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摘要：太阳能发电系统是指通过光电转换装置把太阳辐射的能量转换成电能的一种装置。本文首先介绍了太阳能发电系统的系统构成和工作原理，阐述了各组成部分的功能及特点。然后介绍了太阳能发电系统的特点、适用范围及应用现状，最后详细描述了它在高速公路中的应用情况及各技术参数的确定方法。
关键词：太阳能发电系统、太阳能电池（组）、蓄电池、控制器、逆变器、光—电转换、转换效率。
1.引言
二十世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是1954年美国贝尔实验室研制出6％的实用型单晶硅电池，二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论，并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。
随着社会经济的发展和技术的不断进步，开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制定可持续发展战略的重要内容。90年代以来联合国召开了一系列由各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。
自“六五”以来我国政府一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。探讨太阳能发电系统在高速公路机电系统供电中的应用，作为高速公路正常供电部分的有益补充，有着积极的技术和经济意义。
2.系统构成及工作原理
2.1 系统构成
太阳能发电系统主要由太阳能电池组、蓄电池、控制器及逆变器等构成，如下图所示：
（1）太阳能电池组
太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。本文介绍的是光—电直接转换方式。
太阳能电池是太阳能发电系统的核心部件，是实现光—电转换的部件，其稳定性、转换效率的高低很大程度地决定系统的性能。
太阳能电池根据所用材料的不同可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。
下面主要介绍硅太阳能电池：
硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。
单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为23%，规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。
多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。
非晶硅薄膜太阳能电池成本低，重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。
因此设计和建设一座太阳能系统，选择采用何种材料的太阳能电池是关键，应在充分理解不同材料的太阳能电池的特性的基础上根据应用场合而选定。
（2）蓄电池
蓄电池用于存储太阳能电池发出的除了负载消耗的电量之外剩余的电量，当阳光不足而导致太阳能电池发电量不足够时，给负载提供电能。
目前与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。配套200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为2VDC；配套200Ah以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为12VDC。
在太阳能发电系统中，蓄电池是需要经常检查的部件，蓄电池的使用寿命都是有限的，因此最大限度地延长蓄电池的使用寿命是提高整个系统周期成本的关键因素。
（3）控制器
太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起过充、放电保护的作用。由于蓄电池的循环充、放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充、放电的控制器是必不可少的设备。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。
控制器还包括以下功能：
显示和提示蓄电池电压、容量值及充放电电流的大小；
故障时可通过告警继电器向远端发送告警信号；
可进行远程通讯及监控。
（4）逆变器
逆变器是将直流电转换成交流电的设备。太阳能电池和蓄电池是直流电源，当负载是交流负载时，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。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。
2.2 系统工作原理
在光照充足的条件下，太阳电池组件实现光—电转换，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，使方阵电压达到系统输入电压的要求。通过控制器分配一部分电流用于给负载供电，剩余的电流用于给蓄电池充电。在光照不充足的条件下，太阳电池组件产生的电能不够维持负载的耗电需求，在控制器的控制下，蓄电池代替太阳能电池组给负载供电。
一般负载是交流负载，而太阳能电池组和蓄电池是直流电源，因此还需在控制器与负载之间配置逆变器，把太阳能电池组和蓄电池的电压转换为符合负载要求的电压。
3.系统特点
太阳能发电系统是直接利用太阳的能量的装置，与其它发电装置相比有其自身的特点。
3.1 优点
太阳能发电具有常规发电和其他发电方式无法比拟的优点：
太阳能发电所需的能量随处可得，并可再生；
建设周期短，可以根据负载的大小灵活配置系统的容量；
无须铺设管道和远距离配电线路，不必挖开马路，安装方便；
一次性投资，一次性投入，长期使用，真正的免费能源（蓄电池一般为5年需更换）；
无污染、无噪音、无高次谐波干扰，无任何废气排出；
自动运行，不存在机械的动作部分，无须人员管理；
可方便与建筑物相结合。
3.2 缺点
太阳能发电系统也有其不足之处：
依赖于阳光的强度，受天气条件的影响严重；
技术还不十分成熟，利用率和转换效率还不够高，逆变系统不够稳定，蓄电池寿命不够长；
还没有普及使用，建设成本较高。
在太阳能发电系统中，系统的总效率由电池组件的转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等组成。目前太阳能的转换率只有17%左右。因此提高电池组件的转换率，降低单位功率造价是太阳能发电产业化的重点和难点。
4.应用
4.1适用范围
太阳能发电系统的适用范围非常广，在社会各种行业均可使用，如下：
小型电源10-100W不等，用于边远无电地区，如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电；
3-5KW家庭屋顶并网发电系统；
光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉的问题；
交通领域：如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭和路段视频摄像机的供电等。
通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、GPS终端的供电等；
石油、海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等；
家庭灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等；
光伏电站：10KW-50MW独立光伏电站、风光互补电站、各种大型停车厂充电站等；
太阳能建筑：将太阳能电池与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来的一大发展方向。
其他领域还包括：
与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；
海水淡化设备供电；
星、航天器、空间太阳能电站等。
4.2应用现状
目前，太阳能发电系统在美国、欧、日等发达国家已经普遍应用。
我国是一个太阳能资源较为丰富的国家，前国家计委、国家经贸委、科技部、建设部等部委曾多次发文，要求各地大力推广、使用包括太阳能光伏发电在内的多种可再生能源。然而时至今日，人们对太阳能应用的认识还停留在“热水器”阶段，太阳能光伏发电也只在少数沿海发达省份得以应用，内陆省虽然太阳能资源充足，但目前仍未有效利用。
在已使用的地区，太阳能发电系统的数量也较少，主要用于分布较分散，功耗较小，距离变电房较远的负载上，如：通信基站、道路监控摄像机和道路交通信号灯等。
4.3在高速公路中的应用
太阳能发电系统在我国的高速公路中一般用于给路段监控摄像机提供电源。在高速公路中，路段监控（特别是全程监控）摄像机的布设点一般距变电房较远，如果敷设电缆，则造价较高，而且工程量大，太阳能发电系统正好弥补了远距离电缆送电的不足，比较适合用于高速公路的小功率设备上。
为负载配置一套太阳能发电系统，系统容量（包括太阳能电池组和蓄电池组的容量）的配置是关键。从保证在各种天气条件下能提供不间断、连续的电流的角度考虑，系统的容量不能配置过小；从节省建造成本的角度考虑，系统的容量不能配置过大。这就需要较为精确的计算。
（1）功耗的计算
系统容量的配置的前提是功耗（包括负载功耗、系统损耗等）的较精确的计算。
高速公路的路段监控摄像机的功率构成如下：
摄像机：6W，工作24小时/天；
云台：60W，工作1小时/天；
光端机：8W，工作24小时/天。
系统损耗：
控制器：0.9W
逆变器的损耗：1.6W
每天的总耗电量：6×24+60×1+8×24+0.9×24+1.6×24=456WH
（2）蓄电池容量的配置
在光照不足特别是在连续续阴雨天的条件下，负载的用电主要由蓄电池供给，因此连续阴雨天的天数是配置蓄电池容量主要考虑的因素。
在广东地区，阴雨天气长达半月。按连续15天阴雨天考虑，经计算蓄电池容量为：570AH（以12VDC电压计算）。
还必须考虑蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，则蓄电池的容量为570/0.75=760AH。
（3）太阳能电池组功率的配置
太阳能电池组功率的计算应以某特定地点（以广州地区为例）的太阳辐射能量的数据为依据。按两最长连续阴雨天最短间隔天数为20天计算，太阳能电池组的功率只需满足20天时间的负载耗电量和蓄电池充满电电量的和。
经计算为：385W。
（4）控制器和逆变器
控制器和逆变器的配置较为简单，只须满足系统的工作电压和电流即可。选用设备时，选择质量稳定而且可靠的设备是关键。
5.结束语
太阳能作为一种无污染的可再生能源，具有常规发电和其他发电方式无法比拟的优点，而且适用范围非常广。但由于太阳能发电系统还存在技术上的缺点和造价高等原因，目前在我国的应用还没有普及。随着技术的发展和规模生产的形成，影响其广泛使用的各种因素将会逐渐消除，相信在不久的将来，太阳能发电系统将会普遍应用在各种行业，造福人类社会。
参考文献：
[1]《中国新能源与可再生能源1999白皮书》国家发展计划委员会基础产业司编著，中国计划出版社出版
[2]《太阳能光伏发电系统工程》作者: 李安定，北京工业大学出版社
[3]《太阳能光伏发电系统的设计与施工》作者：刘树民，科学出版社
[4]《太阳能光伏发电及其应用》赵争鸣 等编著，科学出版社
[5]《太阳能光伏发电实用技术》王长贵，王斯成 主编，化学工业出版社
作者个人简历：学历：计算机应用专科 职称：中级职称
论文作者:陈春红
论文发表刊物:《基层建设》2017年第7期
论文发表时间:2017/7/14
标签：太阳能电池论文; 蓄电池论文; 太阳能论文; 系统论文; 逆变器论文; 负载论文; 太阳能发电论文; 《基层建设》2017年第7期论文;