光伏發(fā)電原理

1、 5 / 6 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 00 DCL494 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。 1.1.1太陽能電池方陣 太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般為2cm2cm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

2、陣列 1.1.2防反充二極管 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。 1.1.3蓄電池組 蓄電池的作用是儲(chǔ)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(duì)其的基本要求有：（1）自放電率低（2）使用壽命長(zhǎng)（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(guó)與太陽能系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池。 1.1.4控制器 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(hào)

3、檢測(cè) 檢測(cè)光 伏發(fā)電系統(tǒng)各裝置和各單元的狀況與參數(shù)， 檢測(cè)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(duì)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。 1.1.5逆變器 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

4、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(jiǎn)單，造價(jià)低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對(duì)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。 1.1.6測(cè)量設(shè)備 對(duì)于小型的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，只要求簡(jiǎn)單的測(cè)量，如蓄電池電壓和充放電電 流。對(duì)于中大型太陽能光伏電站，往往還要測(cè)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

5、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(zhǎng)，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)。 1.2.1太陽能電池方陣 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)

6、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，是將現(xiàn)成的平板式光伏組件安裝在建筑物的屋頂 等處。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。 1.2.2聯(lián)網(wǎng)逆變器 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(duì)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

7、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(shí) 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 2.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體 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)

8、，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。 Q 00 o O o 0 0 。 。 O & . * * P型和N型半導(dǎo)體微觀結(jié)構(gòu)圖 2.1.3 PN 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娦浴?一N申于沖佯 * -C 1 + * + * J ，& -C1 c- ” + + 1- y O 1 4 1 一 * + + |#+ 一 一。 - *t+ O e !* 寸 q * * * F - 4- - r 十 * +-1

9、- -C- + 農(nóng)制電荷応 1 捋號(hào)：解可動(dòng)蔦第* 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(duì)， 在電池內(nèi)建電場(chǎng)作用下，電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累， 從而產(chǎn)生光生電壓。其 原理示意圖如圖所示。 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(duì)，并在內(nèi)建電場(chǎng)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?，于是在PN結(jié)附近形成了 與內(nèi)建電場(chǎng)相反的光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)一部分抵消

10、內(nèi)建電場(chǎng)，其余部分即光生伏 打電動(dòng)勢(shì)。 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?種貯能裝置。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： pb2 HSO3H 2e pbSO 2H 2。 負(fù)極： Pb HS02e pbSQ H 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(jí)帶有中心抽頭的升壓變壓器 組成，當(dāng)t1tt2時(shí)，T1功率管上加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)信號(hào) Ug1，T1導(dǎo)通，T2截止，變 壓器輸出端感應(yīng)出正電壓。當(dāng)t3tt4時(shí)，T2功率管上加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)信號(hào) Ug2, T2 導(dǎo)通，T1截止，變壓器輸出端感應(yīng)出負(fù)電壓。 4.2單相全橋逆變電路工作原理 單相全橋逆變電路也稱 H橋電路