光伏系统，也是光伏系统或太阳能系统，是设计用于通过光伏发电提供可用太阳能的电力系统。 它包括几个部件的布置，包括太阳能电池板吸收和将太阳光转换成电能，太阳能逆变器将电流从直流电转换为交流电，以及安装，布线和其他电气配件，以建立工作系统。 它还可能使用太阳能跟踪系统来提高系统的整体性能，并包括集成电池解决方案，因为存储设备的价格预计会下降。 严格地说，太阳能电池阵列仅包括太阳能电池板的整体，PV系统的可见部分，并且不包括所有其他硬件，通常概括为系统平衡（BOS）。 此外，光伏系统将光直接转换为电能，不应与其他技术相混淆，如用于加热和冷却的其他技术，如聚光太阳能或太阳能热。

光伏系统的范围从小型，屋顶安装或建筑一体化系统，容量从几千瓦到几十千瓦，再到数百兆瓦的大型公用事业规模发电站。 如今，大多数光伏系统都是并网的，而离网或独立系统只占市场的一小部分。

光伏系统安静地运行，没有任何活动部件或环境排放，已经从利基市场应用发展成为用于主流发电的成熟技术。 屋顶系统在0.7至2年内收回其制造和安装的投资能源，并在30年的使用寿命内产生约95％的净清洁可再生能源。

由于光伏发电的指数增长，近年来光伏系统的价格迅速下降。 但是，它们因市场和系统的大小而异。2014年，美国住宅5千瓦系统的价格约为每瓦3.29美元，而在高度渗透的德国市场，屋顶系统的价格高达100千瓦，降至每瓦1.24欧元。 如今，太阳能光伏组件占系统总体成本的不到一半，其余部分由剩余的BOS组件和软成本组成，其中包括客户获取，许可，检查和互连，安装人工和融资成本。
现代系统

系统规模
光伏系统通常分为三个不同的细分市场：住宅屋顶，商业屋顶和地面公用事业规模系统。 它们的容量从几千瓦到几百兆瓦不等。 典型的住宅系统大约10千瓦并安装在倾斜的屋顶上，而商业系统可能达到兆瓦级，通常安装在低坡度甚至平屋顶上。 虽然屋顶安装系统体积小，每瓦特成本高于大型公用事业规模安装，但它们占据了市场上最大的份额。 然而，越来越多的公用事业规模发电厂的趋势越来越明显，特别是在地球的“阳光带”地区。

公用事业规模
大型公用事业规模的太阳能园区或农场是发电站，能够为大量消费者提供能源供应。 所产生的电力被馈送到由中央发电厂（并网或并网电厂）供电的输电网中，或者与一个或多个家用发电机组合以馈入小电网（混合电厂）。 在极少数情况下，发电由岛/独立工厂直接储存或使用。 通常设计PV系统以确保给定投资的最高能量产率。 一些大型光伏发电站，如Solar Star，Waldpolenz Solar Park和Topaz Solar Farm占地数十或数百公顷，输出功率高达数百兆瓦。
屋顶，移动和便携式

小型光伏系统能够为单个家庭提供足够的交流电，甚至可以提供交流或直流电的隔离设备。 例如，军用和民用地球观测卫星，路灯，建筑和交通标志，电动汽车，太阳能帐篷和电动飞机可能包含集成光伏系统，以提供交流或直流电源形式的主要或辅助电源，取决于设计和功率需求。 2013年，屋顶系统占全球安装量的60％。 然而，从屋顶到公用事业规模的光伏系统有一种趋势，因为新的光伏装置的焦点也从欧洲转移到地球太阳带地区的国家，在那里反对地面安装的太阳能农场不那么突出。便携式和移动式PV系统提供独立于公用设施连接的电力，用于“离网”操作。 这种系统在休闲车和船上非常常用，有专门从事这些应用的零售商和专门针对它们的产品。 由于休闲车（RV）通常携带电池并在名义上的12伏直流电源上运行照明和其他系统，因此RV PV系统通常在选择的电压范围内直接为12伏电池充电，并且光伏系统的添加仅需要面板，充电控制器和接线。 娱乐车辆上的太阳能系统通常受到RV屋顶空间的物理尺寸的限制。 这就是太阳能电池板在这些应用中提高效率的重要原因。

建筑一体化
在城市和郊区，光伏阵列通常用于屋顶以补充电力使用; 通常，建筑物将与电网连接，在这种情况下，光伏阵列产生的能量可以通过某种净计量协议出售给公用事业公司。 一些公用事业公司，如位于纽约州索尔维的索尔维电气公司，使用商业客户和电线杆的屋顶来支持他们使用光伏电池板。 太阳能树是一种阵列，顾名思义，模仿树木的外观，提供遮荫，夜间可以起到路灯的作用。

性能
收入随时间的不确定性主要与太阳能资源的评估和系统本身的性能有关。 在最好的情况下，不确定性通常为4％的年度气候变率，5％用于太阳能资源估算（在水平面上），3％用于估算阵列平面内的辐射，3％用于功率模块等级，污垢和污染损失2％，雪损失1.5％，其他误差源5％。 识别可管理的损失并做出反应对于收入和O＆amp; M效率至关重要。 监视阵列性能可能是阵列所有者，建造者和购买能源的公用事业公司之间的合同协议的一部分。 最近，使用易于获得的天气数据和使用开放式太阳能户外测试场进行验证来创建“合成日”的方法使得可以高精度地预测光伏系统性能。 该方法可用于确定局部尺度的损失机制 – 例如来自雪的损失机制或表面涂层（例如疏水或亲水）对污染或雪损失的影响。（虽然在严重地面干扰的大雪环境中，每年可能导致30％的雪损失。）通过互联网可以进一步改善能源监测和通信。 许多供应商都提供专用系统。 对于使用微型逆变器的太阳能光伏系统（面板级DC到AC转换），将自动提供模块电源数据。 某些系统允许设置性能警报，以在达到限制时触发电话/电子邮件/文本警告。 这些解决方案为系统所有者和安装人员提供数据。 安装人员可以远程监控多个安装，并一目了然地了解整个安装基础的状态。

组件
用于住宅，商业或工业能源供应的光伏系统包括太阳能电池阵列和许多通常概括为系统平衡（BOS）的组件。 这个术语与“工厂平衡”同义.QV BOS组件包括用于安装的电源调节设备和结构，通常是一个或多个DC到AC电源转换器，也称为逆变器，能量存储设备，支撑该设备的支架系统太阳能电池阵列，电气布线和互连，以及其他组件的安装。

可选地，系统余额可以包括以下任何一个或全部：可再生能源信用收入等级计，最大功率点跟踪器（MPPT），电池系统和充电器，GPS太阳能跟踪器，能量管理软件，太阳辐照度传感器，风速计，或特定于任务的附件，旨在满足系统所有者的特殊要求。 此外，CPV系统需要光学透镜或镜子，有时还需要冷却系统。

尽管太阳能电池阵列不包含整个系统，但术语“太阳能电池阵列”和“PV系统”经常不正确地互换使用。此外，“太阳能电池板”通常用作“太阳能电池组件”的同义词，尽管电池板由一串几个模块组成。 术语“太阳能系统”也是PV系统常用的误称。

太阳能阵列
通常串联连接的常规c-Si太阳能电池封装在太阳能模块中以保护它们免受天气影响。 该模块包括一个钢化玻璃作为盖子，一个柔软和柔韧的密封剂，一个由耐候和耐火材料制成的后背板和一个围绕外缘的铝框架。 太阳能模块电连接并安装在支撑结构上，构成一串模块，通常称为太阳能电池板。 太阳能电池阵列由一个或多个这样的面板组成。 光伏阵列或太阳能阵列是太阳能模块的链接集合。 一个模块可以产生的功率很少足以满足家庭或企业的需求，因此模块链接在一起形成一个阵列。 大多数光伏阵列使用逆变器将模块产生的直流电转换为可为灯，电机和其他负载供电的交流电。 PV阵列中的模块通常首先串联连接以获得所需的电压; 然后将各个串并联连接，以使系统产生更多电流。 太阳能电池板通常在STC（标准测试条件）或PTC（PVUSA测试条件）下以瓦特为单位测量。 典型的面板额定值范围从小于100瓦到超过400瓦。 阵列额定值包括面板额定值的总和，单位为瓦特，千瓦或兆瓦。

模块和效率
典型的“150瓦”PV模块的尺寸约为1平方米。 在考虑到天气和纬度之后，这种模块平均每天可以产生0.75千瓦时（kWh），日照时间为5小时/天。 在过去的10年中，平均商用晶圆基晶体硅模块的效率从大约12％增加到16％，同时CdTe模块效率从9％增加到13％。 模块输出和寿命因温度升高而降低。允许环境空气流过，如果可能的话，PV模块可以减少这个问题。 有效的模块寿命通常为25年或更长。 光伏太阳能装置投资的回收期差异很大，通常不如计算投资回报率。 虽然通常计算在10到20年之间，但通过激励措施可以缩短财务回收期。

由于单个太阳能电池的低电压（通常约0.5V），在制造“层压板”时，几个电池串联（也见PV系统中使用的铜）。 将层压板组装成防护防风雨外壳，从而制成光伏模块或太阳能电池板。 然后可以将模块串在一起形成光伏阵列。 2012年，为消费者提供的太阳能电池板效率可高达约17％，而商用电池板可高达27％。 据记载，弗劳恩霍夫太阳能系统研究所的一个小组创造了一个效率可达44.7％的细胞，这使科学家们希望达到50％的效率阈值更加可行。

阴影和污垢
光伏电池的电输出对阴影非常敏感。 这种阴影的效果是众所周知的。 当甚至一小部分单元，模块或阵列被遮蔽时，其余部分处于阳光下，由于内部“短路”（电子通过pn结的阴影部分反转过程），输出急剧下降。 如果从串联单元串中提取的电流不大于阴影单元可以产生的电流，则由串产生的电流（以及功率）是有限的。 如果串中的其余单元可获得足够的电压，则通过破坏阴影部分中的结来强制电流通过单元。 公共电池中的击穿电压在10到30伏之间。 阴影单元吸收功率，将其转化为热量，而不是增加面板产生的功率。 由于阴影单元的反向电压远大于发光单元的正向电压，因此一个阴影单元可以吸收串中许多其他单元的功率，从而不成比例地影响面板输出。 例如，阴影单元可以在特定电流水平下降8伏而不是增加0.5伏，从而吸收由16个其他单元产生的功率。 因此，重要的是PV安装不会被树木或其他障碍物遮挡。

已经开发了几种方法来确定使用LiDAR在两个大区域上从树木到PV系统的遮蔽损失，但是在使用草图的单个系统级别上也是如此。 大多数模块在每个单元或单元串之间具有旁路二极管，以最小化阴影的影响并且仅损失阵列的阴影部分的功率。 旁路二极管的主要工作是消除电池上形成的热点，这些热点会对阵列造成进一步的损害，并引起火灾。 阳光可被模块表面的灰尘，雪或其他杂质吸收。 这可以减少撞击细胞的光。 总的来说，即使在加拿大的地区，这些年累计的损失也很小。 保持清洁的模块表面将提高模块寿命期间的输出性能。 谷歌发现，在15个月后清洁平板太阳能电池板的产量增加了近100％，但5％倾斜的阵列被雨水充分清洁。

日照和能量
太阳曝晒由直射，漫反射和反射辐射组成。 PV电池的吸收系数定义为由电池吸收的入射太阳辐照度的分数。 在赤道无云日的正午时分，太阳的力量在地球表面约为1千瓦/平方米，与垂直于太阳光线的平面相对。 因此，PV阵列可以每天跟踪太阳，以大大增强能量收集。 然而，跟踪设备增加了成本，并且需要维护，因此PV阵列更常见的是具有倾斜阵列并面向太阳正午的固定支架（大约在北半球的南方或南半球的正北方）。 从水平方向倾斜的角度可以随季节变化，但是如果固定，则应设置为在独立系统的典型年份的峰值电力需求部分期间给出最佳阵列输出。 该最佳模块倾斜角度不一定与最大年阵列能量输出的倾斜角度相同。 用于特定环境的光伏系统的优化可能是复杂的，因为应当实施太阳能通量，污染和积雪损失的问题。 此外，最近的工作表明光谱效应可以在最佳光伏材料选择中发挥作用。例如，光谱反照率可以在输出中起重要作用，这取决于光伏系统周围的表面和太阳能电池材料的类型。 对于美国和欧洲的天气和纬度，典型的日照范围从北部地区的4千瓦时/平方米/天到阳光最充足地区的6.5千瓦时/平方米/天。 位于欧洲南部或美国南部的光伏装置可能会产生1千瓦时/平方米/天的电力。 澳大利亚或欧洲或美国南部纬度的典型1 kW光伏装置每天可产生3.5-5 kWh，具体取决于位置，方向，倾斜，日照和其他因素。 在撒哈拉沙漠中，云层覆盖较少，太阳角度较好，理想情况下可以获得接近8.3千瓦时/平方米/天的能量，前提是几乎所有的风都不会将沙子吹到这些单元上。 撒哈拉沙漠的面积超过900万平方公里。 90,600平方公里，或约1％，可以产生与世界上所有发电厂相结合的电力。

安装
模块在某种安装系统上组装成阵列，可分为地面安装，屋顶安装或杆式安装。 对于太阳能园区，大型机架安装在地面上，模块安装在机架上。 对于建筑物，已经设计了许多不同的架子用于斜屋顶。 对于平屋顶，使用机架，垃圾箱和建筑物集成解决方案。 安装在电线杆顶部的太阳能电池板架可以固定或移动，请参见下面的跟踪器。 侧面安装座适用于杆顶部安装有其他东西的情况，例如灯具或天线。 杆式安装提高了除了杂草阴影和牲畜之外的地面安装阵列，并且可以满足关于暴露布线的不可接近性的电气规范要求。 杆式安装面板在其下侧开放更多冷却空气，从而提高性能。 多个杆顶架可以形成为停车棚或其他遮蔽结构。 从左到右不跟随太阳的机架可以允许季节性调节向上或向下。

布线
由于户外使用，太阳能电缆专门设计用于抵抗紫外线辐射和极高的温度波动，并且通常不受天气影响。 许多标准规定了光伏系统中电线的使用，例如国际电工委员会的IEC 60364，第712节“太阳能光伏（PV）电源系统”，英国标准BS 7671，其中包含与微型发电有关的法规。和光伏系统，以及美国UL4703标准，在主题4703“光伏线”中。

跟踪器
太阳能跟踪系统全天倾斜太阳能电池板。 根据跟踪系统的类型，面板要么直接瞄准太阳，要么瞄准部分阴云密布的天空中最亮的区域。 跟踪器大大增强了早晨和下午的性能，单轴跟踪器将系统产生的总功率增加约20-25％，双轴跟踪器增加约30％或更多，具体取决于纬度。 跟踪器在直接接收大部分阳光的区域中有效。 在漫射光下（即在云或雾下），跟踪几乎没有价值。 由于大多数聚光光伏系统对太阳光的角度非常敏感，因此跟踪系统允许它们每天在短时间内产生有用的功率。 跟踪系统提高了性能有两个主要原因。 首先，当太阳能电池板垂直于太阳光时，它的表面接收的光比成角度的要多。 其次，直射光比倾斜光更有效地使用。 特殊的抗反射涂层可以提高直射和成角度光的太阳能电池板效率，有些降低了跟踪的好处。

用于优化性能的跟踪器和传感器通常被视为可选，但跟踪系统可将可行输出提高多达45％。 接近或超过一兆瓦的光伏阵列通常使用太阳能跟踪器。 考虑到云，以及世界大部分地区不在赤道以及太阳落山的事实，正确的太阳能测量是日照 – 每平方米每天的平均千瓦时数。 对于美国和欧洲的天气和纬度，典型的日照范围从北部地区的2.26千瓦时/平方米/天到阳光最充足地区的5.61千瓦时/平方米/天。

对于大型系统，使用跟踪系统获得的能量可以超过增加的复杂性（跟踪器可以将效率提高30％或更多）。 对于非常大的系统，增加的跟踪维护是一个重大的损害。 平板和低浓度光伏系统不需要跟踪。对于高浓度光伏系统，双轴跟踪是必要的。 定价趋势影响了添加更多固定太阳能电池板与更少跟踪电路板之间的平衡。 当太阳能电池板价格下跌时，跟踪器成为一个不太吸引人的选择。

逆变器
设计用于提供交流电（AC）的系统，例如并网应用，需要逆变器将来自太阳能模块的直流电（DC）转换为AC。 并网逆变器必须以正弦形式提供交流电，与电网频率同步，限制馈电电压不高于电网电压，并在电网电压关闭时断开电网。 孤岛式逆变器只需要产生正弦波形的调节电压和频率，因为不需要与电网电源同步或协调。

太阳能逆变器可以连接到一串太阳能电池板。 在一些装置中，太阳能微型逆变器连接在每个太阳能电池板上。 出于安全原因，在交流和直流侧都提供断路器以进行维护。 交流输出可以通过电表连接到公共电网。 系统中的模块数量决定了太阳能电池阵列能够产生的总DC瓦特数; 然而，逆变器最终控制可以分配用于消耗的AC瓦特量。 例如，包括11千瓦DC（kWDC）价值的PV模块的PV系统，与一个10千瓦AC（kWAC）逆变器配对，将限制为逆变器的10kW输出。 截至2014年，最先进的转换器的转换效率达到98％以上。 虽然串式逆变器用于住宅到中型商用光伏系统，但中央逆变器覆盖了大型商业和公用事业规模的市场。 中央和串式逆变器的市场份额分别约为50％和48％，微型逆变器的市场份额不到2％。

最大功率点跟踪（MPPT）是一种技术，电网连接的逆变器用于从光伏阵列获得最大可能的功率。 为了做到这一点，逆变器的MPPT系统对太阳能电池阵列不断变化的功率输出进行数字采样，并应用适当的电阻来找到最佳的最大功率点。

防孤岛是一种保护机制，可以立即关闭逆变器，防止在与负载的连接不再存在时产生交流电。 例如，在停电的情况下会发生这种情况。 如果没有这种保护，供电线将变成一个“岛”，其功率被无线线路的“海洋”包围，因为太阳能电池阵列在断电期间继续提供直流电。 孤岛对公用事业工作者是一种危害，他们可能没有意识到交流电路仍然供电，并且可能阻止设备的自动重新连接。

类型	功率	效率（a）	市场  分享（b）	备注
串逆变器	高达100 kWp （c）	98％	50％	成本（b）每瓦峰值0.15欧元。 易于更换。
中央逆变器	超过100千瓦	98.5％	48％	每瓦峰值0.10欧元。 高可靠性。 通常与服务合同一起出售。
微型逆变器	模块功率范围	90％-95％	1.5％	每瓦峰值0.40欧元。 易于更换的问题。
DC / DC转换器 电源优化器	模块功率范围	98.8％	呐	每瓦峰值0.40欧元。 易于更换的问题。 仍需要变频器。2013年安装了约0.75 GW P。
资料来源： IHS 2014年的数据，Fraunhofer ISE 2014的评论，来自：Photovoltaics Report，2014年9月8日更新，p。 35，PDF注： （a）显示最佳效率， （b）市场份额和每瓦成本估算， （c） kW p =千瓦峰值

电池
虽然仍然很昂贵，但PV系统越来越多地使用可充电电池来存储剩余物，以便以后在晚上使用。 用于电网存储的电池还通过平衡峰值负载来稳定电网，并且在智能电网中起重要作用，因为它们可以在低需求期间充电并且在需求高时将其存储的能量馈送到电网中。

当今光伏系统中常用的电池技术包括阀控式铅酸蓄电池 – 传统铅酸蓄电池的改进型，镍镉电池和锂离子电池。 与其他类型相比，铅酸电池具有更短的寿命和更低的能量密度。 然而，由于其高可靠性，低自放电以及低投资和维护成本，它们目前是小型住宅光伏系统中使用的主要技术，因为锂离子电池仍在开发中，约为3.5倍。昂贵的铅酸电池。 此外，由于用于PV系统的存储装置是静止的，因此较低的能量和功率密度以及因此较高的铅酸电池的重量并不像例如电动运输那样重要。考虑用于分布式PV系统的其他可再充电电池包括钠 – 硫和钒氧化还原电池，两种主要类型的熔盐和液流电池。2015年，特斯拉电机推出了Powerwall，一种可充电锂离子电池，旨在彻底改变能源消耗。

具有集成电池解决方案的PV系统还需要充电控制器，因为来自太阳能电池阵列的变化的电压和电流需要不断调整以防止过度充电造成的损坏。 基本充电控制器可以简单地打开和关闭PV面板，或者可以根据需要计量出能量脉冲，这种策略称为PWM或脉冲宽度调制。 更先进的充电控制器将MPPT逻辑纳入其电池充电算法。 充电控制器还可以将能量转移到除电池充电之外的某些目的。 在不需要时，用户可以选择在电池充满时加热空气或水，而不是简单地关闭免费的PV能量。

监控和计量
计量必须能够在两个方向上累积能量单位，或者必须使用两米。 许多仪表双向累积，一些系统使用两米，但单向仪表（带制动器）不会从任何合成的进料中累积能量进入电网。 在某些国家/地区，对于超过30 kWp的安装，需要一个频率和一个断开所有相的电压监视器。 这样做是在产生的太阳能发电量超过公用事业公司可以容纳的太阳能发电量的情况下，并且不能输出或存储多余的太阳能。 电网运营商历来需要提供输电线路和发电容量。 现在他们还需要提供存储空间。 这通常是水力储存，但也使用其他储存方式。 最初使用存储使基本负载生成器可以以全输出运行。 利用可变的可再生能源，需要存储以允许在可用时发电，并在需要时进行消耗。

电网运营商具有的两个变量是在需要时存储电力，或者将电力传输到需要的地方。 如果两者都失效，超过30kWp的安装可以自动关闭，但实际上所有逆变器都会保持电压调节并在负载不足时停止供电。电网运营商可以选择减少大型系统的过剩发电量，尽管风力发电比太阳能发电更常见，并导致收入大幅减少。 三相逆变器具有提供无功功率的独特选择，这在匹配负载要求方面是有利的。

需要监控光伏系统以检测故障并优化其操作。 根据装置的输出及其性质，有几种光伏监控策略。 可以在现场或远程执行监控。 它只能测量生产，从逆变器检索所有数据或从通信设备（探头，仪表等）检索所有数据。 监控工具可专用于监控或提供其他功能。 各个逆变器和电池充电控制器可以包括使用制造商特定协议和软件进行监控。 逆变器的能量计量可能具有有限的精度并且不适合于收益计量目的。第三方数据采集系统可以使用逆变器制造商的协议监控多个逆变器，还可以获取与天气有关的信息。独立的智能仪表可以测量光伏阵列系统的总能量产生。 可以使用诸如卫星图像分析或太阳辐射计（日射强度计）之类的单独测量来估计总日照以进行比较。 从监控系统收集的数据可以通过万维网远程显示，例如OSOTF。