发展趋势。光伏并网发电的主要问题是提高系统中太阳能电池阵列的工作效率和整个系统的工作稳定性，实现并网发电系统输出的交流正弦电流与电网电压同频同相[1-2]。最大功率点跟踪MPPT(maximum power point tracking)是太阳能光伏发电系统中的重要技术，它能充分提高光伏阵列的整体效率。在确定的外部条件下，随着负载的变化，太阳能电池的输出功率也会变化，但始终存在一个最大功率点。当工作环境变化时，特别是日光照度和结温变化时，太阳能电池的输出特性也随之变化，且太阳能电池输出特性的变化非常复杂。目前太阳能光
伏发电系统转换效率较低且价格昂贵，因此，使用最大功率点跟踪技术提高太阳能电池的利用效率，充分利用太阳能电池的转换能量，应是光伏系统研究的一个重要方向。
1.1 太阳能系统的分类
1.小型太阳能供电系统
该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。其主要用途是一般的家庭户用系统，各种民用的直流产品以及相关的娱乐设备。如在我国西部地区就大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流灯，用来解决无电地区的家庭照明问题。
2.简单直流系统
该系统的特点是系统中的负载为直流负载而且对负载的使用时间没有特别的要求，负载主要是在白天使用，所以系统中没有使用蓄电池，也不需要使用控制器，系统结构简单，直接使用光伏组件给负载供电，省去了能量在蓄电池中的储存和释放过程，以及控制器中的能量损失，提高了能量利用效率。其常用于PV水泵系统、一些白天临时设备用电和一些旅游设施中。下图显示的就是一个简单直流的PV水泵系统。这种系统在发展中国家的无纯净自来水供饮的地区得到了广泛的应用，产生了良好的社会效益。
3.大型太阳能供电系统
与上述两种光伏系统相比，这种光伏系统仍然是适用于直流电源系统，但是这种太阳能光伏系统通常负载功率较大，为了保证可以可靠地给负载提供稳定的电力供应，其相应的系统规模也较大，需要配备较大的光伏组件阵列以及较大的太阳能蓄电池组，其常见的应用形式有通信、遥测、监测设备电源，农村的集中供电，航标灯塔、路灯等。我国在西部一些无电地区建设的部分乡村光伏电站就是采用的这种形式，中国移动公司和中国联通公司在偏僻无电网地区建设的通讯基站也有采用这种光伏系统供电的。如山西万家寨的通讯基站工程。
4.交流、直流供电系统
与上述的三种太阳能光伏系统不同的是，这种光伏系统能够同时为直流和交流负载提供电力，在系统结构上比上述三种系统多了逆变器，用于将直流电转换为交流电以满足交流负载的需求。通常这种系统的负载耗电量也比较大，从而系统的规模也较大。在一些同时具有交流和直流负载的通讯基站
和其它一些含有交、直流负载的光伏电站中得到应用。
5.并网系统
种太阳能光伏系统最大的特点就是光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入市电网络，并网系统中PV方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚，光伏阵列没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。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PV方阵所发的电力从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本。但是系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压，频率等指标的要求。因为逆变器效率的问题，还是会有部分的能量损失。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能光伏组件阵列作为本地交流负载的电源。降低了整个系统的负载缺电率。而且并网PV系统可以对公用电网起到调峰作用。但是，并网光伏供电系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，如谐波污染，孤岛效应等。
1.2 国内外光伏发电的发展及状况
太阳能做为一种清洁，可再生能源在当今社会受到越来越多的关注.从电池板的生产到电力变换器的设计，众多的光伏相关技术都得到了极大的发展.中国的光伏电池板产量处于世界领先地位，但由于技术，政策等方面的原因，光伏市场份额和世界领先水平想比还有很大差距.本文在简单介绍光伏发电系统的基础上，介绍了一种高效率的光伏逆变器拓扑，并对中国光伏发电产业的现状和发展情况进行了分析.
1.2.1 国外太阳能发电状况
德国：巴伐利亚州将建成大型太阳能发电场
太阳能发电技术位居世界前列的德国，在巴伐利亚州法兰哥尼亚地区的阿恩施泰因建成大型的太阳能发电场，其发电功率为12.4兆瓦，可以同时满足3500户家庭的用电需要。
这座太阳能发电场占地77公顷，将拥有1500套太阳能发电装置。它由两家私人企业联合策划，建成后发电功率是目前世界上最大的5兆瓦风力发电站的两倍多。这两家企业计划完全通过私人购买的方式，筹集建场所需的7500万欧元。
个人购买套太阳能发电装置的需要先投资1.44万欧元。据调查，这种集资建太阳能发电场的全新途径在德国有着广阔的发展前景。
生产可再生能源的现代科学技术在德国一直广受欢迎。德国环境部委托该国Forsa市场调查机构于2005年5月初进行调查，调查结果显示，接近62%的德国人认为应该增加在可再生能源方面的投入。大部分受访者支持利用风力发电，并赞同努力在未来20至25年内实现。利用海上风力发电站，可满足该国15%的电力需求。
在未来20年至30年内，太阳能是另一个将获得长足发展的能量来源。调查结果还显示，有85%的德国民众将太阳能视为替代传统能源的理想选择。
日本：自家发电还能卖给政府
1973年第一次石油危机的爆发对日本产生了重大影响，石油危机终结了日本经济高速增长的时代。此后，日本政府提倡节省能源，加强新能源开发，放宽能源限制，大力开发新能源，采用太阳能、风能、燃料电池、氢能、超导能等。日本正在极力谋求多角度、全方位的能源安全措施，通过这些努力来保护环境，构筑新层次的可持续发展的社会。在替代能源和节能技术的研发上，日本舍得投入，力图确保未来能源科技的制高点，推出"新阳光计划"，每年拨款570多亿日元研究再生能源技术、能源输送与储存技术等。
在日本，太阳能发电是非常普及的。在家庭方面，太阳能发电普及的难点就是费用非常高。购买太阳能发电装置的费用能否比电费合算是关键，这在以前也是做不到的。当时的太阳能发电装置很难卖出去，正是因为卖的数量少，所以不能大规模批量生产。
现在，家庭购买这种装置，一半的费用由政府来补贴，所以现在卖出去的越来越多，价格也随之降低了。据了解， 10年前，日本3千瓦的发电设备价格约为600万日元，这大概够交几十年的电费，而现在的市场价格降低了一半。折合成人民币，约从40万元降到了20万元左右。
在日本使用太阳能发电装置还有一个独特的好处：白天不用电，而是发电卖给电力公司或者政府，而后者也积极收购，这样得到的收入可以用来抵消部分电费。根据统计资料可以看到一个有意思的情况--在普及了太阳能发电装置的家庭，节电工作反而做的更好。
经过多年的苦心经营，日本成为世界上能源利用效率最高的国家之一（为美国的2.75倍）。日本的太阳能技术全球独领风骚，2002年日本的太阳能发电量
占全球总量的46%。
韩国：2006年将建设世界最大太阳能电厂
韩国全罗南道政府日前称，他们将于4月份与美国公司一起建设世界最大太阳能电厂，每小时发电17兆瓦。
该电厂发电量远远超过德国同类型电厂每小时5兆瓦发电量，目前属世界最大的太阳能发电厂。
早些时候，全罗南道政府与美资全资拥有的Kore集团达成项目协议，该项目注入外资1．5亿美元。
该协议是根据地区政府与美国公司2004年谅解备忘录（MOU）在朝鲜半岛木浦市建设太阳能发电厂。MOU明确Kore集团为项目提供资金并实施监督。
以色列：立法推动太阳能开发
众所周知，以色列是一个日照充足、太阳能资源条件较好的国家，在太阳能利用技术的研究与开发方面，不但受到政府主管部门、研究机构和企业的高度重视，同时，还与美国、欧洲、澳洲等国家和地区有广泛的合作关系，从而使以色列在此领域一直处于世界领先行列。
一座占地1000英亩、发电功率为50万千瓦的世界最大的太阳能发电厂，将在以色列南部内盖夫沙漠中建设。该太阳能电厂一期发电能力将达10万千瓦，到2012年工程全部完工时，发电能力将达到50万千瓦，发电量约占以全国电力生产的5% 。长期以来，以色列一直重视对太阳能技术的研究与开发，国内著名的研究机构在太阳能开发技术领域取得了许多重要成果，使以色列在开发和利用太阳能技术方面保持世界领先水平。但由于太阳能发电成本居高不下，极大地制约着以色列太阳能的开发和利用。这座电站是以色列的第一座太阳能电站。
缺乏常规能源的以色列是惟一在法律上规定民用建筑必须安装太阳能热水器的国家，因此，以色列太阳能热水器的普及率高达90%，人均使用太阳能热水器面积居世界首位.
1.2.2 国内太阳能发电状况
一、中国光伏产业现状
中国太阳能光伏技术开始于20世纪70年代，开始时主要用运于空间技术，而后逐渐扩大到地面并形成了中国的光伏产业，已利用太阳能发电为中国内蒙古、甘肃、新疆、西藏、青海和四川等地共20万无电户解决了用点问题。目前，中
国已安装光伏电站约10万千瓦，主要为边远地区居民供电。
二、中国光伏发电市场容量
按照有关规划，到2020年，实现国内光电市场将达到1000万千瓦。2005年国际能源巨头BP集团的全资子公司BP太阳能与中国新疆新能源股份有限公司组建合资企业“碧辟新能源有限公司”，将共同在中国开展太阳能光伏产品和系统的生产、营销。合资企业注册资本超过1000万美元。该企业将拥有2.5万千瓦的制造能力，主要致力于为中国偏远地区提供可持续电力，以及开发国内的并网发电市场。BP太阳能自上世纪90年代以来参与中国大型太阳能项目的设计、供应和建设工程。太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电，是太阳能热利用的重要方面。
三、国际太阳能产业政策分析
国外鼓励太阳能产业发展的政策，早在1996年，美国加州创立5.4亿美元的公共收益基金以支持可更新能源的发展，而其他的州也在仿效加州的做法并尝试新的计划。2000年4月，德国政府引入了“税收返还”政策，太阳能产品提供商承诺一价格执行20年，并将太阳能能源并入公用电力网络后，每千瓦时电力的输出将获得政府约50欧分的回报，成本由全部电力用户分担，因而公用事业部门也没有受到消极的冲击。在日本，受到了七万屋顶计划的利好刺激，最近几年太阳能市场迅速发展，计划的实施使得太阳能产品价格降低幅度超过50%，政府的投资还为该国培育了具有国际竞争力的太阳能大规模制造能力。
四、中国的太阳能产业政策
国际上的共同经验表明，国家必须从金融、财政、税收等方面对企业或消费者给予扶持。2006年1月份发改委最新出台《可再生能源发电有关管理规定》，指出，生物质发电、地热能发电、海洋能发电和太阳能发电等四类项目可向国家申报政策和资金支持。
1.4 本课题的研究内容
本课题主要研究小型并网发电系统在生活中的各种优势，及给予人们生活的好处和方便，在当今的国情下是否能行的通,以及怎样去构造一个这样的发电系统，该怎样的去让它实现最大的效益。
第二章 太阳能电池
2.1 太阳能电池的发电原理及构造
1.太阳能电池的结构图
太阳电池是一种可以将能量转换的光电元件，其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”，它是不导电的，但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成P型与N型半导体，再利用P型半导体有个电洞，与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，所以当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和电洞的对流，这些电子和电洞均会受到内建电位的影响，分别被N型及P型半导体吸引，而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来，形成一个回路，这就是太阳电池发电的原理。 简单的说，太阳光电的发电原理，是利用太阳电池吸收0.4μm～1.1μm波长(针对硅晶)的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。 由于太阳电池产生的电是直流电，因此若需提供电力给家电用品或各式电器则需加装直/交流转换器，换成交流电，才能供电至家庭用电或工业用电。
2.太阳能电池的充电发展
太阳能电池应用在消费性商品上，大多有充电的问题，过去一般采用镍氢或镍镉干电池来充电，但是镍氢干电池无法抗高温，镍镉干电池有环保污染的问题。 近年来超级电容发展快速，容量超大，面积反缩小，加上韩国产品价格低廉，因此有部份太阳能产品开始应用超级电容来充电，因而改善了太阳能充电的许多问题： 1.充电较快速， 2.寿命长5倍以上， 3.充电温度范围较广， 4.减少太阳能电池用量(可低压充电)。
2.1.1 单晶硅太阳能电池
特点
硅系列太阳能电池中，单晶硅的光电转换效率最高，技术也最成熟，高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关成熟的加工工艺基础上。提高转换效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。单晶硅太阳能电池的转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍旧占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本据高不下，严重影响了其广泛应用。
单晶硅太阳能电池的特点是对于大于0.7μm的红外光也有一定的灵敏度。以p型单晶硅为衬底，其上扩散n型杂质的太阳能电池与n型单晶硅为衬底的太阳能电池相比，其光谱特性的峰值更偏向左边（短波长一方）。它对从蓝到紫色的短波长（波长小于0.5μm）的光有较高的灵敏度，但其制法复杂，成本高，仅限于空间应用。此外，带状多晶硅太阳能电池的光谱特性也接近于单晶硅太阳能电池的光谱特性。
结晶形态分 高纯多晶硅 铸造多晶硅
带状多晶硅
薄膜多晶硅
非晶硅
2.1.2 多晶硅太阳能电池
特点
单晶硅太阳能电池的缺点是制造过程复杂，制造电池的能耗大。为解决这些问题，用浇铸法或晶带法制造的多晶硅太阳能电池的开发取得了进展。在1976年证明用多晶硅材料制作的太阳能电池的转换效率已超过10%，对大晶粒的电池，有报道效率可达20%。这种低成本的多晶硅太阳能电池已经大量生产，目前，它在太阳能电池工业中所占的分额也相当大。
但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许多
晶界存在，电池效率比单晶硅低；
晶向不一致，表面织构化困难。
单晶、多晶与非晶的区别
多晶：短程有序（团体有序），成百上千个原子尺度，通常是在微米的量级； 非晶：局部有序（个体有序），微观尺度，几个原子、分子尺度，一般只有十几埃至几十埃的范围；
单晶：长程有序（整体有序），宏观尺度，通常包含了整块固体材料。
尽管多晶硅材料由于存在晶粒间界而不利于太阳能电池转换效率的提高。但因为制备多晶硅材料比制备单晶硅材料要便宜得多，所以研究人员正致力于减少颗粒间界的影响以期得到低成本多晶硅太阳能电池。
结晶形态分 铸造多晶硅
带状多晶硅
薄膜多晶硅
非晶硅
2.1.3 非晶硅太阳能电池
1非晶硅具有较高的光吸收系数
这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素。
2非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0eV的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。
③材料和制造工艺成本低、设备简单；而且非晶硅薄膜厚度仅有数千埃，不足晶体硅太阳电池厚度的百分之一，大大降低了硅原材料的成本；沉积温度为100～300ºC。
④由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它几乎可以淀积在任何衬底上，如
不锈钢、塑料甚至廉价的玻璃衬底。
⑤易于形成大规模的生产能力，这是因为非晶硅适合制作特大面积、无结构缺陷的薄膜，生产可全流程自动化，显著提高劳动生产率。（最大1100mm*1250mm单结晶非晶硅太阳电池）
⑥多品种和多用途，不同于晶体硅，在制备非晶硅薄膜时，只要改变原材料的气相成分或气体流量，便可使非晶硅薄膜改性，制备出新型的太阳电池结构；并且根据器件功率、输出电压和输出电流的要求，可以自由设计制造，方便地制作出适合不同需求的多品种产品。
⑦易实现柔性电池，非晶硅可以制备在柔性的衬底上，而且其硅原子网络结构的力学性能特殊，因此，它可以制备成轻型、柔性太阳电池，易于与建筑集成。 ⑧制备非晶硅太阳能电池能耗少，约100千瓦小时，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。
第三章 太阳能光伏发电系统
3.1 独立系统
1、独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。
3.1.1 独立系统的用途
独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要蓄电池来存储夜晚用电的能量。独立太阳能光伏发电在民用范围内主要用于边远的乡村，如家庭系统、村级太阳能光伏电站；在工业范围内主要用于电讯、卫星广播电视、太阳能水泵，在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统，如风力发电/太阳能发电互补系统等。
3.2 并网系统
并网光伏发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电这后直接接入公共电网。并网光伏发电系统有集中式大
型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，目前还没有太大发展。而分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是目前并网光伏发电的主流。
3.2.1 并网发电系统的优点
1、利用清洁干净，可再生的自然能源太阳能发电，不耗用不可再生的，资源有限的含碳化石能源，使用中无室气体和污染物排放，与生态环境和谐，符合经济社会可持续发展战略。
2、所发电能馈入电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池，比独立太阳能光伏系统的建设投资可减少达25%—45%，从而使发电成本大为降低。省掉蓄电池并可提高系统的平均无故障时间和蓄电池的二次污染。
3、光伏电池组件与建筑物完美结合，既可发电又能作为建筑材料和装饰材料，使物质资源充分利用发挥多种功能，不但有利于降低建设费用，并且还使建筑物科技含量提高，增加卖点。
4、分布式建设，就近就地分散发供电，进入和退出电网灵活，既有利于增强电力系统抵御战争和灾害的能力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低线路损耗。
5、可起调峰作用。联网太阳能光伏系统是世界各发达国家在光伏应用领域竞相发展的热点和重点，是世界太阳能光伏发电的主流发展趋势，市场巨大，前景广阔。
3.2.2 并网发电系统的原理及组成
太阳能电池发电系统是利用光生伏打效应原理制成的，它是将太阳辐射能量直接转换成电能的发电系统。它主要由太阳能电池方阵和并网逆变器两部分组成。如下图所示:白天有日照时，太阳能电池方阵发出的电经过并网逆变器将电能直接输送到交流电网上，或将太阳能所发出的电经过并网逆变器直接为交流负载供电。
工作原理图：
3.3.3 系统主要组件简介
1、太阳能电池组件
一个太阳能电池只能产生大约0.5伏的电压，远低于实际使用所需电压。为了满足实际应用的需要，需要把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。如一个组件上，太阳能电池的数量是36片，这意味着一个太阳能组件大约能产生17伏的电压。
通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐，防风，防雹，防雨的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。
2、光伏并网逆变器
将直流电变换成交流电的设备。由于太阳能电池发出的是直流电，而一般的负载是交流负载，所以逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。