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课程结业论文
题目:太阳能光伏发电系统(光电传感器)
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概述:光伏发电系统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系统装置。
关键词:光生伏特效应、太阳能电池
正文
太阳能电池是在光线照射下,直接将光量转变为电动势的光学元件。其工作原理即为光生伏特效应。因此,在有光线作用时,PN结就相当于一个电压源。
1)材料
N型光电导体:多子是电子,少子是空穴。主要是光子激发施主能级中的电子跃迁到导带中去,电子为主要载流子,增加了自由电子的浓度。
P型光电导体:多子是空穴,少子是电子。主要是光子激发价带中的电子跃迁到受主能级,与受主能级中的空穴复合,而在价带中留有空穴,作为主要载流子参加导电,增加了空穴的浓度。
2)光伏效应
PN结存在一个由N指向P的内建电场。当热平衡时,多数载流子的扩散和少数载流子的漂移作用相抵消,没有电流通过PN结。
当有光照射PN结时,样品对光子的本征和非本征吸收都将产生载流子。但是,由于P区和N区的多数载流子都被势垒阻挡而不能穿过PN结,因而只有本征吸收所激发的少数载流子才能引起光伏效应。
当有光照射时,光线足以透过P型半导体入射到PN结。对于能量大于材料禁带宽度的光子,由于本征吸收,就可激发出电子、空穴以及电子-空穴对。P区的光生电子和N区的光生空穴以及结合的电子--空穴对扩散到结电场附近时,在内建电场的作用下漂移过PN结,电子--空穴对被阻挡层的内建电场分开,光生电子和孔穴被分别拉到N区和P区,从而在阻挡层两侧形成电荷的堆积,产生内建电场的光生电场,使得内建电场的势垒降低(降低量等于光生电势差)。光生电势差所产生的光生电流Ip方向和结电流的方向相反,与PN结反向饱和电流Io同向,且Ip>Io。
太阳能电池实质是一个大面积PN结,结构如图1所示。上电极为栅状受光电极,栅状电极下涂有抗反射膜,用以增加透光、减小反射;下电极是一层衬底铝。当光照射PN结的一个面时,电子空穴对迅速扩散,在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势,一般
〜,50mA电流。
上电扳
+■
1
P+;
;•N
+1
图1:太阳能电池结构
图2:太阳能电池工作原理图
太阳能电池对不同波长的光灵敏度不同,图3为硅太阳能电池和硒太阳能电池的光谱特
性曲线。可见,不同材料的太阳能电池,光谱响应的最大灵敏度峰值所对应的入射波长不同
比较可知,硅太阳能电池可以在很宽的波长范围内应用。
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图4:太阳能电池的光照特性
太阳能电池在不同的光强度照射下可以产生不同的光电流和光生电动势。图4为太阳能
电池的光照特性曲线。短路电流在很大范围内与光照度成线性关系,而开路电压与光照度关系是非线性关系,在照度位2001X下趋于饱和。因此,太阳能电池作为测量元件使用时,一般不作电压源使用,而作为电流源应用。
短路电流是指外接负载RL相对内阻很小时的光电流。实验证明:负载电阻RL越小,光电流与光照强度之间的线性关系越好,线性范围越宽。总之,负载电阻越小越好。
频率特性指太阳能电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。从图5中得知,硅、硒
太阳能电池的频率特性不同,硅太阳能电池有较好的频率响应。在一些测量系统中,太阳能电池作为接受器件,测量调制光的输入信号,所以高速计数器的转换一般采用硅太阳能电池作为传感器元件。
100
硅光电池
相对光电流
80
60
40
通常的晶体硅〕
种硅片从提拉或浇
的,这
的硅锭上锯割而成。如图6
CC冲LUCbU
硅卿硅碇切聞
打;:"沁图6太阳能电池的生产流程
组件线又叫封装线,封装是太阳能电池生产中的关键步骤,没有良好的封装工艺,多好的电池也生产不出好的电池组件板。电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证,而且还增强了电池的抗击强度。产品的高质量和高寿命是赢得可客户满意的关键,所以组件板的封装质量非常重要。在这里只简单的介绍一下工艺的作用,给大家一个感性的认识.
电池测试:由于电池片制作条件的随机性,生产出来的电池性能不尽相同,所以为了有效的将性能一致或相近的电池组合在一起,所以应根据其性能参数进行分类;电池测试即通过测试电池的输出参数(电流和电压)的大小对其进行分类。以提高电池的利用率,做出质量合格的电池组件。
正面焊接:是将汇流带焊接到电池正面(负极)的主栅线上,汇流带为镀锡的铜带,我们使用的焊接机可以将焊带以多点的形式点焊在主栅线上。焊接用的热源为一个红外灯(利用红外线的热效应)。焊带的长度约为电池边长的2倍。多出的焊带在背面焊接时与后面的电池片的背面电极相连
背面串接:背面焊接是将36片电池串接在一起形成一个组件串,我们目前采用的工艺是手动的,电池的定位主要靠一个膜具板,上面有36个放置电池片的凹槽,槽的大小和电池的大小相对应,槽的位置已经设计好,不同规格的组件使用不同的模板,操作者使用电烙铁和焊锡丝将“前面电池”的正面电极(负极)焊接到“后面电池”的背面电极(正极)上,这样依次将36片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。
层压敷设:背面串接好且经过检验合格后,将组件串、玻璃和切割好的EVA、玻璃纤维、背板按照一定的层次敷设好,准备层压。玻璃事先涂一层试剂(primer)以增加玻璃和EVA的粘接强度。敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置,调整好电池间的距离,为层压打好基础。(敷设层次:由下向上:钢化玻璃、EVA、电池片、EVA、玻璃纤维、背板)。
组件层压:将敷设好的电池放入层压机内,通过抽真空将组件内的空气抽出,然后加热使EVA熔化将电池、玻璃和背板粘接在一起;最后冷却取出组件。层压工艺是组件生产的关键一步,层压温度层压时间根据EVA的性质决定。我们使用快速固化EVA时,层压循环时间约为25分钟。固化温度为150°C。(电池板原料:玻璃,EVA,电池片、铝合金壳、包锡铜片、不锈钢支架、蓄电池等)如图3
图7太阳能电池板
修边:层压时EVA熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边,所以层压完毕应将其切除。
装框:类似与给玻璃装一个镜框;给玻璃组件装铝框,增加组件的强度,进一步的密封电池组件,延长电池的使用寿命。边框和玻璃组件的缝隙用硅***树脂填充。各边框间用角键连接。
焊接接线盒:在组件背面引线处焊接一个盒子,以利于电池与其他设备或电池间的连接。
高压测试:高压测试是指在组件边框和电极引线间施加一定的电压,测试组件的耐压性和绝缘强度,以保证组件在恶劣的自然条件(雷击等)下不被损坏。
组件测试:测试的目的是对电池的输出功率进行标定,测试其输出特性,确定组件的质量等级。目前主要就是模拟太阳光的测试Standardtestcondition(STC),—般一块电池板所需的测试时间在7-8秒左右。
太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池(组)组成。
如输出电源为交流220V或110V,还需要配置逆变器(图5,6所示)。各部分的作用为:
(一)太阳能电池板太阳能电池板(图4所示)是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能,或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。
(二)太阳能控制器太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态,并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。
(三)蓄电池一般为铅酸电池,一般有12V和24V这两种,小微型系统中,也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来,到需要的时候再释放出来。
(四)逆变器在很多场合,都需要提供AC220V、AC110V的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。为能向AC220V的电器提供电能,需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能,因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合,需要使用多种电压的负载时,也要用到DC-DC逆变器,如将24VDC的电能转换成5VDC的电能(注意,不是简单的降压)
电观
电池板
控制器直流照明
转换器
冰箱
太阳能专用蓄电池
图8数©◎©§©太阳能电池发电系统的组成原理
问题1、太阳能发电系统在哪里使用?该地日光辐射情况如何?
问题2、系统的负载功率多大?
问题3、系统的输出电压是多少,直流还是交流?
问题4、系统每天需要工作多少小时?
问题5、如遇到没有日光照射的阴雨天气,系统需连续供电多少天
问题6、负载的情况,纯电阻性、电容性还是电感性,启动电流多大?
问题7、系统需求的数量?
采用交流电力输出的光伏发电系统,由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池和逆变器(电源)四部分组成(并网发电系统一般可省去蓄电池),而逆变电源是关键部件。光伏发电系统对逆变电源要求较高:
(1)要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高,为了最大限度地利用太阳电池,提高系统效率,必须设法提高逆变电源的效率。
(2)要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区,许多电站无人值守和维护,这就要求逆变电源具有合理的电路结构,严格的元器件筛选,并要求逆变电源具备各种保护功能,如输入直流极性接反保护,交流输出短路保护,过热,过载保护等。
(3)要求直流输入电压有较宽的适应范围,由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化,蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用,但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动,特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大,如12V蓄电池,其端电压可在10V〜16V之间变化,这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作,并保证交流输出电压的稳定。
(4)在中、大容量的光伏发电系统中,逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中,若采用方波供电,则输出将含有较多的谐波分量,高次谐波将产生附加损耗,许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备,这些设备对电网品质有较高的外,当中、大容量的光伏发电系统并网运行时,为避免铎公共电网的电力污染,也要求逆变电源输出正弦波电流。