1.1.2 独立太阳能光伏系统构成

光伏系统的规模和应用形式各异，如系统规模跨度很大，小到0.3～2W的太阳能庭院灯，大到兆瓦级的太阳能光伏电站。其应用形式也多种多样，在家用、交通、通信、空间应用等诸多领域都能得到广泛的应用。尽管光伏系统规模大小不一，但其组成结构和工作原理基本相同。图1-2是一个典型的太阳能LED路灯组成示意图。独立的太阳能光伏系统由光伏组件方阵、蓄电池、控制器、DC/AC变换器、太阳能照明设备构成。

1. 光伏组件方阵

光伏组件方阵由太阳能电池组件（也称光伏电池组件）按照系统需求串、并联而成，在太阳光照射下将太阳能转换成电能输出，它是太阳能光伏系统的核心部件。太阳能电池组件是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置。太阳能照明灯具中使用的太阳能电池组件都是由多片太阳能电池串、并联构成的，因为受目前技术和材料的限制，单一电池的发电量十分有限。常用的单一电池是一只硅晶体二极管，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的PN结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，形成内建静电场。从理论上讲，此时，若在内建电场的两侧面引出电极并接上适当负载，就会形成电流。太阳能电池的输出功率是随机的，在不同时间，不同地点，同一块太阳能电池的输出功率是不同的。太阳能电池的峰值功率Pm由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷决定。

2. 蓄电池

蓄电池组是光伏系统的储能装置，由它将光伏组件方阵从太阳辐射能转换来的直流电转换为化学能储存起来，以供负载应用。由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池才能使负载正常工作。太阳能电池产生的电能先以化学能的形式储存蓄电池中，在负载需要供电时，蓄电池将化学能转换为电能供应给负载。蓄电池的特性直接影响光伏系统的工作效率、可靠性和价格。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能够满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件产生的电能尽量存储下来，同时还要能够存储预定的连续阴雨天夜晚照明需要的电能。

目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统，通常采用深放电阀控密封式铅酸（Valve⁃Regulated Lead Acid Battery，VRLA）蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。

3. 控制器

控制器的作用是使太阳能电池和蓄电池安全可靠地工作，以获得最高效率并延长蓄电池的使用寿命。通过控制器对充放电条件加以限制，防止蓄电池反充电、过充电及过放电。另外，还应具有电路短路保护、反接保护、雷电保护及温度补偿等功能。由于太阳能电池的输出能量极不稳定，对于太阳能灯具的设计来说，充放电控制电路的质量至关重要。

控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即P WM控制方式，使整个系统始终运行于最大功率点Pm附近区域。放电控制主要是指当电池缺电、系统故障（如电池开路或接反）时切断开关。目前日立公司研制出了既能跟踪调控点Pm，又能跟踪太阳移动参数的“向日葵”式控制器，将固定太阳能电池组件的效率提高了50%左右。

控制器对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳能电池组件和蓄电池对负载输出电能，是整个系统的核心控制部分。随着太阳能光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制部分、变换器以及监测系统集成的趋势，如AES公司的SPP和SMD系列的控制器就集成了上述三种功能。

4. DC/AC变换器

在太阳能光伏供电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用DC/AC变换器，将太阳能电池组件产生的直流电或蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。DC/AC变换器的主要功能是将蓄电池的直流电变换成交流电。DC/AC变换器采用逆变电路，经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载额定频率、额定电压匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。逆变器按激励方式，可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。逆变器应具有电路短路保护、欠压保护、过流保护、反接保护及雷电保护等功能。

5. 太阳能照明设备

太阳能照明设备主要由照明灯具、光源组成，太阳能照明灯具以太阳光为能源，白天充电，晚上使用，无须进行复杂昂贵的管线铺设，而且可以任意调整灯具的布局。其光源一般采用LED或直流节能灯，使用寿命较长，又为冷光源，对植物生长无害。太阳能灯具一般采用光控或光控与计时组合工作方式。在光照强度低于设定值时控制器启动灯点亮，同时计时开始。当计时到设定时间时就停止工作。