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太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計、安裝運(yùn)行及維護(hù)(參考版)

2024-11-08 06:54本頁面
  

【正文】 在恒定光照下,一個處于工作狀態(tài) 的太陽電池,其光電流不隨工作狀態(tài)而變化,在等效電路中可把它看作是恒流源。假如半導(dǎo)體 pn 結(jié)的質(zhì)量很好,禁帶寬度愈寬的半導(dǎo)體,開路電壓 VOC也愈大。圖 表示具有代表性的硅和 GaAs 太陽電池的 ISC與 Voc 之間的關(guān)系。 在很強(qiáng)的陽光下, ISCI0, 0ln IIqnkTV scoc ? () 由此可見,在較弱陽光時,硅太陽電池的開路電壓隨光的強(qiáng)度作近似直線的變化。 開路電壓 當(dāng)太陽電池處于開路狀態(tài)時,對應(yīng)光電流的大小產(chǎn)生電動勢,這就是開路電壓。即139。這個薄膜層稱為減反射膜( Antireflective coating)。 AM 表示入射到地球上的大氣的太陽直射光所通過的路程長度,定義為 ZbbAM sec0? () 式中: b0—— 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 b—— 測定時的大氣壓 Z—— 太陽天頂距離 一般情況下, b ? b0,例如, AM1 相當(dāng)于太陽在天頂位置時的情況, AM2 相當(dāng)于太陽高度角為 30?時的情況, AM0 則表示在宇宙空間中的分布 實際半導(dǎo)體表面的反射率與入射光的波長有關(guān),反射率一般為 30~ 50%。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)(系統(tǒng)設(shè)計、安裝運(yùn)行及維護(hù)) 29 F( ?)的值很大的程度上依賴于太陽天頂角。 太陽電池的基本特性 短路電流 太陽電池的短路電流等于其光生電 流。通過調(diào)整負(fù)載的大小,可以在一個最佳的工作點上得到最大輸出功率。 圖 無光照和有光照時太陽電池電流-電壓特性 當(dāng)太陽電池與負(fù)載 R 連接,并用太陽光照射時,負(fù)載上的電流 Im和電壓 Vm將由圖中有光照時的電流一電壓特性曲線與 V=IR 表示的直線的交點來確定。圖 表示了無光照時太陽電池典型的電流電壓特性(暗特性)。本節(jié)以最普通的硅材料 PN結(jié)太陽電池為例,研究光能轉(zhuǎn)換成電能的過程。它的基本構(gòu)造是由半導(dǎo)體的 PN 結(jié)組成。由太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)(系統(tǒng)設(shè)計、安裝運(yùn)行及維護(hù)) 28 于此時 pn 結(jié)處于正向偏置,因此,上述短路光電流和二極管的正向電流相等,并由此可以決定 VOC的值。此時,如果將外電路短路,則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過,這個電流稱作短路電流( Isc),另一方面,若將 PN 結(jié)兩端開路,則由于電子和空穴分別流入 N 區(qū)和 P 區(qū),使 N 區(qū)的費(fèi)米能級比 P 區(qū)的費(fèi)米能級高,在這兩個費(fèi)米能級之間就產(chǎn)生了電位差 VOC。它們在 pn 結(jié)附近形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。 太陽電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體 pn 結(jié)的 光生伏特效應(yīng) 。 太陽電池可利用的電子主要是價帶電子。稱 J0為飽和電流密度。電流密度 Jp為 ? ? ?????? ?????????? 1e x p00 kTqVLDqpppLDqJppnnnppp () 同樣,注入到 p 區(qū)的少數(shù)載流子電子的電流密度 Jn為 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)(系統(tǒng)設(shè)計、安裝運(yùn)行及維護(hù)) 27 ?????? ???????? 1e x p0 kTqVLDqnJ nnpn () 因加偏壓 V 而產(chǎn)生的總電流是空穴電流與電 子電流之和,故總電流密度 J 為: ?????? ?????????? 1e x p0 kTqVJJJJ np () nnpppn LDqnLDqpJ000 ?? () 總電流密度 J 具有如圖 所示的整流特性。當(dāng)存在外加電壓時,空間電荷區(qū)的 n 區(qū)邊界和 p 區(qū)邊界的空穴濃度 pn及電子濃度 np如下: ??????????????kTqVnnkTqVppppnne xpe xp00 () 當(dāng)加正向電壓時 V0,加反向電壓時 V0。當(dāng)外加電壓使得 p 區(qū)為正時,勢壘高度減小,空穴從 p 區(qū)向 n 區(qū)的移動以及電子從 n 區(qū)向 p 區(qū)的移動變得容易,在兩個區(qū)內(nèi)有少數(shù)載流子注入,因此電流容易流動(稱為正向)。這兩種半導(dǎo)體的界面稱作 PN 結(jié) 。 圖 太陽電池工作示意圖 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)(系統(tǒng)設(shè)計、安裝運(yùn)行及維護(hù)) 26 圖 彩色太陽電池 隨著地球化石資源的日益消耗和環(huán)保意識的深入人心,隨著太陽能光伏發(fā)電理論研究和新工藝技術(shù)研究的深入發(fā)展,也隨著規(guī)模效應(yīng)帶來的成本的持續(xù)下降,太陽能光伏發(fā)電有望逐漸成為新世紀(jì)的主力電源。此外對于晶體硅太陽電池,由于減反膜的厚度不同可以制備成不同顏色的太陽電池。目前市場上所用多是硅太陽電池。當(dāng)陽光照射到太陽電池上,光子所含的能量被太陽電池吸收后,產(chǎn) 生光生伏打效應(yīng),將太陽電池兩極用導(dǎo)線連成回路后,形成光生電流。 通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能利用的屬于太陽能熱利用技術(shù),再利用熱能進(jìn)行發(fā)電的稱為太陽能熱發(fā)電,也屬于這一技術(shù)領(lǐng)域;通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能利用的屬于太陽能光發(fā)電技術(shù),光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的,因此又稱太陽能光伏技術(shù)??沙浞掷卯?dāng)?shù)刎S富的太陽能資源,采用太陽光發(fā)電技術(shù),發(fā)展經(jīng)濟(jì),提高人民生活水平。上述一、二、三類地區(qū)約占全國總面積的 2/3 以上,年太陽輻射總量高于 5000 MJ/m2,年日照時數(shù)大于 2020h,具有利用太陽能的良好條件。 從全國來看,我國是太陽能資源相當(dāng)豐富的國家,絕大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在 4 kWh/ 以上,西藏最高達(dá) 7 kWh/。 太陽能輻射數(shù)據(jù)可以從縣級氣象臺站取得,也可以從國家氣象局取得。這些地區(qū)包括湖南、湖北、廣西、 江西、浙江、福建北部、廣東北部、陜南、蘇北、皖南以及黑龍江、臺灣東北部等地。主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、蘇北、皖北、臺灣西南部等地。這些地區(qū)包括河 北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。尤以西藏西部最為豐富,最高達(dá) 2333kWh/ m2 (日輻射量 ),居世界第二位,僅次于撒哈拉大沙漠。 一類地區(qū)為我國太陽能資源最豐富的地區(qū),年太陽輻射總量 66808400 MJ/m2,相當(dāng)于日輻射量 。全國各地的年太陽輻射總量為 928- 2333kWh/ m2,中值為 1626kWh/ m2。南從北緯 4o的曾母暗沙,北到北緯 的漠河,西自東經(jīng) 73o 的帕米耳高原,東至東經(jīng) 135o 的黑龍江與烏蘇里江匯流處,距離都在 5000 公里以上。 3Mw/cm2) 比率 (冬至) (春分) (夏至) 5(秋分) 世界和中國太陽能資源分布 情況 在世界上, 美國西南部,非洲,澳大利亞等地總輻射量或日照時數(shù)都最大,在這些地區(qū)很多屬于第三世界發(fā)展中國家,在這些地方利用太陽能發(fā)電具有很多優(yōu)越性。實際使用的測量儀表有: ①、 天空輻射計 ②、 散射輻射計 ③、 棒移式總輻射計 ④、 直 接輻射計 ⑤、 日照時數(shù)計 表 波長 (um) 圖 22 太陽能光譜分布 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)(系統(tǒng)設(shè)計、安裝運(yùn)行及維護(hù)) 23 表 21 是地球表面接收到的太陽輻射能按月份變化的規(guī)律: 表 21 太陽輻射能按月份變化規(guī)律 月份日期 太陽強(qiáng)度 Mw178。(一般采用 的分布,即總功率密度為 1KW/m2 ( 100mW/cm2),即接近地球表面接收到的功率密度的最大值) 在給定地點,影響有效日照的因素有緯度,高度,氣候類別,主要植被,當(dāng)?shù)氐乩硖卣?。 與地球大氣層外的情況相反,地面陽光的強(qiáng)度和光譜成分變化都很大。 當(dāng)太陽和頭頂正上方成一個角度 ?時,大氣質(zhì)量由下式得出:大氣質(zhì)量 =1/cos? 估算大氣質(zhì)量的簡易方法是測量高度為 h 的豎直物體投射的陰影長度 s,于是有 ? ?21 hs??大氣質(zhì)量 在其他大氣變量不變的情況下,隨著大氣質(zhì)量的增加,到達(dá)地球的能量在所有波段都遭到衰減。 太陽在頭頂正上方時,路程最短,太陽光線的實際路程和此最短路程之比稱為光學(xué)大氣質(zhì)量。目前,光伏工作中采用的太陽常數(shù)值是 ,這個數(shù)值是由裝在氣球,高空飛機(jī)和宇宙飛船上的儀器的測量值加權(quán)平均而確定的。 在地球大氣層之外,地球 太陽平均距離處,垂直于太陽光方向的單位面積上的輻射能基本為一常數(shù)。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)(系統(tǒng)設(shè)計、安裝運(yùn)行及維護(hù)) 22 陽光穿過地球大氣層時被 吸收、散射或反射,因而太陽輻照度將被削弱。 如圖 2。造成衰減的原因是: ( 1)瑞利散射或大氣中的分子散射。 [2] 地球表面上的太陽輻射光譜 太陽是以光輻射的方式將能量輸送到地球表面上的,因此,了解太陽光的光譜是很必要的。 109年。 將到達(dá)任意傾斜面的太陽輻射分成直接輻射、散射輻射和地面反射三部分 據(jù)計算,太陽每秒釋放 179。 主要考慮以下方面: 利用球面三角公式求出每天日出日落時間和任意時刻太陽高度角,方位角。 太陽輻射的性質(zhì) [1] 太陽輻射的來源 太陽輻射來源于在高溫高壓下進(jìn)行的熱核 反應(yīng) . 太陽輻射能的計算是一個非常重要的計算,因為各地太陽能資源不一樣,需要利用實測值來作為計算的依據(jù)。 一年中從 0 與 176。太陽中心和地心的聯(lián)線與赤道平面的夾角稱為緯角δ。 d)春分與秋分日,春分( 3 月 21 日)與秋分( 9 月 23 日),太陽恰好直射地球的赤道平面。因而稱南緯 176。 N 緯度圈為北回歸線。的天頂。 b) 角速度,地軸相對太陽的轉(zhuǎn)動速度不一樣,對北半球夏天快、冬天慢,對南半球、夏慢、冬快。 106Km 短軸 147179。打擊到地球大氣層上,產(chǎn)生鹽暴或極光,影響地球磁場和通訊。包括一部分太陽塵埃質(zhì)點,電離粒子和電子。 K,密度為 104g/cm3。 [5]、色球?qū)?,色球?qū)雍窦s 1000015000Km,大部分由低壓氦氣、氫氣以及少量離子組成。 K 的黑體輻射。大量的對流熱傳導(dǎo)在該區(qū)進(jìn)行。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)(系統(tǒng)設(shè)計、安裝運(yùn)行及維護(hù)) 20 [2]、吸收層 從太陽核以外到約 倍太陽直徑處稱為吸收層,也稱為方式活動層,熱核反應(yīng)產(chǎn)生的大量氫離子在這里被吸收。 太陽的結(jié)構(gòu) 太陽的結(jié)構(gòu)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有弄清。 1011m 繞轉(zhuǎn)軸慣量 矩 179。 1014m2 遠(yuǎn)日點距離 179。 1027cm3 地球平均直徑 表面加速度(標(biāo)準(zhǔn)值) 扁平度 地球軌道偏心度 海平面平均壓力 平均日地距離 179。 106W 表面逸出速度 618Km/S 二、地球 地球赤道直徑 地球極間直徑 地球質(zhì)量 179。 1046kgm2 太陽常數(shù)值 177。 Km178。 K 陽光輻射率 615179。 104msec2 冠溫度 ≈ 106176。 1033g(克) 太陽體積 179。 4 太陽表面積 179。金屬和其他元素 ,總計占 % 太陽和地球的物理性質(zhì)的比較如表 21 所列: 表 21 太陽 和地球的物理性質(zhì) 太陽 太陽直徑 179。體積比地球大 130 多萬倍 ,太陽平均密度為 ,即比水的密度大 50%,太陽內(nèi)部密度約 160g/cm3,因此日心引力比地心引力大 29 倍左右 .太陽的物質(zhì)組成 : 就質(zhì)量而言 ,H 占 %。 太陽和地球有著密切的關(guān)系。 表 17 太陽電池的效率和成本預(yù)測 晶體硅太陽電池
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