光伏發(fā)電原理

1、光伏發(fā)電原理1.光伏發(fā)電系統(tǒng)組成及運行方式一般來說，離網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池組、逆變器等部分組成。1.1.1太陽能電池方陣太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元， 尺寸一般為2cmX2cm到15cmX15cm不等，單體工作電壓為0.45-0.5V,工作電流為20-25mA/cm2。太陽 能組件是將太陽能電池單體進行申并聯(lián)封裝后形成的，其功率一般為幾瓦、幾十 瓦、可以單獨使用。當(dāng)應(yīng)用領(lǐng)域需要較高的電壓電流而單個組件不能滿足要求時， 可把多個組件連成太陽能電池方陣，以獲得需要的電壓電流。乂稱阻塞二極管，其作用是避免由丁太陽能電池方陣在陰雨天和夜晚不發(fā)電時 或出現(xiàn)短路故障

2、時，蓄電池組通過太陽能電池方陣放電。 它申聯(lián)在太陽能電池方 陣電路中，其單向?qū)ㄗ饔?，一般選用合適的整流二極管即可。1.1.3蓄電池組蓄電池的作用是儲存太陽能電池方陣受光照時發(fā)出的電能并隨時向負(fù)載放電。 對其的基本要求有：（1）自放電率低（2）使用壽命長（3）深放電能力強（4）充電效率高（5）少維護或免維護（6）工作溫度范圍寬（7）價格低廉。目前我 國與太陽能系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池。1.1.4控制器光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一，其一般具備如下功能：（1）信號檢測 檢測光 伏發(fā)電系統(tǒng)各裝置和各單元的狀況與參數(shù)， 檢測的物理量有輸入電壓、充電電流、 輸出電壓、輸出電流以及蓄電池溫升。（

3、2）最優(yōu)充電控制 根據(jù)當(dāng)前太陽能資源 情況和電池狀態(tài)確定最佳充電方式，實現(xiàn)高效快速的充電。（3）蓄電池放電管理 對蓄電池放電過程進行管理，單體1.1.2防反充二極管1.1離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成組件陣列如負(fù)載控制自動開關(guān)機，實現(xiàn)軟啟動、防止負(fù)載接 入時蓄電池端電壓壓降而導(dǎo)致的錯誤保護。（4）設(shè)備保護 控制系統(tǒng)中因逆變器 故障而出現(xiàn)的過電壓和負(fù)載短路引起的過電流。（5）運行狀態(tài)指示 通過指示燈、 顯示器等方式指示光伏系統(tǒng)的運行狀態(tài)和故障信息。1.1.5逆變器逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的設(shè)備，由于太陽能電池方陣和蓄電池組發(fā) 出的是直流電，而當(dāng)負(fù)載是交流負(fù)載時，逆變器是不可缺少的。逆變器按運行方

4、式可分為獨立運行逆變器和并網(wǎng)逆變器。 獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能 電池發(fā)電系統(tǒng)，為獨立負(fù)載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運行的太陽能發(fā)電系統(tǒng)， 將發(fā)出的電饋入電網(wǎng)。逆變器按輸出波形可分方波逆變器和正弦逆變器，方波逆變器電路簡單，造價低，但諧波分量大，一般用于幾白瓦以下和對諧波要求的系 統(tǒng)，正弦波逆變器成本高，但可以適用于各種負(fù)載。1.1.6測量設(shè)備對于小型的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，只要求簡單的測量，如蓄電池電壓和充放電電 流。對于中大型太陽能光伏電站，往往還要測量太陽輻射、環(huán)境氣溫、充放電電 量等。1.2聯(lián)網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成聯(lián)網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為集中式大型聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)（大型聯(lián)網(wǎng)光 伏電站

5、）和分散式小型聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)（住宅聯(lián)網(wǎng)型光伏系統(tǒng)）兩類。大型聯(lián)網(wǎng)光伏電站所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)上，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供 電，但建設(shè)投資大，建設(shè)周期長，控制配電復(fù)雜，占用大片土地，發(fā)電成本高， 發(fā)展較慢。住宅聯(lián)網(wǎng)型光伏系統(tǒng)所發(fā)的電能直接分配到住宅的用電負(fù)載上，多余或不 足的電力通過連接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)。1.2.1太陽能電池方陣太陽能電池方陣是聯(lián)網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的主要部件，有其將接收到的太陽光能直 接轉(zhuǎn)換為電能，其單體同離網(wǎng)型太陽能電池單體相同。住宅聯(lián)網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的突出特點是與建筑相結(jié)合，按結(jié)合方式可分為建筑與 光伏系統(tǒng)相結(jié)合（BAPV）和建筑和光伏組件相結(jié)合（BIPV）兩種型式。BAPV是光伏與建筑相結(jié)合

6、的第一步，是將現(xiàn)成的平板式光伏組件安裝在建筑物的屋頂 等處。BIPV是光伏與建筑相結(jié)合的進一步目標(biāo)，是將光伏器件和建筑材料集成 化，把屋頂、向陽外墻、遮陽板甚至窗戶的材料用光伏器件來代替，既能作為建 筑材料和裝飾材料，乂能發(fā)電，使光伏系統(tǒng)的造價降低，發(fā)電成本下降。1.2.2聯(lián)網(wǎng)逆變器聯(lián)網(wǎng)逆變器是聯(lián)網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的核心部件和技術(shù)關(guān)鍵，聯(lián)網(wǎng)逆變器于獨立逆 變器的不同之處在于它不僅可將太陽能電池方陣發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并且還可以對轉(zhuǎn)換的交流電的頻率、電壓、電流、相位、有功與無功、同步、電能 品質(zhì)等進行控制。聯(lián)網(wǎng)逆變器包括三部分（1）逆變系統(tǒng) 其功能是采用大功率晶 體管將直流高速切割，并轉(zhuǎn)換為交流

7、。（2）控制部分 有電子回路組成，作用是控 制逆變部分（3）保護部分 有電子回路組成，作用是在逆變器內(nèi)部故障時保護設(shè) 備。2.太陽能電池2.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識2.1.1本征半導(dǎo)體完全純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，用的最多的是硅和金者，它們各有四個價電子，都是四價元素硅的微觀結(jié)構(gòu)圖2.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體是在硅和金者中摻入少量磷，磷原子參加共價鍵結(jié)構(gòu)只需四個價電子， 多余的一個價電子很容易掙脫磷原子核的束縛成為自由電子。P型半導(dǎo)體是在硅和金者晶體中摻入少量硼(或其他三價元素)，每個硼原子只有三個價電子，在構(gòu) 成共價鍵結(jié)構(gòu)時將因缺少一個電子而產(chǎn)生一個空位。P型和N型半導(dǎo)體微觀結(jié)構(gòu)圖2

8、.1.3 PN結(jié)在一塊N(P)型半導(dǎo)體的局部再摻濃度較大的三價元素使其變?yōu)镻(N)型半導(dǎo)體，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為PN結(jié)。其微觀結(jié)構(gòu)如圖，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴N結(jié)示意圖2.2太陽能電池工作原理太陽能電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)，所謂的光生伏打效 應(yīng)，就是當(dāng)太陽光照射到太陽能電池時，電池吸收光能，產(chǎn)生光生電子 -空穴對， 在電池內(nèi)建電場作用下，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累， 從而產(chǎn)生光生電壓。其 原理示意圖如圖所示。QQ oO Q 0 0 0O。Q& . *, 0 G) *P型箕津# |N主t岸(+址室賦電切 止空網(wǎng)屯疏p-空州電

9、頓隊-中卅隊籽與：容可動：矗尸不曲光子入射（能量 hV）*十.+.L，1光了入射（能量 hV）光生伏打效應(yīng)示意圖當(dāng)太陽光照射P-N結(jié)時，在半導(dǎo)體內(nèi)的電子由丁獲得光能而釋放電子， 相應(yīng) 的便產(chǎn)生電子-空穴對，并在內(nèi)建電場的作用下，電子被驅(qū)向N型區(qū)，空穴被驅(qū) 向P型區(qū)，從而在N區(qū)有過剩電子，P區(qū)有過剩空穴，丁是在PN結(jié)附近形成了 與內(nèi)建電場相反的光生電場。光生電場一部分抵消內(nèi)建電場，其余部分即光生伏 打電動勢。2.2太陽能電池的結(jié)構(gòu)太陽能電池結(jié)構(gòu)圖3.鉛酸蓄電池蓄電池是將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能貯存起來，需要時再把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊?種貯能裝置。在此介紹VRLA電池的結(jié)構(gòu)和原理。3.1結(jié)構(gòu)VRLA電池由

10、正極板、負(fù)極板、隔板、電池槽蓋、硫酸電解質(zhì)等主要組件組 成，其結(jié)構(gòu)圖如圖所示。VRLA電池結(jié)構(gòu)圖3.2基本原理正極：PbO2HSO；3H 2e Pbso2H2負(fù)極：PbHSQ 2e，PbSO4H4.逆變器逆變器也稱逆變電源，是將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的變流裝置， 是太陽能 發(fā)電系統(tǒng)的一個重要部件。逆變器按輸出電壓波形可分為方波逆變器、正弦波逆 變器、和階梯波逆變器。按主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為推挽逆變器、半橋逆變器、全 橋逆變器。按輸入直流電源性質(zhì)可分為電壓源型逆變器、電流源行逆變器。4.1推挽式逆變電路工作原理圖示為單向推挽式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單向推挽式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖該電路由2只共負(fù)極的功率開關(guān)元件和1個初級帶有中心抽頭的升壓變壓器 組成，當(dāng)t1tt2時，T1功率管上加?xùn)艠O驅(qū)動信號Ug1 , T1導(dǎo)通，T2截止，變 壓器輸出端感應(yīng)出正電壓。當(dāng)t3tt4時，T2功率管上加?xùn)艠O驅(qū)動信號Ug2, T2導(dǎo)通，T1截止，變壓器輸出端感應(yīng)出負(fù)電壓