太陽能發(fā)電技術(shù)原理課件

1、8/7/2022太陽能光伏發(fā)電技術(shù)第二章 光伏電池的發(fā)電原理和特性1、評(píng)價(jià)太陽光性質(zhì)的物理量1）日照強(qiáng)度(太陽輻射強(qiáng)度 )在單位時(shí)間內(nèi)垂直投射到單位面積上的太陽輻射能量。(太陽能量密度)單位： Wm2 (瓦每平方米) 、J/sm2、 C/sm2對(duì)日照強(qiáng)度的等級(jí)還沒有一個(gè)準(zhǔn)確的劃分，可以將其轉(zhuǎn)化計(jì)算為光照度在根據(jù)光照度來劃分，或者以當(dāng)?shù)匾荒耆照諒?qiáng)度最高那個(gè)值為100，100-80為強(qiáng)，80-60為較強(qiáng)，60-40為一般，40-20為較弱，20-0為弱。 一、 太陽光的性質(zhì)1、評(píng)價(jià)太陽光性質(zhì)的物理量2）日照量單位面積上接收到的太陽能量 日照強(qiáng)度時(shí)間單位： J/m2、 Car/m23）日照時(shí)間在一給

2、定時(shí)段內(nèi)直接太陽輻照度超過120Wm-2 的各分段時(shí)間的總和。 2、直射光和散射光直接投射到地面上的太陽光稱直接日射。散射或反射的太陽光稱為散亂日射。直接日射+散亂日射全天日射直接日射強(qiáng)度Id 、散亂日射強(qiáng)度Is、全天日射強(qiáng)度Ig的關(guān)系：Ig= Id sin+ Is (_太陽光的入射角）不同天氣直接日射強(qiáng)度Id 、散亂日射強(qiáng)度Is的對(duì)比？3、太陽光強(qiáng)度與波長的關(guān)系 太陽能電池，屬于量子領(lǐng)域的能量變換技術(shù)，即光子的獲能與波長有很大關(guān)系。 太陽能電池是由硅材料(或其它材料)制成，受光后產(chǎn)生的能量與電子的最小振動(dòng)值有關(guān)，即決定于振動(dòng)值的波長大小。過分大的波長將不能進(jìn)行能量交換；太短的波長只能轉(zhuǎn)換為熱

3、能，因此太陽能的光伏變換與波長之間存在一個(gè)感度特性，我們稱之為光感度特性。不同材料有不同的感度特性，例如，單晶硅太陽能電池就優(yōu)于多晶硅，但要取得理想光感度特性是不太容易的。 有關(guān)資料顯示，紫外線所占比例只有8%，但波長短，電子振動(dòng)值高，產(chǎn)生能量大;而紅外線占全部能量的46%，可轉(zhuǎn)化熱能，故又稱熱線。 1 、光電變換1）光伏效應(yīng)太陽電池是一種對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。光生伏特效應(yīng)簡稱為光伏效應(yīng)，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象.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)

4、電過程。晶體硅經(jīng)過不同摻雜形成P一N結(jié)。 二、 光伏電池的發(fā)電原理和變換效率1 、光電變換2）光產(chǎn)生的能量物質(zhì)吸收基態(tài)能量產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)將吸收的基態(tài)能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能量釋放出來，這樣連續(xù)不斷的過程表現(xiàn)為動(dòng)能量是一份一份的能量子態(tài)，每一份能量子的能量是E=h，光是能量子的一種光量子。二、 光伏電池的發(fā)電原理和變換效率1 、光電變換3）光伏發(fā)電原理太陽能電池主要由半導(dǎo)體硅制成。在半導(dǎo)體上照射光后，由于其吸收光能會(huì)激發(fā)出電子和空穴（正電荷），從而半導(dǎo)體中有電流流過，這可稱為“光發(fā)電效應(yīng)”或簡稱“光伏效應(yīng)”。如果在硅晶體中攙入能夠俘獲電子的3價(jià)雜質(zhì)，如：硼，鋁，鎵或銦等，就成了空穴型半導(dǎo)體，簡稱p型半

5、導(dǎo)體。 如果在硅晶體中攙入能夠釋放電子的磷，砷，或銻等5價(jià)雜質(zhì)，就成了電子型半導(dǎo)體，簡稱n型半導(dǎo)體。若將兩者結(jié)合，稱為PN結(jié)，這就是半導(dǎo)體器件的最基本結(jié)構(gòu)。二、 光伏電池的發(fā)電原理和變換效率光伏發(fā)電原理 在PN結(jié)中，P型半導(dǎo)體的電子受到拉力，N型半導(dǎo)體的正電荷受到拉力，在結(jié)合處形成正負(fù)抵消的區(qū)域，形成阻擋層。此時(shí)，若有光照射，則激發(fā)電子自由運(yùn)動(dòng)流向N型半導(dǎo)體；正電荷則集結(jié)于P型半導(dǎo)體，從而產(chǎn)生了電位勢(shì)。2、二極管和光伏器件1）二極管特性二、 光伏電池的發(fā)電原理和變換效率2）光伏特性3）光伏器件的伏安特性2、二極管和光伏器件二、 光伏電池的發(fā)電原理和變換效率4）伏安特性的技術(shù)指標(biāo) 短路電流當(dāng)太陽

6、能電池的輸出端短路時(shí)，即U=0，得到短路電流ISC； 開路電壓當(dāng)太陽能電池的輸出端開路時(shí)，即I=0，可得開路電壓UOC。短路電流ISC與光強(qiáng)E的關(guān)系開路電壓UOC與光強(qiáng)lnE的關(guān)系太陽電池的開路電壓與入射光譜輻照度的對(duì)數(shù)成正比Isc與入射光的輻照度成正比。2、二極管和光伏器件二、 光伏電池的發(fā)電原理和變換效率4）伏安特性的技術(shù)指標(biāo) 流過太陽能電池的電流 I 和輸出電壓U 的關(guān)系 當(dāng)太陽能電池接上負(fù)載電阻后,太陽能電池的輸出電壓和電流隨著負(fù)載電阻的變化而變化,當(dāng)負(fù)載電阻 R = Rm 時(shí),太陽能電池的輸出功率為最大,即最大功率,對(duì)應(yīng)電壓 Um和電流 Im ,可知Pm = Im Um 填充因子是表

7、征太陽能電池質(zhì)量好壞的一個(gè)指標(biāo),將最大功率 Pm 和 UOC與 ISC之積的比值定義為填充因子 FF :3 、光伏電池光伏變換效率1)定義:是指在光照下的光伏電池所產(chǎn)生的最大輸出電功率與入射到該電池受光幾何面積上全部光輻射功率的百分比。 變換效率=測(cè)量條件：基準(zhǔn)光_光譜分布?二、 光伏電池的發(fā)電原理和變換效率光伏電池標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件光源輻照度：1000W/m2 ；測(cè)試溫度： 2520C ； AM1.5地面太陽光譜輻照度分布?；鶞?zhǔn)光 AM1.5太陽光譜分布日照強(qiáng)度波長不同輻照度下電池的I-V特性曲線3 、光伏電池光伏變換效率2)各種因素對(duì)光伏電池伏安特性的影響: I：日照強(qiáng)度E幾乎不影響電池效率 I

8、I：工作溫度二、 光伏電池的發(fā)電原理和變換效率4 、光伏電池的等值電路和伏安特性1）等值電路和公式推導(dǎo)二、 光伏電池的發(fā)電原理和變換效率理想的太陽電池等效電路 Iph ID V R I理想太陽電池等效電路： 相當(dāng)于一個(gè)電流為Iph的恒流電源與一只正向二極管并聯(lián)。流過二極管的正向電流稱為暗電流ID.流過負(fù)載的電流為I負(fù)載兩端的電壓為V4 、光伏電池的等值電路和伏安特性1）等值電路和公式推導(dǎo)二、 光伏電池的發(fā)電原理和變換效率理想的太陽電池等效電路 Iph ID U R I理想太陽電池等效電路： 相當(dāng)于一個(gè)電流為Iph的恒流電源與一只正向二極管并聯(lián)。流過二極管的正向電流稱為暗電流ID.流過負(fù)載的電流

9、為I負(fù)載兩端的電壓為U實(shí)際太陽電池等效電路： 由于漏電流等產(chǎn)生的旁路電阻Rsh由于體電阻和電極的歐姆電阻產(chǎn)生的串聯(lián)電阻Rs在Rsh兩端的電壓為： Uj =(U+IRS)因此流過旁路電阻Rsh的電流為： ISh= (U+IRS) / Rsh流過負(fù)載的電流： I= Iph ID ISh 實(shí)際的太陽電池等效電路 Rs Iph ID Rsh Ish U R I 暗電流ID是注入電流和復(fù)合電流之和，可以簡化為單指數(shù)形式： ID=Aexp(qUj/BkT)-1 其中： A為太陽電池在無光照時(shí)的飽和電流； B為結(jié)構(gòu)因子，它反映了p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)完整性對(duì)性能的影響； K是玻爾茲曼恒量 因此得出:這就是光照情況下太陽電池的電流與電壓的關(guān)系。畫成圖形，即為(I-V)特性曲線。在理想情況下： Rsh ， Rs0 由此得到： I= Iph ID = Iph Aexp(qU/BkT)-1在負(fù)載短路時(shí)，即Uj=0(忽略串聯(lián)電阻)，便得到短路電流，其值恰好與光電流相等 Isc= Iph因此得出： I= Iph ID = Isc Aexp(qU/BkT)-1在負(fù)載R時(shí),輸出電流0,便得到開路電壓Voc其值由下式確定： 4 、光伏電池的等值電路和伏安特性1