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光伏发电简介 光伏发电原理 1太阳电池 1.1半导体光生伏打电效应 硅，地球上最丰富的元素之一，经“提纯”和“生长”后成为晶体半导体，是 构成太阳电池的基本材料。太阳电池特有的电特性是借助于在晶体硅中掺入某些元 素（例如：磷或硼等），从而在材料的分子电荷里造成永久的不平衡，形成具有特 殊电性能的半导体材料。具有光-电转换特性的半导体器件通常由两种分别称为P型 半导体和n型半导体的材料结合而成（见图2-1），当光照射到p-n结上时，产生 电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子，受内建电场的吸引到达空间电 荷区。电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空 穴，在p-n结附近形成与势垒方向相反的光生电场。 光生电场除了部分抵消势垒电 场的作用外，还使P区带正电，n区带负电，在n区和p区之间的薄层产生电动势，这 丈阳光 表面电极 防止反射膜N型半导1*P型半导体TTTTz 底面电极尢上电流】* 防止反射膜 N型半导1* P型半导体 TTTT z 底面电极 尢上电流】 * ■ B ■ ■ # ■ 就是“光生伏打效图。2此时，半果导体光电路效应示中就有与入射光能量 成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流。另一方面，若将 p — n结两端开路， 则由于电子和空穴分别流人n区和p区，使n区的费米能级比p区的费米能级高，在这 两个费米能级之间就产生了电位差V。可以测得这个值，并称为开路电压。 1.2太阳电池原理 太阳电池是一种具有光伏打效应的半导体器件（简称“光伏器件”）,它直接将 太阳光转换成直流电，是光伏发电的最基本单元（见图 2-2）。太阳电池由两层半 导体材料组成，其厚度大约1/10C英寸，形成两个区域一一个正荷电区，一个负荷电 区。负区位于电池的上层，在这一层强迫渗透磷并与硅粘在一起。正区置于电池表 层的下面，正负界面区域称为p-n结。制造电池时p-n结被赋予了恒定的特性。当阳 光投射到太阳电池内保持松散状态的电子时，这些靠近 p-n结的电子朝向电池的表 层流动。金属线将光伏HE里每个电池的前意连图这样使电 层流动。金属线将光伏 HE 里每个电池的前 意连图这样使电 子通过许多p-n结，建立起所有电池的串联电压。在每个电池 p-n结处的电压增加大 约0.5V的电动势，这个电池电压与电池的尺寸无关。电流受电池面积和日照强度的 影响，较大面积的电池能够产生较强的电流。 2光伏电路原理 2.2.1简单光伏电路 电路是来自电压源的电子流的连续通道，例如将一个蓄电池通过导体或金属线 连到负载，就成为一个最简单的电路，如图2-3（a）所示。它有一个单一的电压源 （一个12V蓄电池）被导线W灯泡），使用一个开关接通或断 开灯泡与电源的连接。当电路断开时，灯是熄灭的。当电路成 2A (24W /12 V = 2A) 开灯泡与电源的连接。当电路断开时，灯是熄灭的。当电路 成 2A (24W /12 V = 2A)的电 合后，24 W灯泡将形 电流以2A的速率从蓄电池流出，再通过灯泡返回到 蓄电池。由蓄电池流出的电子所获得的12V势能，在照明灯里消耗掉 太阳电池组件是一组用金属线串联或串并联起来的太阳电池（见图2-4），目的 是产生所希望的电压和电流。太阳电池非常象小的蓄电池，当用金属线串联时, 电流值恒定，电压累加。每个太阳电池电压约0.5伏，36个电池串联的光伏组件工作 电压18伏，标称电压12伏，组件的输出电流与每个单独的电池电流相同。 依照上述电路的构成原理，将图2-3中的蓄电池替换成光伏组件后，在阳光的 照射下灯泡也将发光，从而构成一个最简单的光伏电路，如图 2-3 （b）所示。 222串联和并联光伏电路 太阳电池件组件同电源一样，也米用电压值和电流值标定。在充足的阳光下 50W组件标称电压是12V，电流大约3A。光伏组件可以组合到一起，根据需要可得 到不同的电压和电流。同蓄电池一样，将光伏组件串联时电压将增加，电流值不变。 同样的两个12V、3A光伏组件串联接线所示。为增 加 系统的电流值，光伏组件必须并联接线A光伏组件 并联接线A系统。并联接线使产生的电流值增加，电压值不变。 光伏系统可以采用串/并联接线，以获得所需要的电压和电流值。为得到 24V、 6A方阵需要四个光伏组件（见图2-7）。注意，串联接线时要将一个组件的正极（+） 连到另一个组件的负极（-），并联接线是从正到正极和负到负极。光伏组件串联接 线时的总电压降等于每个单独组件电压之和，串联接线时的各组件电流相等。 蓄电池与光伏组件连接时，组件使用串联和并联组合接线，可实现所负载所要 求的电压和电流。 图2-7并联太阳电池组件 2.2.3负载 负载是光伏系统中必不可少的用电设备。负载的评估是系统设计和成本核算的 关键步骤。用电设备的功率需求可以通过测量或从厂商提供的技术资料获得。但是 AlZ每天、每周或每个月用电设备工作的时间总量需要估计。 AlZ 当一个给定负载所需求的瓦数没有时，通常可用给出的电压、电流参数代替。 电压乘电流即可计算负载所需要的瓦数。交流（AC）或直流（DC）负载必须预先 确定，如果使用AC负载，需要配备逆变器。独立光伏系统选择的工作电压通常是 最大负载所要求的电压。DC电压一般是12V或12的倍数（24、36或48）。当多数负 载是DC时，系统电压的选择应以系统电流不超过允许值为准。如果负载具有不同 的DC电压，必须被全部列出，并选择具有最大电流的负载电压作为主要的系统电 压。 2.3光伏系统构成 光伏发电系统构成如图2-8所示，主要部件如下： 太阳电池：由硅半导体材料制成的方片、圆片或薄膜，在阳光照射下产生电压 和电流。 太阳电池组件：也称为“光伏组件”，预先排列好的一组太阳电池，被层压在超 薄、透明、高强 度玻璃和密封的封装底层之间。太阳电池组件有 各种各样的尺寸和形状，典型组件是矩形平板； 太阳电池方阵：简称“方阵”，在金属支架上用导线连在一起的多个光伏组件 的组合体。太阳电池方阵产生所需要的电压和电流； 蓄电池组：提供存储直流电能的装置； 控制器：系统控制装置。通过对系统输入输出功率的调节与分配，实现对蓄电 池电压的调整，以及系统赋予的其它控制功能； 逆变器：为运行以交流为动力的负载，将直流电转变为交流电的电气设备； 直流负载：以直流电为动力的装置或设备； 交流负载：以交流电为动力的装置或设备。 直流供电系统 $ Control device DC load /二丄*匚『 控制装■ 豪淹负裁］j Photovoltaic cell 丈阳电池 Storage battery 曹电池 交流供电系统 7 Control device Inverter AC load 庖/ ./ 交谎负戦 Photovoltaic c^lli 丈阳电池 Storage battery 山电池 : 图2-8光伏发电系统框图 2.4光伏系统类型 2.4.1 一体化光伏充电器 用光伏充电器来替代通常使用的蓄电池可能是比较经济的。一体化光伏蓄电 池充电器不仅具有所需的系统部件，而且将用具都置于一个盒内。最普通的是带 有可充电电池的一体化小型光伏充电器。带有光伏充电单元的照明灯、时钟和收 音机已有成套装置出售。太阳能手提灯和用于收音机蓄电池的光伏充电器具有广 泛的潜在市场。 242白天用光伏系统 最简单、成本最低的是仅仅在白天运行的光伏系统。这些系统由导线将光伏组 II: IF ja1 II: IF j a 1 . 1 ph i am 4MINIK dMIMII FV方阵 DC水泵 件与直流设备直接连在一起。太阳光照射在太阳电池上就产生电能，同时被负载利 用。白天使用的光伏系统发电时，较高的日照水平可使负载获得更多的运行机会。 白天使用的光伏系统没有电能存储功能，因此只有当太阳正在照射时负载才能工 作。简单的白天用光伏系统适合于仅仅在白天运行的负载，选择此类负载时应注意 光伏系统的投资效果。 白天用光伏系统的实例包括： 带有储水箱的远距离水泵（见图2-9）； 白天运行的风扇、鼓风机或分配太阳热能的循环器，例如：太阳能水加热装置 和白天通风的场所； 利用太阳能工作的独立装置，例如：计算器和玩具等。 243储能式直流系统 在光伏系统里，存在晚上或阴天需要运行的负载时，该系统必须包括储能单元, 通常用蓄电池储存由光伏组件产生的电能。系统负载可以在白天或夜间运行，也可 以连续或间歇运行，遇到阴天时负载将从蓄电池汲取电能。此外，蓄电池组在短时 5尙载氈皑肅 竝贺载配电?! 图2-10蓄电池储能直流光伏系统 间内有能力提供大的冲击电流，这样系统有更好的适应性，如启动大的电动机或执 行另外一些“高功率”任务。 使用蓄电池的简单直流光伏系统见图2-10。这个系统的基本部件包括一个光伏 组件，一个充电控制器，储能蓄电池以及相当于系统用电负载的设备。蓄电池组由 12个大容量蓄电池排列而成。深循环蓄电池可承受深度放电，电池放电后当太阳照 射时再将蓄电池充满电。比起常规的汽车蓄电池，深循环蓄电池更适合用在光伏系 统中。蓄电池组的规模和配置应取决于系统电压和夜间使用的电流。另外，当地的 气候条件和特点，例如阴天情况和环境温度在蓄电池设计中必须给予考虑。光伏组 件的数量必须慎重选择，以便在白天能充分的向蓄电池充电。 244交/直流两用光伏系统 光伏组件产生的是直流电（DC），许多普通用电设备要求交流电（AC）。逆变 器可将直流电转换为交流电，向交流负载供给电能的直流系统必须使用逆变器。在 光伏系统里逆变器增加了系统的适应性，为用户提供了方便，但是也增加了系统的 复杂性和成本。现在大多数电气产品都是交流设备，交流设备有更多的选择余地， 与直流设备相比交流设备一般具有较低的成本和较高的可靠性。高质量的逆变器已 商品化，并有不同的容量范围供用户选择。有关逆变器的内容在第七章有更详细的 讨论。交/直流两用光伏系统示意图见图2-11。 245并网光伏系统 在并网光伏系统的设计里，不提供蓄电池存储单元，白天不用的多余电量，用 户可以通过逆变器将这些电能出售给当地的公用电力网， 该逆变器是为这类光伏系 统专门设计的。当用户需要光伏系统产生的多余电能时，还可从公共电力网购回这 部分功率。并网光伏系统示意图见图2-12。 246光伏混合发电系统 互补发电就是将另外的电源同时接入光伏发电系统， 在许多场合下用户要求采 用互补发电方式。多数混合发电系统使用柴油机发电机，称为光伏/柴油机互补发电 系统。将普通发电机引入光伏系统能够大
