光伏發(fā)電技術(shù)3.2太陽能光伏電池

1、 3.1.3 光伏效應(yīng) 太陽能電池就是一個(gè)大面積的p-n結(jié)。 當(dāng)太陽電池受到光照時(shí)，根據(jù)光量子理論，只 要照射光的能量E=h=hc/Eg（ Eg為禁帶寬 度，禁帶寬度越大，可供利用的太陽能就越少。 硅材料Eg=1.12eV），則照射在n區(qū)、空間電荷 區(qū)、p區(qū)被吸收，將價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶，分別 產(chǎn)生電子-空穴對。 由于入射強(qiáng)度從表面到太陽電池體內(nèi)呈指數(shù)衰 減，在各處產(chǎn)生的光生載流子的數(shù)量有差別， 沿光強(qiáng)衰減方向?qū)⑿纬晒馍d流子的濃度梯度， 從而產(chǎn)生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 n區(qū) 產(chǎn)生的光生載流子到達(dá)p-n結(jié)靠近n側(cè)邊界時(shí)， 由于內(nèi)建電場的方向是從n區(qū)指向p區(qū)，靜電力 立即將光生空穴拉到p區(qū)，光生電子阻

2、留在n區(qū)。 p區(qū) 產(chǎn)生的光生載流子到達(dá)p-n結(jié)靠近p側(cè)邊界時(shí)， 靜電力立即將光生電子拉到n區(qū)，光生空穴阻 留在p區(qū)。 空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)中產(chǎn)生的光生電子-空穴對自然被 內(nèi)建電場分別拉向n區(qū)和p區(qū)。 結(jié)果 p-n結(jié)及兩邊產(chǎn)生的光生載流子就被內(nèi)建電場所 分離，在p區(qū)聚集光生空穴，在n區(qū)聚集光生電子， 使p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負(fù)電，在p-n結(jié)兩邊產(chǎn)生光 生電動(dòng)勢。 光生伏特效應(yīng) 上述過程通常稱作光生伏特效應(yīng)或光伏效應(yīng)。 光生電動(dòng)勢的電場方向和p-n結(jié)內(nèi)建電場的方向 相反。 3.1.4 太陽能電池的結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù) (1)太陽能電池的結(jié)構(gòu) 最簡單的太陽能電池是由p-n結(jié)構(gòu)成的，其上 表面有柵線形狀的上電

3、極，背面為背電極， 在太陽能電池表面還鍍有一層減反膜。 （2）太陽能電池的技術(shù)參數(shù) a.伏安特性曲線 在一定的太陽輻照度和溫度下，當(dāng)負(fù)載R從0（即 短路）變到（即開路）時(shí)，負(fù)載R兩端的電壓U 和電流I之間的關(guān)系曲線，即為太陽電池的伏安 特性曲線。 習(xí)慣稱I-V曲線。 b.開路電壓 受光照的太陽能電池處于開路狀態(tài)，光生載流子 只能累積于p-n結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢，這時(shí)在 太陽能電池兩端測得的電勢差叫做開路電壓，也 就是伏安特性曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)所對應(yīng)的電壓 ，通常用符號(hào)Uoc表示。Uoc與太陽電池的面積無 關(guān)。 c.短路電流 太陽電池在端電壓為零時(shí)的輸出電流，也就是伏 安特性曲線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)所

4、對應(yīng)的電流，通常 用Isc來表示。 太陽電池的Isc與太陽電池的面積有關(guān)，面積越 大， Isc越大。 d.最大功率點(diǎn) 在一定的太陽輻照度和工作溫度的條件下，伏安 特性曲線上的任何一點(diǎn)都是工作點(diǎn)，與工作點(diǎn)對 應(yīng)的橫坐標(biāo)是電壓，縱坐標(biāo)是電流。電壓和電流 的乘積即為輸出功率。調(diào)節(jié)負(fù)載R到某一值Rm時(shí)， 在曲線上得到一點(diǎn)M，對應(yīng)的工作電流Im和工作電 壓Um的乘積為最大，即 Pm=ImUm=Pmax 則稱M點(diǎn)為該太陽電池的最佳工作點(diǎn)（或最大功率 點(diǎn)）， Im為最佳工作電流 Um為最佳工作電壓 Pm為最大輸出功率 e.填充因子 表征太陽電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)，定義 為太陽電池的最大功率與開路電壓和短

5、路電流 的乘積之比。 FF=Pm/(UocIsc)=UmIm/(UocIsc) f.轉(zhuǎn)換效率 太陽電池接受光照的最大功率與入射到該電池 上的全部輻射功率的百分比稱為太陽電池的轉(zhuǎn) 換效率。 =Pm/Pin= UmIm/(AtPin) At為包括柵線面積在內(nèi)的太陽電池總面積 Pin為單位面積入射光的功率 3.2 太陽電池 晶體硅太陽電池 單晶硅太陽電池 多晶硅太 陽電池 薄膜太陽電池 非晶硅太陽電池 聚光太陽電池 光伏系統(tǒng)是將太陽電池在光照時(shí)發(fā)出的電 能，供給負(fù)載使用。需要多種部件協(xié)調(diào)配 合才能組成完整的光伏系統(tǒng)，太陽電池方 陣是最主要的部件，此外，還需要一系列 配套部件才能正常工作，主要包括：儲(chǔ)

6、能 設(shè)備；防反充及旁路二極管；交、直流斷 路器，變壓器及保護(hù)開關(guān)；計(jì)量儀表及記 錄顯示設(shè)備；連接電纜、套管及匯流箱； 框架、支持結(jié)構(gòu)及緊固件；接地及防雷裝 置。 7.1 太陽電池方陣 一般情況下，單獨(dú)一塊太陽電池組件，無法滿 足負(fù)載電壓或功率的要求，需要將若干太陽電 池組件通過串、并聯(lián)組成太陽電池方陣，才能 正常工作。 （1）太陽電池方陣：由若干個(gè)太陽電池組件 ，在機(jī)械和電氣上按一定方式組裝在一起，并 且有固定的支撐結(jié)構(gòu)而構(gòu)成的直流發(fā)電單元。 （2）太陽電池組件的連接 要根據(jù)系統(tǒng)電壓及電流的要求來決定串并聯(lián) 的方式。應(yīng)將最佳工作電流相近的組件串聯(lián)在 一起。 若組成方陣的所有電池組件性能參數(shù)差別

7、較大，會(huì)造 成各串聯(lián)電池組件的工作電流受限于其中電流最小的 組件，各并聯(lián)電池組件的工作電壓也會(huì)被其中電壓最 低的電池組件限制，因此方陣的總效率就會(huì)低于所有 單個(gè)組件的效率之和。 在串并聯(lián)數(shù)目較多時(shí)，最好采用混合式連接法。 （3）熱斑效應(yīng) 當(dāng)樹葉、鳥糞等雜物落在太陽電池上時(shí)，單獨(dú)被遮擋 的太陽電池不但不能發(fā)電，而且電阻會(huì)明顯增加，并 且串聯(lián)連接回路的全部電壓都加在這個(gè)電池單元上， 電流流過高電阻的單元就會(huì)使其發(fā)熱，特別是在強(qiáng)烈 日光下，溫度會(huì)急劇升高，于是該單元電池甚至整個(gè) 太陽能電池組件都被損壞（出現(xiàn)燒壞的暗斑），這就 是所謂的熱斑效應(yīng)（又稱為熱島效應(yīng)）。 7.2 二極管 在太陽電池方陣中，二

8、極管是很重要的元器件， 常用的二極管有以下兩類。 1.防反充（阻塞）二極管 在儲(chǔ)能蓄電池或逆變器與太陽電池方陣之間，要串 聯(lián)一個(gè)阻塞二極管，使太陽電池相當(dāng)于一個(gè)具有p-n 結(jié)的二極管，以防止夜間或陰雨天太陽電池方陣工 作電壓低于其供電的直流母線電壓時(shí)，蓄電池反過 來向太陽電池方陣倒送電，因而消耗能量和導(dǎo)致方 陣發(fā)熱。 它串聯(lián)在太陽電池方陣的電路中，起單向?qū)ǖ淖?用。 阻塞二極管存在導(dǎo)通管壓降，串聯(lián)在電路中運(yùn)行時(shí) 要消耗一定的功率。硅整流二極管管壓降為0.6- 0.8V，大容量的可達(dá)1-2V，肖特基二極管0.2-0.3V 2.旁路二極管 在有較多太陽電池組件串聯(lián)成太陽電池方陣時(shí)，需 要在 每個(gè)

9、太陽電池組件兩端并聯(lián)一個(gè)二極管。當(dāng) 其中某個(gè)組件被陰影遮擋或出現(xiàn)故障而停止發(fā)電時(shí) ，在二極管兩端可以形成正向偏壓，實(shí)現(xiàn)電流的旁 路，不至于影響其他正常組件的發(fā)電，同時(shí)也保護(hù) 太陽電池組件避免受到較高的正向偏壓或由于“熱 斑效應(yīng)”發(fā)熱而損壞。這類并聯(lián)在組件兩端的二極 管稱為旁路二極管。 光伏方陣中常用的是硅整流二極管，為了防止旁路 二極管被擊穿損壞，在選用型號(hào)時(shí)應(yīng)注意其容量， 通常其耐壓容量應(yīng)能達(dá)到最大反向工作電壓的兩倍 ，電流容量也要達(dá)到預(yù)期最大運(yùn)行電流的兩倍。 7.3 儲(chǔ)能裝置 由于太陽能發(fā)電要受到氣候條件的影響，發(fā)電量 與負(fù)載用電規(guī)律不符合，需要配備儲(chǔ)能裝置。太 陽能和風(fēng)能都屬于間隙性能源

10、，要成為全球的主 要能源，必須解決電網(wǎng)能量的儲(chǔ)存問題。 7.3.1 主要儲(chǔ)能技術(shù) 1.機(jī)械儲(chǔ)能 機(jī)械儲(chǔ)能是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，需要時(shí)再將機(jī) 械能轉(zhuǎn)換成電能。目前實(shí)際應(yīng)用的有以下幾種： （1）抽水儲(chǔ)能 （2) 飛輪儲(chǔ)能 （1）抽水儲(chǔ)能 需要配備上下游兩個(gè)水庫。在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)段， 抽水儲(chǔ)能設(shè)備工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，將下游水庫的水 抽到上游水庫，將電能轉(zhuǎn)換成重力勢能存儲(chǔ)起來； 電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)，工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，釋放上游水 庫中的水來發(fā)電。 優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟可靠，容量可以做得很大， 僅受水庫庫容限制 缺點(diǎn)：建造受地理?xiàng)l件限制，需要適合落差 的高低水庫，往往遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，抽水和發(fā) 電中有相當(dāng)多的能量損失，實(shí)

11、際綜合效率為 70-75%，儲(chǔ)能密度較差，建設(shè)周期長，投資 大。 (2)飛輪儲(chǔ)能 將能量以動(dòng)能形式儲(chǔ)存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中。整 個(gè)系統(tǒng)由高強(qiáng)度合金和復(fù)合材料的轉(zhuǎn)子、高度軸 承、雙饋電機(jī)、電力轉(zhuǎn)換器和真空安全罩組成。 原理： 電能驅(qū)動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)變成飛輪動(dòng) 能存儲(chǔ)，需要電能時(shí)，飛輪減速，電機(jī)作為 發(fā)電機(jī)運(yùn)行，飛輪的加速和減速實(shí)現(xiàn)了充電 和放電。 優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行于真空度較高的環(huán)境中，沒有摩 擦損耗、風(fēng)阻小、壽命長、對環(huán)境沒有影響 ，幾乎不需要維護(hù)，適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能 質(zhì)量保障。 缺點(diǎn)：能量密度低，保證系統(tǒng)安全性方面的 費(fèi)用很高，在小型場合還無法體現(xiàn)其優(yōu)勢， 目前主要用于蓄電池系統(tǒng)的補(bǔ)充，超大容

12、量 的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)尚不成熟。 （3）壓縮空氣儲(chǔ)能 20世紀(jì)50年代提出的儲(chǔ)能方法，系統(tǒng)由兩個(gè)循 環(huán)構(gòu)成：充氣壓縮循環(huán)和排氣膨脹循環(huán)。 壓縮時(shí)，雙饋電機(jī)起電動(dòng)機(jī)作用，利用電網(wǎng)負(fù) 荷低谷時(shí)的多余電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，將高壓空氣 壓入地下儲(chǔ)氣洞；在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期，雙饋電 機(jī)起發(fā)電機(jī)作用，儲(chǔ)存壓縮空氣先經(jīng)過回?zé)崞?預(yù)熱，再使用燃料在燃燒室內(nèi)燃燒，進(jìn)入膨脹 系統(tǒng)做功發(fā)電。 缺點(diǎn)：受地形制約，對地質(zhì)結(jié)構(gòu)有特殊要求。 2.化學(xué)儲(chǔ)能 化學(xué)儲(chǔ)能是經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)充電，將電能儲(chǔ)存在電 池中，需要時(shí)再通過化學(xué)反應(yīng)放電，輸出電能。 (1)蓄電池 鉛酸蓄電池：最古老最成熟的產(chǎn)品 目前，蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要用來提高電能質(zhì)量。 （2）

13、鈉硫電池 鈉硫電池是美國福特公司于1967年首先發(fā)明 的，是一種以金屬鈉為負(fù)極、硫?yàn)檎龢O（熔 融液態(tài)電極）、陶瓷管為電解質(zhì)（固體）隔 膜的二次電池。在一定的工作度下，鈉離子 透過電解質(zhì)隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應(yīng)， 形成能量的釋放和儲(chǔ)存。 （3）液流電池 目前應(yīng)用較多的主要是全釩液流儲(chǔ)能電池，釩電池電 能以化學(xué)能的方式存儲(chǔ)在不同價(jià)態(tài)釩離子的硫酸電解 液中，通過外接泵把電解液壓入電池堆體內(nèi)，在機(jī)械 動(dòng)力作用下，使其在不同的儲(chǔ)液罐和半電池的閉合回 路中循環(huán)流動(dòng)，采用質(zhì)子交換膜作為電池組的隔膜， 電解質(zhì)溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，通 過雙電極板收集和傳導(dǎo)電流，從而使得儲(chǔ)存在溶液中 的化學(xué)能轉(zhuǎn)

14、換成電能。 這個(gè)可逆的反應(yīng)過程 使釩電池順利完成充 電、放電和再充電。 （4）鈉/氯化鎳電池 （5）鋰離子電池 鋰離子電池：是一種二次電池（充電電池），它 主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。 在充放電過程中，Li+ 在兩個(gè)電極之間往返嵌入 和脫嵌：充電時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì) 嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。 電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極，是現(xiàn) 代高性能電池的代表。 鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。手機(jī)和筆記 本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其 為鋰電池，而真正的鋰電池由于危險(xiǎn)性大，很少 應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品。 3.電磁儲(chǔ)能 （1）超導(dǎo)儲(chǔ)能 （2）超級(jí)電

15、容器儲(chǔ)能 （3）高能電容器儲(chǔ)能 （1）超導(dǎo)儲(chǔ)能 超導(dǎo)儲(chǔ)能是利用超導(dǎo)體的電阻為零特性制成的儲(chǔ) 存電能的裝置，其不僅可以在超導(dǎo)體電感線圈內(nèi) 無損耗地儲(chǔ)存電能，還可以通過電力電子換流器 與外部系統(tǒng)快速交換有功和無功功率，用于提高 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善供電品質(zhì)。 將一個(gè)超導(dǎo)體圓環(huán)置于磁場中，降溫至圓環(huán)材料 的臨界溫度以下，撤去磁場，由于電磁感應(yīng)，圓 環(huán)中便有感應(yīng)電流產(chǎn)生，只要溫度保持在臨界溫 度以下，電流便會(huì)持續(xù)下去。試驗(yàn)表明，這種電 流的衰減時(shí)間不低于10萬年。顯然這是一種理想 的儲(chǔ)能裝置，稱為超導(dǎo)儲(chǔ)能。 超導(dǎo)儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)很多，主要是功率大、質(zhì)量輕、 體積小、損耗小、反應(yīng)快等等，因此應(yīng)用很廣。 （2）超級(jí)電容器儲(chǔ)能 超級(jí)電容器，又叫雙電層電容器、電化學(xué)電容器 、黃金電容、法拉電容，通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能 。它是一種電化學(xué)元件，但在其儲(chǔ)能的過