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太阳能电池发电原理
光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板(组件)、控制器和逆变器光伏发电2三大部分组成。光伏发电利用半导体界面的光生伏特效应而&&&&&& 将光能直接转变为电能。技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进&&&&&&& 行封装保护可形成大面积的太阳电池&组件，再配合上功率控制器等部件就形成了&&&&&&& 光伏发电装置。太阳能电池：&&&&&&&&& 制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发&&&&&&& 生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池;2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池;3、功能高分子材料制备的大阳能电池;4、纳米晶太阳能电池等。一、硅太阳能电池1.硅太阳能电池工作原理与结构太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个&&&&&& 空穴，它的形成可以参照下图：图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示&&&&&&& 掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，&&&&&&&&这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P(positive)型半导体。同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，&&&&&& 形成N(negative)型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。如下图。N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型&&&&&& 半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。&当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层)，&&&&&&&&界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，&&&&&&&出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N&&&&&&& 指向P的&内电场&，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，&&&&& 这就是PN结。&&当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成&&& 从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。(如下图所示)由于半导体不是电的良导体，电子在通过p-n结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p-n结(如图 梳状电极)，以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜(如图)，将反射损失减小到5%甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池(通常是36个)并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。2.硅太阳能电池的生产流程通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350～450&m的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。上述方法实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺。此外，液相外延法(LPPE)和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用 LPCVD在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。三、纳米晶化学太阳能电池在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的，但由于成本居高不下，远不能满足大规模推广应用的要求。为此，人们一直不断在工艺、新材料、电池薄膜化等方面进行探索，而这当中新近发展的纳米TiO2晶体化学能太阳能电池受到国内外科学家的重视。以染料敏化纳米晶体太阳能电池(DSSCs)为例，这种电池主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。阳极：染料敏化半导体薄膜(TiO2膜)阴极：镀铂的导电玻璃电解质：I3-/I-如图所示，白色小球表示TiO 2,红色小球表示染料分子。染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO 2导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO 2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。纳米晶TiO 2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10.寿命能达到 20年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。
来源：电子发烧友
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光伏发电的基本原理
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光伏逆变器原理图
时间: 15:08
来源:电工之家
作者:编辑部
【摘要】并网光伏逆变器的基本设计 无论采用何种技术，逆变器的基本设计都很明确，且非常相似。其核心就是将直流电压（光伏组件）转换成交流电压（可并网）的过程。在转变的过程中，不停地转换直流电的正负极连接，从而形成方向变化的交流电。所以，逆变器的关键部件......
并网光伏逆变器的基本设计
　　无论采用何种技术，逆变器的基本设计都很明确，且非常相似。其核心就是将直流电压（光伏组件）转换成交流电压（可并网）的过程。在转变的过程中，不停地转换直流电的正负极连接，从而形成方向变化的交流电。所以，逆变器的关键部件是桥接开关（晶体管元件，见图1：a）），这个开关桥的一侧连接输入的直流电源，在另一侧连接交流电网。在工作过程中，只有两个相对的开关可以同时关闭。
　　如果将此开关桥的开关速度设置成与电网频率相同，则在理论上可以将桥的输出侧与电网连接。但是，由于这样输出的电流是方波，且强度没有变化，因此需要在输出端安装一个具有铁芯的电感器，用以将输出电流控制成为正弦波形状。桥的断开采用脉冲过程进行，从而形成与脉冲相关的较小电流分量。这样的电流分量可以对电感器的电流进行控制。脉冲的频率一般为20KHz ， 这样就完全可以形成50Hz的电流，见图1：b）。
　　对于光伏逆变器来说，还有一个非常重要的设备不能遗漏：输入端的电容器，见图1： c ） 。电容器的作用是储存电能，确保来自发电侧的电流持续一致供给桥接开关，并通过与电网频率同步变化的桥进入电网。只有在输入电容器的容量足够大的情况下，才能够保证光伏发电系统的持续、正常运行。
图1：光伏逆变器的基本设计
　　图2描述了可用于直接并网的逆变器的基本功能。但在实际应用中，输入电压的范围具有一定的局限性。对于并网发电应用，其输入电压必须在任何时刻都高于电网的峰值电压。当电网电压的有效值为250V时，达到正常并网要求的发电源侧的最低电压应为354V。
　　与标准逆变器的基本设计不同，直接并网逆变器有很多方法来调整或提升输入电压范围。常用的逆变器技术方案与结构都各不相同：
图2：最常用的逆变器电路图表一览
　　上面提到的逆变器拓朴结构不仅在电气隔离方面不同，在可达到的效率、对电压的依赖性等方面也各不相同。因此，没有统一的公式来界定何种逆变器设计是最优秀的设计，用户必须要考虑到具体使用的逆变器特性。
　　无隔离变压器光伏逆变器的技术关键
　　目前，只要光伏发电站设计合理，完全可以经济运行。直接并入电网的无变压器型逆变器因为其低成本、高效率而日益受到重视。但是，该技术仍然被认为是&有问题的&。这一点将在下面进行检验和说明。
　　变压器将电能转化成磁能，再将磁能转化成电能。在输入与输出端之间安装的电气隔离装置导致的能量损失可达到1%，甚至高达2%。因此，无变压器型逆变器的运行效率要比变压器型逆变器高。这种技术还有很多其它的优点，例如材料消耗少、重量轻等。
　　总而言之，无变压器型逆变器相对体积较小、重量较轻、价格也比较便宜，在很多方面都比变压器型逆变器更具优势。虽然光伏发电站的运行和安全性都不需要采用电气隔离措施，在设计直接并网的逆变器时还是应该考虑到以下几个方面。
图5：外观相同，内部电路不同：变压器型和无变压器型两种Sunny Boy效率特性。
　　正常运行状态下的漏电电流
　　将来自光伏组件的电压采用高频率（20kHz）转换过程中，高频电压应等同于电网电压峰值；这些电压在逆变器内部被认为是干扰，滤波器可以阻断这些干扰，防止其进入电网。(电工之家)但在理论上，阻止来自发电电源侧的直流分量进入交流电网是不可能绝对实现的。
　　这样，根据所采用逆变器结构的不同，在交流输出中也将存在不同的对地直流电压分量。如果太阳能电池组和/或者其接线端对地存在交流电压，将产生&漏电电流&，通过寄生电容流向电池组接地点。
图6：Sunny Boy 2100TL逆变器光伏电池组对地电压
图7：Sunny Boy 5000TL HC多组串逆变器光伏电池组对地电压
　　下面我们以Sunny Boy 2100TL和Sunny Boy 5000TL HC两种逆变器为例。如上图所示。这两种逆变器的运行会在其电子部分产生与时间相关的电势，它们的光伏组件对地电压也不相同。Sunny Boy 2100TL采用H型桥结构，加在光伏组件上的电压为电网电压有效值的一半。
　　多组串逆变器SB5000TL HC则采用电容半桥结构。桥的中线直接连接在电网的中线上。这样的结果就是产生的对地电压只是50Hz的低电压值，其分量只是电网电压很小的一部分，只相当于变压器拓扑结构中的电压纹波量。
　　除了电网电压提升方面的考虑，漏电电流的大小还取决于光伏组件寄生电容的大小，该电容值大小与电池面积及组件与边框之间的距离相关。因此，关于漏电电流情况，应该在设计系统时就仔细考虑逆变器的结构和光伏组件尺寸。面积越大、电池与光伏组件边框之间的距离越小，产生的漏电电流就越大。无边框结构光伏组件的漏电电流值很低。然而，安装在不锈钢箔上的非晶电池会产生很大的漏电电流。
　　外部条件也会对漏电电流产生影响，因此不可避免会产生一定的波动。如果沉淀物或者清洁液弄湿了光伏组件，漏电电流就会增加；这些液体中的电子物质成分缩短电池与电池间的距离，造成漏电电流升高。
　　总之，光伏组件在运行时的漏电电流（正常情况下）取决于很多运行条件，没有定值来衡量。以H型桥逆变器（如Sunny Boy 2100TL）为例，在运行过程中光伏组件的漏电电流值在1-30mA/KWp范围内。
　　光伏组件中的故障电流
　　在并网应用的光伏电站中，只能使用电池片与边框有可靠绝缘的光伏组件。组件要具有双倍或超强的绝缘措施，并且要充分考虑光伏组件的系统耐压性，以保证即使在光伏系统运行状态下也可以触摸组件表面，不会造成危险。目前，所有的光伏组件可以达到Ⅱ级防护，在选择时并没有太严格的限制。
　　如上所述， 对于无变压器型逆变器，在运行时光伏组件上的电压可以是叠加了交流电网的同步电压值。当触摸组件表面时，可能会产生对地的故障电流。如果组件的绝缘足够好，一般来说很难有这样的电流产生。但是，故障电流放电的强度会随一些条件的变化而增加，如光伏电池距离缩短（这种情况下透明玻璃或塑料板厚度减少）、接触面积增加等。比如：由于清洁光伏组件的液体中含有导电物质，会造成导电面积扩大，从而导致意外的故障电流。在这种情况下虽然无法对危险电流预先检测，但如果发生意外会造成一定的危险。为了避免由此（类似突然从梯子上掉下来等）产生的安全隐患，也为了避免危险，在建设光伏并网发电系统时，用户应该遵循以下步骤：
　　1）将光伏组件的边框以及其他导电气部分与接地线连接
　　2）在对系统进行维护或对光伏组件进行清理时，断开逆变器与电网的连接
　　有了这些保护措施，人员安全就能够得到完全的保障。设计精密的无变压器型逆变器还有额外的保护，即使超过电气隔离型逆变器要求的安全标准，也勿需担心安全问题。
　　在该类型逆变器中， 要对组件可能产生的DC或AC漏电电流进行持续监测， 一旦产生故障电流（ 大于3 0mA） ， 逆变器立即断开与电网的连接。然而，现实应用中对故障电流的监测比简单监测漏电电流大小更为复杂。漏电电流在系统运行状态下是随时变化的，在并网之前无从得知当前的数值。因此，在每次逆变器接入电网前，会检测光伏组件的绝缘电阻。只有当绝缘电阻超过要求的电阻值（ 大于1M欧姆）时，才能证明没有故障电流注入电网，这时可以连接电网。因此，识别故障电流不仅通过监测漏电电流的增加，还要通过测量电流的变化率来获知。所有故障电流监控装置都必须具有漏电电流检测功能（双重的），各监测系统必须能够独立识别故障电流。这样，人身安全就会得到更多的保障。RCD保护在调试之后很少或者根本不需要再进行人工测试，但上述保护措施远比一般的RCD保护更有效。
　　进入交流电网的直流分量
　　直接与电网并接，通常会导致直流电直接进入交流电网。该直流电成分会影响电网上的设备（ 局域电网变压器） 的正常运行和RCD的工作特性，同时会使与电网并接的用电器中的变压器发生内耗，产生磁饱和，而这并不是用电器所要求的使用环境。虽然这种情况不一定会损坏设备，但可以引发启动电网中防止直流成分的保护设备工作。所以，理论上并网型逆变器都设置有防止直流电进入电网的预防措施（通过50Hz变压器或电容器进入电网）。
　　还有一点非常重要，即逆变器向电网送入直流电的能力不仅仅取决于是否存在隔离变压器。而与电容器相结合，变压器只是可以在电气隔离的情况下传输功率。事实上，我们关心的是电路中的电气部件向电网输入直流电流的能力。对于直接与电网连接的高频变压器型逆变器，普通的逆变桥无论是否有变压器，都能够向电网输送直流电流。
　　对于SMA逆变器，电容是桥的一部分。变压器型逆变器的变压器设置在桥的电网侧，从而只能向电网提供交流电流（如Sunny Boy 5000TLHC和所有变压器型逆变器）。
　　即使逆变桥发生故障，也不可能向电网继续送入直流电流。原因是逆变器中串连的两个双极继电器会在这种情况下切断与电网的连接，该方案应用于所有SMA无变压器型逆变器。假设继电器失效，桥的短路会造成过流发生，逆变器中的过载保护（过载开关）仍会启动，并切断与电网的连接。
　　采用无隔离变压器型逆变器的光伏电站，具有发电量很高的优点。就安全而言，完全可以与采用物理电气隔离装置的发电站相媲美。由于内部采用了完善的人员保护装置，该装置的驱动由来自具有自动监测漏电电流功能的系统完成，保护能力更加理想。在设计光伏电站时，要充分考虑如下几点：
　　● 选用绝缘好的光伏组件和电缆（Ⅱ级保护）
　　● 将光伏组件和/或者光伏组件边框与接地连接
　　● 选用具有完善故障电流检测、监控的无变压器型逆变器
　　● 注意电容与电网连接时，需监测送入电网的直流分量
　　● 当需要在电源接点进行故障电流检测时，应注意组件运行时的漏电电流（如设置漏电电流监测值为100mA或更高）
　　● 在对光伏发电站进行维修时，要断开逆变器
　　由于光伏发电站投资回收周期主要取决于发电量，可见逆变器的转换效率尤为重要。鉴于SMA系统的条件优势，无变压器型逆变器将在光伏市场的竞争中占有更加重要的地位。}