太阳能发电原理

太阳能发电原理 1、原理概述 太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池板将太阳能转换成电能的一种可再生清洁发电机制。当光线照射到太阳能电池面时，一部分光子被太阳电池板反射掉，另一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给硅原子，使电子发生越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成电位差。当外部接通电路时，在该电压的作用下，则会有直流电流流过外部电路产生一定的输出功率。 通常每块太阳能电池组件输出的直流电压较低，一般为35V。为了提高电压，达到逆变器最佳工作状态的额定输入直流电压，将一定数量的太阳能电池串联到一起形成回路，然后接入逆变器中，逆变器将输入的直流电转换成交流电。逆变后得到的交流电通过站内的升压变压器升至指定电压后并入电网。 图1 太阳能发电系统原理 2、系统部件 2.1 太阳电池 在太阳能光伏发电系统中，太阳能电池板占据着举足轻重的地位，它是将太阳能转换成电能核心部件。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”。用于制造太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带 1 正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有4个电子，按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入硼、镓等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号P表示;如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个P,N结。太阳能电池的核心技术就在这个“结”上，P,N结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。当太阳能电池受到阳光照射时，电子接受光子的能量，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电。这样，在P,N结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。如果分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。 图2 太阳能电池结构 目前，制作太阳能电池的原料有单晶硅、多晶硅、非晶硅等。由于生产能力的不断提高和和科学技术的不断进步，单晶硅以其较高的转化率，高稳定性，低衰减率，成为各太阳电池生产企业重点研发的项目。单晶硅太阳电池的生产工艺一般分五个流程完成:提纯过程 拉棒过程 切片过程 制电池过程 封 2 装过程。各步工艺如下图所示。 图3 单晶硅电池生产工艺 硅材料来源于优势石英砂，也称硅砂，主要成分是高纯的二氧化硅，制作太阳能电池需要将硅砂通过提纯过程转换成多晶硅。在早期，应用四氯化硅作为硅源进行提纯，主要方法是精馏法和固体吸附法。用这种方法提纯需要很高的温度，而且在制取四氯化硅时氯气的消耗量很大。后来通过改进，形成改良西门子法，提纯过程主要有三步:由硅砂到冶金硅、由冶金硅到三氯氢硅、由三氯氢硅可制成晶硅 硅砂提纯后得到的多晶硅由于未掺杂等原因，不能直接用来制作太阳能电池。将融化的硅注入石墨坩埚中，经过定向凝固后即可获得掺杂均匀，晶粒较大，呈纤维状的多晶硅硅锭。将硅锭在单晶硅炉中加热溶化，然后一边旋转，一边提拉，熔融的硅就在同一方向定向凝固，得到单晶硅棒。 得到的单晶硅棒一般在单晶硅炉中拉制而成，要经过滚圆，再通过切片机切成厚度为0.15~0.3mm的硅片，这就是单晶硅的切片过程。 将制成的晶片通过处理后焊上电极，然后再做表面处理，通过特殊工艺处理封装，就能得到合格的太阳电池组件。 2.2 二极管 在太阳能发电系统中，二极管是一个很重要的原件，其按作用可以分为防反二极管和旁路二极管。 3 防反充二极管(也称阻塞二极管)一般在逆变器与太阳能电池之间，防止夜间或阴雨天太阳电池方阵工作电压低于其供电的直流母线电压时，母线反过来向太阳能电池方阵反送电，因而消耗能量和导致方阵发热。它串联在太阳电池方阵电路中，起单向导通作用。 旁路二极管一般应用在有较多电池组件串联成的方阵中，在每个电池组件两端并联，如果其中某个组件被阴影遮挡或出现故障而停止发电时，在二极管两端可形成正向偏压，实现电流的旁路，不至于影响其他正常组件的发电，同时也保护太阳电池组件避免受到较高的正向偏压或由于“热斑效应”发热而损坏。 2.4 控制器 控制器是对光伏发电系统管理和控制的设备。控制器主要由电子元器件、仪表、继电器、开关等组成。其主要作用是保护设备、显示系统工作状态、光伏系统数据及信息储存、系统故障报警、光伏系统遥测、遥控、遥信等。 光伏控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时获得太阳电池板方阵的工作信息，又可详细积累光伏电站的历史数据，为评估光伏电站系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。此外，光伏控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。 光伏控制器使用最大功率追踪技术(Mppt)，从而保证太阳能阵列全天时、全天候的最大效率的工作。可以将光伏组件工作效率提高30%(平均可提高效率为10%-25%)。 另外，控制器还包含搜索功能，它在整个太阳能板工作电压范围内每2个小时搜寻一次绝对最大功率输出点。 2.5 逆变器 由于光伏系统发出的是直流电，如果并网必须经过逆变器转变成交流电。逆变器是通过半导体功率开关的开通和关断作用，将直流电能转变成交流电。光伏系统发出的直流电需要通过一系列逆变、控制、检测、保护等手段，才能并入电 4 网，实施时通常将控制器和逆变器结合在一起，组成逆变控制器。因此逆变器还应有并网和保护等功能。 太阳能光伏电场建设 1、电场设计 1.1 太阳辐射量及场地环境 在太阳能电场设计选址初期，首先要对当地的太阳辐射量做全面的了解，以气象台提供的历史作为参考，利用多年(至少10年)的太阳辐射数据取平均值。注意，气象台提供的只是水平面上的太阳辐照量，而太阳电池方阵一般是倾斜放置的，需要将水平面上的太阳辐照量换算成倾斜方阵面上的辐照量。 太阳电池受温度的影响较大，在太阳电池温度升高时，其开路电压要下降，输出功率要减少。在冬天温度较低时，应适当考虑保温。建设场地的最大风速、全年雷暴天数、沙尘天数等都影响太阳能电场的选址建设。 1.2 方阵倾角的确定 为了使得光伏方阵表面接收到更多的太阳的能量，根据日地运行规律，方阵表面最好是朝向赤道安装，即在北半球朝向正南，南半球朝向正北，并且应该倾斜安装。这样做一方面能够增加全年方阵表面所接收到的太阳辐射量;另一方面能改变各月份方阵表面所接收到的太阳辐射量的分布。 对于并网光伏系统方阵倾角的确定原则是使方阵面上全年能接收到最大的辐照量。一般根据当地太阳辐照量数据，就可确定在该地区安装并网光伏系统的最佳方阵倾角。 1.3 确定场地布置 在选定了场地和确定了方阵倾角后，要根据场地条件确定确定太阳能电池方阵的安装位置。可根据场地的大小和太阳能电池组件的尺寸进行布置，尽量在朝南方向安装。前、后方阵之间要满足其最小距离，方阵之间不要有建筑物或树木遮挡。否则遮挡部分不但没有电力输出，反而会成为负载，要消耗电力，形成局部发热，产生“热斑效应”，严重时会损坏太阳电池。 5 1.4 选择方阵支架 根据优化设计出的太阳能电池组件数量和尺寸以及方阵最佳倾角，设计方阵支架。要求方阵支架牢固可靠，并要充分考虑到承重、通风、抗震等因素。在一些特殊地区，如海边，还要考虑防强风、防潮湿、防盐雾腐蚀等因素，有时还要加设驱鸟装置。 1.5 配电房的施工安排 合理进行配电房的布置，安排好控制器、逆变器的位置，使其尽量与变压器靠近，但又最好能相互隔开，使得布局得当，接线可靠，测量方便。同时，还要考虑电网连接位置及方式等。 1.6 电气一次、二次的设计 根据太阳电池组件中串并联要求，确定组件的连接方式。在串并联组件数目较多时，最好采用混合连接方式。 合理安排连接线路走向，尽量采用最短的连接途径。确定分线与总线的位置及连接方式，决定开关及插件的配置。 根据光伏系统各部分的工作电压及电流，按照有关电工和，选择采用合适的连接电线、电缆等附件。 1.7 辅助设备的选配 1.7.1 控制器的选配 按照负载的要求和控制系统的重要程度，确定光伏系统控制器应具有的充分而又必要的功能，并配置相应的控制器。 控制器功能并非越多越好，否则不但增大成本，而且还增添了出线故障的可能性。 1.7.2 逆变器的选配 逆变器的功率应稍大于太阳能电池方阵的输出功率，逆变器还应配备必要的检测、并网、报警、自动控制及测量等一系列功能，特别是必须具备防止“孤岛效应”的功能，以确保光伏系统和电网的安全。 6 1.7.3 “三遥”功能 对于并网发电系统，必须配备遥测、遥控和远程通信的功能，配备合适的设备。 1.7.4 防雷装置 在雷暴多发地区，必须配备防雷装置，防雷装置接地必须可靠。 1.7.5 消防安全 对于大型光伏电站，需配置移动式灭火器，灭火器的配置应符合《建筑灭火器配置设计规范》(GB50140—2005)和《火力发电厂与变电站设计防火规范》(GB50229—1996)的相关规定要求。 2、电场安装 2.1 太阳电池方阵的安装 2.1.1 安装前准备工作 在光伏系统设计前，应到现场进行勘测，测量安装场地的尺寸大小和确定朝向。太阳电池方阵安装方向应尽量朝向赤道。根据现场的面积及场地情况确定太阳电池方阵的安装形式。 制定施工，准备设计施工图等文件资料。 进行场地平整，浇注基座和预埋件与地面之间必须可靠固定。应对地基承载力、基座的强度和稳定性进行验算。 根据太阳电池方阵的数量、安装尺寸和优化设计得出的方阵倾角，加工方阵支架和框架，其尺寸和材料应符合设计要求。应根据组件的重量、支架的大小、当地的风力等积雪情况来确定整体结构，要使方阵具有足够的强度、刚度及稳定性。 太阳电池组件和框架、支架以及固定用螺栓，连接电缆及套管，配线盒等配件都要在安装前全部运到现场。 安装时所需的工具装备和备件必须准备齐全，如考虑不周，往往缺少一件工具或一个部件影响工程进度。 2.1.2 现场安装 检查核实所有的基础设施及基座都已按照设计要求设置到位，间隔距离正 7 确。 从运输包装盒中取出组件，并进行检查。在阳光下测试各组件的技术参数是否正常。 对组件按照其技术参数进行分类，使最佳工作电流相近的串联在一起，最佳工作电压相近的串联在一起。 将组件正面向下，并排安防在清洁的非粗糙平台上，将组件接线盒的位置根据串并联要求排列，使连接导线时方便操作。 将安装支架安放在组件上面，使得支架的安装孔向下并且与组件的安装孔对准。 用螺栓、钢垫、螺母将安装支架与所有的组件都牢固固定。 按照组件串并联的要求，用导线将组件的正、负极进行连接，要特别注意极性不要接错。 将带组件的安装支架用螺栓固定在底座上，需要时可用焊接固定，但要注意避免组件受力产生扭曲。 检查倾角是否正确后，将四个底座与安装支架固定，务必牢固可靠，外观整齐。 如有多个子方阵，接线可痛过分接线盒或汇流箱集中后输出。 2.2 控制器和逆变器等电气设备的安装 2.2.1 现场安装 控制器和逆变器要符合电气系统设计规范，安装应符合现行国家标准《建筑电气安装工程施工质量验收规范》(GB50303—2002)。 光伏系统与电网间在连接处应有明显的带有标志的可视断开点，应通过变压器等进行电气隔离。 电缆线路施工应符合现行国家标准《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》(GB50168—2006)的要求。 逆变器与系统的直流侧和交流侧都应有绝缘隔离装置，所有接线箱都应设警示标签，注明当接线箱从光伏逆变器断开后，接线箱内的器件仍有可能带电。 并网系统应具备极性反接保护功能、短路保护功能、接地保护功能、功率转 8 换和控制设备的过热保护功能、过载保护和报警功能、防孤岛效应保护等功能。 2.2.2 安装位置 控制器和逆变器安装在室内，事先要建造好配电间。安装存放处应避免开高腐蚀性、高粉尘、高温、高湿性环境，特别要避免金属物质落入其中。配电间的位置要尽量接近太阳能电池方阵，以减少线路损耗。 2.2.3 连接导线 选用合适的绝缘电线及电缆，应根据通过电流的大小，选择合适直径的导线，避免直径太小导致过热，严重时会使绝缘层熔化，产生短路，甚至造成火灾。 太阳能电场运营管理规范 1、日常维护 光伏发电系统运行管理人员应具备必要的专业知识和高度的责任心，以认真负责的态度，进行维护管理工作。2每天观察光伏系统的运行情况，了解设备仪表显示是否工作在正常范围，计量是否正确有效，并做好记录。 1.1 方阵观察 观察方阵表面是否清洁，及时清除灰尘和污垢，可用清水冲洗或用干净的抹布擦拭，但不得使用化学试剂清洗。 检查了解方阵有无接线脱落等情况。 1.2 设备巡检 注意所有设备的外观锈蚀、损坏等情况，用手背碰触设备外壳检查有无温度异常，检查外露的导线有无绝缘老化、机械性损坏、箱体内有否进水情况。检查有无小动物对设备形成侵扰等其他情况。设备运行有无其他声响，运行环境有无异味，如有应找出原因，并立即采取有效措施，予以解决。 2、定期检查 除了日常巡检以外，还需要专业人员进行定期检查，内容包括: 1)检查、了解运行记录，分析光伏系统的运行情况，对于光伏系统的运行 9 状态作出判断，如发现问题，立即进行专业的维护和指导。 2)外观检查和设备内部的检查，主要涉及活动和连接部分、导线，特别是大电流密度导线、功率器件、容易锈蚀的地方等。 3)对于逆变器应定期清洁冷却风扇并检查是否正常，定期清除机内灰尘，检查各端子螺钉是否紧固，检查有无过热后留下的痕迹及损坏的器件，检查电线是否老化。 4)采用红外探测的方法对光伏方阵、线路和电器设备进行检查，找出异常发热和故障点并及时解决。 5)光伏系统每年应对照系统图纸完成一次系统绝缘电阻以及接地电阻的检查，以及对逆变器控制装置进行一次全项目的电能质量和保护功能的检查和试验。 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