太陽能光伏知識

太陽能光伏知識、

1、

太陽能電池發(fā)電原理:太陽電池是一種對光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)已晶體硅為例描述光發(fā)電過程。P型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N型硅，形成P-N結(jié)。

如圖1所示。

用文字圖描述如下：當(dāng)光線照射太陽電池表面時，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的的實質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。

2、晶體硅太陽電池的制作過程:"硅"是我們這個星球上儲藏最豐富的材料之一。自從上個世紀(jì)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了晶體硅的半導(dǎo)體特性后，它幾乎改變了一切，甚至人類的思維，20世紀(jì)末，我們的生活中處處可見"硅"的身影和作用,晶體硅太陽電池是近15年來形成產(chǎn)業(yè)化最快的。生產(chǎn)過程大致可分為五個步驟:a)提純過程b)拉棒過程c)切片過程d)制電池過程e)封裝過程.如下圖所示：

3、太陽電池的應(yīng)用:上世紀(jì)60年代，科學(xué)家們就已經(jīng)將太陽電池應(yīng)用于空間技術(shù)-----通信衛(wèi)星供電，上世紀(jì)末，在人類不斷自我反省的過程中，對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應(yīng)用，在眾多領(lǐng)域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈，太陽能發(fā)電戶用系統(tǒng),村寨供電的獨立系統(tǒng)，光伏水泵（飲水或灌溉）,通信電源，石油輸油管道陰極保護，光纜通信泵站電源,海水淡化系統(tǒng)，城鎮(zhèn)中路標(biāo)、高速公路路標(biāo)等。在世紀(jì)之交前后期間，歐美等先進國家光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠(yuǎn)地區(qū)自然村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽電池與建筑系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢。光伏電源系統(tǒng)的組成：4、太陽電池基本性質(zhì):a）光電轉(zhuǎn)換效率η％:評估太陽電池好壞的重要因素。目前：實驗室η≈24％，產(chǎn)業(yè)化：η≈15％。b）單體電池電壓V：0.4V---0.6V由材料物理特性決定。c）填充因子FF％：評估太陽電池負(fù)載能力的重要因素。ＶＴ＝２．１／４３０Ｔ－２５ＶＦ

６．計算太陽能電池陣列工作電壓ＶＰ。

ＶＰ＝ＶＦ＋ＶＤ＋ＶＴ

其中ＶＤ＝０．５～０．７

約等于ＶＦ

７．太陽電池陣列輸出功率ＷＰ（平板式太陽能電板）。

ＷＰ＝ＩＰ×ＵＰ

８．根據(jù)ＶＰ、ＷＰ在硅電池平板組合系列表格，確定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的串聯(lián)塊數(shù)和并聯(lián)組數(shù)。

二、關(guān)于蓄電池的容量計算

蓄電池的容量由下列因素決定：

１．蓄電池單獨工作天數(shù)。在特殊氣候條件下，蓄電池允許放電達到蓄電池所剩容量占正常額定容量的２０％。

２．蓄電池每天放電量。對于日負(fù)載穩(wěn)定且要求不高的場合，日放電周期深度可限制在蓄電池所剩容量占額定容量的８０％。

３．蓄電池要有足夠的容量，以保證不會因過充電所造成的失水。一般在選蓄電池容量時，只要蓄電池容量大于太陽能發(fā)電板峰值電流的２５倍，則蓄電池在充電時就不會造成失水。

４．蓄電池自身漏掉的電能，隨著電池使用時間的增長及電池溫度的升高，自放電率會增加。對于新的電池自放電率通常小于容量的５％，但對于舊的質(zhì)量不好的電池，自放電率可增至每月１０％～１５％。

在水情遙測系統(tǒng)中，連續(xù)陰雨天的長短決定了蓄電池的容量，由遙測設(shè)備在連續(xù)陰雨天中所消耗能量安時數(shù)加上２０％因子，再加上１０％電池自放電能安時數(shù)）便可計算出蓄電池的容量源。

按照兩種容量方案的計算，作者計算完成了太陽能電源的設(shè)計：

１．測站的主要參數(shù)：

每隔５ｍｉｎ發(fā)射一次數(shù)據(jù)，發(fā)射時間２ｓｅｃ；

發(fā)射機輸入電壓ＤＣ１３．８Ｖ，輸出電流５Ａ；

當(dāng)?shù)厝照諘r數(shù)７～８ｈ。

２．測站蓄電池容量經(jīng)計算得出為３８ＡＨ。

３．測站太陽能電池容量陣列輸出功率ＷＰＷ為２５～３５ｗ。

綜合以上結(jié)果，太陽能電源設(shè)計值為：

蓄電池：采用鉛酸蓄電池，容量３８ＡＨ，采用２個容量２０ＡＨ并聯(lián)形式；太陽能電池陣列：輸出功率２５～３５Ｗ，采用標(biāo)準(zhǔn)塊板輸出容量２５～３８Ｗ，一塊正好。

三、太陽能電源安裝使用中注意的問題

１．陣列板選擇安裝在周圍無高大建筑物、樹木、電線桿等無遮擋太陽光和避風(fēng)處。

２．太陽能電池陣列板配套的蓄電池在第一次使用時，要先充電到額定容量，不可過充或過放。

３．注意定期的維護工作。此電源系統(tǒng)經(jīng)濟可靠，安裝方便，利于維護，在實踐中取得了滿意的效果。

11．地面太陽電池發(fā)電系統(tǒng)：太陽電池發(fā)電系統(tǒng)（又稱光伏發(fā)電系統(tǒng)），按其使用場所不同，可分為空間應(yīng)用和地面應(yīng)用兩大類。在地面可以作為獨立的電源使用，也可以與風(fēng)力發(fā)電機或柴油機等組成混合發(fā)電系統(tǒng)，還可以與電網(wǎng)聯(lián)接，向電網(wǎng)輸送電力。目前應(yīng)用比較廣泛的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是作為地面獨立電源使用。

通常的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池、控制器以及阻塞二極管組成，其作用分別如下：

太陽電池方陣方陣的作用是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，供給負(fù)載使用。一般由若干太陽電池組件按一定方式連接，再配上適當(dāng)?shù)闹Ъ芗敖泳€盒組成。

蓄電池組蓄電池組是太陽電池方陣的貯能裝置，其作用是將方陣在有日照時發(fā)出的多余電能貯存起來，在晚間或陰雨天供負(fù)載使用。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池處于浮充放電狀態(tài)，夏天日照量大，除了供給負(fù)載用電外，還對蓄電池充電；在冬天日照量少，這部分貯存的電能逐步放出，在這種季節(jié)性循環(huán)的基礎(chǔ)上還要加上小得多的日循環(huán)，白天方陣給蓄電池充電，（同時方陣還要給負(fù)載用電），晚上則負(fù)載用電全部由蓄電池供給。因此，要求蓄電池的自放電要小，而且充電效率要高，同時還要考慮價格和使用是否方便等因素。常用的蓄電池有鉛酸蓄電池和硅膠蓄電池，要求較高的場合也有價格比較昂貴的鎳鎘蓄電池。

控制器在不同類型的光伏發(fā)電系統(tǒng)中控制器各不相同，其功能多少及復(fù)雜程度差別很大，需根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)的要求及重要程度來確定。控制器主要由電子元器件、儀表、繼電器、開關(guān)等組成。在簡單的太陽電池，蓄電池系統(tǒng)中，控制器的作用是保護蓄電池，避免過充，過放。若光伏電站并網(wǎng)供電，控制器則需要有自動監(jiān)測、控制、調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換等多種功能。如果負(fù)載用的是交流電，則在負(fù)載和蓄電池間還應(yīng)配備逆變器，逆變器的作用就是將方陣和蓄電池提供的低壓直流電逆變成220伏交流電，供給負(fù)載使用。

阻塞二極管也稱作為反充二極管或隔離二極管，其作用是利用二極管的單向?qū)щ娦宰柚篃o日照時蓄電池通過太陽電池方陣放電。對阻塞二極管的要求是工作電流必須大于方陣的最大輸出電流，反向耐壓要高于蓄電池組的電壓。在方陣工作時，阻塞二極管兩端有一定的電壓降，對硅二極管通常為0.6~0.8；肖特基或鍺管0.3V左右。

12．太陽能利用技術(shù)：人類直接利用太陽能有三大技術(shù)領(lǐng)域，即光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換，此外，還有儲能技術(shù)。

太陽能化學(xué)轉(zhuǎn)換包括：光合作用、光電化學(xué)作用、光敏化學(xué)作用及光分解反應(yīng)，目前該技術(shù)領(lǐng)域尚處在實驗研究階段。

太陽光電轉(zhuǎn)換，主要是各種規(guī)格類型的太陽電池板和供電系統(tǒng)。

太陽電池是把太陽光直接轉(zhuǎn)換成電能的一種器件。

太陽電池的光電效率約１０－１４％，其產(chǎn)品類型主要有單晶硅、多晶硅和非晶硅。國內(nèi)產(chǎn)品（指光電裝置全部費用）價格約６０－８０元／峰瓦。

太陽電池的應(yīng)用范圍很廣。例如人造衛(wèi)星、無人氣象站、通訊站、電視中繼站、太陽鐘、電圍桿、黑光燈、航標(biāo)燈、鐵路信號燈等。

太陽光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的產(chǎn)品最多。例如熱水器、開水器、干燥器、采暖和制冷、溫室與太陽房、太陽灶和高溫爐、海水淡化裝置、水泵、熱力發(fā)電裝置及太陽能醫(yī)療器具。

13．光伏發(fā)電的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀：自從1954年第一塊實用光伏電池問世以來，太陽光伏發(fā)電取得了長足的進步。但比計算機和光纖通訊的發(fā)展要慢得多。其原因可能是人們對信息的追求特別強烈，而常規(guī)能源還能滿足人類對能源的需求。1973年的石油危機和90年代的環(huán)境污染問題大大促進了太陽光伏發(fā)電的發(fā)展。其發(fā)展過程簡列如下：

1893年

法國科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應(yīng)”，即“光伏效應(yīng)”。

1876年

亞當(dāng)斯等在金屬和硒片上發(fā)現(xiàn)固態(tài)光伏效應(yīng)。

1883年

制成第一個“硒光電池”，用作敏感器件。

1930年

肖特基提出Cu2O勢壘的“光伏效應(yīng)”理論。同年，朗格首次提出用“光伏效應(yīng)”制造“太陽電池”，使太陽能變成電能。

1931年

布魯諾將銅化合物和硒銀電極浸入電解液，在陽光下啟動了一個電動機。

1932年

奧杜博特和斯托拉制成第一塊“硫化鎘”太陽電池。

1941年

奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)。

1954年

恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室，首次制成了實用的單晶太陽電池，效率為6%。同年，韋克爾首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應(yīng)，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成了第一塊薄膜太陽電池。

1955年

吉尼和羅非斯基進行材料的光電轉(zhuǎn)換效率優(yōu)化設(shè)計。同年，第一個光電航標(biāo)燈問世。美國RCA研究砷化鎵太陽電池。

1957年

硅太陽電池效率達8%。

1958年

太陽電池首次在空間應(yīng)用，裝備美國先鋒1號衛(wèi)星電源。

1959年

第一個多晶硅太陽電池問世，效率達5%。

1960年

硅太陽電池首次實現(xiàn)并網(wǎng)運行。

1962年

砷化鎵太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率達13%。

1969年

薄膜硫化鎘太陽電池效率達8%。

1972年

羅非斯基研制出紫光電池，效率達16%。

1972年

美國宇航公司背場電池問世。

1973年

砷化鎵太陽電池效率達15%。

1974年

COMSAT研究所提出無反射絨面電池，硅太陽電池效率達18%。

1975年

非晶硅太陽電池問世。同年，帶硅電池效率達6%~%。

1976年

多晶硅太陽電池效率達10%。

1978年

美國建成100kWp太陽地面光伏電站。

1980年

單晶硅太陽電池效率達20%，砷化鎵電池達22.5%，多晶硅電池達14.5%，硫化鎘電池達9.15%。

1983年

美國建成1MWp光伏電站；冶金硅（外延）電池效率達11.8%。

1986年

美國建成6.5MWp光伏電站。

1990年

德國提出“2000個光伏屋頂計劃”，每個家庭的屋頂裝3~5kWp光伏電池。

1995年

高效聚光砷化鎵太陽電池效率達32%。

1997年

美國提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計劃”，在2010年以前為100萬戶，每戶安裝3~5kWp。光伏電池。有太陽時光伏屋頂向電網(wǎng)供電，電表反轉(zhuǎn)；無太陽時電網(wǎng)向家庭供電，電表正轉(zhuǎn)。家庭只需交“凈電費”。

1997年

日本“新陽光計劃”提出到2010年生產(chǎn)43億Wp光伏電池。

1997年

歐洲聯(lián)盟計劃到2010年生產(chǎn)37億Wp光伏電池。

1998年

單晶硅光伏電池效率達25%。荷蘭政府提出“荷蘭百萬個太陽光伏屋頂計劃”，到2020年完成。

表8-1

世界光伏電池總產(chǎn)量（1990-2000）

年份國家(地區(qū))19901991199219931994199519961997199819992000

美國14.817.118.122.425.632.441.053.158.262.474.8

日本16.819.918.618.717.519.520.534.047.586.0128.7

歐洲10.213.416.416.521.620.629.328.535.839.760.7

其它4.75.04.84.46.07.58.59.416.319.223.5

總計46.555.457.962.070.781.099.3125157.4207.3287.7表8-2

幾種主要光伏電池效率發(fā)展?fàn)顩r(%)

年份單晶硅光伏電池非晶硅光伏電池硒銦銅電池碲化鎘電池DC/AC逆變器效率

實驗室商業(yè)化實驗室中批量大批量實驗室中批量大批量實驗室中批緹大批量

單電池組件中批量大批量單電池組件組件單電池組件組件單電池組件組件

19912317.015.01396413.09.012.56.0919498

19952421.515.314108617.110.215.88.46

20002522.018.01513101020.013.01018.010.09

表8-3

光伏發(fā)電的光伏電的價格、組件效率，系統(tǒng)壽命和成本變化情況

年份光伏電的價格（美分/kWh）組件效率%光伏系統(tǒng)壽命a光付系統(tǒng)成本（美元/Wp）

199140~755~145~1010~20

199525~507~1710~207~15

200012~