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院系：材料科学与工程学院
摘要：随着现代工业的发展,全球能源危机和大气污染问题日益突出,太阳能作为理想的可再生能源受到了许多国家的重视。目前太阳能光伏发电技术正在迅速发展,应用的规模和范围也在不断地扩大,已成为当今世界新能源发电领域的一个研究热点。本文在介绍太阳能光伏发电基本原理的基础上,阐述了太阳能光伏发电的相关重要技术,论述了太阳能光伏发电技术的主要应用方式和应用领域,并分析了太阳能光伏发电技术的应用前景。
关键词：太阳能、光伏发电、聚光技术、最大功率跟踪
随着煤炭、石油等现有化石能源的频频告急和全球变暖等生态环境的恶化,使得人类不得不尽快寻新的清洁能源和可再生资源。其中包括太阳能、风能、生物质能、水能、地热能、海
洋能等, 而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势使其必将成为21世纪最有希望大规模应用的清洁能源之一。目前太阳能发电主要有两种形式:一是热发电、二是光伏发电。太阳能光伏发电可直接将太阳光能转换成电能。
太阳能光伏发电的原理
光伏发电是利用半导体材料光伏效应直接将太阳能转换为电能的一种发电形式。早在1839年,法国科学家贝克勒尔就发现光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”,简称“光伏效应”。
光伏发电的基本原理如图所示。半导体材料组成的PN结两侧因多数载流子(N区中的电子和P区中的空穴)向对方的扩散而形成宽度很窄的空间电荷区w,建立自建电场Ei。它对两边多数载流子是势垒,阻挡其继续向对方扩散,但它对两边的少数载流子(N区中的空穴和P区中的电子)却有牵引作用,能把它们迅速拉到对方区域。稳定平衡时,少数载流子极少,难以构成电流和输出电能。但是,当太阳光照射到PN结时,如图l(a)、(b)所示,以光子的形式与组成PN结的原子价电子碰撞,产生大量处于非平衡状态的电子-空穴对,其中的光生非平衡少数载流子在内建电场Ei的作用下,将P区中的非平衡电子驱向N区,N区中的非平衡空穴驱向P区,从而使
得N区有过剩的电子,P区有过剩的空穴。这样在PN结附近就形成与内建电场方向相反的光生电场Eph。光生电场除一部分抵消内建电场外,还使P型层带正电,N型层带负电,在N区和P区之间的薄层产生光生电动势。当接通外部电路时,就会产生电流,输出电能。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起构成光伏阵列,就会在太阳能作用下输出足够大的电能。
太阳能光伏发电技术
太阳能光伏发电系统是由光伏电池板、控制器和电能储存及变换环节构成的发电与电能变
换系统。光伏电池是太阳能光伏发电系统中基本核心部件,它的大规模应用需要解决两大难题:一是提高光电转换效率;二是降低生产成本。以硅片为基础的第一代光伏电池,其技术虽已经发展成熟,但成本一直高居不下。基于薄膜技术的第二代光伏电池中,很薄的光电材料被铺在非硅材料的衬底上,大大减少了半导体材料的消耗,且易于批量自动化生产,从而大大降低光伏电池的成本。
光伏阵列功率输出特性具有非线性特征,并受太阳辐射照度、环境温度和负载情况的影响。为了使太阳能电池在供电系统中充分发挥它的光电转换能力,就需要实时控制光伏电池阵列的工作点以获得最大的功率输出。最大功率跟踪的实现实质上是一个动态寻优的过程,通过对光伏电池阵列当前输出电压与电流的检测,得到当前光伏电池阵列输出功率,再与已被存储的前一时刻功率相比较,舍小取大,再检测,再比较,如此不停地周而复始,便可使光伏电池阵列动态的工作在最大功率点上。这一过程称之为最大功率点跟踪。
直接到达地面的太阳能密度很低,其峰值不超过lkW/ m2,为了提高太阳能利用效率,可采用聚光光伏技术。一方面将太阳光会聚到面积很小的高性能聚光电池上,提高太阳光辐照能量密度;另一方面用相对便宜的聚光器部分代替昂贵的太阳电池,从而达到降低光伏发电系统成本
的目。热光伏聚光器工作原理是:太阳把辐射器加热到高温,完成光热转换;辐射器再发出辐射到太阳电池上,完成光电转换。目前聚光光伏系统还存在一些关键的科学技术问题没有得到完全解决,但各国光伏工作者也在不断地以实验结果验证聚光技术。我国2009年6月的我国自主研发出的“4倍聚光+跟踪”的新型光伏发电技术,具有廉价、轻巧、效率高、抗风强等特点
孤岛效应是指:当电网由于电气故障、误操作或停电维修等原因造成中断供电时,各个光伏并网发电系统仍在运行,并向周围的负载供电,而构成一个电力公司无法控制的自给供电的孤岛。孤岛效应检查方法在并网逆变器侧可分为被动式和主动式。被动式检测方法是利用电网断电时逆变器输出端电压、频率、相位或谐波的变化进行孤岛检测,该方法适用于负载功率变化不大,且与逆变器的输出不匹配的场合。主动式检测方法是指通过控制逆变器,使其输出功率、频率或相位存在一定的扰动。电网正常运行时,由于电网锁相环的平衡作用,检测不到这些扰动,一旦电网出现故障,逆变器输出的扰动将快速累积并超出允许范围,便可触发孤岛效应检测电路。
太阳能光伏发电技术的应用
太阳能光伏发电的应用方式有多种,包括独立、并网、混合光伏发电系统,光伏与建筑集成系统以及大规模光伏电站领域;在偏远农村电气化、荒漠、军事、通信及野外检测等领域得到广泛应用,并且随着技术的发展,其应用领域还在不断地延伸和发展。
独立光伏发电系统
独立光伏发电系统是不与公共电网系统相连而孤立运行的发电系统,通常建设在远离电网的边远地区或作为野外移动式便携电源,比如公共电网难以覆盖的边远农村、海岛、边防哨所、移动通讯等等。由于太阳能发电的特点是白天发电,而负荷用电特性往往是全天候的,因此在独立光伏发电系统中储能元件必不可少。尽管其供可靠性受气象环境等因素影响很大,供电稳定性也相对较差,但它是边远无电地区居民和社会用电问题的重要方式。
并网光伏发电系统
并网光伏发电系统与公共电网相联接,共同承担供电任务。光伏电池阵列所发的直流电经逆变器变换成与电网相同频率的交流电,以电压源或电流源的方式送入电力系统。容量可以视为无穷大的公共电网在这里扮演着储能环节的角。因此并网系统不需要额外的蓄电池,降
低了系统运行成本,提高了系统运行和供电稳定性,并且光伏并网系统的电能转换效率要大大高于独立系统,它是当今世界太阳能光伏发电技术的最合理发展方向。
混合光伏发电系统
混合光伏发电系统是将一种或几种发电方式同时引入光伏发电系统中,联合向负载供电的系统。其目的是为了综合利用各种发电技术的优点,避免各自的缺点。如光伏系统的优点是维护少,缺点是电能输出依赖于天气、不稳定。在冬天日照差,但风力大的地区,采用光伏 风力混合发电系统,可以减少对天气的依赖性,降低负载缺电率。
光伏建筑一体化
“光伏发电与建筑物集成化”的概念在1991年被正式提出,是目前世界上大规模利用光伏发电的研发热点。光伏与建筑相结合主要有两种形式:一种是在建筑物屋顶安装平板光伏器什,光伏阵列与电网并联向用户供电,形成用户联网光伏系统。第二种形式是将光伏器件与建筑集成化,在屋顶安装光伏电池板,用光伏发电的玻璃幕墙代替普通的玻璃幕墙,由屋顶和墙面的光伏器件直接吸收太阳能,这样既可以做建材又可以发电,进一步降低光伏发电的成本目前已
研制出大尺度的彩光伏模块代替昂贵的墙体外饰材料,不仅实现以上目的,还可使建筑外观更具魅力。
光伏发电技术的应用前景展望
光伏发电根据我国光伏发电的发展情况。在今后一段时间。我国光伏发电主要应用在以下几个方面:(1)城市并网光伏发电,(2)荒漠和海岛地区的供电,(3)边远地区离网供电,(3)景观灯、LED照明等商业应用。太阳能光伏发电作为一种取之不尽、用之不竭的清洁环保能源将得到前所未有的发展。随着光伏发电产业化进程和技术开发的深化,它的效率、性价比将得到提高,它在包括BIPV在内的各个领域都将得到广泛的应用,也将极大地推动中国“绿电力工程”的快速发展。
参考文献
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