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太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:2227次  |  2019年08月06日  

在理解太陽(yáng)能發(fā)電原理之前,如果您對(duì)太陽(yáng)能還有所疑問(wèn)的話,建議您先看一下什么是太陽(yáng)能。


所謂太陽(yáng)能發(fā)電是利用電池組件將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。太陽(yáng)能電池組件(Solar cells)是利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性實(shí)現(xiàn)P-V轉(zhuǎn)換的固體裝置,在廣大的無(wú)電力網(wǎng)地區(qū),該裝置可以方便地實(shí)現(xiàn)為用戶照明及生活供電,一些發(fā)達(dá)國(guó)家還可與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。目前從民用的角度,在國(guó)外技術(shù)研究趨于成熟且初具產(chǎn)業(yè)化的是"光伏--建筑(照明)一體化"技術(shù),而國(guó)內(nèi)主要研究生產(chǎn)適用于無(wú)電地區(qū)家庭照明用的小型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。


1、太陽(yáng)能發(fā)電原理


太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)主要包括:太陽(yáng)能電池組件(陣列)、控制器、蓄電池、逆變器、用戶即照明負(fù)載等組成。其中,太陽(yáng)能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng),控制器和逆變器為控制保護(hù)系統(tǒng),負(fù)載為系統(tǒng)終端。


1.1 太陽(yáng)能電源系統(tǒng)


太陽(yáng)能電池與蓄電池組成系統(tǒng)的電源單元,因此蓄電池性能直接影響著系統(tǒng)工作特性。


(1) 電池單元:


由于技術(shù)和材料原因,單一電池的發(fā)電量是十分有限的,實(shí)用中的太陽(yáng)能電池是單一電池經(jīng)串、并聯(lián)組成的電池系統(tǒng),稱為電池組件(陣列)。單一電池是一只硅晶體二極管,根據(jù)半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性,當(dāng)太陽(yáng)光照射到由P型和N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N結(jié)上時(shí),在一定的條件下,太陽(yáng)能輻射被半導(dǎo)體材料吸收,在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子即電子和空穴。同于P-N結(jié)勢(shì)壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng),因而能在光照下形成電流密度J,短路電流Isc,開(kāi)路電壓Uoc。 若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)面引出電極并接上負(fù)載,理論上講由P-N結(jié)、連接電路和負(fù)載形成的回路,就有"光生電流"流過(guò),太陽(yáng)能電池組件就實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的功率P輸出。


理論研究表明,太陽(yáng)能電池組件的峰值功率Pk,由當(dāng)?shù)氐奶?yáng)平均輻射強(qiáng)度與末端的用電負(fù)荷(需電量)決定。


(2) 電能儲(chǔ)存單元:


太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的直流電先進(jìn)入蓄電池儲(chǔ)存,蓄電池的特性影響著系統(tǒng)的工作效率和特性。蓄電池技術(shù)是十分成熟的,但其容量要受到末端需電量,日照時(shí)間(發(fā)電時(shí)間)的影響。因此蓄電池瓦時(shí)容量和安時(shí)容量由預(yù)定的連續(xù)無(wú)日照時(shí)間決定。


1.2 控制器


控制器的主要功能是使太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)始終處于發(fā)電的最大功率點(diǎn)附近,以獲得最高效率。而充電控制通常采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)即PWM控制方式,使整個(gè)系統(tǒng)始終運(yùn)行于最大功率點(diǎn)Pm附近區(qū)域。放電控制主要是指當(dāng)電池缺電、系統(tǒng)故障,如電池開(kāi)路或接反時(shí)切斷開(kāi)關(guān)。目前日立公司研制出了既能跟蹤調(diào)控點(diǎn)Pm,又能跟蹤太陽(yáng)移動(dòng)參數(shù)的"向日葵"式控制器,將固定電池組件的效率提高了50%左右。


1.3 DC-AC逆變器


逆變器按激勵(lì)方式,可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過(guò)全橋電路,一般采用SPWM處理器經(jīng)過(guò)調(diào)制、濾波、升壓等,得到與照明負(fù)載頻率f,額定電壓UN等匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。


2、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的效率


在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中,系統(tǒng)的總效率ηese由電池組件的PV轉(zhuǎn)換率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負(fù)載的效率等組成。但相對(duì)于太陽(yáng)能電池技術(shù)來(lái)講,要比控制器、逆變器及照明負(fù)載等其它單元的技術(shù)及生產(chǎn)水平要成熟得多,而且目前系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換率只有17%左右。因此提高電池組件的轉(zhuǎn)換率,降低單位功率造價(jià)是太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)和難點(diǎn)。太陽(yáng)能電池問(wèn)世以來(lái),晶體硅作為主角材料保持著統(tǒng)治地位。目前對(duì)硅電池轉(zhuǎn)換率的研究,主要圍繞著加大吸能面,如雙面電池,減小反射;運(yùn)用吸雜技術(shù)減小半導(dǎo)體材料的復(fù)合;電池超薄型化;改進(jìn)理論,建立新模型;聚光電池等。


幾種太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率


實(shí)驗(yàn)室典型電池 商品薄膜電池


各種太陽(yáng)能電池 ηmax(%) 各種太陽(yáng)能電池 η(%)


單晶硅 24.4 多晶硅 16.6


多晶硅 18.6 銅銦鎵硒 18.8


GaAs(單結(jié)) 25.7 碲化鎘 16.0


a-si(單結(jié)) 13 銅銦硒 14.1


充分利用太陽(yáng)能是綠色照明的重要內(nèi)容之一。而真正意義上的綠色照明至少還包括:照明系統(tǒng)的高效率,高穩(wěn)定性,高效節(jié)能的綠色光源等。


3、太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用。


3.1 發(fā)電--建筑照明一體化


目前成功地把太陽(yáng)能組件和建筑構(gòu)件加以整合,如太陽(yáng)能屋面(頂)、墻壁及門(mén)窗等,實(shí)現(xiàn)了"光伏--建筑照明一體化(BIPV)"。1997年6月,美國(guó)宣布了以總統(tǒng)命名的"太陽(yáng)能百萬(wàn)屋頂計(jì)劃",在2010年以前為100萬(wàn)座住宅實(shí)施太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。日本"新陽(yáng)光計(jì)劃"已在2000年以前將光伏建筑組件裝機(jī)成本降到170~210日元/W,太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量達(dá)10MW,電池成本降到25~30日元/W。1999年5月14日,德國(guó)僅用一年兩個(gè)月建成了全球首座零排放太陽(yáng)能電池組件廠,完全用可再生能源提供電力,生產(chǎn)中不排放CO2。工廠的南墻面為約10m高的PV陣列玻璃幕墻,包括屋頂PV組件,整個(gè)工廠建筑裝有575m2的太陽(yáng)能電池組件,僅此可為該建筑提供三分之一以上的電能,其墻面和屋頂PV組件造型、色彩、建筑風(fēng)格與建筑物的結(jié)合,與周圍的自然環(huán)境的整合達(dá)到了十分完美的協(xié)調(diào)。該建筑另有約45kW容量,由以自然狀態(tài)的菜子油作燃料的熱電廠提供,經(jīng)設(shè)計(jì)燃燒菜子油時(shí)產(chǎn)生的CO2與油菜生長(zhǎng)所需的CO2基本平衡,是一座真正意義上的零排放工廠。BIPV還注重建筑裝飾藝術(shù)方面的研究,在捷克由德國(guó)WIP公司和捷克合作,建成了世界第一面彩色PV幕墻。印度西孟加拉邦為一無(wú)電島117家村民安裝了12.5kW的BIPV。國(guó)內(nèi)常州天合鋁板幕墻制造有限公司研制成功一種"太陽(yáng)房",把發(fā)電、節(jié)能、環(huán)保、增值融于一房,成功地把光電技術(shù)與建筑技術(shù)結(jié)合起來(lái),稱為太陽(yáng)能建筑系統(tǒng)(SPBS),SPBS已于2000年9月20日通過(guò)專家論證。近日在上海浦東建成了國(guó)內(nèi)首座太陽(yáng)能--照明一體化的公廁,所有用電由屋頂太陽(yáng)能電池提供。這將有力地推動(dòng)太陽(yáng)能建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)化與市場(chǎng)化的進(jìn)程。


3.2 綠色照明光源研究


綠色照明系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì),要求低能耗下獲得高的光效輸出,并延長(zhǎng)燈的使用壽命。因此DC-AC逆變器設(shè)計(jì),應(yīng)獲得合理的燈絲預(yù)熱時(shí)間和激勵(lì)燈管的電壓和電流波形。目前處在研究開(kāi)發(fā)中的太陽(yáng)能照明光源激勵(lì)方式有四種典型電路:①自激推挽振蕩電路,通過(guò)燈絲串聯(lián)啟輝器預(yù)熱啟動(dòng)。該光源系統(tǒng)的主要參數(shù)是:輸入電壓DC=12V,輸出光效>495Lm/支,燈管額定效率9W,有效壽命3200h,連續(xù)開(kāi)啟次數(shù)>1000次。②自激推挽振蕩(簡(jiǎn)單式)電路,該光源系統(tǒng)的主要參數(shù)是:輸入電壓DC=12V,燈管功率9W,輸出光效315Lm/支,連續(xù)啟動(dòng)次數(shù)>1500次。③自激單管振蕩電路,燈絲串聯(lián)繼電器預(yù)熱啟動(dòng)方式。④自激單管振蕩(簡(jiǎn)單式)電路等方式的高效節(jié)能綠色光源。


4、結(jié)束語(yǔ)


綠色能源和可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題是本世紀(jì)人類面臨的重大課題,開(kāi)發(fā)新能源,對(duì)現(xiàn)有能源的充分合理利用已經(jīng)得到各國(guó)政府的極大重視。太陽(yáng)能發(fā)電作為一種取之不盡,用之不竭的清潔環(huán)保能源將得到前所未有的發(fā)展。隨著太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程和技術(shù)開(kāi)發(fā)的深化,它的效率、性價(jià)比將得到提高,它在包括BIPV在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域都將得到廣泛的應(yīng)用,也將極大地推動(dòng)中國(guó)"綠色照明工程"的快速發(fā)展。


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