光伏发电电池和变换器拓扑综述

王志川

（中铁武汉电气化局集团有限公司合芜铁路站后四电项目经理部）

摘 要：光伏发电技术发展概述，光伏电池类型介绍，光伏变换器拓扑结构综述。

关键词：单晶硅；多晶硅；逆变拓扑

光伏发电在整个能源消费中所占比例虽然还不大，但其增长速度比较快，且在某些应用场合是无法替代的。中国目前光伏发电的40%用于解决边远无电地区人民生活用电问题。作为可再生清洁能源的主要形式之一，光伏发电的发展得到了国家、地方各级政府的支持与扶持。

光伏发电技术主要分为三代。第一代是晶体硅光伏电池，分为单晶硅和多晶硅，现在用得非常普遍，在我国其市场占有份额很大。第二代是品种繁多的薄膜电池，优点是材料用量少，缺点是转化率通常只有晶体硅的一半。主要品种有：非晶、纳米晶、微晶等硅薄膜电池；铜铟镓硒薄膜电池；碲化镉薄膜电池；铜锌硒硫锡薄膜电池和砷化镓薄膜电池等。其中砷化镓薄膜电池的光电转化率可达28.2%，具有良好发展前景。第三代光伏发电技术，主要是引入了现代光学技术，尤其以均匀聚光技术为核心。根据爱因斯坦的光电定律，发电量和光的强度成正比，通过聚光可以实现多发电。关键是要非常均匀地聚光，这是近几年发展起来的新技术，称为无光像自适应光学。通过均匀聚光，可以成倍地提高光伏电池的输出电功率，通常其光电转化率也有所提高。例如，N型晶体硅光伏电池的转化率为22.5%，通过6倍聚光后，该电池的转化率上升到了24.5%，实际输出的电功率变为24.5%的6倍。

1 光伏电池类型

光伏效应（Photo-Voltaic Effect）是在1839年被发现的，它是太阳能电池工作的基本原理。由太阳光的光量子与材料相互作用而产生电势，从而把光的能量转换为电能，这种实现光电能量转换的元件称为光伏电池。1954年Bell实验室研发出第一个光伏电池。1958年起，美苏相继在太空飞行器上开始装设光伏电池。在航天技术中，光伏电池的作用变得不可替代。1990年以后，光伏电池的发展开始与民用电相结合，离网型和并网型光伏发电系统开始推广。

光伏电池材料主要包括：产生光伏效应的半导体材料、薄膜用衬底材料、减反射膜材料、电极与导线材料、组装封装材料等。按形态，光伏电池分为块状（Bulk）和薄膜（Thin-Film）两种。块状光伏电池一般指晶体硅（包括单晶硅、多晶硅）电池，其发电层的厚度在250～450？滋m之间；目前以单晶硅为主。薄膜光伏电池的薄膜厚度一般在2～3？滋m，其特点是在降低成本上有很大优势，便于大面积连续生产。薄膜光伏电池包括：硅薄膜型（含多晶硅、非晶硅和微晶硅）；化合物半导体薄膜型（含非结晶型、III-V族（GaAs、InP等）、II-VI族和磷化锌等）；新材料薄膜电池（含聚合物薄膜电池、染料敏化电池）。

据文献报导，目前光伏电池的光电转化率：多晶硅电池为19.8%，单晶硅电池为24.7%，非晶硅薄膜电池为14.5%，砷化镓（GaAs）薄膜电池为25.7%，铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池为18.8%，多结叠型薄膜电池（InGaP/GaAs/InGaAs Multijunction Tandem Cell）为33.3%。

柔性光伏电池近年来发展较快，它的特点是重量轻、可以折叠和卷曲、可以粘贴在汽车玻璃和衣物等物体表面，市场前景广阔。荷兰、法国和葡萄牙开发的柔性光伏电池（H-Alpha Solar）的转化率约为13%，生产成本低、通用性好。夏普公司2004年发明了一种厚200？滋m、有2张名片大小、重1g的柔性光伏电池，发电能力为2.6w，光电转化率高达28.5%。

2 光伏变换器拓扑

并网型光伏发电系统的逆变拓扑如图1所示。图1（a）所示为集中逆变拓扑，它通过一台三相逆变器把多个光伏电池串的电能逆变上网，其特点是结构简单、易于控制；但其不足是，因为只有一个集中的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）算法，会在各光伏电池间不匹配和有局部阴影时造成输出功率的降低。除此之外，二极管也会产生导通损耗。这种拓扑现在看来已有些过时了。

图1（b）为串型逆变拓扑，它的每一个光伏电池串都有一台自己的逆变器，可以因此改善MPPT效果并提高发电量；并且它还有利于模块化设计，因为增加串的数目不会影响逆变器尺寸。根据一串的光伏电池数量不同，可能需要dc-dc升压变换器或升压变压器以达到电网电压；同样，因为各光伏电池间的不匹配和有局部阴影，无实现MPPT的最优化。目前，该拓扑是最常用的。

图1（c）为多串逆变拓扑，它结合了集中和串型逆变拓扑的优势，由于每串有dc-dc变换器可提高这一串的MPPT能力。这样，该拓扑也可实现模块化，甚至串有不同数目电池的串可连接到一起，还可根据需要进一步扩展。但集中的逆变器容量必须选择合适。另外，在每一串的dc-dc变换器和集中逆变器间需要更长的直流电缆，这会产生附加损耗。

图1（d）为模块逆变拓扑，或称变换器集成模块，是最模块化并具有最好的MPPT能力，因为一台变换器是一个光伏电池模块专用的。它主要针对小系统和家用。主要缺点是必须直流升压环节或升压变压器，这显然比串型逆變拓扑成本高。

参考文献

[1]崔书文，曾智泽，黄晓芳，王薇薇.抓紧发展第三代光伏发电技术.经济日报，2012年9月17日，第007版.

[2]王斯成.我国光伏发电有关问题研究[J].中国能源，2007，29（2）：7-11.

[3]王斯成.分布式光伏发电政策现状及发展趋势[J].太阳能，2013，（8）：8-19.

[4]成志秀，王晓丽.太阳能光伏电池综述[J].信息记录材料，2007，8（2）：41-47.

[5]赵争鸣，贺凡波，雷一，田琦.光伏并网发电若干关键技术分析与综述[J].电力电子技术，2013，47（3）：1-7.endprint