太阳能发电基础科技知识

光生伏特效应：假设光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被接纳，具有足够能量的光子可以在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激起，致使发作电子－空穴对。

界面层临近的电子和空穴在复合之前，将经由空间电荷的电场结果被相互分别。

电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。

经由界面层的电荷分别，将在P区和N区之间发作一个向外的可测试的电压。

此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。

对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。

经由光照在界面层发作的电子－空穴对越多，电流越大。

界面层接纳的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中组成的电流也越大。

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。

这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

一、太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

（1）光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。

前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。

（2）光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。

太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。

当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。

太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染。

太阳光电系统，也称为光生伏打，简称光伏，是指利用光伏半导体材料的光生伏特效应而将太阳能转化为直流电能的设施。

光伏设施的核心是太阳能电池板。

目前，用来发电的半导体材料主要有：单晶硅、多晶硅、非晶硅及碲化镉等。

由于近年来各国都在积极推动可再生能源的应用，光伏产业的发展十分迅速。

光伏系统可以大规模安装在地表上成为光伏电站，也可以置于建筑物的房顶或外墙上，形成光伏建筑一体化。

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。

独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。

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。

独立光伏发电系统分类1、无蓄电池的直流光伏发电系统无蓄电池的直流光伏发电系统的特点是用电负载是直流负载，对负载使用时间没有要求，负载主要在白天使用。

太阳能电池与用电负载直接连接，有阳光时就发电供负载工作，无阳光时就停止工作。

系统不需要使用控制器，也没有蓄电池储能装置。

无蓄电池的直流光伏发电系统的优点是省去了能量通过控制器及在蓄电池的存储和释放过程中造成的损失，提高了太阳能利用效率。

这种系统最典型的应用是太阳能光伏水泵。

2、有蓄电池的直流光伏发电系统有蓄电池的直流光伏发电系统由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池以及直流负载等组成。

有阳光进，太阳能电池将光能转换为电能供负载使用，并同时向蓄电池存储电能。

夜间或阴雨天时，则由蓄电池向负载供电。

这种系统应用广泛，小到太阳能草坪灯、庭院灯，大到远离电网的移动通信基站、微波中转站，边远地区农村供电等。

当系统容量和负载功率较大时，就需要配备太阳能电池方阵和蓄电池组了。

3、交流及交、直流混合光伏发电系统交流及交、直流混合光伏发电系统与直流光伏发电系统相比，交流光伏发电系统多了一个交流逆变器，用以把直流电转换成交流电，为交流负载提供电能。

交、直流混合光伏发电系统即能为直流负载供电，也能为交流负载供电。

4、市电互补型光伏发电系统市电互补型光伏发电系统，就是在独立光伏发电系统中以太阳能光伏发电为主，以普通220V交流电补充电能为辅。

这样光伏发电系统中太阳能电池和蓄电池的容量都可以设计得小一些，基本上是当天有阳光，当天就用太阳能发的电，遇到阴雨天时就用市电能量进行补充。

我国大部分地区多年都有2/3以上的晴好天气，这样形式即减小了太阳能光伏发电系统的一次性投资，又有显著的节能减排效果，是太阳能光伏发电在现阶段推广和普及过程中的一个过度性的好办法。

并网太阳能光伏发电系统是由光伏电池方阵、控制器、并网逆变器组成，不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接将电能输入公共电网。

并网太阳能光伏发电系统相比离网太阳能光伏发电系统省掉了蓄电池储能和释放的过程，减少了其中的能量消耗，节约了占地空间，还降低了配置成本。

值得申明的是，宇翔并网太阳能光伏发电系统很大一部分用于政府电网和发达国家节能的案件中。

并网太阳能发电是太阳能光伏发电的发展方向，是21世纪极具潜力的能源利用技术。

并网光伏发电系统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，因而没有太大发展。

而分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，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。

把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。

依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。

风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。

风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。

这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。

（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵）风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。

当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。

桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。

（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同）由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。

为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。

铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。

它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。

铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。

发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。

风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；中国也在西部地区大力提倡。

小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。

风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。

每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。

多大的风力才可以发电一般说来，三级风就有利用的价值。

但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。

据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速为每秒9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，功率为38千瓦；风速每秒6米时，只有16千瓦；而风速每秒5米时，仅为9.5千瓦。

可见风力愈大，经济效益也愈大。

在我国，现在已有不少成功的中、小型风力发电装置在运转。

我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。

在这些地区，发展风力发电是很有前途的。

风力发电的输出风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。

然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。

通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的。

目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。

功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。

在内地，小的风力发电机会比大的更合适。

因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。

当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台200W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得500W甚至1000W乃至更大的功率输出。

尽管风力发电机多种多样，但归纳起来可分为两类：①水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；②垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。