太阳能光伏发电工作原理ppt课件.ppt

太阳能光伏发电技术及其应用,姚建曦,太阳能光伏发电工作原理、运行方式及系统组成,1.太阳能光伏发电的运行方式,一、太阳能光伏发电的运行方式,1）按供电类型分：直流供电系统交直流供电系统2）按供电特点分：独立光伏发电系统并网光伏发电系统,葡萄牙南部阿马雷莱雅拍摄的莫拉太阳能发电厂安装的太阳能电池板。,直流供电系统,交直流供电系统,独立光伏发电系统,独立光伏发电系统：是未与公共网相联接的太阳能光伏发电系统，仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统或主要依靠太阳能电池供电的光伏发电系统，在必要时可以由油机发电、风力发电、电网电源或其他电源作为补充。从电力系统来说，kW级以上的独立光伏发电系统也称为离网型光伏发电系统。,一、太阳能光伏发电的运行方式,并网光伏发电系统,并网光伏发电系统：与公共电网相联接的太阳能光伏发电系统。它是太阳能光伏发电进入大规模商业发电阶段，成为电力工业组成部分之一的重要方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。,一、太阳能光伏发电的运行方式,2.太阳能光伏发电系统的组成,二、太阳能光伏发电系统的组成,1、独立太阳能光伏发电系统,根据用电负载的特点,直流系统,交流系统,交直流系统,最大区别是系统中是否带有逆变器,二、太阳能光伏发电系统的组成,二、太阳能光伏发电系统的组成,二、太阳能光伏发电系统的组成,(d) 有后备能源和放电器的光伏系统,二、太阳能光伏发电系统的组成,1.1 太阳能电池方阵,太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为2cm2cm到15cm15cm不等。,太阳能电池单体的工作电压约为0.450.5V,工作电流约为2025mA/cm2,一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联并封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。,1、独立太阳能光伏发电系统,二、太阳能光伏发电系统的组成,1.1 太阳能电池方阵,太阳能电池组件再经过串并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率。,1、独立太阳能光伏发电系统,二、太阳能光伏发电系统的组成,1.1 太阳能电池方阵,一个太阳能电池只能产生大约0.45V电压，远低于实际应用所需要的电压将太阳能电池通过导线连接成组件，一个组件上，太阳能电池的标准数量是36个或40个（ 10cm10cm），这意味着一个太阳能电池能产生16V的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效地充电。,当需要更高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可以把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需的电压和电流。,1、独立太阳能光伏发电系统,二、太阳能光伏发电系统的组成,1.2 防反充二极管,又称阻塞二极管。其作用是避免由于太阳能电池方阵在阴雨天和夜晚不发电时或出现短路故障时，蓄电池组通过太阳能电池方阵放电。它串联在太阳能电池方阵电路中，起单向导通的作用。要求其能承受足够大的电流，而且正向电压降要小，反向饱和电流要小。一般可选用合适的整流二极管。,1、独立太阳能光伏发电系统,二、太阳能光伏发电系统的组成,1.3 蓄电池组,其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时所发出的电能并可随时向负载供电。,基本要求：自放电率低 使用寿命长深放电能力强 充电效率高少维护或免维护 工作温度范围宽价格低廉,1、独立太阳能光伏发电系统,二、太阳能光伏发电系统的组成,1.4 控制器,蓄电池，尤其是铅酸蓄电池，需要在充电和放电过程中加以控制，频繁地过充电和过放电都会影响蓄电池的使用寿命。过充电会使蓄电池大量出气（电解水），造成水分散失和活性物质脱落；过放电则容易加速栅板的腐蚀和不可逆硫酸化。为了保护蓄电池不受过充电和过放电的损害，则必须要有一套控制系统来防止蓄电池的过充电和过放电，这套系统称为充放电控制器。其通过检测蓄电池的电压和荷电状态，判断蓄电池是否已经达到过充点或过放点。并根据检测结果发出继续充、放电的指令。,1、独立太阳能光伏发电系统,二、太阳能光伏发电系统的组成,1.5 逆变器,逆变器是将直流电变换为交流电的设备，逆变器是通过半导体功率开关的开通和关断作用，把直流电能转变为交流电能的一种变换装置，是整流变换的逆过程。,逆变器及逆变技术可按输出波形、输出频率、输出相数等来分类。,1、独立太阳能光伏发电系统,二、太阳能光伏发电系统的组成,1.6 测量设备,对于小型太阳能电池发电系统，只要求进行简单的测量，如蓄电池电压和充放电电流，测量所用的电压表和电流表一般就装在控制器上。对于太阳能通信电源系统、管道阴极保护系统等工业电源系统和中大型太阳能光伏电站，往往要求对更多的参数进行测量，如太阳辐射、环境温度、充放电电量等。有时甚至要求具有远程数据传输、数据打印和遥控功能，这就要求为太阳能电池发电系统配备数据采集系统和微机监控系统。,1、独立太阳能光伏发电系统,二、太阳能光伏发电系统的组成,2、并网太阳能光伏发电系统,光伏发电系统(以下简称光伏系统)的主流发展趋势是并网光伏发电系统：太阳能电池所发的电是直流，必须通过逆变装置变换成交流，再同电网的交流电合起来使用，这种形态的光伏系统就是并网光伏系统。并网光伏系统可分为：住宅用并网光伏系统和集中式并网光伏系统(电站)两大类。前者的特点：是光伏系统发的电直接被分配到住宅内的用电负载上，多余或不足的电力通过连接电网来调节：后者的特点：是光伏系统发的电直接被输送到电网上，由电网把电力统一分配到各个用电单位。,二、太阳能光伏发电系统的组成,住宅用并网光伏系统,2、并网太阳能光伏发电系统,根据联网光伏系统是否允许通过供电区变压器向主电网馈电，分为可逆流与不可逆流并网光伏发电系统。,可逆流系统：是在光伏系统产生剩余电力时将该电能送入电网，由于是同电网的供电方向相反，所以成为逆流；当光伏系统电力不够时，则由电网供电。这种系统，一般是为光伏系统的发电能力大于负载或发电时间同负载用电时间不相匹配而设计的。,二、太阳能光伏发电系统的组成,可逆流系统,二、太阳能光伏发电系统的组成,不可逆流系统：是指光伏系统的发电量始终小于或等于负荷的用电量，电量不够时由电网提供，即光伏系统与电网形成并联向负载供电。这种系统，即使当光伏系统由于某种特殊原因产生剩余电能时，也只能通过某种手段加以处理或放弃，由于不会出现光伏系统向电网输电的情况，所以称为不可逆流系统。,住宅用并网光伏系统,2、并网太阳能光伏发电系统,二、太阳能光伏发电系统的组成,不可逆流系统,二、太阳能光伏发电系统的组成,住宅系统又有家庭系统和小区系统之分。家庭系统：装机容量小，一般为15kWp，为自家供电，独立计量电量。小区系统：装机容量较大些，一般为50300kWp，为一个小区或一栋建筑物供电，统一管理，集中分表计量电量。,住宅用并网光伏系统,2、并网太阳能光伏发电系统,二、太阳能光伏发电系统的组成,住宅用并网光伏系统,2、并网太阳能光伏发电系统,根据联网光伏系统是否配置储能装置，分为有储能装置和无储能装置联网光伏发电系统。,二、太阳能光伏发电系统的组成,有储能（带蓄电池）系统,住宅用并网光伏系统,2、并网太阳能光伏发电系统,二、太阳能光伏发电系统的组成,住宅用并网光伏系统,2、并网太阳能光伏发电系统,二、太阳能光伏发电系统的组成,无储能（不带蓄电池）系统,2、并网太阳能光伏发电系统,其工作原理是：太阳能电池方阵在太阳光辐射下发出直流电，经逆变器转换为交流电，供用电器使用；系统同时又与电网相联，白天将太阳能电池方阵发出的多余电能经联网逆变器逆变为符合所接电网电能质量要求的交流电馈入电网，在晚上或阴雨天发电量不足时，由电网向住宅（用户）供电。住宅联网系统所在负载的电压，在我国一般是单相220V和三相380V，所接入的电网为低压商用电网。,二、太阳能光伏发电系统的组成,住宅用并网光伏系统图,2、并网太阳能光伏发电系统,太阳能电池方阵,目前工程上应用的太阳能电池方阵多为由一定数量的晶体硅太阳能电池组件按照联网逆变器输入电压的要求串、并联后固定在支架上组成。,(1)建筑与光伏系统相结合,是将现成的平板式光伏组件安装在建筑物的屋顶等处，引出端经过逆变和控制装置与电网联结，由光伏系统和电网并联向住宅（用户）供电，多余电力向电网反馈，不足电力向电网取用。,二、太阳能光伏发电系统的组成,(2)建筑与光伏组件相结合,光伏建筑一体化系统的关键技术问题之一，是设计良好的冷却通风，这是因为光伏组件的发电效率随其表面的工作温度上升而下降。理论和实验证明，在光伏组件屋面设计空气通风通道，可使组件的电力输出提高8.3%左右，组件的表面温度降低15C。,2、并网太阳能光伏发电系统,太阳能电池方阵,将光伏组件与建筑材料集成化。建筑物的外墙一般都采用涂料、马赛克等材料，为了美观，有的甚至采用价格昂贵的玻璃幕墙等。如果把屋顶、向阳外墙、遮阳板甚至窗户等的材料用光伏器件来代替。则能作为建筑材料和装饰材料，一举两得。,二、太阳能光伏发电系统的组成,空间电站,未来能源基地,二、太阳能光伏发电系统的组成,空间太阳能电站,太阳能的散射面很宽，特别是经过地球大气层时，大部分能量被大气层反射、散射或吸收掉了。在宇宙空间，由于太阳光线不会被大气减弱，也不会被大气阻拦，可以直接受到太阳光的照射，因此建造太阳能电站是一个非常理想的方法。,和地面相比，用同样面积的太阳能电池帆板，在同步轨道可多获6到11倍的太阳能。如果把空间太阳能电站建设在圆形日心轨道上，那就不再怕地球挡住阳光，并可获更多的太阳能,在宇宙空间的太阳能电站，聚集大量阳光，利用光电转换产生直流电，并通过相应的装置将直流电变换成微波，以微波波束的形式传输到太空用户或者传输到地球上 .,太阳空间电站传输,它是由永远朝向太阳的太阳电池列阵，能把直流电转换成微波能的微波转换站，发射微波束能的列阵天线等三部分组成，通过天线以微波形式向地面输电。在地面上则要建一个面积达几十平方公里的巨型接受系统。太空太阳电站是十分巨大的，据计算一座81010W的太空太阳电站其太阳电池的列阵面积即达64km2，要装配几百亿个电池片，把微波发往地球的天线列阵面积需2.6 km2。,太阳空间电站的优点,空间发电有两大优点：一是可以充分利用太阳能，同时又不会污染环境，二是 不用架设输电线路，可直接向空中的飞船和飞机提供电力，也可向边远的山区、沙漠和孤岛送电。科学家预测，一旦建成空间电站，人类可以不断获得能源，地球能源利用将产生革命性变化。,据分析，空间太阳能电站的最佳容量是5到10兆瓦，悬挂于地球赤道上空36000公里高度的对地静止电站的质量为5万吨至10万吨。,空间太阳能电站,最初步的估算表明，空间太阳能电站每产生1千瓦电量的造价会比核电站同样功率的造价高出50至100。比水电站高出100至150，比热电站高 300至500。但是，由于使用甚高频微波辐射传输到地球，微波能量实际上不会被大气所吸收，地面接收站接收到的微波能量转变为电能供给用户，其转换效率可高达90；更由于空间太阳能电站不消耗地球资源，因此工作约5至7年后，其利润将比热电站和核电站高。,建造空间太阳能电站的另一个关键问题是运输。计算表明，在5年内回收这样一个电站的费用，它每千克重量的成本不应超过 150至200美元。此外，运载火箭应有非常大的推力，一次能将500吨的有效载荷送入轨道。在这样的情况下，总计只需100至200次的发射就可以了，所有货物 在3至5年内运输到位。,空间电站碰到的问题,（1）空间运输成本问题 。法国电力公司课题研究部顾问吕西安德尚说，要使太阳能卫星变得可行，空间运输成本最少也得降低99。,碰到的问题,（2）能量转换的效率问题 。美国慕尼黑理工大学空间技术研究所名誉所长哈里鲁普认为，在把太阳能输送到地球的过程中存在的能量转换的效率问题。他还担心微波束可能会把经过其传输路径的鸟或人烤熟并可能引起电磁干扰，扰乱飞机的雷达系统。,3.太阳能电池的工作原理,三、太阳能光伏发电的工作原理,1、半导体物理知识,固体材料按照它们导电能力的强弱，可分为超导材料、导体材料、绝缘体材料和半导体材料导体：导电能力强的物体，电阻率在10-810-6m的范围内（金、银、铜、铁、铝等）绝缘体：导电能力弱或基本上不导电的物体，电阻率在1081020m的范围内（橡胶、塑料、木材、玻璃等）半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，电阻率在10-5107m的范围内（锗、硅、砷化稼、硫化镉等）,禁带、价带和导带,导带,价带,金属,导带,价带,禁带Eg,导带,价带,禁带Eg,半导体,绝缘体,十分之几eV4eV,5eV10eV,三、太阳能光伏发电的工作原理,N型半导体,三、太阳能光伏发电的工作原理,N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。,由于磷原子在晶体中起释放电子的作用，所以称之为施主杂质，也叫n型杂质,三、太阳能光伏发电的工作原理,P型半导体,三、太阳能光伏发电的工作原理,P型半导体,在本征半导体中掺入三价杂质元素，在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一空穴。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。,由于硼原子在晶体中起接受电子而产生空穴的作用，所以称之为受主杂质，也叫P型杂质,三、太阳能光伏发电的工作原理,-n结,在一块半导体晶体上，通过某些工艺过程，使一部分呈p型（空穴导电），一部分呈n型（电子导电），则该p型和n型半导体界面附近的区域，就叫做p-n结,空穴扩散方向,电子扩散方向,n区,区,形成p-n结前载流子的扩散方向,内建电场方向,空间电荷区和内建电场,三、太阳能光伏发电的工作原理,当有适当波长的光照射到这个pn结太阳能电池上后，由于光伏效应而在势垒区两边产生了电动势。因而光伏效应是半导体电池实现光电转换的理论基础，也是某些光电器件赖以工作的最重要的物理效应。因此，我们将来仔细分析一下pn结的光伏效应.,三、太阳能光伏发电的工作原理,太阳能电池的基本工作原理,三、太阳能光伏发电的工作原理,在pn结开路的情况下，pn结两端建立起稳定的电势差Voc，（p区相对于n区是正的），这就是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p-n结起了电源的作用。这就是光电池的基本原理,三、太阳能光伏发电的工作原理,由上面分析可以看出，为使半导体光电器件能产生光生电动势（或光生积累电荷），它们应该满足以下两个条件：1、半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数，即要求入射光子的能量h大于或等于半导体材料的带隙Eg，使该入射光子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。,三、太阳能光伏发电的工作原理,2、具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子，在p区内积累了非平衡空穴，而在n区内积累起非平衡电子。产生了一个与平衡pn结内建电场相反的光生电场，于是在p区和n区间建立了光生电动势（或称光生电压）。,三、太阳能光伏发电的工作原理,太阳能电池的结构（以n+/p型太阳能电池为例）,三、太阳能光伏发电的工作原理,通常的发电系统如火力发电，就是燃烧石油或煤以其燃烧能来加热水，使之变成蒸汽，推动发电机发电；原子能发电则是以核裂变放出的能量代替燃烧石油或煤，而水力发电则是利用水的落差能使发电机旋转而发电。 太阳能电池发电的原理是全新的，与传统方法是完全不同，既没有马达旋转部分，也不会排出气体，是清洁无污染的发电方式。,3、太阳能电池工作原理与特性,太阳能电池的分类,按照结构分类,同质结太阳能电池：由同种材料所形成p-n结（SI、GaAS）,异质结太阳能电池：由两种禁带宽度不种材料所形成p-n结(氧化锡/硅、硫化亚铜/硫化镉、砷化稼/硅),肖特基太阳能电池：利用金属半导体界面的肖特基势垒而构成的太阳能电池(铂/硅、铝/硅),多结太阳能电池：由多个p-n结形成的太阳能电池,液结太阳能电池：浸入电解质中的半导体构成的太阳能电池,三、太阳能光伏发电的工作原理,3、太阳能电池工作原理与特性,太阳能电池的分类,按照材料分类,硅太阳能电池：以硅为基体材料（单晶硅、多晶硅）,化合物半导体太阳能电池：由两种或两种以上的元素组成具半导体特性的化合物半导体材料制成的太阳能电池(硫化镉、砷化稼、碲化镉、硒铟铜、磷化铟),有机半导体太阳能电池：用含有一定数量的碳碳键且导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的电池(分子晶体、电荷转移络合物、高聚物),薄膜太阳能电池：用单质元素、无机化合物或有机材料制作的薄膜为基体材料的太阳能电池（非晶硅、多晶硅、纳米晶）,三、太阳能光伏发电的工作原理,太阳能电池的电流电压特性,短路电流Isc如将p-n结短路（V=0），这时所得的电流为短路电流Isc，短路电流等于光生电流（与太阳能电池的面积大小有关，面积越大，Isc 越大）,三、太阳能光伏发电的工作原理,太阳能电池的电流电压特性,开路电压Voc在p-n结开路情况下（RL=），此时pn结两端的电压即为开路电压Voc（与光谱辐照强度有关，与电池的面积大小无关，随温度升高，开路电压下降）,三、太阳能光伏发电的工作原理,太阳能电池的伏安特性曲线,当太阳电池接上负载R 时，所得的负载伏安特性曲线如图所示。,三、太阳能光伏发电的工作原理,太阳能电池的伏安特性曲线,负载R可以从零到无穷大。当负载Rm使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率Pm为 式中 Im 和 Vm 分别为最佳工作电流和最佳工作电压。,三、太阳能光伏发电的工作原理,填充因子FF在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该点所对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，称为最佳工作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Vm和最佳工作电流Im。,它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积在Voc和Isc所组成的矩形面积中所占的百分比。特性好的太阳能电池就是能获得较大功率输出的太阳能电池，也就是Voc，Isc和FF乘积较大的电池。对于有合适效率的电池，该值应在0.70-0.85范围之内。,太阳能电池的光电转换效率,表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。即：,其中Pin是入射光的能量密度,Vm最佳工作电压,Im最佳工作电流,Voc开路电压,ISC短路电流,三、太阳能光伏发电的工作原理,影响太阳能电池转换效率的一些因素,影响太阳能电池转换效率的一些因素,我们前面介绍了太阳能电池转换效率的理论值，这些理论值都是在理想情况下得到的。而太阳能电池在光电能量转换过程中，由于存在各种附加的能量损失，实际效率比上述的理论极限效率低。下面以pn结硅电池为例，介绍一些影响太阳能电池转换效率的因素。,三、太阳能光伏发电的工作原理,提高太阳电池效率的考虑,提高太阳电池效率的考虑,只有大于 的那部分能量可以被吸收。 越小 越大最大功率考虑太阳电池的最大输出功率由开路电压和短路电流所决定。由光谱考虑，发现 随着的 增加而减小。开路电压 乘积会出现一极大值。,提高太阳电池效率的考虑,表面反射采用抗反射层聚光聚光是用聚光器面积代替许多太阳能电池的面积，从而降低太阳能电池造价。它的另一个优点是增加效率。因此一个电池在1000个太阳强度的聚光度下工作产生的输出功率相当于1300个电池在一个太阳强度下工作的输出功率。,北京市大兴区50千瓦大型屋顶光伏并网示范电站,谢谢！,