光伏發(fā)電原理

光伏發(fā)電原理1?光伏發(fā)電系統(tǒng)組成及運(yùn)行方式1.1離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成一般來說，離網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池組、逆變器等部分組成。太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般為2cm>2cm到15cmX15cm不等，單體工作電壓為0.45-0.5V,工作電流為20-25mA/cm2。太陽能組件是將太陽能電池單體進(jìn)行串并聯(lián)封裝后形成的，其功率一般為幾瓦、幾十瓦、可以單獨(dú)使用。當(dāng)應(yīng)用領(lǐng)域需要較高的電壓電流而單個(gè)組件不能滿足要求時(shí)，可把多個(gè)組件連成太陽能電池方陣，以獲得需要的電壓電流。單體組件陣列又稱阻塞二極管，其作用是避免由于太陽能電池方陣在陰雨天和夜晚不發(fā)電時(shí)或出現(xiàn)短路故障時(shí)，蓄電池組通過太陽能電池方陣放電。它串聯(lián)在太陽能電池方陣電路中，其單向?qū)ㄗ饔?，一般選用合適的整流二極管即可。蓄電池的作用是儲存太陽能電池方陣受光照時(shí)發(fā)出的電能并隨時(shí)向負(fù)載放電。對其的基本要求有：（1）自放電率低（2）使用壽命長（3）深放電能力強(qiáng)（4）充電效率高（5）少維護(hù)或免維護(hù)（6）工作溫度范圍寬（7）價(jià)格低廉。目前我國與太陽能系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池。光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一，其一般具備如下功能：（1）信號檢測檢測光伏發(fā)電系統(tǒng)各裝置和各單元的狀況與參數(shù)，檢測的物理量有輸入電壓、充電電流、輸出電壓、輸出電流以及蓄電池溫升。（2）最優(yōu)充電控制根據(jù)當(dāng)前太陽能資源情況和電池狀態(tài)確定最佳充電方式，實(shí)現(xiàn)高效快速的充電。（3）蓄電池放電管理對蓄電池放電過程進(jìn)行管理，如負(fù)載控制自動(dòng)開關(guān)機(jī)，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、防止負(fù)載接入時(shí)蓄電池端電壓壓降而導(dǎo)致的錯(cuò)誤保護(hù)。（4）設(shè)備保護(hù)控制系統(tǒng)中因逆變器故障而出現(xiàn)的過電壓和負(fù)載短路引起的過電流。（5）運(yùn)行狀態(tài)指示通過指示燈、顯示器等方式指示光伏系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息。逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的設(shè)備，由于太陽能電池方陣和蓄電池組發(fā)出的是直流電，而當(dāng)負(fù)載是交流負(fù)載時(shí)，逆變器是不可缺少的。逆變器按運(yùn)行方式可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨(dú)立運(yùn)行逆變器用于獨(dú)立運(yùn)行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，為獨(dú)立負(fù)載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運(yùn)行的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，將發(fā)出的電饋入電網(wǎng)。逆變器按輸出波形可分方波逆變器和正弦逆變器，方波逆變器電路簡單，造價(jià)低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對諧波要求的系統(tǒng)，正弦波逆變器成本高，但可以適用于各種負(fù)載。對于小型的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，只要求簡單的測量，如蓄電池電壓和充放電電流。對于中大型太陽能光伏電站，往往還要測量太陽輻射、環(huán)境氣溫、充放電電量等。1.2聯(lián)網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成聯(lián)網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為集中式大型聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)（大型聯(lián)網(wǎng)光伏電站）和分散式小型聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)（住宅聯(lián)網(wǎng)型光伏系統(tǒng)）兩類。大型聯(lián)網(wǎng)光伏電站所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)上，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電，但建設(shè)投資大，建設(shè)周期長，控制配電復(fù)雜，占用大片土地，發(fā)電成本高，發(fā)展較慢。住宅聯(lián)網(wǎng)型光伏系統(tǒng)所發(fā)的電能直接分配到住宅的用電負(fù)載上，多余或不足的電力通過連接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)。太陽能電池方陣是聯(lián)網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的主要部件，有其將接收到的太陽光能直接轉(zhuǎn)換為電能，其單體同離網(wǎng)型太陽能電池單體相同。住宅聯(lián)網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是與建筑相結(jié)合，按結(jié)合方式可分為建筑與光伏系統(tǒng)相結(jié)合（BAPV）和建筑和光伏組件相結(jié)合（BIPV）兩種型式。BAPV是光伏與建筑相結(jié)合的第一步，精心整理是將現(xiàn)成的平板式光伏組件安裝在建筑物的屋頂?shù)忍?。BIPV是光伏與建筑相結(jié)合的進(jìn)一步目標(biāo)，是將光伏器件和建筑材料集成化，把屋頂、向陽外墻、遮陽板甚至窗戶的材料用光伏器件來代替，既能作為建筑材料和裝飾材料，又能發(fā)電，使光伏系統(tǒng)的造價(jià)降低，發(fā)電成本下降。聯(lián)網(wǎng)逆變器是聯(lián)網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的核心部件和技術(shù)關(guān)鍵，聯(lián)網(wǎng)逆變器于獨(dú)立逆變器的不同之處在于它不僅可將太陽能電池方陣發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并且還可以對轉(zhuǎn)換的交流電的頻率、電壓、電流、相位、有功與無功、同步、電能品質(zhì)等進(jìn)行控制。聯(lián)網(wǎng)逆變器包括三部分（1）逆變系統(tǒng)其功能是采用大功率晶體管將直流高速切割，并轉(zhuǎn)換為交流。（2）控制部分有電子回路組成，作用是控制逆變部分（3）保護(hù)部分有電子回路組成，作用是在逆變器內(nèi)部故障時(shí)保護(hù)設(shè)備。2?太陽能電池2.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識2.1.1本征半導(dǎo)體完全純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，用的最多的是硅和鍺，它們各有四個(gè)價(jià)電子，都是四價(jià)元素。硅的微觀結(jié)構(gòu)圖N型半導(dǎo)體是在硅和鍺中摻入少量磷，磷原子參加共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)只需四個(gè)價(jià)電子，多余的一個(gè)價(jià)電子很容易掙脫磷原子核的束縛成為自由電子。P型半導(dǎo)體是在硅和鍺晶體中摻入少量硼（或其他三價(jià)元素），每個(gè)硼原子只有三個(gè)價(jià)電子，在構(gòu)成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)時(shí)將因缺少一個(gè)電子而產(chǎn)生一個(gè)空位。P型和N型半導(dǎo)體微觀結(jié)構(gòu)圖2.1.3PN結(jié)在一塊N（P）型半導(dǎo)體的局部再摻濃度較大的三價(jià)元素使其變?yōu)镻（N）型半導(dǎo)體，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界處就形成了一個(gè)特殊的薄層，稱為PN結(jié)。其微觀結(jié)構(gòu)如圖，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)示意圖2.2太陽能電池工作原理太陽能電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)，所謂的光生伏打效應(yīng)，就是當(dāng)太陽光照射到太陽能電池時(shí)，電池吸收光能，產(chǎn)生光生電子-空穴對，在電池內(nèi)建電場作用下，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，從而產(chǎn)生光生電壓。其原理示意圖如圖所示。光生伏打效應(yīng)示意圖當(dāng)太陽光照射P-N結(jié)時(shí)，在半導(dǎo)體內(nèi)的電子由于獲得光能而釋放電子，相應(yīng)的便產(chǎn)生電子-空穴對，并在內(nèi)建電場的作用下，電子被驅(qū)向N型區(qū)，空穴被驅(qū)向P型區(qū)，從而在N區(qū)有過剩電子，P區(qū)有過?？昭ǎ谑窃赑N結(jié)附近形成了與內(nèi)建電場相反的光生電場。光生電場一部分抵消內(nèi)建電場，其余部分即光生伏打電動(dòng)勢。2.2太陽能電池的結(jié)構(gòu)太陽能電池結(jié)構(gòu)圖3?鉛酸蓄電池蓄電池是將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能貯存起來，需要時(shí)再把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N貯能裝置。在此介紹VRLA電池的結(jié)構(gòu)和原理。3.1結(jié)構(gòu)VRLA電池由正極板、負(fù)極板、隔板、電池槽蓋、硫酸電解質(zhì)等主要組件組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖所示。VRLA電池結(jié)構(gòu)圖3.2基本原理正極：負(fù)極：Ir--Ir--精心整理4?逆變器逆變器也稱逆變電源，是將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的變流裝置，是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要部件。逆變器按輸出電壓波形可分為方波逆變器、正弦波逆變器、和階梯波逆變器。按主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為推挽逆變器、半橋逆變器、全橋逆變器。按輸入直流電源性質(zhì)可分為電壓源型逆變器、電流源行逆變器。4.1推挽式逆變電路工作原理圖示為單向推挽式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單向推挽式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖該電路由2只共負(fù)極的功率開關(guān)元件和1個(gè)初級帶有中心抽頭的升壓變壓器組成，當(dāng)tlvtvt2時(shí)，T1功率管上加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)信號Ug1,T1導(dǎo)通，T2截止，變壓器輸出端感應(yīng)出正電壓。當(dāng)t3<tvt4時(shí),T2功率管上加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)信號Ug2，T2導(dǎo)通，T1截止，變壓器輸出端感應(yīng)出負(fù)電壓。4.2單相全橋逆變電路