光伏发电原理
光伏发电1 太阳电池
1.1 半导体光生伏打电效应
图2-1 半导体光电效应示意图
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—空穴对,在半导体部结附近生成的载流子,受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,这就是“光生伏打效应”。此时,如果将外电路短路,则外电路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
图2-2 光伏器件光-电转换示意图
导体材料组成,其厚度大约1/100英寸,形成两个区域—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。当投射到太阳电池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。金属线将光伏组件里每个电
池的前面与下一个电池的背面相连,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)被导线连到单一负载(12V24W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。当电路闭合后,24 W灯泡将形成2A (24W /12 V = 2A)的电流。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。
图2-2(a)基本电路 (b)简单光伏电路
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。
图2-4 太阳电池组件
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。
2.2.2 串联和并联光伏电路
太阳电池件组件同电源一样,也采用电压值和电流值标定。在充足的下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 光伏组件串联接线后得到24 V、3A系统,如图2-5所示。为增加
系统的电流值,光伏组件必须并联接线,图2-6展示同样的两个12V、3A 光伏组件并联接线后得到12 V、6A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。
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