太陽(yáng)能光伏知識(shí)

太陽(yáng)能光伏知識(shí)、

1、

太陽(yáng)能電池發(fā)電原理:太陽(yáng)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。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：?jiǎn)尉Ч?，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(guò)程。P型晶體硅經(jīng)過(guò)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(xiàn)照射太陽(yáng)電池表面時(shí)，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(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過(guò)外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過(guò)程的的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。

2、晶體硅太陽(yáng)電池的制作過(guò)程:"硅"是我們這個(gè)星球上儲(chǔ)藏最豐富的材料之一。自從上個(gè)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(lèi)的思維，20世紀(jì)末，我們的生活中處處可見(jiàn)"硅"的身影和作用,晶體硅太陽(yáng)電池是近15年來(lái)形成產(chǎn)業(yè)化最快的。生產(chǎn)過(guò)程大致可分為五個(gè)步驟:a)提純過(guò)程b)拉棒過(guò)程c)切片過(guò)程d)制電池過(guò)程e)封裝過(guò)程.如下圖所示：

3、太陽(yáng)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(yáng)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(lèi)不斷自我反省的過(guò)程中，對(duì)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(yáng)能庭院燈，太陽(yáng)能發(fā)電戶(hù)用系統(tǒng),村寨供電的獨(dú)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(hù)，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(jìn)國(guó)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(yáng)電池與建筑系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)。光伏電源系統(tǒng)的組成：4、太陽(yáng)電池基本性質(zhì):a）光電轉(zhuǎn)換效率η％:評(píng)估太陽(yáng)電池好壞的重要因素。目前：實(shí)驗(yàn)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(píng)估太陽(yáng)電池負(fù)載能力的重要因素。ＶＴ＝２．１／４３０Ｔ－２５ＶＦ

６．計(jì)算太陽(yáng)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(yáng)電池陣列輸出功率ＷＰ（平板式太陽(yáng)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(jì)算

蓄電池的容量由下列因素決定：

１．蓄電池單獨(dú)工作天數(shù)。在特殊氣候條件下，蓄電池允許放電達(dá)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(duì)于日負(fù)載穩(wěn)定且要求不高的場(chǎng)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(huì)因過(guò)充電所造成的失水。一般在選蓄電池容量時(shí)，只要蓄電池容量大于太陽(yáng)能發(fā)電板峰值電流的２５倍，則蓄電池在充電時(shí)就不會(huì)造成失水。

４．蓄電池自身漏掉的電能，隨著電池使用時(shí)間的增長(zhǎng)及電池溫度的升高，自放電率會(huì)增加。對(duì)于新的電池自放電率通常小于容量的５％，但對(duì)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(cè)系統(tǒng)中，連續(xù)陰雨天的長(zhǎng)短決定了蓄電池的容量，由遙測(cè)設(shè)備在連續(xù)陰雨天中所消耗能量安時(shí)數(shù)加上２０％因子，再加上１０％電池自放電能安時(shí)數(shù)）便可計(jì)算出蓄電池的容量源。

按照兩種容量方案的計(jì)算，作者計(jì)算完成了太陽(yáng)能電源的設(shè)計(jì)：

１．測(cè)站的主要參數(shù)：

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

發(fā)射機(jī)輸入電壓ＤＣ１３．８Ｖ，輸出電流５Ａ；

當(dāng)?shù)厝照諘r(shí)數(shù)７～８ｈ。

２．測(cè)站蓄電池容量經(jīng)計(jì)算得出為３８ＡＨ。

３．測(cè)站太陽(yáng)能電池容量陣列輸出功率ＷＰＷ為２５～３５ｗ。

綜合以上結(jié)果，太陽(yáng)能電源設(shè)計(jì)值為：

蓄電池：采用鉛酸蓄電池，容量３８ＡＨ，采用２個(gè)容量２０ＡＨ并聯(lián)形式；太陽(yáng)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(yáng)能電源安裝使用中注意的問(wèn)題

１．陣列板選擇安裝在周?chē)鸁o(wú)高大建筑物、樹(shù)木、電線(xiàn)桿等無(wú)遮擋太陽(yáng)光和避風(fēng)處。

２．太陽(yáng)能電池陣列板配套的蓄電池在第一次使用時(shí)，要先充電到額定容量，不可過(guò)充或過(guò)放。

３．注意定期的維護(hù)工作。此電源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠，安裝方便，利于維護(hù)，在實(shí)踐中取得了滿(mǎn)意的效果。

11．地面太陽(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)：太陽(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)（又稱(chēng)光伏發(fā)電系統(tǒng)），按其使用場(chǎng)所不同，可分為空間應(yīng)用和地面應(yīng)用兩大類(lèi)。在地面可以作為獨(dú)立的電源使用，也可以與風(fēng)力發(fā)電機(jī)或柴油機(jī)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(dú)立電源使用。

通常的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)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(yáng)電池方陣方陣的作用是將太陽(yáng)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(yáng)電池組件按一定方式連接，再配上適當(dāng)?shù)闹Ъ芗敖泳€(xiàn)盒組成。

蓄電池組蓄電池組是太陽(yáng)電池方陣的貯能裝置，其作用是將方陣在有日照時(shí)發(fā)出的多余電能貯存起來(lái)，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(duì)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(shí)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(shí)還要考慮價(jià)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(chǎng)合也有價(jià)格比較昂貴的鎳鎘蓄電池。

控制器在不同類(lèi)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(lái)確定?？刂破髦饕呻娮釉骷x表、繼電器、開(kāi)關(guān)等組成。在簡(jiǎn)單的太陽(yáng)電池，蓄電池系統(tǒng)中，控制器的作用是保護(hù)蓄電池，避免過(guò)充，過(guò)放。若光伏電站并網(wǎng)供電，控制器則需要有自動(dòng)監(jiān)測(cè)、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(chēng)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(wú)日照時(shí)蓄電池通過(guò)太陽(yáng)電池方陣放電。對(duì)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(shí)，阻塞二極管兩端有一定的電壓降，對(duì)硅二極管通常為0.6~0.8；肖特基或鍺管0.3V左右。

12．太陽(yáng)能利用技術(shù)：人類(lèi)直接利用太陽(yáng)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(chǔ)能技術(shù)。

太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)研究階段。

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

太陽(yáng)電池是把太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)換成電能的一種器件。

太陽(yáng)電池的光電效率約１０－１４％，其產(chǎn)品類(lèi)型主要有單晶硅、多晶硅和非晶硅。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品（指光電裝置全部費(fèi)用）價(jià)格約６０－８０元／峰瓦。

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

太陽(yáng)光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的產(chǎn)品最多。例如熱水器、開(kāi)水器、干燥器、采暖和制冷、溫室與太陽(yáng)房、太陽(yáng)灶和高溫爐、海水淡化裝置、水泵、熱力發(fā)電裝置及太陽(yáng)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(shí)用光伏電池問(wèn)世以來(lái)，太陽(yáng)光伏發(fā)電取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但比計(jì)算機(jī)和光纖通訊的發(fā)展要慢得多。其原因可能是人們對(duì)信息的追求特別強(qiáng)烈，而常規(guī)能源還能滿(mǎn)足人類(lèi)對(duì)能源的需求。1973年的石油危機(jī)和90年代的環(huán)境污染問(wèn)題大大促進(jìn)了太陽(yáng)光伏發(fā)電的發(fā)展。其發(fā)展過(guò)程簡(jiǎn)列如下：

1893年

法國(guó)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(gè)“硒光電池”，用作敏感器件。

1930年

肖特基提出Cu2O勢(shì)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(yáng)電池”，使太陽(yáng)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(yáng)光下啟動(dòng)了一個(gè)電動(dòng)機(jī)。

1932年

奧杜博特和斯托拉制成第一塊“硫化鎘”太陽(yáng)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(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室，首次制成了實(shí)用的單晶太陽(yáng)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(yáng)電池。

1955年

吉尼和羅非斯基進(jìn)行材料的光電轉(zhuǎn)換效率優(yōu)化設(shè)計(jì)。同年，第一個(gè)光電航標(biāo)燈問(wèn)世。美國(guó)RCA研究砷化鎵太陽(yáng)電池。

1957年

硅太陽(yáng)電池效率達(dá)8%。

1958年

太陽(yáng)電池首次在空間應(yīng)用，裝備美國(guó)先鋒1號(hào)衛(wèi)星電源。

1959年

第一個(gè)多晶硅太陽(yáng)電池問(wèn)世，效率達(dá)5%。

1960年

硅太陽(yáng)電池首次實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。

1962年

砷化鎵太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)13%。

1969年

薄膜硫化鎘太陽(yáng)電池效率達(dá)8%。

1972年

羅非斯基研制出紫光電池，效率達(dá)16%。

1972年

美國(guó)宇航公司背場(chǎng)電池問(wèn)世。

1973年

砷化鎵太陽(yáng)電池效率達(dá)15%。

1974年

COMSAT研究所提出無(wú)反射絨面電池，硅太陽(yáng)電池效率達(dá)18%。

1975年

非晶硅太陽(yáng)電池問(wèn)世。同年，帶硅電池效率達(dá)6%~%。

1976年

多晶硅太陽(yáng)電池效率達(dá)10%。

1978年

美國(guó)建成100kWp太陽(yáng)地面光伏電站。

1980年

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

1983年

美國(guó)建成1MWp光伏電站；冶金硅（外延）電池效率達(dá)11.8%。

1986年

美國(guó)建成6.5MWp光伏電站。

1990年

德國(guó)提出“2000個(gè)光伏屋頂計(jì)劃”，每個(gè)家庭的屋頂裝3~5kWp光伏電池。

1995年

高效聚光砷化鎵太陽(yáng)電池效率達(dá)32%。

1997年

美國(guó)提出“克林頓總統(tǒng)百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”，在2010年以前為100萬(wàn)戶(hù)，每戶(hù)安裝3~5kWp。光伏電池。有太陽(yáng)時(shí)光伏屋頂向電網(wǎng)供電，電表反轉(zhuǎn)；無(wú)太陽(yáng)時(shí)電網(wǎng)向家庭供電，電表正轉(zhuǎn)。家庭只需交“凈電費(fèi)”。

1997年

日本“新陽(yáng)光計(jì)劃”提出到2010年生產(chǎn)43億Wp光伏電池。

1997年

歐洲聯(lián)盟計(jì)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(dá)25%。荷蘭政府提出“荷蘭百萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)光伏屋頂計(jì)劃”，到2020年完成。

表8-1

世界光伏電池總產(chǎn)量（1990-2000）

年份國(guó)家(地區(qū))19901991199219931994199519961997199819992000

美國(guó)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(jì)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(shí)驗(yàn)室商業(yè)化實(shí)驗(yàn)室中批量大批量實(shí)驗(yàn)室中批量大批量實(shí)驗(yàn)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(jià)格、組件效率，系統(tǒng)壽命和成本變化情況

年份光伏電的價(jià)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~