太阳能发电原理

1太阳能发电原理1原理概述太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池板将太阳能转换成电能的一种可再生清洁发电机制当光线照射到太阳能电池表面时一部分光子被太阳电池板反射掉另一部分光子被硅材料吸收光子的能量传递给硅原子使电子发生越迁成为自由电子在PN结两侧集聚形成电位差当外部接通电路时在该电压的作用下则会有直流电流流过外部电路产生一定的输出功率通常每块太阳能电池组件输出的直流电压较低一般为35V为了提高电压达到逆变器最佳工作状态的额定输入直流电压将一定数量的太阳能电池串联到一起形成回路然后接入逆变器中逆变器将输入的直流电转换成交流电逆变后得到的交流电通过站内的升压变压器升至指定电压后并入电网图1太阳能发电系统原理2系统部件21太阳电池在太阳能光伏发电系统中太阳能电池板占据着举足轻重的地位它是将太阳能转换成电能核心部件太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的这种光电转换过程通常叫做光生伏打效应因此太阳能电池又称为光伏电池用于制造太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质和任何物质的原子一样半导体的原子也是由带2正电的原子核和带负电的电子组成半导体硅原子的外层有4个电子按固定轨道围绕原子核转动当受到外来能量的作用时这些电子就会脱离轨道而成为自由电子并在原来的位置上留下一个空穴在纯净的硅晶体中自由电子和空穴的数目是相等的如果在硅晶体中掺入硼镓等元素由于这些元素能够俘获电子它就成了空穴型半导体通常用符号P表示如果掺入能够释放电子的磷砷等元素它就成了电子型半导体以符号N代表若把这两种半导体结合交界面便形成一个PN结太阳能电池的核心技术就在这个结上PN结就像一堵墙阻碍着电子和空穴的移动当太阳能电池受到阳光照射时电子接受光子的能量向N型区移动使N型区带负电同时空穴向P型区移动使P型区带正电这样在PN结两端便产生了电动势也就是通常所说的电压如果分别在P型层和N型层焊上金属导线接通负载则外电路便有电流通过如此形成的一个个电池元件把它们串联并联起来就能产生一定的电压和电流输出功率图2太阳能电池结构目前制作太阳能电池的原料有单晶硅多晶硅非晶硅等由于生产能力的不断提高和和科学技术的不断进步单晶硅以其较高的转化率高稳定性低衰减率成为各太阳电池生产企业重点研发的项目单晶硅太阳电池的生产工艺一般分五个流程完成提纯过程拉棒过程切片过程制电池过程封3装过程各步工艺如下图所示图3单晶硅电池生产工艺硅材料来源于优势石英砂也称硅砂主要成分是高纯的二氧化硅制作太阳能电池需要将硅砂通过提纯过程转换成多晶硅在早期应用四氯化硅作为硅源进行提纯主要方法是精馏法和固体吸附法用这种方法提纯需要很高的温度而且在制取四氯化硅时氯气的消耗量很大后来通过改进形成改良西门子法提纯过程主要有三步由硅砂到冶金硅由冶金硅到三氯氢硅由三氯氢硅可制成晶硅硅砂提纯后得到的多晶硅由于未掺杂等原因不能直接用来制作太阳能电池将融化的硅注入石墨坩埚中经过定向凝固后即可获得掺杂均匀晶粒较大呈纤维状的多晶硅硅锭将硅锭在单晶硅炉中加热溶化然后一边旋转一边提拉熔融的硅就在同一方向定向凝固得到单晶硅棒得到的单晶硅棒一般在单晶硅炉中拉制而成要经过滚圆再通过切片机切成厚度为01503mm的硅片这就是单晶硅的切片过程将制成的晶片通过处理后焊上电极然后再做表面处理通过特殊工艺处理封装就能得到合格的太阳电池组件22二极管在太阳能发电系统中二极管是一个很重要的原件其按作用可以分为防反二极管和旁路二极管4防反充二极管也称阻塞二极管一般在逆变器与太阳能电池之间防止夜间或阴雨天太阳电池方阵工作电压低于其供电的直流母线电压时母线反过来向太阳能电池方阵反送电因而消耗能量和导致方阵发热它串联在太阳电池方阵电路中起单向导通作用旁路二极管一般应用在有较多电池组件串联成的方阵中在每个电池组件两端并联如果其中某个组件被阴影遮挡或出现故障而停止发电时在二极管两端可形成正向偏压实现电流的旁路不至于影响其他正常组件的发电同时也保护太阳电池组件避免受到较高的正向偏压或由于热斑效应发热而损坏24控制器控制器是对光伏发电系统管理和控制的设备控制器主要由电子元器件仪表继电器开关等组成其主要作用是保护设备显示系统工作状态光伏系统数据及信息储存系统故障报警光伏系统遥测遥控遥信等光伏控制器采用高速CPU微处理器和高精度AD模数转换器是一个微机数据采集和监测控制系统既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态随时获得太阳电池板方阵的工作信息又可详细积累光伏电站的历史数据为评估光伏电站系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据此外光伏控制器还具有串行通信数据传输功能可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制光伏控制器使用最大功率追踪技术MPPT从而保证太阳能阵列全天时全天候的最大效率的工作可以将光伏组件工作效率提高30平均可提高效率为1025另外控制器还包含搜索功能它在整个太阳能板工作电压范围内每2个小时搜寻一次绝对最大功率输出点25逆变器由于光伏系统发出的是直流电如果并网必须经过逆变器转变成交流电逆变器是通过半导体功率开关的开通和关断作用将直流电能转变成交流电光伏系统发出的直流电需要通过一系列逆变控制检测保护等手段才能并入电5网实施时通常将控制器和逆变器结合在一起组成逆变控制器因此逆变器还应有并网和保护等功能太阳能光伏电场建设1电场设计11太阳辐射量及场地环境在太阳能电场设计选址初期首先要对当地的太阳辐射量做全面的了解以气象台提供的历史资料作为参考利用多年至少10年的太阳辐射数据取平均值注意气象台提供的只是水平面上的太阳辐照量而太阳电池方阵一般是倾斜放置的需要将水平面上的太阳辐照量换算成倾斜方阵面上的辐照量太阳电池受温度的影响较大在太阳电池温度升高时其开路电压要下降输出功率要减少在冬天温度较低时应适当考虑保温建设场地的最大风速全年雷暴天数沙尘天数等都影响太阳能电场的选址建设12方阵倾角的确定为了使得光伏方阵表面接收到更多的太阳的能量根据日地运行规律方阵表面最好是朝向赤道安装即在北半球朝向正南南半球朝向正北并且应该倾斜安装这样做一方面能够增加全年方阵表面所接收到的太阳辐射量另一方面能改变各月份方阵表面所接收到的太阳辐射量的分布对于并网光伏系统方阵倾角的确定原则是使方阵面上全年能接收到最大的辐照量一般根据当地太阳辐照量数据就可确定在该地区安装并网光伏系统的最佳方阵倾角13确定场地布置在选定了场地和确定了方阵倾角后要根据场地条件确定确定太阳能电池方阵的安装位置可根据场地的大小和太阳能电池组件的尺寸进行布置尽量在朝南方向安装前后方阵之间要满足其最小距离方阵之间不要有建筑物或树木遮挡否则遮挡部分不但没有电力输出反而会成为负载要消耗电力形成局部发热产生热斑效应严重时会损坏太阳电池614选择方阵支架根据优化设计出的太阳能电池组件数量和尺寸以及方阵最佳倾角设计方阵支架要求方阵支架牢固可靠并要充分考虑到承重通风抗震等因素在一些特殊地区如海边还要考虑防强风防潮湿防盐雾腐蚀等因素有时还要加设驱鸟装置15配电房的施工安排合理进行配电房的布置安排好控制器逆变器的位置使其尽量与变压器靠近但又最好能相互隔开使得布局得当接线可靠测量方便同时还要考虑电网连接位置及方式等16电气一次二次的设计根据太阳电池组件中串并联要求确定组件的连接方式在串并联组件数目较多时最好采用混合连接方式合理安排连接线路走向尽量采用最短的连接途径确定分线与总线的位置及连接方式决定开关及插件的配置根据光伏系统各部分的工作电压及电流按照有关电工标准和规范选择采用合适的连接电线电缆等附件17辅助设备的选配171控制器的选配按照负载的要求和控制系统的重要程度确定光伏系统控制器应具有的充分而又必要的功能并配置相应的控制器控制器功能并非越多越好否则不但增大成本而且还增添了出线故障的可能性172逆变器的选配逆变器的功率应稍大于太阳能电池方阵的输出功率逆变器还应配备必要的检测并网报警自动控制及测量等一系列功能特别是必须具备防止孤岛效应的功能以确保光伏系统和电网的安全7173三遥功能对于并网发电系统必须配备遥测遥控和远程通信的功能配备合适的设备174防雷装置在雷暴多发地区必须配备防雷装置防雷装置接地必须可靠175消防安全对于大型光伏电站需配置移动式灭火器灭火器的配置应符合建筑灭火器配置设计规范GB501402005