太阳能发电入门——将光能转化为直流电并将其连接到电网和电池

太阳能电池板并不直接输出交流电。半导体PN结将光子的能量分解成电子和空穴，电池产生的直流电流通过串并联电路进行分组，然后由最大功率点跟踪（MPPT）和功率调节器将其转换为可用的电能。从几个屋顶太阳能电池板到大型太阳能电站、电池和电力市场，所有数据都被视为一个系统，将发电图与电网运行连接起来。

公用事业规模光伏示例

图片：Photovoltaic 特拉弗斯太阳能发电厂的电池板 (Kkiefuik, CC BY 4.0), Wikimedia Commons.本文中的布局照片并非直接测量输出功率或效率数据。

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• 太阳能电池的输出功率由电压 V 和电流 I 的乘积 P=VI 决定。光照强度越高，电流越大；温度越高，电压越低。

• I-V 曲线只有一个最大功率点 (MPP)，MPPT 会将 DC-DC 转换器的工作点跟踪到该点。阴影遮挡会导致多个局部峰值。

• 逆变器将直流电转换为交流电，并控制功率因数、无功功率、谐波和防孤岛检测。配合电池，可以将中午的剩余电量转移到晚上使用。

• 屋顶光伏、农光互补、漂浮式光伏和海上光伏电站的安装位置不同，因此需要考虑不同的温度、反射率、维护、电网容量和环境因素。

钙钛矿、串联电池、电池回收和并网逆变器等技术都在研究阶段，但需要从寿命、封装、引线管理、融资可行性和维护等方面进行评估。

1. pn结将光能转化为电流

Diagram 1 · Use the button to switch views

图1 — 比较两个光伏系统之前，分别列出电池转换损耗、温度损耗、阴影损耗、线路损耗、功率调节损耗和弃光损耗。

如果照射到太阳能电池上的光子的能量E_{ph}=hc/\lambda超过半导体的带隙E_g，就会产生电子-空穴对。pn结耗尽区中的电场将这两个电子-空穴对沿相反方向分离，从而驱动电流流过外部电路。理想的电池电流可以表示为：

其中I_{ph}为光电流，其中，I_0 代表暗电流，q 代表基本电荷，n 代表理想因子，T 代表绝对温度。在接近开路电压 V_{oc} 时，电流急剧下降；在接近短路电流 I_{sc} 时，电压接近于零。该曲线的拐点即为最大功率点 (MPP)。

串联电池组可提高电压；并联可提高电流。面板的旁路二极管可避免出现热点，热点是指部分遮阴导致整串电池反向偏置并产生热量。遮阴、灰尘、积雪和老化都会改变每串电池的 I-V 曲线，因此发电监测需要同时记录电压、电流和温度。

2. MPPT：跟踪最大功率点

功率 P(V)=V I(V) 的最大条件是

典型的最大功率点跟踪 (MPPT) 方法包括扰动观察法（爬山法），该方法通过微调工作电压并观察功率响应来控制功率；以及增量电导法，该方法通过控制来满足dI/dV=-I/V。当辐照度突然变化时，这些方法可能会错误地追随之前的增加或减少，因此研究人员将气象传感器、多串光伏组件和预测控制相结合。

3. 功率调节器和并网

光伏电池的直流输出通过升压转换器、直流链路电容器和H桥或三相逆变器转换为交流电。常用的方法是并网跟踪控制，它通过锁相环 (PLL) 跟踪电网相位并将电流整形为正弦波。由于屋顶光伏系统在电网断电期间继续供电对工人来说很危险，因此需要防孤岛检测和断开功能。

在可再生能源占比高的弱电网中，并网形成控制（逆变器充当电压源，而不仅仅是跟踪电网电压）正受到关注。虚拟同步机、虚拟振荡器和下垂控制使其能够快速响应频率偏差和电压波动。这并非改变太阳能电池的半导体，而是使功率转换器的控制和保护与整个电网相匹配。

4. 辐照度、温度和安装角度

已知平面辐照度 G [W/m²]、组件面积 A 和转换效率 \eta，瞬时输出可近似表示为：

效率 \eta 随温度系数降低。屋顶材料间隙、背面通风、安装结构、方位角、倾斜角和反射光都会影响年发电量。双面组件利用地面反射率（反照率），因此即使是安装表面的状况——白砾石、积雪、农田——也需要纳入考虑。设计。

农光互补电站需要避免遮挡过多照射到作物的光照，分散面板阴影，并保持足够的净空高度，以确保农机作业高度。漂浮式电站需要评估水面冷却效应、锚固、波浪、电缆以及对藻类和水质的影响。仅仅追求发电量最大化可能会忽略与作物产量和可维护性之间的权衡。

5. 电池和预测

多余的太阳能会为电池充电，以便在傍晚或阴天放电。电池的能量状态 E 可以使用功率指令 P_b 和往返效率 \eta_{rt} 进行更新，如下所示：

其中 P_{ch} 和 P_{dis} 分别代表充电功率和放电功率，\eta_c,\eta_d 代表它们各自的效率。SOC 上下限、温度、衰减和并网容量全部作为约束条件。提前几分钟预测云影情况，即可选择是保持电池可用还是接受限电。

6. 当前技术与研究

如今，典型的光伏系统由晶体硅电池、组串式或微型逆变器、监控网关、断路器、接地/防雷保护装置以及（如适用）电池组成。性能比较不应仅考虑额定效率，还应考虑部分负载效率、夜间待机功率、MPPT 电压范围、电弧故障检测、远程固件更新、更换部件以及盐雾/雪载额定值。

研究重点包括：在硅上堆叠不同带隙钙钛矿的串联电池、可应用于曲面的轻质薄膜、长寿命封装、铅回收和再利用、并网逆变器，以及将光伏与电池、氢能和需求响应相结合的运行模式。即使实验室转换效率很高，大型组件的均匀性、紫外线/湿度/热循环、25 年以上的质保以及……报废回收仍然是商业化的障碍。

7. 监测、维护和安全

发现输出下降意味着将天气标准化后的预期值与实际测量值进行比较。检查组串电流异常值、面板温度差异、逆变器绝缘电阻、电弧故障检测、接线盒熔断器和电缆连接器。无人机红外成像可以发现热点，但反射、风和测量角度会影响其结果，因此异常判断应与电气测量结果进行交叉验证。

即使断路器断开，直流电弧仍可能持续存在。工作人员应假定只要面板接收到阳光，发电电压就仍然存在，并遵守相关的电气安全法规和制造商规程。当电池与光伏系统位于同一位置时，消防响应（灭火、隔离、复燃以及与消防和电力公司的协调）需要纳入计划。

8. 结论

太阳能发电是一个连续的系统，涵盖电池光电转换、最大功率点跟踪 (MPPT)、直流-直流转换、逆变器、变压器、监测、存储和电网保护。在比较年度数据时，发电时，应将辐照度、温度、阴影、灰尘、衰减、转换损耗和弃光等因素调整到相同的条件下。阅读有关钙钛矿或并网逆变器的资料时，同样应考虑示范规模、耐用性、维护、回收利用以及整个生命周期的安全性。

参考资料

• 日本自然资源能源署 — 可再生能源（日语）

• NREL — 最佳研究电池效率图表

• 国际能源署光伏发电计划

• IEC 61724-1 — 光伏系统性能监测

• NREL — 并网逆变器研究