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光伏太阳能的发电原理你了解吗?
返回列表 来源: 电力电气epe 发布日期: 2022.01.15 浏览次数:

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。


如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸取,具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发,以致产生电子-空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前,将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离,将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说,开路电压的典型数值为0.5~0.6V。通过光照在界面层产生的电子-空穴对越多,电流越大。界面层吸取的光能越多,界面层即电池面积越大,在太阳能电池中形成的电流也越大。
太阳光照在半导体p-n结上,形成新的空穴-电子对,在p-n结电场的作用下,空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区,接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
太阳能发电有两种方式,一种是光—热—电转换方式,另一种是光—电直接转换方式。
(1) 光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电,一般是由太阳能集热器将所吸取的热能转换成工质的蒸气,再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程;后一个过程是热—电转换过程,与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高,估计它的投资至少要比普通火电站贵5~10倍。
(2) 光—电直接转换方式该方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能,光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件,是一个半导体光电二极管,当太阳光照到光电二极管上时,光电二极管就会把太阳的光能变成电能,产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长,只要太阳存在,太阳能电池就可以一次投资而长期使用;与火力发电、核能发电相比,太阳能电池不会引起环境污染。
光伏发电系统是由太阳能电池方阵,蓄电池组,充放电控制器,逆变器,交流配电柜,太阳跟踪控制系统等设备组成。其部分设备的作用是:
电池方阵: 在有光照(无论是太阳光,还是其它发光体产生的光照)情况下,电池吸取光能,电池两端出现异号电荷的积累,即产生“光生电压”,这就是“光生伏特效应”。在光生伏特效应的作用下,太阳能电池的两端产生电动势,将光能转换成电能,是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池,分为单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。
蓄电池组 其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是:a.自放电率低;b.使用寿命长;c.深放电能力强;d.充电效率高;e.少维护或免维护;f.工作温度范围宽;g.价格低廉。
控制器: 是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素,因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。
逆变器: 是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源,而负载是交流负载时,逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式,可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统,为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单,造价低,但谐波分量大,一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高,但可以适用于各种负载。
光伏发电系统分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统及分布式光伏发电系统
(1)独立光伏发电也叫离网光伏发电。 主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成,若要为交流负载供电,还需要配置交流逆变器。独立光伏电站包括边远地区的村庄供电系统,太阳能户用电源系统,通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。
(2)并网光伏发电就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。
可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性,可以根据需要并入或退出电网,还具有备用电源的功能,当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑;不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能,一般安装在较大型的系统上。并网光伏发电有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站,主要特点是将所发电能直接输送到电网,由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大,还没有太大发展。而分散式小型并网光伏,特别是光伏建筑一体化光伏发电,由于投资小、建设快、占地面积小、政策支撑力度大等优点,是并网光伏发电的主流。
分布式光伏发电系统 又称分散式发电或分布式供能,是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统,以满足特定用户的需求,支撑现存配电网的经济运行,或者同时满足这两个方面的要求。  分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备,另外还有供电系统监控装置和环境监测装置。其运行模式是在有太阳辐射的条件下,光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能,经过直流汇流箱集中送入直流配电柜,由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载,多余或不足的电力通过联接电网来调节。
与常用的发电系统相比,太阳能光伏发电的优点主要体现在:
太阳能发电被称为最理想的新能源。
①无枯竭危险;②安全可靠,无噪声,无污染排放外,绝对干净(无公害);③不受资源分布地域的限制,可利用建筑屋面的优势;④无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电;⑤能源质量高;⑥使用者从感情上容易接受;⑦建设周期短,获取能源花费的时间短。
一、用户太阳能电源:(1)小型电源10-100W不等,用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电,如照明、电视、收录机等;(2)3-5KW家庭屋顶并网发电系统;(3)光伏水泵:解决无电地区的深水井饮用、 灌溉。
二、交通领域如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。
三、通讯/通信领域:太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统;农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。
四、石油、海洋、气象领域:石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等
五、家庭灯具电源:如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。
六、光伏电站:10KW-50MW独立光伏电站、风光(柴)互补电站、各种大型停车厂充电站等。
七、太阳能建筑将太阳能发电与建筑材料相结合,使得未来的大型建筑实现电力自给,是未来一大发展方向。
八、其他领域包括:(1)与汽车配套:太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等;(2)太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统;(3)海水淡化设备供电;(4)卫星、航天器、空间太阳能电站等

光起電力発電は半導体界面の光発生ボルト効果を利用して光エネルギーを直接電気エネルギーに変換する技術である。この技術の重要な素子は太陽電池である。太陽電池は直列に接続された後、パッケージ保護を行い、大面積の太陽電池アセンブリを形成することができ、パワーコントローラなどの部品に合わせて太陽光発電装置を形成した。
太陽電池上に光が照射され,界面層で光が吸収されると,十分なエネルギーを持つ光子はP型シリコンとN型シリコン中で電子を共有結合から励起し,電子‐正孔対を生成することができる。界面層近傍の電子と正孔は再結合する前に空間電荷の電場作用によって相互に分離される。電子は正に帯電したN領域と正孔は負に帯電したP領域に移動した。界面層の電荷分離により,P領域とN領域の間に試験可能な外部電圧が発生する。このとき、シリコンシートの両側に電極を付けて電圧計に接続することができる。結晶シリコン太陽電池では、開回路電圧の典型的な値は0.5?0.6 Vである。界面層に光を照射することによって生じる電子‐正孔対が多ければ多いほど電流は大きくなる。界面層が吸収する光エネルギーが多ければ多いほど、界面層、すなわち電池面積が大きくなり、太陽電池に形成される電流も大きくなる。
半導体p?n接合に太陽光が照射され,新しい正孔?電子対が形成され,p?n接合電場の作用で正孔はn領域からp領域に流れ,電子はp領域からn領域に流れ,回路がオンすると電流が形成される。これが光電効果太陽電池の動作原理である。
太陽光発電には2つの方式があり、1つは光-熱-電気変換方式であり、もう1つは光-電気直接変換方式である。
(1)光?熱?電気変換方式は、太陽放射によって発生する熱エネルギーを利用して発電され、一般的に太陽熱集熱器によって吸収された熱エネルギーを工質の蒸気に変換し、タービンを駆動して発電する。前のプロセスは光-熱変換プロセスです。後者の過程は熱-電気変換過程であり、普通の火力発電と同じである。太陽熱発電の欠点は効率が低くコストが高いことであり、その投資は少なくとも普通の火力発電所より5?10倍高いと推定されている。
(2)光電効果を利用して太陽放射エネルギーを直接電気エネルギーに変換する光?電気直接変換方式であり、光?電気変換の基本装置が太陽電池である。太陽電池は光発生ボルト効果によって太陽光エネルギーを直接電気エネルギーに変換する素子であり、半導体フォトダイオードであり、太陽光がフォトダイオードに照射されると、フォトダイオードは太陽の光エネルギーを電気エネルギーに変え、電流を発生する。多くの電池が直列または並列に接続されると、比較的大きな出力を有する太陽電池のアレイになることができる。太陽電池は有望な新型電源であり、永久性、清潔性と柔軟性の三大利点がある。太陽電池の寿命が長く、太陽が存在すれば、太陽電池は一度に投資して長期にわたって使用することができる。太陽電池は火力発電、原子力発電に比べて環境汚染を引き起こさない。
太陽光発電システムは太陽電池の方陣、蓄電池グループ、充放電コントローラ、インバータ、交流配電盤、太陽追跡制御システムなどの設備から構成されている。その一部の設備の役割は:
セルアレイ:太陽光であれ、他の発光体であれ、光が照射されている場合、セルは光エネルギーを吸収し、セルの両端に異号電荷の蓄積、すなわち「光生電圧」が発生し、これが「光生ボルト効果」である。光起電力効果の作用の下で、太陽電池の両端は電動ポテンシャルを発生して、光エネルギーを電気エネルギーに変換して、エネルギー変換の素子です。太陽電池は一般的にシリコン電池であり、単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、非晶質シリコン太陽電池の3種類に分けられる。
バッテリーパック:太陽電池のアレイが光を浴びると発する電気エネルギーを貯蔵し、負荷にいつでも電力を供給する役割を果たす。太陽電池発電は使用する蓄電池群に対する基本的な要求は:a.自己放電率が低い;b.使用寿命が長い;c.深放電能力が強い;d.充電効率が高い;e.メンテナンスを少なくするか、メンテナンスを免除する。f.動作温度範囲が広い;g.価格が安い。
コントローラ:バッテリーの過充電や過放電を自動的に防止できる設備です。バッテリのサイクル充放電回数及び放電深さはバッテリ寿命を決定する重要な要因であるため、バッテリパックの過充電又は過放電を制御できる充放電コントローラは不可欠な装置である。
インバータ:直流電力を交流電力に変換する装置です。太陽電池と蓄電池は直流電源であり、負荷が交流負荷である場合、インバータは不可欠である。インバータは運転方式によって、独立運転インバータと並列ネットワークインバータに分けられる。独立運転インバータは独立運転の太陽電池発電システムに用いられ、独立負荷に電力を供給する。パラレルネットワークインバータは、パラレルネットワークで動作する太陽電池発電システムに使用される。インバータは出力波型によって方波インバータと正弦波インバータに分けられる。方波インバータ回路は簡単で,造価は低いが,高調波成分は大きく,一般的に数百ワット以下と高調波に対する要求が高くないシステムに用いられる。正弦波インバータはコストが高いが,種々の負荷に適用できる。
光起電力発電システムは独立光起電力発電システム、並網光起電力発電システム及び分布式光起電力発電システムに分けられる。
(1)独立光起電力発電はオフライン光起電力発電とも呼ばれる。主に太陽電池アセンブリ、コントローラ、バッテリからなり、交流負荷に電力を供給するには、交流インバータを配置する必要があります。独立光発電所は辺鄙な地域の村の電力供給システム、太陽エネルギー戸用電源システム、通信信号電源、陰極保護、太陽エネルギー街灯などの各種蓄電池を備えた独立して運行できる光発電システムを含む。
(2)パラネット太陽光発電は、太陽光発電モジュールで発生した直流電力がパラネットインバータを介して市電電力網の要求に合致する交流電力に変換された後、直接公共電力網に接続される。
バッテリー付きとバッテリーなしの並列ネットワーク発電システムに分けることができます。バッテリ付きパラレルネットワーク発電システムはスケジューリング性があり、必要に応じて電力網に組み込まれたり退出したりすることができ、代替電源の機能もあり、電力網が停電した場合に緊急に電力を供給することができる。蓄電池付きの光起電力並列ネットワーク発電システムは住民建築によく設置されている。バッテリを持たないパラレルネットワーク発電システムは、スケジューリング性とスタンバイ電源の機能を備えず、一般的に大型のシステムに取り付けられている。並網太陽光発電は集中式の大型並網太陽光発電所があり、一般的に国家級発電所であり、主な特徴は発電エネルギーを直接電力網に輸送し、電力網から統一的にユーザーに電力を供給することである。しかし、このような発電所は投資が大きく、建設周期が長く、敷地面積が大きく、まだあまり発展していない。分散式の小型並列ネットワーク太陽光発電、特に太陽光発電建築一体化太陽光発電は、投資が小さく、建設が速く、敷地面積が小さく、政策支撑力が大きいなどの利点から、並列ネットワーク太陽光発電の主流である。
分布式太陽光発電システムは、分散式発電または分布式エネルギー供給とも呼ばれ、ユーザーの現場または電力使用現場に近い場所に小さな太陽光発電給電システムを配置し、特定のユーザーの需要を満たし、現存する電力網の経済運行をサポートし、または同時にこの2つの方面の要求を満たすことを指す。分布式光起電力発電システムの基本設備は光起電力電池アセンブリ、光起電力方陣ブラケット、直流集電箱、直流配電盤、並網インバータ、交流配電盤などの設備を含み、また給電システム監視装置と環境監視装置もある。その運行モードは太陽の輻射がある条件の下で、太陽光発電システムの太陽電池のコンポーネントのアレイは太陽エネルギーを変換して出力する電気エネルギーを、直流の集電箱を通って集中的に直流の配電箱に送り込んで、ネットのインバータから逆になって交流電力になって建築自身の負荷を供給して、余分なあるいは不足した電力は電力網を接続することによって調節します。
よく使われる発電システムと比較して、太陽光発電の利点は主に以下の通りである。
太陽光発電は最も理想的な新エネルギーと呼ばれている。
1枯渇の危険がない。②安全で信頼性が高く、騒音がなく、汚染排出がない以外、絶対に清潔である(公害がない);3資源分布地域の制限を受けず、建築屋根の優位性を利用することができる。④燃料を消費する必要がなく、送電線路を架設する必要がなく、その場で発電して電力を供給することができる。⑤エネルギー品質が高い;⑥使用者は感情的に受け入れやすい。⑦建設サイクルが短く、エネルギー獲得にかかる時間が短い。
一、ユーザーの太陽エネルギー電源:(1)小型電源10-100 Wは等しくなく、高原、島、牧区、国境警備所などの軍民生活用電気、例えば照明、テレビ、収録機などに用いられる。(2)3-5 KW家庭屋根並網発電システム;(3)光起電力ポンプ:無電地区の深水井戸の飲用、灌
二、交通分野、例えば航標灯、交通/鉄道信号灯、交通警報/標識灯、宇翔路灯、高空障害灯、高速道路/鉄道ラジオボックス、無人当直道班給電など。
三、通信/通信分野:太陽エネルギー無人監視マイクロ波中継ステーション、光ケーブルメンテナンスステーション、放送/通信/呼び出し電源システム;農村キャリア電話光起電力システム、小型通信機、兵士のGPS給電など。
四、石油、海洋、気象分野:石油パイプとダムゲート陰極保護太陽エネルギー電源システム、石油掘削プラットフォーム生活及び応急電源、海洋検査設備、気象/水文観測設備など
五、家庭照明器具の電源:例えば、庭灯、街灯、手提げ灯、キャンプ灯、登山灯、釣り灯、黒光灯、ゴム切り灯、省エネ灯など。
六、光伏発電所:10 KW-50 MW独立光伏発電所、風光(柴)相補発電所、各種大型駐車場充電ステーションなど。
七、太陽エネルギー建築は太陽エネルギー発電と建築材料を結合し、未来の大型建築に電力自給を実現させ、未来の大きな発展方向である。
八、その他の分野は以下を含む:(1)自動車と組み合わせる:太陽エネルギー自動車/電気自動車、電池充電設備、自動車エアコン、換気扇、冷たい飲み物箱など;(2)太陽エネルギー製水素燃料電池の再生発電システム;(3)海水淡水化設備の給電;(4)衛星、スペースシャトル、宇宙太陽光発電所等

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