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    家用太陽能發電系統的原理和組成

    2020-06-19 17:39:49

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     1.1 家用太陽能發電系統的原理

     太陽能光伏發電的能量轉換器件是太陽能電池,又叫光伏電池。太陽能電池發電的原理是光生伏特效應。當太陽光(或其他光)照射到太陽能光伏電池上時,電池吸收光能,產生光生電子——空穴對。在電池內建電場作用下,光生電子和空穴被分離,電池兩端出現異號電荷的積累,即產生“光生電壓”,這就是“光生伏特效應”。若在內建電場的兩側引出電極并接上負載,則負載就有“光生電流”流過,從而獲得功率輸出。這樣,太陽的光能就直接變成了可以付諸實用的電能。

    1.2 家用太陽能發電系統的組成

    一般來說,家庭式太陽能發電系統主要包括太陽能電池組件、控制器、蓄電池組和逆變器等部分。

    1.2.1 太陽能電池方陣

    通過導線連接的太陽能電池被密封成的物理單元被稱為太陽能電池組件,具有一定的防腐、防風、防雹、防雨等的能力,廣泛應用于各個領域和系統。太陽能電池單體是光電轉換的最 小單元,尺寸一般為2cm 2cm到15cm 15cm不等。太陽能電池單體的工作電壓約為0.45~1.5V,工作電流約為20~25mA/cm2,一般不能單獨作為電源使用。將太陽能單體進行串并聯并封裝后,就成為太陽能電池組件,其功率一般為幾瓦至幾百瓦,是可以單獨作為電源使用的最 小單元。太陽能電池組件再經過串并聯并裝在支架上,就構成了太陽能電池方陣,可以滿足負載所要求的輸出功率[4]。

    (1)太陽能電池簡介

    一個太陽能電池只能產生大約0.45V電壓,遠低于實際應用所需要的電壓。為了滿足實際應用的需要,須把太陽能電池連接成組件。太陽能電池組件包含一定數量的太陽能電池,這些太陽能電池通過導線連接。一個組件上,太陽能電池組件的標準數量是36或40個(10cm×10cm),這意味著一個太陽能電池組件大約能產生16V的電壓,正好能為一個額定電壓為12V的蓄電池進行有效的充電。

    (2)太陽能電池的封裝類型

    太陽能電池的可靠性在很大程度上取決于防腐、防風、防雹、防雨等的能力。其潛在的質量問題是邊沿的密封以及組件背面的接線盒。太陽能電池的封裝方式主要有以下兩種:①雙面玻璃密封。太陽能電池組件的正反兩面均是玻璃板,太陽能電池被鑲嵌在一層聚合物中。這種密封方式存在的一個主要問題是玻璃板與接線盒之間的連接。這種連接不得不通過玻璃板的邊沿,因為在這種玻璃板上打孔是很昂貴的。②玻璃合金層疊密封。這種組件的前面是玻璃板,背面是一層合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太陽能電池組件中,電池與接線盒之間可用導線連接[5]。

    (3)太陽能電池的電氣特性。

    組件的電氣特性主要是指電壓—電流特性,也稱為V-I曲線,如圖2-2所示。V-I曲線顯示了通過太陽能電池組件傳送的電流Im與電壓Vm在特定的太陽輻照度下的關系。

    如果太陽能電池組件電路短路即V=0,此時的電流稱為短路電流Isc;如果電路開路即I=0,此時的電壓稱為開路電壓Voc.太陽能電池組件的輸出功率等于流經該組件的電流與電壓的乘積,即P=VI。

    當太陽能電池組件的電壓上升時,例如通過增加負載的電阻值或組件的電壓從0(短路條件下)開始增加時,組件的輸出功率亦從0開始增加;當電壓達到一定值時,

    (I-電流;Isc-短路電流;Im-最 大工作電流;V-電壓;Voc-開路電壓;Vm-最 大工作電壓;Pm-最 大功率;)

    功率可達到最 大,這時當阻值繼續增加時,功率將躍過最 大點,并逐漸減少至0,即電壓達到開路電壓Voc。在組件的輸出功率達到最 大的點,稱為最 大功率點;該點所對應的電壓,稱為最 大功率點電壓Vm(又稱為最 大工作電壓);該點所對應的電流,稱為最 大功率點電流Im(又稱為最 大工作電流);該點的功率,稱為最 大功率Pm。

    (4)性能測試

    由于太陽能電池組件的輸出功率取決于太陽輻照度、太陽光譜分布和太陽能電池溫度,因此太陽能電池組件的測量在標準條件下(STC)進行,測量條件被歐洲委員會定義為101號標準,其條件是:光譜輻照度,1000W/m2;光譜,AM1.5;電池溫度,25℃。在該條件下,太陽能電池組件所輸出的最 大功率被稱為峰值功率,表示為Wp。在很多情況下,組件的峰值功率通常用太陽能模擬器測定并與國際認證機構的標準化的太陽能電池進行比較。在戶外測量太陽能電池組件的峰值功率是很困難的,因為太陽能電池組件所接受到的太陽光的實際光譜取決于大氣條件及太陽的位置;此外,在測量的過程中,太陽能電池的溫度也是不斷變化的。在戶外測量的誤差很容易達到10%或更大[6]。

    (5)熱斑效應和旁路二極管

     在一定的條件下,一串聯支路中被遮蔽的太陽能電池組件將被當作負載,消耗其他被光照的太陽能電池組件所產生的能量。被遮擋的太陽能電池組件此時將會發熱,這就是熱斑效應。這種效應能很嚴重地破壞太陽能電池。有光照的太陽能電池所產生的部分能量或所有的能量,都可能被遮蔽的太陽能電池所消耗。為了防止太陽能電池由于熱斑效應而被破壞,需要在太陽能電池組件正負極間并聯一個旁路二極管,以避免光照組件所產生的能量被遮蔽的組件所消耗。

    (6)連接盒

    連接盒是一個很重要的元件,它保護太陽能電池與外界的交界面及各組件內部連接的導線和其他系統元件。它包含1個接線盒和1只或2只旁路二極管。

    (7)可靠性和使用壽命

    考察太陽能電池組件可靠性的最 好方式是進行野外測試,但這種測試需經歷很長的時間。為能用較低的費用在相似的工作條件下以較短的時間測量出可靠性,一種新型的測試方法正在發展之中,即加速使用壽命測試方法。這種測試方法,主要是依據野外測試和過去所執行的加速度測試之間的關聯度,并基于理論分析和參照其他電子測量技術以及國際電工技術委員會太陽能光伏能源系統標準化委員會的測試標準(IEC/TC82)而設計的。在IEC規范的503條中描述了一整套可靠性的測試方法。這一規范包含如下測試內容:UV照明測試;高溫暴露測試;高溫/高濕測試;框架扭曲度測試;機械強度測試;冰雹測試;溫度循環測試。

    太陽能電池發電系統中的太陽能電池組件的期望使用壽命至少是25年,具體壽命決定于太陽能電池組件結構性能和當地環境條件。


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