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光伏发电基础知识

光伏发电基础知识

一、光伏发电的概念

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。主要由太阳电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成,主要部件由电子元器件构成。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

二、光伏发电的原理

光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。光子照射到金属上时,它的能量可以被金属中某个电子全部吸收,电子吸收的能量足够大,能克服金属内部引力做功,离开金属表面逃逸出来,成为光电子。硅原子有4个外层电子,如果在纯硅中掺入有5个外层电子的原子如磷原子,就成为N型半导体;若在纯硅中掺入有3个外层电子的原子如硼原子,形成P型半导体。当P型和N型结合在一起时,接触面就会形成电势差,成为太阳能电池。当太阳光照射到P-N结后,空穴由P极区往N极区移动,电子由N极区向P极区移动,形成电流。

光电效应就是光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子(光波)转化为电子、光能量转化为电能量的过程;其次,是形成电压过程。

多晶硅经过铸锭、破锭、切片等程序后,制作成待加工的硅片。在硅片上掺杂和扩散微量的硼、磷等,就形成P-N结。然后采用丝网印刷,将精配好的银浆印在硅片上做成栅线,经过烧结,同时制成背电极,并在有栅线的面涂一层防反射涂层,电池片就至此制成。电池片排列组合成电池组件,就组成了大的电路板。一般在组件四周包铝框,正面覆盖玻璃,反面安装电极。有了电池组件和其他辅助设备,就可以组成发电系统。为了将直流电转化交流电,需要安装电流转换器。发电后可用蓄电池存储,也可输入公共电网。发电系统成本中,电池组件约占50%,电流转换器、安装费、其他辅助部件以及其他费用占另外 50%。

光伏发电原理图

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三、光伏发电系统分类

(一)独立光伏发电

独立光伏发电也叫离网光伏发电。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成,若要为交流负载供电,还需要配置交流逆变器。独立光伏电站包括边远地区的村庄供电系统,太阳能户用电源系统,通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。

(二)并网光伏发电

并网光伏发电就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。

可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性,可以根据需要并入或退出电网,还具有备用电源的功能,当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑;不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能,一般安装在较大型的系统上。 并网光伏发电有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站,主要特点是将所发电能直接输送到电网,由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大,还没有太大发展。而分散式小型并网光伏,特别是光伏建筑一体化光伏发电,由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点,是并网光伏发电的主流。

(三)分布式光伏发电

分布式光伏发电系统,又称分散式发电或分布式供能,是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统,以满足特定用户的需求,支持现存配电网的经济运行,或者同时满足这两个方面的要求。

分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备,另外还有供电系统监控装置和环境监测装置。其运行模式是在有太阳辐射的条件下,光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能,经过直流汇流箱集中送入直流配电柜,由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载,多余或不足的电力通过联接电网来调节。

四、光伏发电的结构组成

光伏发电系统是由太阳能电池方阵,蓄电池组,充放电控制器,逆变器,交流配电柜,太阳跟踪控制系统等设备组成。其部分设备的作用是:

(一)光伏发电电池方阵

在有光照(无论是太阳光,还是其它发光体产生的光照)情况下,电池吸收光能,电池两端出现异号电荷的积累,即产生“光生电压”,这就是“光生伏特效应”。在光生伏特效应的作用下,太阳能电池的两端产生电动势,将光能转换成电能,是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池,分为单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。

(二)光伏发电蓄电池组

其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是:a.自放电率低;b.使用寿命长;c.深放电能力强;d.充电效率高;e.少维护或免维护;f.工作温度范围宽;g.价格低廉。

(三)光伏发电控制器

是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素,因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。

(四)光伏发电逆变器

是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源,而负载是交流负载时,逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式,可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统,为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单,造价低,但谐波分量大,一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高,但可以适用于各种负载。

(五)光伏发电跟踪系统

由于相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统,一年春夏秋冬四季、每天日升日落,太阳的光照角度时时刻刻都在变化,如果太阳能电池板能够时刻正对太阳,发电效率才会达到最佳状态。世界上通用的太阳跟踪控制系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度,将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中,也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。采用的是电脑数据理论,需要地球经纬度地区的的数据和设定,一旦安装,就不便移动或装拆,每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数;原理、电路、技术、设备复杂,非专业人士不能够随便操作。把加装了智能太阳跟踪仪的太阳能发电系统安装在高速行驶的汽车、火车,以及通讯应急车、特种军用汽车、军舰或轮船上,不论系统向何方行驶、如何调头、拐弯,智能太阳跟踪仪都能保证设备的要求跟踪部位正对太阳!

五、光伏发电的特点

(一)优点

无论从世界还是从中国来看,常规能源都是很有限的。中国的一次能源储量远远低于世界的平均水平,大约只有世界总储量的10%。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源,具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点,在长期的能源战略中具有重要地位。

与常用的火力发电系统相比,光伏发电的优点主要体现在:

①无枯竭危险;

②安全可靠,无噪声,无污染排放外,绝对干净(无公害);

③不受资源分布地域的限制,可利用建筑屋面的优势;例如,无电地区,以及地形复杂地区;

④无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电;

⑤能源质量高;

⑥使用者从感情上容易接受;

⑦建设周期短,获取能源花费的时间短。

(二)缺点

太阳能电池板的生产却具有高污染、高能耗的特点,在现有的条件下,生产国内自己使用的电池板还说的过去,不过大量出口等于污染中国,造福世界了,据统计,生产一块1m×1.5m的太阳能板必须燃烧超过40公斤煤,但即使中国最没有效率的火力发电厂也能够用这些煤生产130千瓦时的电——这足够让2.2瓦的发光二极管(LED)灯泡按照每天工作12小时计算发光30年。而一块太阳能电池板的设计寿命只有20年。

①照射的能量分布密度小,即要占用巨大面积;

②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。

③目前相对于火力发电,发电机会成本高。

④光伏板制造过程中不环保。

六、光伏发电的应用领域

(一)用户太阳能电源:(1)小型电源10-100W不等,用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电,如照明、电视、收录机等;(2)3-5KW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、灌溉。

(二) 交通领域如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。

(三) 通讯/通信领域:太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统;农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。

(四) 石油、海洋、气象领域:石油管道和水库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、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。

(五) 家庭灯具电源:如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。

(六) 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。

(七) 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。

(八) 其他领域包括:(1)与汽车配套:太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等;(2)太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统;(3)海水淡化设备供电;(4)卫星、航天器、空间太阳能电站等。