Фотогальваническая энергетика — это технология прямого преобразования световой энергии в электрическую за счет использования фотогальванического эффекта интерфейса полупроводника. Ключевым элементом этой технологии является солнечная батарея. После того, как солнечные элементы соединены последовательно, их можно упаковать и защитить, чтобы сформировать модуль солнечных элементов большой площади, а затем объединить с контроллерами мощности и другими компонентами для формирования фотоэлектрического устройства для выработки электроэнергии.
1 Фотоэлектрический эффект
Если свет попадает на солнечный элемент и свет поглощается в пограничном слое, фотоны с достаточной энергией могут возбудить электроны из ковалентных связей как в кремнии P-типа, так и в кремнии N-типа, в результате чего образуются электронно-дырочные пары. Электроны и дырки вблизи пограничного слоя будут отделены друг от друга эффектом электрического поля объемных зарядов перед рекомбинацией. Электроны движутся к положительно заряженной N-области, а дырки — к отрицательно заряженной P-области. Разделение заряда через интерфейсный слой будет генерировать внешне измеряемое напряжение между областями P и N. В это время электроды могут быть добавлены к обеим сторонам кремниевой пластины и подключены к вольтметру. Для солнечных элементов из кристаллического кремния типичное значение напряжения холостого хода составляет от 0,5 до 0,6 В. Чем больше электронно-дырочных пар генерируется светом на интерфейсном слое, тем больше ток. Чем больше световой энергии поглощается пограничным слоем, тем больше пограничный слой, т.е. площадь ячейки, и тем больше ток, образующийся в солнечном элементе.
2. Принцип
Солнечный свет падает на pn-переход полупроводника, образуя новую пару дырка-электрон. Под действием электрического поля pn-перехода дырки перетекают из n-области в p-область, а электроны перетекают из p-области в n-область. После включения цепи образуется ток. Так работают солнечные батареи с фотоэлектрическим эффектом.
Существует два способа выработки солнечной энергии: один — преобразование света в тепло и электричество, а другой — прямое преобразование света в электричество.
(1) Метод преобразования света в тепло и электричество вырабатывает электричество за счет использования тепловой энергии, вырабатываемой солнечным излучением. Как правило, солнечный коллектор преобразует поглощенную тепловую энергию в пар рабочего тела, а затем приводит в действие паровую турбину для выработки электроэнергии. Первый процесс представляет собой процесс преобразования света в тепло; последний процесс представляет собой процесс преобразования тепла в электричество, аналогичный обычному производству тепловой энергии. Недостатком производства солнечной тепловой энергии является очень низкая эффективность и высокая стоимость. Подсчитано, что его инвестиции как минимум выше, чем в обычную тепловую энергетику. Электростанции стоят в 5-10 раз дороже.
(2) Метод прямого преобразования света в электричество В этом методе используется фотоэлектрический эффект для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию. Основным устройством для преобразования света в электричество являются солнечные батареи. Солнечная батарея — это устройство, которое напрямую преобразует энергию солнечного света в электрическую благодаря фотогальваническому эффекту. Это полупроводниковый фотодиод. Когда солнце светит на фотодиод, фотодиод преобразует световую энергию солнца в электрическую энергию и генерирует электричество. Текущий. Когда много элементов соединены последовательно или параллельно, это может стать массивом солнечных элементов с относительно большой выходной мощностью. Солнечные батареи — это многообещающий новый тип источника энергии с тремя основными преимуществами: долговечностью, чистотой и гибкостью. Солнечные батареи имеют длительный срок службы. Пока существует солнце, солнечные батареи можно использовать в течение длительного времени с одним вложением; и теплоэнергетика, атомная энергетика. Напротив, солнечные батареи не загрязняют окружающую среду.
3. Состав системы
Фотоэлектрическая система производства электроэнергии состоит из массивов солнечных элементов, аккумуляторных батарей, контроллеров заряда и разряда, инверторов, распределительных шкафов переменного тока, систем управления слежением за солнцем и другого оборудования. Некоторые из его функций оборудования:
массив батарей
Когда есть свет (будь то солнечный свет или свет, генерируемый другими источниками света), батарея поглощает световую энергию, и на обоих концах батареи происходит накопление зарядов противоположного сигнала, то есть генерируется «фотогенерированное напряжение», что такое «фотоэлектрический эффект». Под действием фотогальванического эффекта два конца солнечного элемента генерируют электродвижущую силу, которая преобразует световую энергию в электрическую энергию, которая является устройством преобразования энергии. Солнечные элементы обычно представляют собой кремниевые элементы, которые делятся на три типа: солнечные элементы из монокристаллического кремния, солнечные элементы из поликристаллического кремния и солнечные элементы из аморфного кремния.
Аккумуляторная батарея
Его функция состоит в том, чтобы хранить электрическую энергию, излучаемую массивом солнечных элементов, когда он освещен, и подавать питание на нагрузку в любое время. Основные требования к аккумуляторной батарее, используемой для производства электроэнергии на основе солнечных элементов: a. низкая скорость саморазряда; б. длительный срок службы; в. сильная возможность глубокого разряда; д. высокая эффективность зарядки; е. меньше обслуживания или без обслуживания; ф. рабочая температура Широкий диапазон; грамм. низкая цена.
Контроллер
Это устройство, которое может автоматически предотвращать перезарядку и разрядку аккумулятора. Поскольку количество циклов заряда и разряда, а также глубина разрядки батареи являются важными факторами, определяющими срок службы батареи, контроллер заряда и разряда, который может контролировать перезарядку или чрезмерную разрядку аккумуляторной батареи, является важным устройством.
инвертор
Устройство, преобразующее постоянный ток в переменный. Поскольку солнечные элементы и батареи являются источниками постоянного тока,
Когда нагрузка представляет собой нагрузку переменного тока, инвертор необходим. По режиму работы инверторы можно разделить на инверторы с независимым управлением и инверторы, подключенные к сети. Автономные инверторы используются в автономных системах питания на солнечных батареях для питания автономных нагрузок. Инверторы, подключенные к сети, используются для систем выработки электроэнергии на солнечных батареях, подключенных к сети. Инвертор можно разделить на инвертор прямоугольной формы и инвертор синусоидальной волны в соответствии с формой выходного сигнала. Прямоугольный инвертор имеет простую схему и низкую стоимость, но имеет большую гармоническую составляющую. Обычно он используется в системах мощностью менее нескольких сотен ватт и с низкими требованиями к гармоникам. Синусоидальные инверторы дороги, но могут применяться для различных нагрузок.
4. Классификация систем
Система выработки фотоэлектрической энергии делится на независимую систему выработки фотоэлектрической энергии, систему выработки фотоэлектрической энергии, подключенную к сети, и систему распределенной выработки электроэнергии из фотогальванических элементов.
1. Независимая фотоэлектрическая генерация также называется автономной фотоэлектрической генерацией. Он в основном состоит из компонентов солнечных батарей, контроллеров и аккумуляторов. Для подачи питания на нагрузку переменного тока необходимо настроить инвертор переменного тока. К автономным фотоэлектрическим электростанциям относятся системы электроснабжения поселков в отдаленных районах, солнечные системы электроснабжения бытовых нужд, источники питания сигналов связи, катодной защиты, солнечные уличные фонари и другие фотоэлектрические системы выработки электроэнергии с батареями, которые могут работать автономно.
2. Производство фотогальванической энергии с подключением к сети означает, что постоянный ток, генерируемый солнечными модулями, преобразуется в переменный ток, отвечающий требованиям электросети, через инвертор, подключенный к сети, а затем напрямую подключается к сети общего пользования.
Его можно разделить на системы выработки электроэнергии, подключенные к сети, с батареями и без них. Подключенная к сети система выработки электроэнергии с аккумуляторной батареей является планируемой и может быть интегрирована в энергосистему или отключена от нее в соответствии с потребностями. Он также имеет функцию резервного источника питания, который может обеспечить аварийное питание, когда по какой-либо причине отключается электросеть. Фотоэлектрические системы выработки электроэнергии, подключенные к сети, с батареями часто устанавливаются в жилых домах; сетевые системы выработки электроэнергии без аккумуляторов не имеют функций диспетчеризации и резервного питания и обычно устанавливаются в более крупных системах. Производство фотоэлектрической электроэнергии, подключенной к сети, включает централизованные крупные фотоэлектрические электростанции, подключенные к сети, которые, как правило, являются электростанциями национального уровня. Однако такого рода электростанции не получили большого развития из-за больших инвестиций, длительного периода строительства и большой площади. Распределенная маломасштабная фотоэлектрическая энергетика, подключенная к сети, особенно фотоэлектрическая фотоэлектрическая генерация, интегрированная в здание, является основным направлением фотоэлектрической генерации, подключенной к сети, благодаря преимуществам небольших инвестиций, быстрого строительства, небольшой занимаемой площади и сильной политической поддержки.
3. Распределенная фотоэлектрическая система выработки электроэнергии, также известная как распределенная выработка электроэнергии или распределенное энергоснабжение, относится к конфигурации меньшей фотоэлектрической системы электроснабжения на объекте пользователя или рядом с объектом питания для удовлетворения потребностей конкретных пользователей и поддержки существующих экономическая работа распределительной сети или одновременное удовлетворение требований обоих аспектов.
4. Базовое оборудование распределенной фотоэлектрической системы производства электроэнергии включает в себя компоненты фотоэлектрических элементов, кронштейны фотоэлектрических квадратных массивов, блокираторы постоянного тока, распределительные шкафы постоянного тока, подключенные к сети инверторы, распределительные шкафы переменного тока и другое оборудование, а также систему электропитания. устройства мониторинга и устройство мониторинга окружающей среды. Его режим работы заключается в том, что в условиях солнечного излучения массив модулей солнечных элементов фотоэлектрической системы производства электроэнергии преобразует выходную электрическую энергию из солнечной энергии и отправляет ее в распределительный шкаф постоянного тока через блок сумматора постоянного тока и сеть. подключенный инвертор преобразует его в источник переменного тока. Нагружается само здание, а избыток или недостаток электроэнергии регулируется подключением к сети.
5. Преимущества и недостатки
По сравнению с широко используемыми системами выработки электроэнергии преимущества солнечной фотоэлектрической энергетики в основном отражаются в следующем:
Солнечную энергию называют самой идеальной новой энергией. ① Нет опасности истощения; ②Безопасный и надежный, без шума, без загрязнения, абсолютно чистый (без загрязнения); ③Это не ограничено географическим распределением ресурсов, и можно использовать преимущества строительства крыш; ④Не нужно потреблять топливо и возводить линии электропередач Местная генерация и электроснабжение; ⑤ Высокое качество энергии; ⑥Пользователей легко принять эмоционально; ⑦Период строительства короткий, и время, необходимое для получения энергии, короткое.
недостаток:
① Плотность распределения энергии облучения мала, то есть занимает огромную площадь; ② Полученная энергия связана с четырьмя временами года, днем и ночью, облачностью и солнцем и другими метеорологическими условиями. Использование солнечной энергии для выработки электроэнергии сопряжено с высокими затратами на оборудование, но коэффициент использования солнечной энергии низок, поэтому ее нельзя широко использовать. Он в основном используется в некоторых особых условиях, таких как спутники.
6. Области применения
1. Источник солнечной энергии пользователя: (1) Небольшой источник питания мощностью 10-100 Вт, используемый в отдаленных районах без электричества, таких как плато, острова, пастбищные районы, пограничные посты и другое электричество для военных и гражданских нужд, например, для освещения. , телевизоры, магнитофоны и т.п.; (2) 3 -5Система выработки электроэнергии на крыше дома, подключенная к сети, кВт; (3) Фотоэлектрический водяной насос: решает проблему питья и орошения глубоких колодцев в районах без электричества.
2. Транспортные поля, такие как навигационные огни, дорожные/железнодорожные сигнальные огни, дорожные предупреждающие/сигнальные огни, уличные фонари Юйсян, высотные заградительные огни, автомобильные/железнодорожные беспроводные телефонные будки, автономный источник питания для смены дороги и т. д.
3. Поле связи/коммуникации: солнечная необслуживаемая микроволновая ретрансляционная станция, станция технического обслуживания оптического кабеля, система электропитания вещания/связи/пейджинговой связи; сельская телефонная фотоэлектрическая система, небольшая машина связи, источник питания GPS для солдат и т. д.
4. Нефтяная, морская и метеорологическая области: система катодной защиты от солнечной энергии для нефтепроводов и затворов резервуаров, жизненное и аварийное электроснабжение для нефтяных буровых платформ, оборудование для морского обнаружения, оборудование для метеорологических/гидрологических наблюдений и т. д.
5. Источник питания для бытовых ламп: таких как садовые лампы, уличные фонари, переносные лампы, лампы для кемпинга, лампы для альпинизма, лампы для рыбалки, лампы черного света, лампы для постукивания, энергосберегающие лампы и т. д.
6. Фотоэлектрическая электростанция: независимая фотоэлектрическая электростанция мощностью 10 кВт -50 МВт, дополнительная ветрово-солнечная (дизельная) электростанция, различные крупные зарядные станции для парковки и т. д.
7. Солнечные здания сочетают производство солнечной энергии со строительными материалами, чтобы в будущем большие здания могли достичь самодостаточности в электричестве, что является основным направлением развития в будущем.
8. Другие области включают в себя: (1) Соответствие автомобилям: солнечные транспортные средства/электромобили, оборудование для зарядки аккумуляторов, автомобильные кондиционеры, вентиляторы, коробки для холодных напитков и т. д.; (2) системы рекуперации энергии для производства солнечного водорода и топливных элементов; (3) электропитание оборудования для опреснения морской воды; (4) Спутники, космические корабли, космические солнечные электростанции и т. д.