太阳能光伏发电技术3太阳电池组件及光伏方阵

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1、 本文由mideabear贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 !#$%&( )*+&,-%. 专家讲堂 /0/ 太阳电池 半导体光生伏打电效应 硅，地球上最丰富的元素之 太阳能光伏发电技术 （!） 一， “提纯” “生长” 经 和 后成为晶体 半导体， 是构成太阳电池的基本材 料。 太阳电池特有的电特性是借助 于 在 晶 体 硅 中 掺 入 某 些 元 素 （例 如： 磷或硼等） 从而在材料的分子 ， 电荷里造成永久的不平衡， 形成具 有特殊电性能的半导体材料。 具有 光 1电转换特性的半导体器件通常 太阳电池、 组件及光伏方阵 ! 中国

2、科学院 马胜红 陆虎俞 由两种分别称为 # 型半导体和 2 型半导体的材料结合而成。 当 光照射到 #12 结上时， 产生电子 1 空穴 对 ， 半 导 体 内 部 结 附 在 近生成的载流子， 受内建电场的吸引到达空间电荷区。电子流 入 2 区， 空穴流入 # 区， 结果使 2 区储存了过剩的电子， 区有 # 过剩的空穴， #12 结附近形成与势垒方向相反的光生电场。 在 光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外， 还使 # 区带正电， 2 区带负电， 2 区和 # 区之间的薄层产生电动势， 在 这就是 “光生 伏打效应” 此时， 。 如果将外电路短路， 则外电路中就有与入射光 能量成正比的光电

3、流流过， 这个电流称作短路电流。另一方面， 若将 #12 结两端开路， 则由于电子和空穴分别流人 2 区和 # 区， 使 2 区的费米能级比 # 区的费米能级高，在这两个费米能级之 并称为开路电压。 间就产生了电位差 3。可以测得这个值， 出， 再通过灯泡返回到蓄电池。由蓄电池流出的电子所获得的 在照明灯里消耗掉。 /43 势能， 太阳电池组件是一组用金属线串联或串 5 并联起来的太阳 电池， 目的是产生所希望的电压和电流。太阳电池像小的蓄电 池， 当用金属线串联时， 电流值恒定， 电压累加。每个太阳电池 电压约 607 伏， 个电池串联的光伏组件工作电压 / 伏， 标称 = 组件的输出电流与

4、每个单独的电池电流相同。 电压 /4 伏， 依照上述电路的构成原理， 将蓄电池替换成光伏组件后， 在 阳光的照射下灯泡也将发光， 从而构成一个最简单的光伏电路。 404 串联和并联光伏电路 太阳电池组件同电源一样，也采用电压值和电流值标定。 在充足的阳光下 769 组件标称电压是 /43， 电流大约 :。光 伏组件可以组合到一起，根据需要可得到不同的电压和电流。 同蓄电池一样， 将光伏组件串联时电压将增加， 电流值不变。 同 样的两个 /43、 光伏组件串联接线后得到 483、 系统。为 : : 增加系统的电流值， 光伏组件必须并联接线， 同样的两个 /43、 /04 太阳电池原理 太阳电池是

5、一种具有光伏打效应的半导体器件 （简称 “光 伏器件” ， ） 它直接将太阳光转换成直流电， 是光伏发电的最基 本单元。 太阳电池由两层半导体材料组成， 其厚度大约为 / 5 /66 英寸， 形成两个区域： 一个正荷电区， 一个负荷电区。负区位于 电池的上层， 在这一层强迫渗透磷并与硅粘在一起。正区置于 电池表层的下面， 正负界面区域称为 #12 结。制造电池时 #12 结被赋予了恒定的特性。当阳光投射到太阳电池内保持松散 状态的电子时， 这些靠近 #12 结的电子朝向电池的表层流动。 金属线将光伏组件里每个电池的前面与下一个电池的背面相 连，这样使电子通过许多 #12 结，建立起所有电池的串

6、联电 压。 在每个电池 #12 结处的电压增加大约 6073 的电动势， 这个 电池电压与电池的尺寸无关。电流受电池面积和日照强度的 影响， 较大面积的电池能够产生较强的电流。 : 光伏组件并联接线后得到 /43、 系统。并联接线使产生 =: 的电流值增加， 电压值不变。 光伏系统可以采用串 5 并联接线，以获得所需要的电压和 电流值。 为得到 483、 方阵需要四个光伏组件。 注意， 串联接 =: （ ， 线时要将一个组件的正极 ? ） （ 连到另一个组件的负极 1 ） 并联 接线是从正到正极和负到负极。光伏组件串联接线时的总电压 等于每个单独组件电压之和， 各组件电流相等。 蓄电池与光伏组

7、件连接时，组件使用串联和并联组合接 线， 可实现负载所要求的电压和电流。 40 负载 负载是光伏系统中的用电设备。 负载的评估是系统设计和 # 40/ 光伏电路原理 简单光伏电路 电路是来自电压源的电子流的流通通道， 例如将一个蓄电 成本核算的关键步骤。 用电设备的功率需求可以通过测量或从 厂商提供的技术资料获得。但是每天、 每周或每个月用电设备 工作的时间总量需要估计。 当一个给定负载所需求的瓦数没有给出时， 通常可用给出 的电压、 电流参数代替。电压乘电流即可计算负载所需要的瓦 数。 （: ） 交流 或直流 A ） （ 负载必须预先确定， 如果使用交流负 载， 需要配备逆变器。独立光伏系统

8、选择的工作电压通常是最 大负载所要求的电压。 A 电压一般是 /43 或 /4 的倍数 48、 （ ! 栏 目 编 辑 梁 学 造 池通过导体或金属线连到负载， 就成为一个最简单的电路， 它 有一个单一的电压源 （一个 /43 蓄电池） 被导线连到单一负载 （/43 489 灯泡） ，使用一个开关接通或断开灯泡与电源的连 接。当电路断开时， 灯是熄灭的； 当电路闭合后， 489 灯泡将形 成 4: 489 5 /43;4:） （ 的电 流 。电 流 以 4: 的 速 率 从 蓄 电 池 流 ! 大众用电 #$% & ! ! 专家讲堂 ()*+,-. /01,23+4 。当多数负载是直流时， 系

9、统电压的选择应以系统电 56 或 !&） 流不超过允许值为准。 如果负载具有不同的直流电压， 必须全部 列出， 并选择具有最大电流的负载电压作为主要的系统电压。 在光伏系统里， 若有在晚上或阴天需要运行的负载时， 该 系统必须包括储能单元， 通常用蓄电池储存由光伏组件产生的 电能。系统负载可以在白天或夜间运行， 也可以连续或间歇运 行， 在夜晚或阴天， 负载将从蓄电池获取电能。此外， 蓄电池组 在短时间内有能力提供大的冲击电流， 这样系统有更好的适应 性， 如启动大的电动机或执行另外一些 “高功率” 任务。 使用蓄电池的简单直流光伏系统的基本部件包括一个光 伏组件、 一个充电控制器、 储能蓄电

10、池以及用电负载。 蓄电池组 由 $% 个大容量蓄电池组成。 深循环蓄电池可承受深度放电， 电 池放电后当太阳照射时再将蓄电池充满电。 比起常规的汽车蓄 电池， 深循环蓄电池更适合用在光伏系统中。蓄电池组的规模 和配置取决于系统电压和夜间使用的电流。另外， 当地的气候 条件和特点， 例如阴天情况和环境温度在蓄电池设计中必须给 予考虑。光伏组件的数量必须慎重选择， 以便在白天能充分的 向蓄电池充电。 & 光伏系统构成 光伏发电系统主要构成部件如下： 太阳电池。由硅半导体材料制成的方片、 圆片或薄膜， （$） 在阳光照射下产生电压和电流。 （%） 太阳电池组件 （也称为 “光伏组件” 。预先排列好的

11、一 ） 组太阳电池， 被层压在超薄、 透明、 高强度玻璃和密封的封装底 层之间。太阳电池组件有各种各样的尺寸和形状， 典型组件是 矩形平板。 （5） 太阳电池方阵 （简称 “方阵” 。在金属支架上用导线连 ） 在一起的多个光伏组件的组合体。太阳电池方阵产生所需要 的电压和电流。 （!） 蓄电池组。提供存储直流电能的装置。 （7） 控制器 （系统控制装置） 通过对系统输入、 。 输出功率的 调节与分配， 实现对蓄电池电压的调整， 以及系统赋予的其它 控制功能。 （6） 逆变器。 以交流为运行为动力的负载， 将直流电转变为 交流电的电气设备。 （8） 直流负载。以直流电为动力的装置或设备。 （&）

12、 交流负载。以交流电为动力的装置或设备。 !9! 交 : 直流两用光伏系统 光伏组件产生的是直流 电 ;# ） 而 大 多 普 通 用 电 设 备 要 （ ， 求交流电 #） （ 。逆变器可将直流电转换为交流电， 向交流负载 供给电能的直流系统必须使用逆变器。 在光伏系统里逆变器增 加了系统的适应性， 为用户提供了方便， 但是也增加了系统的 复杂性和成本。现在大多数电气产品都是交流设备， 交流设备 有更多的选择余地，与直流设备相比交流设备一般具有较低的 成本和较高的可靠性。 高质量的逆变器已商品化， 并有不同的容 量范围供用户选择 （有关逆变器的内容在后面有更详细的讨论） 。 ! !9$ 光伏

13、系统类型 一体化光伏充电器 用光伏充电器来替代通常使用的蓄电池是比较经济的。 一 !97 并网光伏系统 在并网光伏系统的设计里， 不提供蓄电池存储单元， 白天 不用的多余电量， 用户可以通过逆变器将这些电能出售给当地 的公用电网， 该逆变器是为这类光伏系统专门设计的。当光伏 系统产生的电能不能满足用户需要时， 用户可从公共电网获取 电能。 体化光伏蓄电池充电器不仅具有所需的系统部件，而且将用 具都置于一个盒内。最普通的光伏充电器是带有可充电电池 的一体化小型光伏充电器。带有光伏充电单元的照明灯、 时钟 和收音机已有成套装置出售。太阳能手提灯和用于收音机蓄 电池的光伏充电器具有广泛的潜在市场。

14、!96 光伏互补发电系统 互补发电就是将其它的电源同时接入光伏发电系统， 在许 !9% 白天用光伏系统 最简单、 成本最低的是仅仅在白天运行的光伏系统。 这些 多场合下用户要求采用互补发电方式。 多数互补发电系统使用 柴油机发电机， 称为光伏 : 柴油机互补发电系统。 将柴油发电机 引入光伏系统能够大大减少系统的初始投资。 完全用光伏系统 来满足用电负载， 意味着太阳电池方阵和蓄电池要在最差的天 气条件下也应支持负载的运行， 同时蓄电池组容量要大到足以 带动大功率负载， 例如洗衣机、 干燥机、 动力工具等等。柴油发 电机不仅可提供阴天或比正常用电量大得多的额外功率需求， 而且发电机运转时可以同

15、时给蓄电池充电。 这样蓄电池有了 两 系统由导线将光伏组件与直流用电设备直接连在一起。太阳 光照射在太阳电池上就产生电能， 同时被负载利用。白天使用 的光伏系统发电时，较高的日照水平可使负载获得更多的运 行机会。白天使用的光伏系统没有电能存储功能， 因此只有当 太阳正在照射时负载才能工作。简单的白天用光伏系统适合 于仅仅在白天运行的负载，选择此类负载时应注意光伏系统 的投资效果。 白天用光伏系统的实例包括： ! 栏 目 编 辑 梁 学 造 个独立的充电系统， 因而大大增加了供电的可靠性。 另一个互补方法是光伏 : 风力机互补发电系统。当没有日 照时， 光伏系统加入一个风力发电机， 这在风况较好的场地是 很有意义的， 只要有风， 连续阴天时供电也不成问题。柴油发 电机也可包括在光伏 : 风电互补系统里。一个光伏 : 风电 : 发电 机互补系统不仅具有光伏 : 发电机互补系统的所有优越性， 而 且又带来第三个电源向蓄电池充电的额外好处。 （$） 带有储水箱的水泵。 （%） 白天运行的风扇、 鼓风机或分配太阳热能的循环器