太陽能光伏系統
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太陽能光伏系統是如何工作的?

太陽的大量級熱能使其成為一種非常有吸引力的能量來源。 這種能量可以直接轉化為直流電和熱能。 太陽能是地球上清潔,豐富和取之不盡的可再生能源。 太陽能電池板或使用面板(SPV面板)的太陽能光伏系統佈置在屋頂或太陽能農場中,使太陽輻射落在太陽能光伏板上,以促進將太陽光輻射轉化為電能的反應。

太陽能可用於為單個建築物供電,也可以用於工業規模。 當它小規模使用時,額外的電力可以存儲在電池中或饋入電網。 太陽能 是無限的,唯一的限制是我們以有利可圖的方式將其轉化為電力的能力。 微型太陽能光伏板功率計算機,玩具和電話亭。

太陽能光伏系統定義

太陽能光伏系統將太陽能轉化為電能,就像電池將化學能轉化為電能或汽車發動機將化學能轉化為機械能或電動機(在 電動汽車中,EV)將電能轉化為機械能一樣。 SPV電池將太陽能轉化為電能。 太陽能電池不是利用太陽的熱量產生電能,而是入射光與半導體材料相互作用產生電能。

電可以被定義為電子的流動。 太陽能光伏系統如何創造這種流動? 通常,必須提供能量以使電子遠離原子核。 價電子(即原子外殼中的電子)具有仍然與其母原子結合的電子的最高能級(因為與內殼中的電子相比,它們遠離原子核)。 從原子中完全除去電子需要額外的能量,因此,自由電子比價電子具有更高的能級。

Fig1. Energy band diagram

上圖描繪了一個能帶圖,其中顯示了兩個能級,一個價帶和一個導帶。 價電子位於價帶中,自由電子位於較高導帶中。 在半導體中,價帶和導帶之間存在間隙。 因此,必須為價電子提供能量以進入導帶。 這意味著必須提供能量以從其母原子中除去價電子,成為自由電子。

什麼是太陽能光伏系統?

當純矽處於0 K(0開爾文度為-273°C)的溫度時,由於原子之間的共價鍵並且沒有自由電子,外層電子殼中的所有位置都被佔據。 因此,價帶完全充滿,導帶完全空。 雖然價電子具有最高的能量,但它們需要最少的能量才能從原子中除去(電離能)。 這可以用鉛原子的例子來說明。 在這裡,第一個電子去除的電離能量(氣態原子)為716 kJ / mol,第二個電子所需的電離能為1450 kJ / mol。 Si 的等效值為 786 和 1577 kJ/mol。

每個移動到導帶的電子在價鍵中留下一個空位點(稱為空穴 )。 這個過程被稱為 電子 – 空穴對生成。 矽晶體中的空穴可以像自由電子一樣在晶體周圍移動。 空穴移動的方式如下:來自空穴附近鍵的電子可以很容易地跳入空穴,留下一個不完整的鍵,即一個新的空穴。 這種情況發生得很快,並且頻繁地 – 來自附近鍵的電子隨著空穴而變化,在整個固體中隨機且不穩定地發送空穴;材料的溫度越高,電子和空穴的攪動就越大,它們的運動就越多。

光產生電子和空穴是整個光伏效應的核心過程,但它本身並不產生電流。如果太陽能電池中沒有其他機制,光產生的電子和空穴會在晶體中隨機遊蕩一段時間,然後在它們返回價位時熱失去能量。為了利用電子和空穴產生電力和電流,需要另一種機制 – 內置的”電位”屏障。 光伏電池具有兩個夾 在一起的薄矽晶片 並連接到金屬線上。

在鑄錠的製造過程中,矽在切片和運輸之前 被預摻 雜。 摻雜只不過是在晶體矽晶圓 中添加雜質 以使其導電。 矽在外殼中有4個電子。 這些正(p型) 摻雜材料總是硼,其具有3個電子(三價)稱為正載流子 (接受者) 摻雜。 負(n型)摻雜劑,它有5個電子(五價),稱為負載流子(供體)摻雜劑

光伏電池包含一個 阻擋層,該阻擋層 由分界線兩側彼此相對的相反電荷建立。 這種勢壘選擇性地將光產生的電子和空穴分開,將更多的電子發送到細胞的一側,將更多的空穴發送到另一側。 這樣分離,電子和空穴就不太可能重新連接並失去電能。 這種電荷分離在電池的兩端之間建立了電壓差,可用於驅動外部電路中的電流。

當光伏電池暴露在陽光下時,稱為光子的光能束可以通過在P-N結處設置的電場將底部P層中的一些電子從其軌道上敲除出來並進入N層。 N層及其多餘的電子,發展出過量電子的流,產生一種電力將額外的電子推開。 反過來,這些多餘的電子被推入金屬線中,回到底部的P層,P層已經失去了一些電子。 因此,電流將繼續流動,直到太陽光線入射到面板上。

太陽能光伏系統只能稍微節能

今天的太陽能光伏系統電池僅將約10%至14%的輻射能轉化為電能。 另一方面,化石燃料工廠將其燃料化學能的30-40%轉化為電能。電化學電源轉換效率要高得多,高達90%至95%。

什麼是太陽能光伏系統的轉換效率?

設備效率 = 有用能量輸出 / 能量輸入

在太陽能光伏系統的情況下,效率約為15%,這意味著如果我們每100 W / m2 入射輻射的電池表面為1 m2, 則只有15 W將傳遞到電路中。

SPV 電池效率 = 15 W/m2/ 100 W/m2 = 15 %。

在鉛酸電池的情況下,我們可以區分兩種類型的效率,庫侖(或Ah或安培小時)效率和能量(或Wh或瓦特小時)效率。 在將電能轉化為化學能的充電過程中,Ah效率約為90%,能源效率約為75%。

太陽能光伏系統工作原理

太陽能光伏系統電池的製造

原材料是第二豐富的石英(沙子)。 石英是一種分佈廣泛的礦物。 它有許多品種,主要由二氧化矽或二氧化矽(SiO2)組成,含有少量雜質,如鋰,鈉,鉀和鈦。
用矽晶圓製造太陽能電池的過程涉及三類行業
a.)用石英生產太陽能電池的行業
b.)從石英和
c.) 利用矽片生產太陽能電池的行業

矽晶圓是如何在太陽能光伏系統中製造的?

作為第一步, 純矽 是通過 還原和純化 石英中的不純二氧化矽來生產的。 Cz-ralski(Cz)工藝 光伏行業目前使用兩種主要途徑將原始多晶矽原料轉化為成品矽片:使用Cz-ralski(Cz)工藝的單晶途徑和使用 定向凝固(DS)工藝的多晶途徑。 這兩種方法之間的主要區別在於多晶矽如何熔化,如何形成錠,錠的大小以及如何將錠塑造成磚塊以進行晶圓切片

  • Czochralski(Cz)工藝:Cz方法產生圓柱形錠,然後進行帶鋸和線鋸的多個步驟以生產晶圓。 對於裝有初始裝料重量約為180 kg的典型直徑為24英寸的坩埚,需要大約35小時才能熔化Cz坩埚中的多晶矽,將晶種浸入熔體中,並拉出頸部,肩部,身體和端錐。 結果是一個圓柱形Cz錠,品質為150-200千克。 為了留下金屬和其他污染物,有必要在坩埚中留下2-4公斤的廢料。
  • 定向凝固(DS)工藝:多晶DS晶圓由更短但更寬,更重的錠製成 – 約800千克 – 當多晶矽在石英坩埚內熔化時,呈立方體形狀。 多晶矽熔化後,通過產生溫度梯度來誘導DS過程,其中坩埚的底面以一定的速率冷卻。 與Cz錠類似,在種植和平方過程中生產的DS錠的一部分可以重熔,供以後的錠代使用。 然而,就DS鑄錠而言,由於雜質濃度高,最頂部的部分通常不會回收利用。

由於該過程從立方體形狀的熔煉坩埚開始,因此DS鑄錠和晶圓自然呈方形,因此可以輕鬆創建基於多晶的電池,這些電池基本上可以佔據整個模組中的整個區域。 生產典型的DS矽錠需要大約76個小時,從6 x 6的切口鋸成36塊磚。 典型的成品磚具有156.75 mm x 156.75 mm的全方形橫截面(246 cm2的表面積)和286 mm的高度,當晶圓厚度為180μm時,每塊磚產生1,040個晶圓,每個晶圓有95μm的割縫損失。 因此,每個DS鑄錠可生產35,000-40,000片晶圓。

書目
1. https://sinovoltaics.com/solar-basics/solar-cell-production-from-silicon-wafer-to-cell/
2. 基本光伏原理和方法 NTIS 美國 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, 邁克爾. 布列塔尼·史密斯、阿什溫·拉姆達斯和羅伯特·馬戈利斯。 2019. 晶體矽光伏元件製造成本和可持續定價:2018年上半年基準和成本降低路線圖。 科羅拉多州戈爾登:國家可再生能源實驗室。 https://www.nrel.gov/docs/fy19osti/72134.pdf。第15頁及以下各頁

不同類型的太陽能光伏系統

隨著化石燃料價格的持續上漲和全球排放標準的持續嚴格,對太陽能、風力發電和儲能解決方案等可再生能源的需求將繼續上升。

“太陽能”一詞是指太陽。 太陽能電池是那些用於通過光伏效應存儲從太陽輻射或光能轉換為電能的能量,使用太陽能電池(也稱為太陽能光伏電池或光伏電池)。 它們不涉及 電池中的化學反應。 PV電池由半導體材料組成,它結合了金屬的某些性質和絕緣體的某些性質,這使得它能夠將光轉化為電能。

當光被半導體吸收時,光子可以將其能量傳遞給電子,從而產生電子流。 什麼是電流? 它是電子的流動。 該電流從半導體流出,輸出引線。 這些引線通過一些電子電路和逆變器連接到電池或電網,以控制和產生交流電。

太陽能光伏系統電源的使用方法

獨立(或離網)SPV系統:

在這裡,太陽能用於單個家庭或工業單位或小型社區。 太陽能電池板產生的電力通過電子控制器發送到電池,電池存儲能量。 電池的直流電反轉為交流電;電氣負載從這些電池中獲取電力。 通常,1千瓦的屋頂太陽能系統需要10平方英尺。 米的無陰影區域。 然而,實際尺寸取決於太陽輻射和天氣條件的局部因素,太陽能元件的效率,屋頂的形狀等。

圖 2. 一個簡單的離網太陽能系統
圖 2. 一個簡單的離網太陽能系統

直併網太陽能光伏系統(或併網系統)

在直併網系統(或併網系統)中,SPV面板將通過控制器和電錶連接到公共配電線路。 這裡
不使用電池。
電力首先用於為家庭的直接電力需求供電。 當這些需求得到滿足時,額外的電力通過電錶發送到電網。 通過電網連接太陽能發電系統,當房屋需要的電力超過太陽能電池板產生的電力時,所需的電力平衡由公用電網提供。

因此,例如,如果房屋中的電力負載消耗20安培的電流,而太陽能發電只能產生12安培,那麼將從電網中抽取8安培。 顯然,在晚上,所有的電力需求都由電網提供,因為使用併網系統,您不會存儲白天產生的電力。

這種類型的系統的一個 缺點 是,當電源熄滅時,系統也會熄滅。 這是出於安全原因,因為在電力線上工作的線路人員需要知道沒有源為電網供電。 並網逆變器在不感應到電網時必須自動斷開連接。 這意味著您無法在停電或緊急情況下提供電力,也無法存儲能量以供以後使用。 您也無法控制何時使用系統的電源,例如在高峰需求時間。

並網互動或併網(混合)太陽能光伏系統

還有另一個系統,我們可以向電網系統供電。 我們可以在需要時賺錢或收回我們提供的能量。

不帶電池儲存的太陽能光伏系統 - 電網交互或併網(混合)

這些SPV系統產生太陽能電力,併為內部負載和本地配電系統供電。 這種類型的 SPV 系統元件是 (a) 特殊目的公司小組和 (b) 逆變器。 並網系統類似於常規電力系統,只是部分或全部電力來自太陽。 這些沒有電池存儲的系統缺點是它們在停電期間沒有電源。

優勢並網(混合)太陽能光伏系統無需電池存儲

它是最便宜的系統,維護成本可以忽略不計
如果系統產生的電力超過內部需求,則額外的能量將與公用電網交換
電網直接系統具有更高的效率,因為不涉及電池。
更高的電壓意味著更小的電線尺寸。
2018-19財年併網屋頂太陽能系統的大致成本從每瓦53盧比到每瓦60盧比不等。

太陽能光伏系統示意圖圖3。 無電池併網太陽能
圖 3. 無電池併網太陽能
Fig 4. Grid tied solar with battery storage
Fig 4. Grid tied solar with battery storage

帶電池存儲的電網互動式或併網(混合)太陽能光伏系統

這種類型的太陽能光伏系統連接到電網,有資格獲得國家激勵措施,同時還可以降低您的水電費。 同時,如果停電,此系統將備用電源。 基於電池的併網系統在停電期間提供電力,並且可以存儲能量以在緊急情況下使用。 當斷電時,照明和電器等基本負載也具有備用電源。 人們也可以在高峰需求時間使用能量,因為能量已被存儲電池組以供以後使用。

這種太陽能光伏系統的主要缺點是成本高於基本的併網系統,效率較低。 還添加了元件。 電池的添加還需要充電控制器來保護它們。 還必須有一個子面板,其中包含要備份的重要負載。 並非房屋在電網上使用的所有負載都由系統備份。 停電時需要的重要負載。 它們被隔離到一個備用子面板中。

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