光伏发电简介

光伏发电简介

光伏发电原理

1 太阳电池

1.1 半导体光生伏打电效应

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，在半导体内部结附近生成的载流子，受内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

图2-1 半导体光电效应示意图

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”），它直接将太阳光转换成直流电，是光伏发电的最基本单元（见图2-2）。太阳电池由两层半

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。当阳光投射到太阳电池内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

图2-2 光伏器件光-电转换示意图

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。

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。

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，在阳光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。在充足的阳光下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。

蓄电池与光伏组件连接时，组件使用串联和并联组合接线，可实现所负载所要求的电压和电流。

图2-7并联太阳电池组件

2.2.3 负载

负载是光伏系统中必不可少的用电设备。负载的评估是系统设计和成本核算的关键步骤。用电设备的功率需求可以通过测量或从厂商提供的技术资料获得。但是每天、每周或每个月用电设备工作的时间总量需要估计。

当一个给定负载所需求的瓦数没有时，通常可用给出的电压、电流参数代替。电压乘电流即可计算负载所需要的瓦数。交流（AC）或直流（DC）负载必须预先确定，如果使用AC负载，需要配备逆变器。独立光伏系统选择的工作电压通常是最大负载所要求的电压。DC电压一般是12V或12的倍数（24、36或48）。当多数负载是DC时，系统电压的选择应以系统电流不超过允许值为准。如果负载具有不同的DC电压，必须被全部列出，并选择具有最大电流的负载电压作为主要的系统电压。

2.3 光伏系统构成

光伏发电系统构成如图2-8所示，主要部件如下：

太阳电池：由硅半导体材料制成的方片、圆片或薄膜，在阳光照射下产生电压和电流。

太阳电池组件：也称为“光伏组件”，预先排列好的一组太阳电池，被层压在超

薄、透明、高强度玻璃和密封的封装底层之间。太阳电池组件有

各种各样的尺寸和形状，典型组件是矩形平板；

太阳电池方阵：简称“方阵”，在金属支架上用导线连在一起的多个光伏组件

的组合体。太阳电池方阵产生所需要的电压和电流；

蓄电池组：提供存储直流电能的装置；

控制器：系统控制装置。通过对系统输入输出功率的调节与分配，实现对蓄电池电压的调整，以及系统赋予的其它控制功能；

逆变器：为运行以交流为动力的负载，将直流电转变为交流电的电气设备；

直流负载：以直流电为动力的装置或设备；

交流负载：以交流电为动力的装置或设备。

图2-8 光伏发电系统框图

2.4 光伏系统类型

2.4.1 一体化光伏充电器

用光伏充电器来替代通常使用的蓄电池可能是比较经济的。一体化光伏蓄电池充电器不仅具有所需的系统部件，而且将用具都置于一个盒内。最普通的是带有可充电电池的一体化小型光伏充电器。带有光伏充电单元的照明灯、时钟和收音机已有成套装置出售。太阳能手提灯和用于收音机蓄电池的光伏充电器具有广