1.3.2 光伏发电原理及分类
1.3.2.1 光伏发电原理
光伏发电的主要原理是半导体的光生伏打效应，光生伏打效应也称光伏效应，是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。这种技术的关键元件是太阳能电池，太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳能电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。
传统的光伏电池由p型半导体和n型半导体组成，当半导体吸收能量大于其带隙能量的光子时，电子从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对，产生的电子和空穴会扩散到p型和n型半导体的接触界面，并在内建电场的作用下分离，电子向n型半导体移动，空穴向p型半导体移动，从而使得n区有过剩的电子，p区有过剩的空穴，在p-n结附近形成与内建电场方向相反的光生电场，当在p型半导体和n型半导体之间接通负载时，电子将在外电路中流动，从而产生电流。由于作为太阳能电池材料的半导体元素需要有较高的发电效率、绿色环保、成本较低便于工业化生产，因此常用作太阳能电池的半导体材料是硅。
光伏板阵列是光伏系统的重要组成部分。在有光照情况下，光伏板吸收光能，两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池、分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。
逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。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。
为描述光伏发电系统的输出特性，定义光伏发电系统的输出电压为UL，输出电流为IL，UL-IL即为光伏发电系统的输出特性，其数学关系可由下式表示：
式中 A——常数因子，且正偏电压大时A=1，正偏电压小时A=2；
K——玻尔兹曼常数，且K=1.38×10-23J/K；
T——温度；
q——电子电荷，且q=1.6×10-19C；
ID0——太阳能电池在无光照时的饱和电流；
Isc——光子在太阳能电池中激发的电流，其大小取决于光照强度，即辐照度、电池面积和温度。
上述UL-IL的定量关系所定义的太阳能电池输出特性是光伏发电系统设计的重要基础。辐照度和温度是确定太阳能电池输出特性的两个重要参数，固定两者中的一个，并改变另一个参数就可以得到太阳能电池输出随负载变化的两个重要的输出特性，该特性反映了太阳能电池的输出随辐照度和温度的变化趋势。太阳能电池的输出特性表现为，太阳能电池是一个非线性直流电源：当太阳能电池的电压随负载电阻的增加从0开始增加时，首先太阳能电池的输出功率逐渐增大并在电压达到某个值时达到最大值；随后若负载电阻继续增大，输出功率将会逐渐减少至0，此时太阳能电池的输出电压也叫开路电压。太阳能电池输出功率达到最大值的点称为最大功率点，需要在不同的工作环境下，使得太阳能电池始终保持在最大功率点，从而最大限度地提高光伏发电系统的输出功率。故需要在理论和实践中研究太阳能电池的最大功率点追踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技术，通常通过电力电子变换实现MPPT控制。常见的太阳能电池MPPT方法有功率匹配电路、扰动观察法、滞环比较法、实际测量法和二次插值法等。
1.3.2.2 光伏发电系统分类
按照光伏发电系统是否与电网连接，可分为与电网连接的并网光伏系统和独立运行的离网型光伏系统。其中，并网光伏系统按照其并网电压等级、规模和安装特征等，还可以分为集中式光伏发电系统和分布式光伏发电系统。目前，全球主流的应用方式是并网光伏发电，即太阳能电池与电网相连，并向电网输送电能。离网光伏发电系统不与电力系统相连，一般用于偏远无电地区供电，或作为备用电源使用。以下对几种光伏发电系统进行简要介绍。
1.集中式并网光伏系统
集中式并网光伏电站通常具有较大的容量与规模，离负载点较远，所发电量全部输入电网，并由电网统一调配给用户使用，一般通过中高压输电线路供给远距离负荷。在集中式并网光伏发电系统中，由多组光伏组件串并联构成的光伏阵列通过汇流箱与大功率集中式光伏逆变器相连，光伏逆变器实现光伏阵列的MPPT控制，并将光伏阵列输出的直流电转换为交流电，再经过升压变压器传输给高压电网。
集中式大型并网光伏电站通常建设在荒漠等空旷地方，其灵活的选址增加了光伏效率的稳定性，太阳辐射利用率较高。与分布式光伏相比，集中式并网光伏系统还具有灵活的运行方式，集中式光伏电站可以更好地进行无功和电压控制，更容易实现电网频率的调节。此外，集中式并网光伏电站极大缩短了建设周期，适应环境能力强，无需水源、燃料运输等原料保障，降低了运行成本，有利于集中管理和维护；又因空间限制小，便于实现扩容。
集中式并网光伏电站的缺点主要在于：①送电入网需要依赖长距离的输电线路，且电网本身是一个较大的干扰源，在此过程中，较容易出现输电线路的损耗、电压跌落、无功补偿等问题；②大容量的光伏电站是由多台变换装置组合实现的，目前统一管理这些设备的协同工作技术尚不成熟；③电网安全的保证、集中式并网光伏的大容量接入都需要有低电压穿越等新功能，这一技术与孤岛效应产生冲突，无法一起使用。
2.分布式并网光伏系统
分布式并网光伏发电特指采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统。它是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，倡导就近发电、就近并网、就近转换、就近使用的原则，不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。分布式并网光伏发电系统主要基于厂区、公用建筑表面、户用屋顶以及其他分散空闲场地。该类项目必须接入公共电网，与公共电网一起为附近的用户供电。
分布式并网光伏发电具有以下特点：
1）输出功率相对较小。一般而言，一个分布式并网光伏发电项目的容量在数百千瓦以内。与集中式电站不同，光伏电站的大小对发电效率的影响很小，因此对其经济性的影响也很小，小型光伏系统的投资收益率并不会比大型的低。
2）污染小，环保效益突出。分布式并网光伏发电项目在发电过程中，没有噪声，也不会对空气和水产生污染。
3）可以发电与用电并存。大型地面电站发电是升压接入输电网，仅作为发电电站而运行；而分布式并网光伏发电是接入配电网，发电与用电并存，且要求尽可能地就地消纳。并且其自给自足的发电运行模式可减少对电网的依赖程度，从而减轻对线路的损害，降低损耗。
4）安装在建筑物表面或屋顶的分布式并网光伏系统，实现了一地两用，有效减少了光伏系统的占地面积，是今后大规模光伏发电的重要形式。
3.离网型光伏发电系统
离网型光伏发电系统是一种不与电网相连的独立光伏发电系统，广泛应用于偏僻山区、无电区、海岛、通信基站和路灯等应用场所。其设计容量一般不大，通常在100kW以内。
离网型光伏发电系统由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜、太阳跟踪控制系统等设备组成。其工作的基本过程是：白天，在光照条件下，太阳能电池组件产生一定的电动势，通过组件的串、并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求，再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来；晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。