【文章內(nèi)容簡介】 種半導體結(jié)合在一起，由于電子和空穴的擴散，在交界面處就會形成 pn 結(jié)，并在結(jié)的兩端行成內(nèi)建電場，稱為勢壘電場。由于此處電子特別高，所以也成為阻擋層。當太陽光照射 pn 結(jié)時，在半導體內(nèi)的電子由于獲得了光能而釋放電子，相應的便產(chǎn)生了電子 空穴對，并在勢壘電場的作用下，電子被驅(qū)向 N 型區(qū)，空穴被驅(qū)向 P 型區(qū)，從而使 N 區(qū)有過剩的電子， P 區(qū)有過剩的空穴；于是就在 pn 結(jié)附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場。光生電場一部分抵消勢壘電場，其余部分使 P 型區(qū)帶正電， N 型區(qū)帶負電；于是，就使得在 N 區(qū)與 P 區(qū)之間的薄層產(chǎn)生了電動勢，即光生伏打電動勢。在接通外電路時便有電能輸出。這就是 pn結(jié)接觸性單晶硅太陽能電池工作基本原理。若把幾十個、幾百個太陽能單體串聯(lián)、并聯(lián)起來，組成太陽能電池組件，在太陽光的照射下，便可獲得相當可觀的輸出 第 4 頁 共 24 頁 4 吉林大學遠程教育 2021屆本科生畢業(yè)設計（論文） 功率的電能。 太陽能電池的電壓電流特性 太陽能電池的電路及等效電路如下圖所示 圖 22 光照是太陽能電池的電路圖 其中， LR 為電池的外負載電阻。當 LR =0 時所測電流為電路的短路電流 scI 。所謂短路電流即是將太陽能電池置于標準光源照射下，在輸出端短路時，流過太陽能電池兩端的電流，叫做太陽能電池的短路電流。測量短路電流的方法，是用內(nèi)阻小于一歐的電流表接在太陽能電池的兩端。 scI 值與太陽能電池的面積大小有關(guān)，面積越大 scI 值越大。當 ??LR 時，所測得的電壓為開路電壓 ocU 。所謂開路電壓即是將太陽能電池置于 2100mW/cm 的光源照射下，在兩端開路時 ，太陽能電池的輸出電壓值，叫做太陽能電池的開路電壓?？捎酶邇?nèi)阻的直流毫伏計測量。太陽能電池的開路電壓與光譜輻照度有關(guān)，與電池面積的大小無關(guān)。 sR 為串聯(lián)電阻，它主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導體電阻和電極與硅表面間接觸電阻所組成。 shR 為旁側(cè)電阻，它是由硅片邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的。一個理想的太陽能電池 sR 很小，而 shR 很大。由于 sR 和 shR 是分別串聯(lián)合并連在 第 5 頁 共 24 頁 5 吉林大學遠程教育 2021屆本科生畢業(yè)設計（論文） 電路中的，所以在進行理想電路設計時他們都可以忽略不計。下圖為太陽能電池的電壓電流特性曲線 圖 23 太陽能電池的電流 電壓特性曲線 太陽能電池方陣 太陽能電池方 陣可分為平板式和聚光式兩大類，平板式方陣，只需把一定數(shù)量的太陽能電池組件按照電性能的要求串、并聯(lián)起來即可，不需添加匯聚陽光的裝置，結(jié)構(gòu)簡單，多用于固定安裝的場合。聚光式方陣，加有匯聚陽光的收集器，通常采用平面反射鏡、拋物面反射鏡、或菲涅爾透鏡等裝置來聚光，以提高入射光譜輻照度。聚光式方陣，可比一些相同功率輸出的平板式方陣少用一些單體太陽能電池，使成本下降；但通常需要裝設向日跟蹤裝置，有了轉(zhuǎn)動部件，從而降低了可靠性。 3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理 圖 31 為太陽能發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成要素圖。但通常并不一 定像圖中所示的那樣那么多要素，但是可以按照太陽能發(fā)電系統(tǒng)使用的目的將構(gòu)成要素適當變化。 第 6 頁 共 24 頁 6 吉林大學遠程教育 2021屆本科生畢業(yè)設計（論文） 圖 31 太陽能發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成要素 太陽能電池陣列將太陽能電池的光能轉(zhuǎn)換成直流電能。為了增加耐用性而用樹脂和玻璃封裝的太陽能電池的最小單元稱為電池模塊。將這些模塊串聯(lián)起來形成電池鏈，再將它們集中用電線連接起來組成太陽能電池陣列。 為了將直流的太陽能發(fā)電系統(tǒng)的負荷相匹配，以將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的逆變器為首，系統(tǒng)中包含針對商用電力系統(tǒng)的負荷的各種各樣的界面。由這些電力變換裝置的控制、保護系統(tǒng)組成的一體化單元，稱為電力 調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 蓄電池作為積蓄太陽能發(fā)電系統(tǒng)的剩余電力的設備，即可保證高效利用受氣象影響隨時間變化的太陽能，同時還能在太陽能發(fā)電不足時滿足符合需求。此外還可以作為設備的輔助直流電源、輔助交流電源等外部電源，以及與商用電力系統(tǒng)并網(wǎng)。 與商用電力系統(tǒng)完全脫離，沒有其他輔助電源的系統(tǒng)稱為獨立系統(tǒng)。包括遠離商用電力系統(tǒng)的偏遠地區(qū)的電力供應、可移動的便攜電源等都是獨立系統(tǒng)的有效形式。同時從成本上看，鋪設配電線成本高的地方，柴油發(fā)電機燃料運送成本高的地方也非常適合采用獨立系統(tǒng)。 第 7 頁 共 24 頁 7 吉林大學遠程教育 2021屆本科生畢業(yè)設計（論文） 對于不能得到充分日照量而暫時 停止工作影響不大的情況，如灌溉系統(tǒng)以及叢井中汲水儲存到水箱所用的水泵系統(tǒng)等，用獨立型不帶蓄電池的太陽能發(fā)電系統(tǒng)非常合適。如使用直流電動機可以說是最簡單的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。如果采用交流負荷的感應電動機，就必須有將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆變器。 對于系統(tǒng)內(nèi)附有蓄電池的系統(tǒng)，即使在短時日照量不足的場合，也可以向負荷提供電力。由于太陽能電池及蓄電池的容量有富余，因此可以提供更加穩(wěn)定的電力系統(tǒng)。但是針對系統(tǒng)的工作條件，必須要留意不要使系統(tǒng)發(fā)電量產(chǎn)生過剩，從而使系統(tǒng)成本變得過高或造成浪費。 相對于獨立系統(tǒng)而 言，與商用電力系統(tǒng)連接（并網(wǎng)）的系統(tǒng)稱為并網(wǎng)系統(tǒng)。在擁有世界最高水平的商用電力系統(tǒng)的日本，隨著包括太陽能發(fā)電等各種分散型電源的普及，有關(guān)這些系統(tǒng)與商用電力系統(tǒng)并網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)的研究也從很早以前就開始了。 根據(jù)太陽能發(fā)電與商用電力負荷的供應形勢，并網(wǎng)型系統(tǒng)可分為兩種。一種是太陽能發(fā)電和商用電力的回路在通常狀態(tài)下分離，只在負荷消耗電力不足的情況下，太陽能發(fā)電的負荷連接切換到商用電力系統(tǒng)，這種形式被稱為切換系統(tǒng)。從系統(tǒng)分離出來的太陽能發(fā)電經(jīng)常用來為蓄電池充電。 另一種是太陽能發(fā)電與商用電力負荷始終連接在一起的形式， 稱為并網(wǎng)系統(tǒng)。并網(wǎng)系統(tǒng)中依靠太陽能發(fā)電的電力供應出現(xiàn)不足時用商用電力來補充。此外，太陽能發(fā)電的電力比負荷消耗電力多，出現(xiàn)剩余電力的場合，還可細分為兩種類型，能夠?qū)⑹Ｓ嗟碾娏σ阅骐娏鞯姆绞剿徒o商用電力系統(tǒng)稱為有逆流型并網(wǎng)系統(tǒng)（雙向電流并網(wǎng)），而不能逆流送電的稱為無逆流型并網(wǎng)系統(tǒng)（單相電流并網(wǎng)）。兩種系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)是相同的，有逆流型系統(tǒng)加上限制功能就可以變成單相流系統(tǒng)。 有逆流的系統(tǒng)中，太陽能發(fā)電電力比負荷消耗電力大的情況下，產(chǎn)生的剩余電力逆流進入商業(yè)系統(tǒng)，通過配電線供其他負荷使用。不足的情況下商用電力可以提供補 充，因此商用電力系統(tǒng)根據(jù)太陽能發(fā)電電力情況，扮演者滿足負荷能量需求的作用。即太陽能發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部通常是不需要蓄電池的。 第 8 頁 共 24 頁 8 吉林大學遠程教育 2021屆本科生畢業(yè)設計（論文） 太陽能發(fā)電直接受氣象變動的影響，作為它的本質(zhì)特征，輸出變動是在所難免的。如果系統(tǒng)裝備了蓄電池 ,與太陽能電池同樣具有充分的能量，這樣就可以提供更加穩(wěn)定的電力供應，然而要想達到完全獨立運轉(zhuǎn)恐怕其規(guī)模很難實現(xiàn)。因此，利用自然能源的發(fā)電系統(tǒng)要根據(jù)其穩(wěn)定性和成本的折中關(guān)系找到最適合點，這是非常關(guān)鍵的。 作為在不降低穩(wěn)定性前提下改變經(jīng)濟性的方針之一，考慮太陽能發(fā)電與異種電源組合的方案，被稱為混合系統(tǒng)。不同特點的多個特點組合有以下兩個特點值得期待。 ○ 1 相互取長補短。 ○ 2 優(yōu)點相加產(chǎn)生相乘效果 作為前者的例子，有區(qū)域能源混合系統(tǒng)和太陽能 — 柴油混合系統(tǒng)等。作為后者的例子，太陽能 — 熱混合系統(tǒng)是最典型的。 在區(qū)域能源混合系統(tǒng)中作為與太陽能組合的區(qū)域能源包括風力發(fā)電，潮汐發(fā)電和小水力發(fā)電等。這些能源的輸出全都是變動的，通過與太陽能發(fā)電互補可以提高輸出的穩(wěn)定性 。兩者的互補性到底有多大與設計場所的條件密切相關(guān)，因此事先的測量與評價非常重要。在條件好的情況下，太陽能發(fā)電和夜間也能發(fā)電的風力發(fā)電或是潮汐發(fā)電相互運用時可能的。 太陽能發(fā)電與柴油發(fā)電機構(gòu)成的太陽能 — 柴油機混合系統(tǒng)，與單獨的太陽能相比，由于柴油發(fā)電機的存在即使減小蓄電池的容量也可以持續(xù)提供穩(wěn)定的電力。一般情況下，獨立的太陽能發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池有大規(guī)?；陌l(fā)展傾向，柴油發(fā)電機可以作為其對策發(fā)生作用。還有在設置獨立系統(tǒng)的場所通常是燃料的運輸成本高。另外，內(nèi)燃機的性質(zhì)是小負荷下耗油增加。太陽能 — 柴油混合系統(tǒng)在每年的 負荷需求中，太陽能發(fā)電的部分就可以節(jié)約相應的燃料消費，同時對蓄電池靈活操作還能是柴油機的油耗保持在較理想的位置上。 太陽能 — 熱混合系統(tǒng)具有在一定的設計面積上增加太陽能利用量的優(yōu)點。太陽能發(fā)電可以將百分之十幾的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，剩下的能量無法利用只能丟棄。無法利用的大部分太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，使太陽能電池陣列的溫度上升從而引起其效率下降。太陽能 — 熱混合系統(tǒng)就是要回收這部分熱量，使其得到有效