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1、太阳能光伏发电及其应用,考试要点,考试方式：,1. 闭卷 自带纸张 2.考试时间 12月13日 （下周五上课时间）,第一章 概述,1.太阳能应用意义及背景 2. 太阳能的分布,与辐射量有关的几个物理量,1.辐照强度 2.辐照度 3.太阳高度角 4. 太阳方位角,1.辐照强度,度量太阳辐射强度的物理量。 它的物理意义是：在单位时间内，垂直投射在地球某一单位面积上的太阳辐射能量，通常用W/m2或 Kw/m2表示,2.辐照度,度量太阳辐射量大小的物理量。 它的物理意义是：在规定时间内，投射在地球某一单位面积上太阳辐射能的量值，通常用Kw.h/m2,（3）太阳高度角简称太阳高度(其实是角度),对于地球
2、上的某个地点，太阳高度是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角. 太阳高度是决定地球表面获得太阳热能数量的最重要的因素。,夏至日，太阳直射北回归线。,观测地地理纬度用L表示,太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。,经线,方位角以正南方向为零，由南向东向北为负，由南向西向北为正，如太阳在正东方，方位角为负90，在正西方时方位角为90。,4. 太阳方位角,太阳能的转换和利用方式有： （1）光-热转换 （2）光-化学转换 （3）光-电转换,1.2 太阳能利用的现状及发展,太阳能热发电，也叫聚焦型太阳能热发
3、电（Concentrating Solar Power，简称CSP）， 它们是通过聚集将太阳能直射光聚集起来，加热工质，产生高温高压的蒸汽，蒸汽驱动汽轮机发电。,光热伏发电的原理,太阳能热发电,第二章 光伏电池及其特性,1. 单晶硅光伏电池的工作原理,(1) 无光照时,PN结的形成,(2) PN结受光照后，光伏效应,浓度差使多子产生扩散运动,当参与扩散运动的多子数目和参与漂移运动的少子数目相同时，达到动态平衡，就形成了PN结。,内电场使少子产生漂移运动,内电场,(1) 无光照时,PN结的形成,采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一硅片上，在它们的交界面处就会形成PN结,太阳电池
4、发电原理示意图,(2) PN结受光照后，光伏效应,半导体吸收光能产生带正电和负电的粒子（空穴和电子），在内建电场作用下，电子（）朝N型半导体汇集，而空穴（）则朝P型半导体汇集。 如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势。,内建电场,一般等效电路图,问题1：为什么可把光伏电池看成一个电流源和一个硅二极管的复合体?,内建电场,-,+,-,+,+,+,+,+,-,-,-,-,2.载流子的汇聚会在PN结内产生一个与原内建电场方向相反的附加电场，在一定程度上降低了原内建电场。相当与PN节的正向偏置，多数载流
5、子的扩散产生一个向下的暗电流。,1.少数载流子的漂移产生电流；,2. 画出光伏电池的等效电路，并说明其中各个符号代表的含义。,1. 等效电路中符号的说明,光伏电池的等效电路图,1.Rs为串联电阻 主要是由于半导体材料的体电阻、金属电极与半导体材料的接触电阻、扩散层横向电阻以及金属电极本身的电阻。一般小于1.,负载 load,Photic adj.光的, 与光有关的,外接负载电阻,暗电流,等效电路中符号的说明,负载 load,Photic adj.光的, 与光有关的,由于由于电池表面污染、半导体晶体缺陷引起的边缘漏电，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一并联电阻RSh来等效，一般
6、为几千欧。漏电流越小，并联电阻也就越大。,2. Rsh为旁路电阻。,通常称为太阳电池的伏安特性曲线，也称I-V特性曲线。,3. 如何获得光伏电池的伏安特性曲线，并说明开路电压和短路电流大小。,伏安特性曲线的测量过程,L,（1）调节负载电阻RL，足够小，测短路电流sc (short circuit current). (2)调节负载电阻RL，足够大，测开路电压（open circuit voltage）。,（3）不断调节负载电阻RL，把光伏电池的输出电压和电流绘制下来就可以得到伏安特性曲线。,实际上，通常并不是通过计算，而是通过实验测试的方法来得到。,1.太阳电池的开路电压Uoc与电池面积大小无
7、关，一般单晶硅太阳电池的开路电压约为450600mV，最高可达700mV左右。,2.太阳电池的短路电流Isc与太阳电池的面积大小有关，面积越大，Isc越大，一般1cm2的单晶硅太阳电池Isc=1630mA。,4. AM (air mass)空气质量或大气质量,定义：太阳光透过大气层所通过的路程与大气铅直厚度之比,此图中为1/sin.,第三章 光伏电池的分类,一、太阳能电池的种类 二、硅太阳能电池 三、化合物半导体 四、有机太阳能电池 五、光化学太阳能电池,1按照所用材料的不同，太阳能电池的分类？,无机太阳能电池 半导体硅 (单晶、多晶、非晶、微晶、复合型等） 化合物半导体（GaAs、CuInS
8、e2、CdTe、InP等） 有机太阳能电池 有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等） 光化学太阳能电池（纳米TiO2等）有时也归类于有机太阳能电池,2.最具广泛应用潜力的三种薄膜材料,非晶Si CIGS（CuInGaSe） 碲化镉（CdTe）,1. 独立型光伏发电系统的组成部分以及各部分基本功能？,第四章 光伏发电系统,光伏发电系统的构成,一套基本的太阳能发电系统是由太阳电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池构成,（1）控制太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。,逆变器：,在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转
9、换成5VDC的电能。,在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。,alternating current 交流电 direct current 直流电,Cell, Module and Array,2. 光伏阵列的基本组合,组件,阵列/方阵,单体,（1）太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4cm2到100cm2不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.5V, 工作电流约为2025mA/cm2,
10、 一般不能单独作为电源使用。,Multiple（多个的）cells (about 30-36) make a module and several modules make an array (panel),36个电池片串联成的电池组件,（2）将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。,（3）太阳能电池方阵,太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率 。,思考：,1.如何构成工作点电压为350V，电流流量为20A左右的光伏阵列？,（A）考虑最大功率点电压为17.5V，
11、容量为120W的组件，需要多少个，如何连接？,（B）如果换成最大功率点电压为17.5V，容量为75W的组件组件，则情况如何？,答案：可选用20个电池板串联起来，构成工作点为350V的电压；需要三串这样的电池组件并联。,答案：可选用20个电池板串联起来，构成工作点为350V的电压；需要5串这样的电池组件并联。,3.光伏组件与阵列中的二极管的三个作用,（2）若干光伏电池组件串联成光伏阵列时，需要在光伏组件两端并联一个旁路二极管。,（1）在储能的蓄电池或者逆变器与光伏阵列之间要串联屏蔽二极管。,（3）在每串中也要串联一个隔离二极管。,4.太阳光跟踪系统,太阳跟踪系统：使太阳光始终垂直照射在太阳能电池板，提高太阳能的吸收率和转化率。,第五章 光伏阵列最大功率点跟踪,区分自动追光系统与最大功率点跟踪两个不同概念?,自动追光系统与最大功率点跟踪不同：,1.自动追光系统可以使电池板始终正对太阳,2.最大功率点跟踪 是通过改变负载电阻大小来影响输出功率.,
