光伏知识讲座.docx

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1、太阳能光伏知识讲座1、太阳能电池发电原理：太阳电池是一种对光行响应并能招光能转换成电力的器件.使产生光伏效应的材料有许多种,如：单晶硅，多晶硅，非晶睢，珅化板,晒的铜等,它们的发电原理权本相同，现己晶体硅为例描述光发电过程，P里晶体硅经过掺杂缺可得N型畦,形成P-N结。如图1所示.人网拿油的取kPrincio1.*Mso1.uree1.!太阳光线P型硅下电极上电极N型硅当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被碎材料吸收;光子的能量传递给了鼎原九使电子发生了越迁,成为自由电子在PN结两侧集聚形成了电位差,当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流漉过外部电路产生一定的输出功率，这个过程的的实质

2、是:光子能球转换成电能的过程，2、II体硅太阳电浦的*作过程:硅是我们这个星球上储藏最丰富的材料之.自从1个世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后,它几乎改变了-W,找至人类的思维，20世纪末，我们的生活中处处可见硅1的身影和作用,晶体磋太阳电池是近15年来形成产业化公快的。生产过程大致可分为五个步骤:a）提纯过程b）拉棒过程C）切片过程d）制电池过程e）N装过程.如下图所示：3、太阳电池的应用：上世纪60年代,科学家们就己经将太阳电池桃用于空间技术一-通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清清和宜接的能源形式已愈加亲切,不仅在空御应用,在众多领域中也大显身手

3、.如：太阳能庭院灯.太阳能发电户用系统,村张供电的独立系统,光伏水泵（饮水或港溉）,通侑电源,石油输油管道阴极保妒,光缆通信泵站电源,海水淡化系统,城镇中路标、高速公路路标等.在世纪之交前后期间，欧美等先进国家光伏发电并入城市用电系统及边远地区门然村落供电系统纳入发展方向，太阳电池与建筑系统的结合己经形成产业化趋势，光伏电源系统的组成：K卅榔产-a）（负我I太阳桀.电池组件I电瓶组Ib）交流负优系统.卜册删I“茨：网-HHEHJ-I爻=负&I太阳战电池植件曲严刈4、太阳电池基本性质：a)光电我换效率n%:钟估太阳电池好坏的重.要因萦.目前：实监室n=24%,产业化：产15%,b)总体电池电压V

4、：0.4V-0.6V由材料物理特性决定.C)填充因子FF%：评估太阳电池仪我能力的JR要因素。几何意义用17曲线图来表示：，阴甑部分为他战面枳,雄充因子的数学表达形式：FF=(1.m,Vm)(1.sc,Voc)其中：Isc一一短路电源Voc一一开路电压，Im一最佳工作电流,Vm一最佳工作电压;标准光与环境温度地面：AM1.5光商100OW，m2,k25C;e)温度对电池性质的影响.例如：在标准状况下,AMI.5光强,t=25C某电池板输出功率测得为100Wp,如果电池温便升高至45X?时,则电池板输舟功率就不到100Wp.5 .太阳能“光一电转换。束光照在华咛味上和照在金属或绝缘体上效果极然不

5、同.由于金属中自由电子如此之笠，以致光引起的导电性能的变化完全可忽略，绝缘体在很高温度下仍未能激发出更多的电子参加导电。而今电性能介于金属和绝缘体之间的半导体对体内电子的束缚力远小于绝嫁体.可见光的光子能量就可以把它从束缚激发到自由导电状态.这就是半导体的光电效应.当半导体内局部区域存在电场时光生我流子将会积察，和没彳f电场时行很大区别，电场的两例出电荷枳米将产生光电电压，这就是光生伏特效应，简称光伏效应。太阳电池就足利用这种效应制成的。当太阳光照射到半导体上时其中部分被表面反射掠,其余部分被半导体吸收或透过.被吸收的光，当然有些变成热.另一些光子则同组成半导体的黑子价电子碰撞,于是产生电子一

6、空穴对。这M光能就以产生电子一空:穴对的形式转变为电能、如果半V体内存在P-n.则在P型和n型交界面两边形成势型电场,能将电子郸向n区,空穴骐向P区,从而使得n区仃过剥的电子P区有过剌的空穴,在Pf结附近形成Ij势垒电场方向相反光的生电场.光生电场的部分除抵销势垒电场外，还使P型层带正电，n型层带负电,在n区与P区之间的薄层产生所消光生伏打电动势，若分别在P型层和n型层焊上金引战，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的个个电池元件,把它们审联、并联起来，就能产生一定的电压和电流,输出功率.制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，内此太阳HI池的种类也很多.目前，技术最成熟，并具有商业价值的

7、太阳电池要能硅太阳电池。所以,将入射太阳光能行换成电能的半导体器件称为太阳能电池。它一般由两种不同导电类里的同质或异质半导体构成.目前,在空间或地面获得应用的只有硅电池,研究得比较成钻的还行碑化短电池、硫化幅电池徒太阳能电池是1954年由美国皮尔逊等人首次制成,1958年首次应用在“先锋1号卫星上。1958年,我国亦开始研究太阳能电池,在1971年3月发射的科学实检卫星上百次应用，随芾硅电池制造成本的逐年降低和技术的日益成熟，太阳能电池必将获得更广泛的应用。6 .太阳电池的应用的主要城：1 .用户太阳能电源;（1）小型电源10100W不等，用语边远无电地区如高，、海岛、牧区、边防哨所等军民生活

8、用电,如照明电视、收录机等：（23-5KW家庭屋顶并网发电系统：（3）光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、潮溉.2 .交通领域：如航标灯、交通/秋路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无戏电话亭、无人的守道班供电等。3 .通讯/通信硕域：太阳能无人值守微波中州站,光缆维护站、广播/通i1.V济呼电源系统；农村短波电话光伏系统、小型通倍机、I：兵GPS供电等.4石油、海洋、气力领域:石油管道和水底闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋悔测设备、气象/水文观测设备等，5家庭灯具电源r如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、热光灯、5家灯、节能灯等

9、.6 .光伏电站：10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等.7 .太阳能建筑；将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向.8 .其他领域包括（1）与汽车配套1太阳能汽车/电动车、电池充电设着、汽车空调、换气出、冷饮箱等：2）太阳能制城加期料电池的M上发电系统：3）冽水淡化设备供电：（4P星、航天器、空间太阳能电站等。目前美国、欧洲各国特别是德国及日本、卬度答都在人力发展太阳电池应用,开始实施的“十万屋顶计划、“口万屋顶”计划等,极大地推动了光伏市场的发展.前途十分光明.附件:MPPT,光伏阵列出众多的太阳电池中、并联构成，

10、其作用足宜接把太阳能转换为百.流形式的电能,目的用于光伏水泵系统的太阳电池多为硅太阳电池,其中包括单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池.太阳电池的伏安特性曲线如图：所示,它具有强烈的非线性，rvm1大Pamjg供-Hrtr在m*美,.AMX.S.T251C太阳电池输出的G大功率就是它的额定元率。图:而曲城上的大国生点表示在相应日时下太阳电池怆出,最大功率的位置.称“大功率点光伏阵列的伏王特性的爱具有和单体太阳电他同样的形状，若忽珞单体太阳电池生产过程中的差异、组件相互之间的连接电阻，吕附设它“具有理想的致性光伏阵列的伏安特性曲城可以看作仅是单体太阳电池伏安特性曲线按申、并联方式放大其坐标的比例尺。光

11、伏阵列的伏安特性曲线具行很强的非线性,而且和太阳如照度、环境温度、阴、暗、雨、雾等气思条件有密切关系,共输出叨口照而变化的是直流电址而作为光伏阵列负皎的光伏水泵，它的驱动电机行时是口流电机，仃时是交流电机甚至还彳i其它新里电机，它In同样具有洋线性性质在这种侑况卜要使光伏泵系统工作在)、较理想的工况,而且又，于任何日照.都要发挥光伏阵列黔出功率的最大潜力.这就要有一个适配器,使电肋负载之间能达至“和、皆、高效、稳定的工作状态.适曰器的内容主要砧最大功率“点短踪器、逆变器以及一些保护设施等，最大功率点跟踪器MPPT由光伏阵列伏安特性曲线可知,光伏阵列在不同太阳辎照度下输出最大功率点位置并不同定，

12、而且当环境谓度发生变化时，相应于同相照度的最大功率-点位置也将变化.为了实现G大功针点跟踪以获取当前H照下出券的能收，MPPT通常做成两种形式，以下分别予以介绍。恒定电压式最大功率点跟踪器(CVTMPPT).仔细观察图：中表示最大功率输出的BI黑点一一最大功率点的位置，它的都坐落在max-nst.的宜践附近，特别是H射比较强时及UmaX8nst更近，同时考虑至仗阳电他具有以卜湍度特优良陷湿度升高时，在同日用条件下其开路电压UoC将减小,短路电流Isc符伴有微小增大.再考虑到日射高时一般都具有较高环境温度,而日射低时环球温.度一般都要低一些的特特点，结合太阳电他的温度特性，它们倒好都有利于使-日

13、内最大功率点的轨迹更遢近于根垂直线UmaX8nst,这就是说，在工程上允许人们把城大功率，点出现的轨迹近似地处理为根垂直找Umax=nst,这就构成TCVT式MPPT的并论根据,真正的MPPTCVT型MPPT有其不足之处主要是囚为光伏阵列的开路电压Uoc,M大功率点电压U.受温度的影晌较大，Um旦设定，冬、里会有较大偏虎，这将会无谓炮损失相.，部分Ife状，因此人们在当今微机芯片性能/价格)、以及其实时性能不断提窝的情况卜.，不少系统己在着手采用.真正的MPPr技术.在“真正的MPPr技术中，人的采用rFIj优的概念实时地测底光伏阵列的输出功率，进行比较后,1*1动地才找到最大功率点.不断地寻

14、找.不断地调整,不断地再寻找,如此周而复始,系统且处于微J、的调整之中。这种Bft正的MPPT可以自动适应冬、系较大的温差而毋需人工干预,十分有利于提高系统的全年效率.光伏发电景的时逆交电的要求I采用交流电力输出的光伏发电系统由光伏阵列、充放电控制器、而电池和逆变电源四部分组成并网发电系统银可行去称电池），而逆变电源是关键那件，光伏发电系统对逆变电海要求较而：（1）要求具有较高的效率.由于目前太阳电池的价格偏高.为了技大限度地利用太阳电池.提高系统效率,必须设法提高逆变电源的效率”（2）要求具行较高的可靠性，目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变电源具有合理的电

15、路结构,严格的元器件筛选，并要求逆变电源具备各种保护功能,如给人直流极性接反保护.交流谕出短路保护.过热.过我保护等.（3）要求直流输入电压有较宽的适应范困，由于太阳电池的端电压随负段和I1.照强度而变化，新电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用，但出于带电池的电压随落电池到余容中和内阻的变化而波动，特别是当符电池老化时其掂电压的变化范困很大，12V符电池，其端电JK可在1OV-I6V之间变化.这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电JK范附内保证正存工作,并保证交流输出电压的稳定.（4）在中、大容此的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失直度较小的正弦波，这是由于在中、大容盘系统中，若采用方波供电

16、,则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗,许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设各,这些设备对电陷品质有较高的外,尚中、大容心的光伏发电系统弁网运行时，为避免择公共电河的电力污染,也要求逆变电源输出正茏波电流，逆变电春的原理与电路结构，中、小容心逆变电源一般干j推挽逆变电路、金桥逆变电路和高频升压逆变电路三种其主电路分别如图逆变电源符*流电转化为交4.其电路原理如图所示、功率晶体管Q1、Q4和Q2、Q3交替开通得到交流电力，齐直流电压较低.则通过交流变用:器升压.即得到标准交流H1.压和频率,对大容址的逆变电源，出人口流母或电压较高，交流输出股不需要变压器升压即能达到22OV,在中、

17、小容量的逆变电源中，由于出流电压较低，如12V、24V,就必须设计升压通路.推挽电路.构升压变压涔的中性抽头接于正电源，两只功率管交牌工作，输出寿到交流电力.由于功率晶体管共地边接.羯动及控制电路简单，另外由于变压器具有定的漏感,可取制地路电流，因而提高了电路的可毒性。其缺点是变压器利用率低，带动感性负载的悭力较差.全桥逆变电路克服r推挽电路的缺点.如H流电压太低，推挽电路和全桥电路的输出都必须加升压变压器，由于工频升压变乐湍体积大,效率低价格也较贡.随着电力电子技术和微电子技术的发展.采用高版升欢变换技术实现逆变，可实现高功率密度逆变，这种逆变电路的前汲升压电路采用推挽结构.但工作频率均在2

18、OKHZ以上,升压变压器采用高口破芯材料，因而体积小/呆最高,但频逆变后经过而频变压器变成高频交流电，又经制频整流泄波电路得到口压食流电（殷均在3。OV以上）再通过工频逆变电路实现逆变.采用该电路结构.使逆变电路功率密度大大提高.，逆变电源的空我损耗也相应降低,效率得到提I,该电路的缺点是电路攵杂,可存性比上述两种电路低。SPW,Itt正弦波输出的逆变电源.其控制电路可采用微处理控制,早期如INTE1.公司生产的80C196MC、摩托罗拉公司生产的MP16以及M1.-CROCHIP公司生产的PIC16C73等,这些单片机均具行多路PWM发生器，并可设定上、上桥普之间的死区时间,随行微控蒯器的发

19、展，越来越多的芯片可供选用,DSP等符端芯片价格也下降，时设计者来说是个福音。由微处理零可以方便的构成正弦波佰号的发生.并检测交流输出电压实现稳睡，逆变电源的主功率元件的选择至关庭要.目前使用较算的功率元件有达林帧功率晶体管BJT，功率场效应管（MOSFET），维绿棚晶体管（IGBT）和可关断晶闸管（GTO）等，在小容量低压系统中使用较多的器件为MOSFET,因为MOSFET具有较低的通态压降和较裔的开关频率，在高压大容求系统中一般均来用IGBT模块，这是因为MoSFET随着电压的升高其通态电阻也随之增大,而IGBT在中容贵系统中占有较大的优势,而在特大容家（1OOKVA以上系统中，般均采用GT。作为功率元件。