太阳能光伏系统
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太阳能光伏系统是如何工作的?

太阳的大量热能使其成为极具吸引力的能源。 这种能量可以直接转换为直流电和热能。 太阳能是地球上可用的清洁、丰富和取之不尽的可再生能源。 太阳能电池板或使用电池板的太阳能光伏系统(SPV 电池板)布置在屋顶或太阳能发电场中,这样太阳辐射就会落在太阳能光伏板上,以促进将太阳光辐射转化为电能的反应。

太阳能可用于为单个建筑物供电,也可用于工业规模。 当它被小规模使用时,额外的电力可以存储在电池中或馈入电网。太阳能是无限的,唯一的限制是我们能够以有利可图的方式将其转换为电能。 微型太阳能光伏板为计算器、玩具和电话亭供电。

太阳能光伏系统定义

太阳能光伏系统将太阳能转换为电能,就像电池将化学能转换为电能或汽车发动机将化学能转换为机械能或电动机(在电动汽车中,EV)将电能转换为机械能一样。 SPV 电池将太阳能转化为电能。 太阳能电池不是利用太阳的热量发电,而是入射光线与半导体材料相互作用产生电。

电可以定义为电子的流动。 太阳能光伏系统如何产生这种流动? 通常,必须提供能量以将电子从原子核移开。 价电子(即原子外壳中的那些)具有仍与其母原子结合的电子的最高能级,(因为与内壳中的电子相比,它们远离原子核)。 从原子中完全去除电子需要额外的能量,因此,自由电子的能级高于价电子。

Fig1. Energy band diagram

上图描绘了一个能带图,它显示了两个能级,一个价带和一个导带。 价电子位于价带中,自由电子位于较高导带中。 在半导体中,价带和导带之间存在间隙。 因此,必须为价电子提供能量才能进入导带。 这意味着必须提供能量以从其母原子中去除价电子以成为自由电子。

什么是太阳能光伏系统?

当纯硅处于 0 K 温度时(0 开尔文是 – 273°C),由于原子之间的共价键并且没有自由电子,外层电子壳中的所有位置都被占据。 因此价带是完全满的,导带是完全空的。 尽管价电子具有最高的能量,但它们从原子中移除所需的能量(电离能)最少。 这可以用铅原子的例子来说明。 这里第一电子去除的(气态原子的)电离能是716 kJ/mol,第二电子所需的电离能是1450 kJ/mol。 Si 的等效值为 786 和 1577 kJ/mol。

每个移动到导带的电子都会在价键中留下一个空位(称为空穴) 。 这个过程称为电子-空穴对的产生。 硅晶体中的空穴可以像自由电子一样在晶体周围移动。 空穴移动的方式如下:来自空穴附近键的电子很容易跳入空穴,留下不完整的键,即新的空穴。 这种情况发生得很快,而且经常发生——来自附近键的电子与空穴一起改变位置,在整个固体中随机且不规则地发送空穴;材料的温度越高,电子和空穴越激动,它们移动得越多。

光产生电子和空穴是整个光伏效应的核心过程,但它本身并不产生电流。如果太阳能电池中没有其他机制,光产生的电子和空穴会在晶体周围随机游荡一段时间,然后在返回价位时因热而失去能量。为了利用电子和空穴产生电力和电流,需要另一种机制——内置的“势垒”。* 光伏电池具有夹在一起并连接到金属线的两片薄硅片。

在硅锭的制造过程中,硅在切片和运输之前被预掺杂。 掺杂只不过是在晶体硅晶片中添加杂质以使其具有导电性。 硅在外壳中有 4 个电子。这些正(p型)掺杂材料总是硼,它有3个电子(三价)被称为正载流子 (受体) 掺杂剂。 负(n 型)掺杂剂,它有 5 个电子(五价)被称为负载流子(施主)掺杂剂

光伏电池包含阻挡层,该阻挡层由在分界线的任一侧彼此面对的相反电荷建立。 这种势垒选择性地分离光产生的电子和空穴,将更多的电子发送到电池的一侧,并将更多的空穴发送到另一侧。 如此分离,电子和空穴不太可能重新结合并失去电能。 这种电荷分离在电池两端之间建立了电压差,可用于驱动外部电路中的电流。

当光伏电池暴露在阳光下时,称为光子的光能束可以通过 PN 结处建立的电场将底部 P 层中的一些电子从其轨道中击出并进入 N 层。 具有过剩电子的 N 层会产生过剩电子流,从而产生电力将额外的电子推开。 反过来,这些多余的电子被推入金属线回到底部 P 层,它已经失去了一些电子。 因此,电流将继续流动,直到太阳光线入射到面板上。

太阳能光伏系统只能稍微节能

今天的太阳能光伏系统电池只能将大约 10% 到 14% 的辐射能转化为电能。 另一方面,化石燃料工厂将其燃料化学能的 30-40% 转化为电能。电化学电源的转换效率要高得多,高达 90% 到 95 %。

什么是太阳能光伏系统的转换效率?

设备的效率 = 有用的能量输出 / 能量输入

在太阳能光伏系统的情况下,效率约为 15%,这意味着如果每 100 W/m 2的入射辐射有 1 m 2的电池表面,则只有 15 W 将传递到电路。

SPV 电池效率 = 15 W/m 2 / 100 W/m 2 = 15%。

对于铅酸电池,我们可以区分两种类型的效率,即库仑(或 Ah 或安培小时)效率和能量(或 Wh 或瓦特小时)效率。 在将电能转化为化学能的充电过程中,Ah效率约为90%,能量效率约为75%

太阳能光伏系统工作原理

太阳能光伏系统电池制造

原材料是第二丰富的石英(沙子)。 石英是一种分布广泛的矿物。 它有许多品种,主要由二氧化硅或二氧化硅 (SiO2) 组成,并含有少量杂质,如锂、钠、钾和钛。
用硅片制造太阳能电池的过程涉及三类行业
a.) 用石英生产太阳能电池的行业
b.) 用石英和硅片生产硅片的行业
c.) 用硅片生产太阳能电池的行业

太阳能光伏系统中的硅片是如何制作的?

作为第一步,通过还原和纯化石英中的不纯二氧化硅来生产纯硅。 直拉 (Cz) 工艺光伏行业目前使用两种主要途径将原始多晶硅原料转化为成品硅片:使用直拉 (Cz) 工艺的单晶路线和使用定向凝固 (DS) 工艺的多晶路线。 这两种方法的主要区别在于多晶硅如何熔化、如何形成锭、锭的尺寸以及如何将锭成型为用于晶片切片的砖块

  • Czochralski (Cz) 工艺:Cz 方法制造圆柱形锭,然后进行带锯和线锯的多个步骤以生产晶片。 对于一个典型的直径为 24 英寸的坩埚,初始装料重量约为 180 公斤,在 Cz 坩埚中熔化多晶硅,将晶种浸入熔体中,并拉出颈部、肩部、主体大约需要 35 小时, 和端锥。 结果是质量为 150-200 kg 的圆柱形 Cz 锭。 为了留下金属和其他污染物,必须在坩埚中留下 2-4 公斤的锅渣。
  • 定向凝固 (DS) 工艺:多晶 DS 晶片由更短但更宽和更重的锭(约 800 千克)制成,当多晶硅在石英坩埚中熔化时,该锭呈立方体形状。 多晶硅熔化后,通过在坩埚底面以一定速率冷却的温度梯度来诱导DS过程。 与 Cz 锭类似,在裁剪和平方过程中产生的 DS 锭的部分可以重新熔化以供以后的锭世代使用。 然而,在 DS 锭的情况下,由于杂质浓度高,最顶部的部分通常不被回收。

由于该工艺从立方体形状的熔炼坩埚开始,DS 锭和晶片的形状自然是方形,因此可以轻松创建多晶电池,这些电池基本上可以占据整个模块内的整个区域。 生产一个典型的 DS 硅锭大约需要 76 小时,从 6 x 6 切口将其锯成 36 块砖。 典型的成品砖具有 156.75 毫米 x 156.75 毫米的全正方形横截面(表面积为 246 平方厘米)和 286 毫米的高度,当晶片厚度为 180 微米且有 95 微米的每片晶圆的切口损失。 因此,每个 DS 锭可生产 35,000-40,000 个晶片。

参考书目
1. https://sinovoltaics.com/solar-basics/solar-cell-production-from-silicon-wafer-to-cell/
2. 基本 PV 原理和方法 NTIS USA 1982 https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1060377/
3. http://www.madehow.com/Volume-1/Solar-Cell.html#:~:text=To%20make%20solar%20cells%2C%20the,carbon%20dioxide%20and%20molten%20silicon.
4. 伍德豪斯,迈克尔。 布列塔尼·史密斯、阿什温·拉姆达斯和罗伯特·马戈利斯。 2019. 晶体硅光伏组件制造成本和可持续定价:1H 2018 基准和成本降低路线图。 科罗拉多州戈尔登:国家可再生能源实验室。 https://www.nrel.gov/docs/fy19osti/72134.pdf。第 15 页等

不同类型的太阳能光伏系统

随着化石燃料价格的不断上涨和全球排放标准的日益严格,对太阳能和风力发电等可再生能源以及储能解决方案的需求将继续上升。

太阳能一词是指太阳。 太阳能电池是利用太阳能电池(也称为太阳能光伏电池或PV电池)通过光伏效应将太阳辐射或光能转化为电能的能量储存起来的电池。 它们不像电池那样涉及化学反应。光伏电池由半导体材料组成,结合了金属的一些特性和绝缘体的一些特性,使其能够将光转化为电能。

当光被半导体吸收时,光子可以将它们的能量传递给电子,从而产生电子流。 什么是电流? 它是电子的流动。 该电流流出半导体以输出引线。 这些引线通过一些电子电路和逆变器连接到电池或电网,以控制和产生交流电。

太阳能光伏系统电源的使用方法

独立(或离网)SPV 系统:

在这里,太阳能用于单个家庭或工业单位或小型社区。 太阳能电池板产生的电力通过电子控制器发送到电池,电池存储能量。 来自电池的直流电逆变为交流电;电力负载从这些电池中获取电力。 通常,1 kW 屋顶太阳能系统需要 10 平方英尺。 米的无阴影区域。 然而,实际尺寸取决于太阳辐射和天气条件的当地因素、太阳能模块的效率、屋顶的形状等。

图 2。 一个简单的离网太阳能系统
图 2。 一个简单的离网太阳能系统

直并网太阳能光伏系统(或并网系统)

在直线并网系统(或并网系统)中,SPV 面板将通过控制器和电能表连接到公共配电线路。 这里不使用电池。电力首先用于为家庭的即时电力需求供电。 当这些需求得到满足时,额外的电力通过电能表发送到电网。 使用并网太阳能发电系统,当房屋需要的电力超过太阳能电池板产生的电力时,所需的电力平衡由公用电网提供。

因此,例如,如果房屋中的电力负载消耗 20 安培的电流,而太阳能只能产生 12 安培的电流,那么将从电网中提取 8 安培的电流。 显然,晚上所有的电力需求都由电网提供,因为使用并网系统,您不会存储白天产生的电力。

这种类型的系统的一个缺点是,当停电时,系统也会停电。 这是出于安全原因,因为在电力线上工作的线路工需要知道没有电源为电网供电。 并网逆变器在没有感应到电网时必须自动断开连接。 这意味着您无法在停电或紧急情况下供电,也无法储存能量以备后用。 您也无法控制何时使用系统电源,例如在高峰需求时间。

并网互动或并网(混合)太阳能光伏系统

还有另一个系统,我们可以向电网系统供电。 我们可以在需要时赚钱或取回我们提供的能量。

不带电池存储的太阳能光伏系统 - 电网互动或并网(混合)

这些 SPV 系统产生太阳能并供应内部负载和本地配电系统。 这种类型的 SPV 系统组件是 (a) SPV 面板和 (b) 逆变器。 并网系统类似于常规电力系统,不同之处在于部分或全部电力来自太阳。 这些没有电池存储的系统的缺点是它们在停电期间没有电源。

优点 并网(混合)太阳能光伏系统,无需电池存储

它是最便宜的系统,维护量可以忽略不计
如果系统产生的电力超过内部需求,则额外的能源将与公用电网交换
由于不涉及电池,直接电网系统具有更高的效率。
更高的电压意味着更小的电线尺寸。
2018-19 财年并网屋顶太阳能系统的大致成本从卢比不等。每瓦 53 卢比 – 卢比。每瓦 60 元。

太阳能光伏系统图 图 3。 没有电池的并网太阳能
图 3。 没有电池的并网太阳能
Fig 4. Grid tied solar with battery storage
Fig 4. Grid tied solar with battery storage

具有电池存储的电网交互或并网(混合)太阳能光伏系统

这种类型的太阳能光伏系统连接到电网,可以获得国家奖励,同时还可以降低您的水电费。 同时,如果停电,该系统有备用电源。 基于电池的并网系统在停电期间提供电力,并且可以储存能量以备紧急情况使用。 当停电时,照明和电器等基本负载也有备用电源。 人们还可以在高峰需求时间使用能源,因为能源已存储在电池组中供以后使用。

这种太阳能光伏系统的主要缺点是成本高于基本的并网系统并且效率较低。 还添加了组件。 添加电池还需要一个充电控制器来保护它们。 还必须有一个包含要备份的重要负载的子面板。 并非房屋在电网上使用的所有负载都由系统备份。 停电时需要的重要负载。 它们被隔离到一个备用子面板中。

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