太阳能电池原理
一,基础知识
(1)太阳能电池的发电原理
太阳能电池是利用半导体材料的光电效应,将太阳能转换成电能的装置.
●半导体的光电效应
所有的物质均有原子组成,原子由原子核和围绕原子核旋转的电子组成.半导体材料在正常状态下,原子核和电子紧密结合(处于非导体状态),但在某种外界因素的刺激下,原子核和电子的结合力降低,电子摆脱原子核的束搏,成为自由电子.
●PN 结合型太阳能电池
太阳能电池是由P 型半导体和N 型半导体结合而成,N 型半导体中含有较多的空穴,而P 型半导体中含有较多的电子,当P 型和N 型半导体结合时在结合处会形成电势当芯片在受光过程中,带正电的空穴往P 型区移动,带负电子的电子往N 型区移动,在接上连线和负载后,就形成电流..
(2)太阳能电池种类
※在现在的太阳能电池产品中,以硅半导体材料为主,其中又以单晶硅和多晶硅为代表.由于其原材料的广泛性,较高的转换效率和可靠性,被市场广泛接受.非晶硅在民用产品上也有广泛的应用(如电子手表,计算器等),但是它的稳定性和转换效率劣于结晶类半导体材料.化合物太阳能电池由于其材料的稀有性和部分材料具有公害,现阶段未被市场广泛采用.
※现在太阳能电池的主流产品的材料是半导体硅,是现代电子工业的必不可少的材料,同时以氧化状态的硅原料是世界上第二大的储藏物质.
(3)多晶硅太阳能电池的制造方法
(4)太阳能电池关连的名称和含义
●转换效率
太阳能电池的转换效率是指电池将接收到的光能转换成电能的比率
※标准测试状态
由于太阳能电池的输出受太阳能的辐射强度,温度等自然条件的影响,为了表述太阳能电池的输出和评价其性能,设定在太阳能电池板的表面温度为25 度,太阳能辐射强度为1000 ｗ/㎡、 分光分布AM1.5 的模拟光源条件下的测试为标准测试状态.
小知识
晶硅类理论转换效率极限为29%,而现在的太阳能电池的转换效率为17%～19%,因此,太阳能电池的技术上还有很大的发展空间
●太阳能电池输出特性
【太阳能电池电流---电压特性(I-V 曲线)】
●太阳能电池对环境的贡献
①对防止地球温暖化,减轻对地球环境的贡献
从太阳能发电系统排放的二氧化碳,即使是考虑其生产过程的排放量,也绝对少于传统的燃料发电设备,是防止地球温暖化的环保设备.同时在发电时,不排放氧化硫,氧化氮等污染物,减轻了对环境的压力.
例:3ｋW 太阳能发电系统对环境污染物的削减量
石油替代量:729L/年
减排放CO2 能力:540kg-C/ 年
森林面积换算:5544 ㎡
②对能源和节能的贡献
太阳能电池2。2 年的发电量即可收回制造太阳能电池时使用的电力
(5)独立电源太阳能发电系统构成
●系统简介
部品名称:
太阳能电池----吸收太阳能,将光能转换成直流电能
控制器----控制蓄电池的充放电深度,延长蓄电池寿命.
蓄电池----储存太阳能电池板产生的电能,在必要时,向负荷提供直流电力
逆变器----将直流输入电力转换成交流电力输出
二、独立电源的系统设计步骤
(1)总体设计思路
1)程序图
简单的来说,太阳能独立电源系统的容量是由设备安装场所的日照量,负荷的消费电力两大因素决定.在程序图内还需再适当地考虑若干安全因素,设备的效率等因素.
(2)设计顺序
1)确定安装地点的日照量Q’（mWh/cm2.day）
太阳能独立电源系统的太阳能电池方阵为了尽可能多接收日照,通常是按一定的倾角安装的.一般方阵是以安装纬度设置倾角.
安装面日照量的计算方法:（通常采用查询当地日照记录方法）
符号含义
Q : 水平面的月平均日照量(cal／cm2＊day)
K1 : 日照修正系数（一般为0.9）
1.16 : 单位变换定数(cal／cm2.day → mWh/cm2)
θ : 设置场所的纬度
β : 太阳能电池方阵的倾斜度(相对于水平面)
δ : 太阳的月平均赤纬度〔°〕
赤纬表白
注:在南半球时,上述的符号相反
如果只有日照时间的数据,日照量可以按以下方式进行换算:
Q = Q0＊(a+b＊S/So)
Qo :大气圈外的日照量(理论值;1.382kW/㎡) S :被记录的日照时间(日出到日没时间)
So :可照时间(日出到日没时间) a,b :需要根据当地气候,纬度,季节而定
2)确定负荷的消费电力
消费电力是负荷的『日平均消费电力』,为了计算『日平均消费电力』,必须了解负荷的使用时间.
日平均消费电力计算表白
時間（ｈ）
3）确定太阳能电池板容量Pｍ（Wｐ）
太阳能电池容量计算按下列方式计算
Pm=2400/Q’min*PL*1/(K)
符号含义
Q’min :前述安装面日照量Q’的年最小值(mWh/ｃm2.day)
PL :平均消费电力(W)
K :系数((K1*K2*K3*K4*K5*K6*K7*K8*K9)
ｋ１：充电效率(0.97) ｋ２：太阳能电池板脏污系数(0.9)
ｋ３：电池板温度补正系数(0.9) ｋ4：直并联接线损失系数(1)-12V(0.90,24V(0.95)
ｋ5：最佳输出补正系数(0.9) ｋ6：蓄电池充放电效率(0.9)
ｋ7：逆变器效率(视容量和设备而定) ｋ8：变压器效率(视容量和设备而定)
ｋ9：DC 线损(0.95)
（参考１）PV(太阳能电池输出)的额定输出功率是在日照量100ｍW/ｃm2,芯片温度为25 度的条件下测定的,输出功率是根据日照的强度发生变化的.为了区别PV 和柴油发电机的容量标志,故用Wp 来表示太阳能电池的峰值输出.
（参考２）
假设在日照为的强度持续24 小时,PV 的容量可等同于平均消费电力.但是,日照的时间不可能是24 小时,同时受到自然条件的影响(白天,夜间,阴,雨).故设计时,按公式2,以最小的日照时间来计算计算.
假设在日照量为400Wh/m2.day 的情况,相当于在1000W/m2的日照强度4 个小时的日照,也就是说,这天除4小时输出以外以外,其他时间的输出功率为零.
假设,PV 的容量按平均消费电力来设置的话,系统只能带动负荷4 个小时的运作.为了保证其他20 小时的负荷使用,PV 的容量的设置必须放大.其放大倍率为(100*24/(100*4).故公式(2)的右边为2400/Q’min.
5)蓄电池容量Be(AH)
蓄电池的容量由下列公式计算决定
Be=(PL*24*D)/(Kb*V)
符号含义
D :连续不日照天数(一般在3 至7 天)
Kb :安全系数(放电深度(一般为70%),逆变器效率(根据厂家数据),线损(一般为5%)等)
V :系统电压(V)
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