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茅永新

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组图:光伏发电的基本原理!  

2013-03-01 17:06:40|  分类: HR教育培训 |  标签: |举报 |字号 订阅

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太阳能发电分为光热发电和光伏发电。通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电,简称“光电”。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小 到玩具,光伏电源无处不在。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池(片),有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。其中,单晶和多晶电池用量最大,非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。多晶硅电池效率在16%至17%左右,单晶硅电池的效率约18%至20%。光伏组件是由一个或多个太阳能电池片组成。光伏发电产品主要用于三大方面:一是为无电场可提供电源;二是太阳能日用电子产品,如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地各种灯具等;三是并网发电,这在发达国家已经大面积推广实施。到2009年,中国并网发电还未开始全面推广,不过,2008年北京奥运会部分用电是由太阳能发电和风力发电提供的。 
 
光伏发电的基本原理
光伏发电,其基本原理就是“光伏效应”。光子照射到金属上时,它的能量可以被金属中某个电子全部吸收,电子吸收的能量足够大,能克服金属内部引力做功,离开金属表面逃逸出来,成为光电子。
光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子(光波)转化为电子、光能量转化为电能量的过程;其次,是形成电压过程。有了电压,就像筑高了大坝,如果两者之间连通,就会形成电流的回路。
光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。硅原子有4个电子,如果在纯硅中掺入有5个电子的原子如磷原子,就成为带负电的N型半导体;若在纯硅中掺入有3个电子的原子如硼原子,形成带正电的P型半导体。当P型和N型结合在一起时,接触面就会形成电势差,成为太阳能电池。当太阳光照射到P-N结后,空穴由N极区往P极区移动,电子由P极区向N极区移动,形成电流。
多晶硅经过铸锭、破锭、切片等程序后,制作成待加工的硅片。在硅片上掺杂和扩散微量的硼、磷等,就形成P-N结。然后采用丝网印刷,将精配好的银浆印在硅片上做成栅线,经过烧结,同时制成背电极,并在有栅线的面涂一层防反射涂层,电池片就至此制成。电池片排列组合成电池组件,就组成了大的电路板。一般在组件四周包铝框,正面覆盖玻璃,反面安装电极。有了电池组件和其他辅助设备,就可以组成发电系统。为了将直流电转化交流电,需要安装电流转换器。发电后可用蓄电池存储,也可输入公共电网。发电系统成本中,电池组件约占50%,电流转换器、安装费、其他辅助部件以及其他费用占另外 50%。
 
光伏发电系统
光伏发电系统分为独立光伏系统和并网光伏系统。
  1、独立光伏发电也叫离网光伏发电。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成,若要为交流负载供电,还需要配置交流逆变器。独立光伏电站包括边远地区的村庄供电系统,太阳能户用电源系统,通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。
    2、并网光伏发电就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。 可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性,可以根据需要并入或退出电网,还具有备用电源的功能,当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑;不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能,一般安装在较大型的系统上。 并网光伏发电有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站,主要特点是将所发电能直接输送到电网,由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大,还没有太大发展。而分散式小型并网光伏,特别是光伏建筑一体化光伏发电,由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点,是并网光伏发电的主流。
 
光伏发电系统是由太阳能电池方阵,蓄电池组,充放电控制器,逆变器,交流配电柜,太阳跟踪控制系统等设备组成。其部分设备的作用是: 

太阳能电池方阵:

在有光照(无论是太阳光,还是其它发光体产生的光照)情况下,电池吸收光能,电池两端出现异号电荷的积累,即产生“光生电压”,这就是“光生伏特效应”。在光生伏特效应的作用下,太阳能电池的两端产生电动势,将光能转换成电能,是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池,分为单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。 

蓄电池组:

其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是:a.自放电率低;b.使用寿命长;c.深放电能力强;d.充电效率高;e.少维护或免维护;f.工作温度范围宽;g.价格低廉。 

充放电控制器:

是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素,因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。 

逆变器:

是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源, 而负载是交流负载时,逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式,可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统,为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单,造价低,但谐波分量大,一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高,但可以适用于各种负载。 

太阳跟踪控制系统:

由于相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统,一年春夏秋冬四季、每天日升日落,太阳的光照角度时时刻刻都在变化,如果太阳能电池板能够时刻正对太阳,发电效率才会达到最佳状态。世界上通用的太阳跟踪控制系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度,将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中,也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。采用的是电脑数据理论,需要地球经纬度地区的的数据和设定,一旦安装,就不便移动或装拆,每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数;原理、电路、技术、设备复杂,非专业人士不能够随便操作。把加装了智能太阳跟踪仪的太阳能发电系统安装在高速行驶的汽车、火车,以及通讯应急车、特种军用汽车、军舰或轮船上,不论系统向何方行驶、如何调头、拐弯,智能太阳跟踪仪都能保证设备的要求跟踪部位正对太阳! 

光伏发电的工作原理

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制,因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。
光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网 发电,光伏发电系统主要由太阳能电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成,它们主要由电子元器件构成,不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源 无处不在。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池(片),有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。单晶和多晶电池用量最大,非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。
 
组件热斑产生的原因
 
光伏组件的核心组成部分是太阳电池,一般说来,每个组件所用太阳电池的电特性要基本一致,否则将在电性能不好或被遮挡的电池(问题电池)上产生所谓热斑效应。
为防止热斑产生应该在每一片电池上都并联一个旁路二极管,在当电池发生问题或被遮挡时,其它电池产生的大于问题电池的电流将被旁路二极管旁路。
而事实上,在每一片电池上都并联一个二极管是不现实的。一般在组件上是18片(36片或54片电池串联的组件)或24片(72片电池串联的组件)电池串联后并联一个二极管。
可以想象,当这18片或24片电池中产生的电流不一致时,也就是有问题电池存在时,通过这串电池的电流将在问题电池上引起热斑。
若电池串与串之间电流不一致,可以在接了旁路二极管的组件特性曲线上看到所谓台阶曲线或异常曲线。
如果组件内太阳电池性能本来就不一致,必然导致组件发生热斑现象。我们可以通过组件的输出特性曲线和红外成像看到组件热斑现象的存在。
若是由于组件内太阳电池光衰减后效率下降,引起的组件内太阳电池性能不一致。我们可以通过测试组件衰减前和衰减后的输出特性曲线以及红外成像看到组件在光照前后发生的变化。
若组件未接旁路二极管,即使有问题电池存在,组件的输出特性曲线也看不到台阶曲线,但短路电流应比正常组件要小,热斑现象存在。
(二) 问题电池的来源
1. 硅材料自身的缺陷
2. 电池制造的原因
1) 去边不彻底、边缘短路
2) 去边过头,P型层向N型层中心延伸,边缘栅线引起局部短路
3) 烧结不良,正电极或背电极与硅片接触不良,串联电阻增大
4) 烧结过度,即将使PN结烧透,短路
以上几种有可能在分选测试时尚未暴露,而做成组件后在长期的使用过程中,逐渐变化而导致愈演愈烈
3. 同一档次的电池片性能不一致
1) 电池分选测试时的误判
a) 分选测试仪自身误差
b) 测试仪与测试仪之间的差异
c) 分选测试仪的误动作
2) 电池自身的衰减不一致
3) 人为的混片
如电池上信息不准确,有可能贴错标签、混包,电池外观检验时的混片等
4. 组件制造的原因
1) 焊接前混片或补片时混片
2) 电池片自身的隐裂
3) 手工焊接过程造成的裂片或隐裂片,机器焊接曲线异常的比例一般小于手工焊接
4) 虚焊,每天的巡检报告中几乎都有焊接不良的报道
5) 组件生产过程中产生的隐裂,如玻璃弯曲引起裂片或温度过高时装框,万向球顶裂电池
6) 返修组件时的焊接不良,互连条之间的搭接,接触电阻大
7) 组件中异物引起短路
8) 焊背面时,正面互连条脱开,使互连条与电池间存在锡粒,层压造成电池破裂
(三) 已经采取的措施
1. 电池生产线采用72片一包的包装,避免组件生产线再次数片带来的混片
2. 电池生产线先外观检验,后测试分选,防止测试分选后再外观检验造成混片
3. 组件生产时用整包的电池片,不用散包,防止混片
4. 组件补片原则,一定要补同一档次的电池,(正在准备试75片一包的试验)
5. 焊接前检查隐裂片
6. 焊串模板定期检查,防止互连条脱焊
7. 严格检查异物
8. 加强虚焊检查,防止虚焊
9. 搬运时尽量减少玻璃弯曲
10. 大组件采用4毫米玻璃,以减少弯曲,增加强度
11. 搬运周转车改为玻璃垂直放置
12. 不允许>50℃时装框
13. 返修时不允许互连条对接
14. 散包电池必须重新分选测试,凑成整包后再做组件
15. 库存超过一定期限的电池在做组件前应经过二次分选测试
16. 测试时,组件一定要在规定温度范围内
17. 给出发现曲线异常后的处理方法,防止不良组件流到客户手中
18. 电池先光衰减后再分选测试(正在试验实施中) 
 
应用领域
 
一、用户太阳能电源:(1)小型电源10-100W不等,用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电,如照明、电视、收录机等;(2)3-5KW家庭屋顶并网发电系统;(3)光伏水泵:解决无电地区的深水井饮用、灌溉。
二、交通领域如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。
三、通讯/通信领域:太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统;农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。
四、石油、海洋、气象领域:石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。
五、家庭灯具电源:如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。
六、光伏电站:10KW-50MW独立光伏电站、风光(柴)互补电站、各种大型停车厂充电站等。
七、太阳能建筑将太阳能发电与建筑材料相结合,使得未来的大型建筑实现电力自给,是未来一大发展方向。
八、其他领域包括:(1)与汽车配套:太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等;(2)太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统;(3)海水淡化设备供电;(4)卫星、航天器、空间太阳能电站等。
 
发展前景?
 
据预测,太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位,不但要替代部分常规能源,而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年,可再生能源在总能源结构中将占到30%以上,而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上;到2040年,可再生能源将占总能耗的50%以上,太阳能光伏发电将占总电力的20%以上;到21世纪末,可再生能源在能源结构中将占到80%以上,太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。
在当今油、碳等能源短缺的现状下,各国都加紧了发展光伏的步伐。美国提出“太阳能先导计划”意在降低太阳能光伏发电的成本,使其2015年达到商业化竞争的水平;日本也提出了在2020年达到28GW的光伏发电总量;欧洲光伏协会提出了“setfor2020”规划,规划在2020年让光伏发电做到商业化竞争。在发展低碳经济的大背景下,各国政府对光伏发电的认可度逐渐提高。
“十二五”时期我国新增太阳能光伏电站装机容量约1000万千瓦,太阳能光热发电装机容量100万千瓦,分布式光伏发电系统约1000万千瓦,光伏电站投资按平均每千瓦1万元测算,分布式光伏系统按每千瓦1.5万元测算,总投资需求约2500亿元。
尽管我国是太阳能产品制造大国,不过我国太阳能产品只用于出口。在2010年时,全球太阳能光伏电池年产量1600万千瓦,其中我国年产量1000万千瓦。而到2010年,全球光伏发电总装机容量超过4000万千瓦,主要应用市场在德国、西班牙、日本、意大利,其中德国2010年新增装机容量700万千瓦。
不过,我国太阳能资源十分丰富,适宜太阳能发电的国土面积和建筑物受光面积也很大,其中,青藏高原、黄土高原、冀北高原、内蒙古高原等太阳能资源丰富地区占到陆地国土面积的三分之二,具有大规模开发利用太阳能的资源潜力。
太阳能资源丰富、分布广泛,是21世纪最具发展潜力的可再生能源。随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出,太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点,已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。
在此背景下,全球光伏发电产业增长迅猛,产业规模不断扩大,产品成本持续下降。我国光伏发电产业也得到迅速发展,已成为我国为数不多的、可以同步参与国际竞争、并有望达到国际领先水平的行业。崛起了以尚德电力、英利绿色能源、江西赛维LDK、保利协鑫为代表的一批著名企业和以江苏、河北、四川、江西四大光伏强省为代表的一批产业基地。
随着光伏发电产业竞争的不断加剧,大型光伏发电企业间并购整合与资本运作日趋频繁,国内优秀的光伏发电企业愈来愈重视对行业市场的研究,特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究。正因为如此,一大批国内优秀的光伏发电企业迅速崛起,逐渐成为光伏发电产业中的翘楚!
 
 
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