Fotovoltaična proizvodnja električne energije je tehnologija, ki neposredno pretvarja svetlobno energijo v električno energijo z uporabo fotovoltaičnega učinka polprevodniškega vmesnika. Ključni element te tehnologije je sončna celica. Ko so sončne celice povezane zaporedno, jih je mogoče zapakirati in zaščititi v modul sončne celice velike površine, nato pa združiti s krmilniki moči in drugimi komponentami v fotovoltaično napravo za proizvodnjo električne energije.
1 Fotovoltaični učinek
Če svetloba zadene sončno celico in se svetloba absorbira na vmesni plasti, lahko fotoni z zadostno energijo vzbudijo elektrone iz kovalentnih vezi v siliciju P-tipa in N-tipa, kar ima za posledico pare elektron-luknja. Elektroni in luknje v bližini vmesniške plasti bodo pred rekombinacijo ločeni drug od drugega z učinkom električnega polja prostorskih nabojev. Elektroni se premikajo proti pozitivno nabitemu območju N, luknje pa proti negativno nabitemu območju P. Ločitev naboja skozi vmesniško plast bo ustvarila navzven merljivo napetost med območji P in N. V tem času lahko na obe strani silicijeve rezine dodamo elektrode in jih povežemo z voltmetrom. Za sončne celice iz kristalnega silicija je tipična vrednost napetosti odprtega tokokroga 0,5 do 0,6V. Več parov elektron-luknja, ki jih ustvari svetloba na vmesniški plasti, večji je tok. Več svetlobne energije kot vmesna plast absorbira, večja je vmesna plast, tj. površina celice, in večji je tok, ki nastane v sončni celici.
2. Načelo
Sončna svetloba sveti na polprevodniški pn spoj, da tvori nov par luknja-elektron. Pod delovanjem električnega polja pn spoja luknje tečejo iz območja n v območje p, elektroni pa iz področja p v območje n. Po vklopu vezja nastane tok. Tako delujejo sončne celice s fotoelektričnim učinkom.
Obstajata dva načina pridobivanja sončne energije, eden je pretvorba svetlobe-toplote-elektrike, drugi pa neposredna pretvorba svetlobe-elektrike.
(1) Metoda pretvorbe svetloba-toplota-elektrika proizvaja elektriko z uporabo toplotne energije, ki jo ustvari sončno sevanje. Na splošno sončni kolektor pretvori absorbirano toplotno energijo v paro delovnega medija in nato poganja parno turbino za proizvodnjo električne energije. Prvi postopek je proces pretvorbe svetlobe v toploto; slednji proces je proces pretvorbe toplote v električno energijo, ki je enak običajni proizvodnji toplotne energije. Pomanjkljivost sončne toplotne energije je, da je izkoristek zelo nizek in stroški visoki. Ocenjuje se, da je njena investicija vsaj višja od naložbe v navadno termoelektrarno. Elektrarne so 5- do 10-krat dražje.
(2) Metoda neposredne pretvorbe svetlobe v električno energijo Ta metoda uporablja fotoelektrični učinek za neposredno pretvorbo energije sončnega sevanja v električno energijo. Osnovna naprava za pretvorbo svetlobe v električno energijo so sončne celice. Sončna celica je naprava, ki zaradi fotovoltaičnega učinka neposredno pretvarja energijo sončne svetlobe v električno. Je polprevodniška fotodioda. Ko sonce obsije fotodiodo, bo fotodioda pretvorila sončno svetlobno energijo v električno energijo in proizvedla elektriko. trenutno. Ko je veliko celic povezanih zaporedno ali vzporedno, lahko postane niz sončnih celic z relativno veliko izhodno močjo. Sončne celice so obetaven nov tip vira energije s tremi glavnimi prednostmi: trajnostjo, čistostjo in prilagodljivostjo. Sončne celice imajo dolgo življenjsko dobo. Dokler je sonce, lahko sončne celice z eno naložbo uporabljamo dolgo časa; in toplotna energija, proizvodnja jedrske energije. Nasprotno pa sončne celice ne onesnažujejo okolja.
3. Sestava sistema
Fotonapetostni sistem za proizvodnjo električne energije je sestavljen iz nizov sončnih celic, baterijskih paketov, krmilnikov polnjenja in praznjenja, pretvornikov, omaric za distribucijo električne energije izmeničnega toka, nadzornih sistemov za sledenje soncu in druge opreme. Nekatere njegove funkcije opreme so:
niz baterij
Ko je svetloba (ne glede na to, ali gre za sončno svetlobo ali svetlobo, ki jo ustvarjajo druge svetilke), baterija absorbira svetlobno energijo in na obeh koncih baterije pride do kopičenja nabojev nasprotnega signala, kar pomeni, da se ustvari "fotogenerirana napetost", kar je "fotovoltaični učinek". Pod delovanjem fotonapetostnega učinka dva konca sončne celice ustvarjata elektromotorno silo, ki pretvarja svetlobno energijo v električno energijo, ki je naprava za pretvorbo energije. Sončne celice so na splošno silicijeve celice, ki jih delimo na tri vrste: monokristalne silicijeve sončne celice, polikristalne silicijeve sončne celice in amorfne silicijeve sončne celice.
Baterijski paket
Njegova funkcija je shranjevanje električne energije, ki jo oddaja niz sončnih celic, ko je osvetljen, in kadar koli napaja obremenitev. Osnovne zahteve za baterijski paket, ki se uporablja pri pridobivanju energije s sončnimi celicami, so: a. nizka stopnja samopraznjenja; b. dolga življenjska doba; c. močna sposobnost globokega praznjenja; d. visoka učinkovitost polnjenja; e. manj vzdrževanja ali brez vzdrževanja; f. delovna temperatura širok razpon; g. nizka cena.
Krmilnik
Je naprava, ki lahko samodejno prepreči prekomerno polnjenje in praznjenje baterije. Ker sta število ciklov polnjenja in praznjenja ter globina izpraznjenosti baterije pomembna dejavnika pri določanju življenjske dobe baterije, je krmilnik polnjenja in praznjenja, ki lahko nadzira prekomerno ali prekomerno izpraznjenost baterije, bistvena naprava.
Inverter
Naprava, ki pretvarja enosmerni tok v izmenični. Ker so sončne celice in baterije enosmerni viri energije,
Če je obremenitev AC obremenitev, je pretvornik bistven. Glede na način delovanja lahko razsmernike razdelimo na razsmernike neodvisnega delovanja in na omrežne razsmernike. Samostojni razsmerniki se uporabljajo v samostojnih napajalnih sistemih s sončnimi celicami za napajanje samostojnih bremen. Omrežni pretvorniki se uporabljajo za sisteme za proizvodnjo električne energije s sončnimi celicami, povezane z omrežjem. Razsmernik lahko glede na izhodno valovno obliko razdelimo na pretvornik kvadratnega vala in pretvornik sinusnega vala. Pretvornik kvadratnega valovanja ima preprosto vezje in nizke stroške, vendar ima veliko harmonično komponento. Na splošno se uporablja v sistemih pod nekaj sto vati in z nizkimi harmoničnimi zahtevami. Sinusni inverterji so dragi, vendar jih je mogoče uporabiti za različne obremenitve.
4. Sistemska klasifikacija
Fotovoltaični sistem za proizvodnjo električne energije je razdeljen na neodvisen fotovoltaični sistem za proizvodnjo električne energije, omrežni fotovoltaični sistem za proizvodnjo električne energije in porazdeljeni fotovoltaični sistem za proizvodnjo električne energije.
1. Neodvisna fotovoltaična proizvodnja električne energije se imenuje tudi fotovoltaična proizvodnja električne energije zunaj omrežja. V glavnem je sestavljen iz komponent sončnih celic, krmilnikov in baterij. Za napajanje AC obremenitve je treba konfigurirati AC pretvornik. Neodvisne fotonapetostne elektrarne vključujejo sisteme za vaško oskrbo z električno energijo v oddaljenih območjih, sisteme za oskrbo gospodinjstev s sončno energijo, napajalnike komunikacijskih signalov, katodno zaščito, sončne ulične luči in druge fotonapetostne sisteme za proizvodnjo električne energije z baterijami, ki lahko delujejo samostojno.
2. Mrežna fotonapetostna proizvodnja električne energije pomeni, da se enosmerni tok, ki ga ustvarijo solarni moduli, pretvori v izmenični tok, ki izpolnjuje zahteve omrežnega omrežja prek omrežnega pretvornika in se nato neposredno poveže z javnim omrežjem.
Razdelimo ga lahko na omrežne sisteme za proizvodnjo električne energije z baterijami in brez njih. Omrežni sistem za proizvodnjo električne energije z baterijo je nastavljiv po načrtih in ga je mogoče vključiti v električno omrežje ali iz njega po potrebi umakniti. Ima tudi funkcijo rezervnega napajanja, ki lahko zagotovi zasilno napajanje, ko je električno omrežje iz nekega razloga prekinjeno. Fotovoltaični omrežni sistemi za proizvodnjo električne energije z baterijami so pogosto nameščeni v stanovanjskih stavbah; omrežni sistemi za proizvodnjo električne energije brez baterij nimajo funkcij dispečabilnosti in rezervnega napajanja in so običajno nameščeni v večjih sistemih. Mrežna fotovoltaična proizvodnja električne energije ima centralizirane obsežne fotovoltaične elektrarne, povezane z omrežjem, ki so običajno elektrarne na nacionalni ravni. Vendar pa se tovrstna elektrarna zaradi velike investicije, dolge gradnje in velike površine ni veliko razvila. Porazdeljena majhna omrežna fotovoltaika, zlasti fotonapetostna fotovoltaična proizvodnja električne energije, integrirana v stavbe, je glavni tok omrežne fotovoltaične proizvodnje električne energije zaradi prednosti majhne naložbe, hitre gradnje, majhnega odtisa in močne podpore politike.
3. Porazdeljeni fotonapetostni sistem za proizvodnjo električne energije, znan tudi kot porazdeljena proizvodnja električne energije ali porazdeljena oskrba z energijo, se nanaša na konfiguracijo manjšega fotovoltaičnega napajalnega sistema na uporabniškem mestu ali v bližini napajalnega mesta, da zadosti potrebam določenih uporabnikov in podpira obstoječe gospodarsko delovanje distribucijskega omrežja ali izpolnjevati zahteve obeh vidikov hkrati.
4. Osnovna oprema porazdeljenega fotonapetostnega sistema za proizvodnjo električne energije vključuje komponente fotonapetostnih celic, kvadratne nosilce fotonapetostnih nizov, omarice za združevanje enosmernega toka, omarice za distribucijo enosmerne energije, pretvornike, povezane z omrežjem, omarice za distribucijo električne energije izmeničnega toka in drugo opremo ter sistem napajanja naprave za spremljanje in naprave za spremljanje okolja. Njegov način delovanja je, da pod pogojem sončnega sevanja niz modulov sončnih celic fotovoltaičnega sistema za proizvodnjo električne energije pretvori izhodno električno energijo iz sončne energije in jo pošlje v omarico za distribucijo enosmerne moči skozi enosmerno kombinirano omarico in omrežje -priključen inverter ga pretvori v AC napajalnik. Sam objekt je obremenjen, presežek ali premalo električne energije pa se uravnava s priklopom na omrežje.
5. Prednosti in slabosti
V primerjavi s splošno uporabljenimi sistemi za proizvodnjo električne energije se prednosti sončne fotonapetostne proizvodnje energije odražajo predvsem v:
Sončna energija se imenuje najbolj idealna nova energija. ①Ni nevarnosti izčrpanja; ②Varno in zanesljivo, brez hrupa, brez izpusta onesnaževanja, popolnoma čisto (brez onesnaženja); ③Ni omejen z geografsko porazdelitvijo virov in lahko se uporabijo prednosti gradnje streh; ④Ni potrebe po porabi goriva in postavljanju daljnovodov Lokalna proizvodnja električne energije in oskrba z električno energijo; ⑤Visoka energetska kakovost; ⑥Uporabnike je preprosto čustveno sprejeti; ⑦Obdobje gradnje je kratko, čas pridobivanja energije pa kratek.
pomanjkljivost:
①Gostota porazdelitve energije obsevanja je majhna, kar pomeni, da zavzame veliko površino; ②Dobljena energija je povezana s štirimi letnimi časi, dnevom in nočjo, oblačnim in sončnim ter drugimi vremenskimi razmerami. Uporaba sončne energije za proizvodnjo električne energije ima visoke stroške opreme, vendar je stopnja izkoriščenosti sončne energije nizka, zato je ni mogoče široko uporabljati. Uporablja se predvsem v nekaterih posebnih okoljih, kot so sateliti.
6. Področja uporabe
1. Uporabniški sončni napajalnik: (1) Majhen napajalnik v razponu od 10-100 W, ki se uporablja na oddaljenih območjih brez elektrike, kot so planote, otoki, pastoralna območja, mejne postaje in druga vojaška in civilna življenjska elektrika, kot je razsvetljava , TV, magnetofoni itd.; (2) 3 -5KW gospodinjski strešni sistem za proizvodnjo električne energije, povezan z omrežjem; (3) Fotovoltaična vodna črpalka: rešuje problem pitja in namakanja globokih vodnjakov na območjih brez elektrike.
2. Prometna polja, kot so navigacijske luči, prometne/železniške signalne luči, prometne opozorilne/signalne luči, ulične luči Yuxiang, luči za ovire na visoki nadmorski višini, brezžične telefonske govorilnice na avtocestah/železniških postajah, napajalnik za premikanje po cestah brez nadzora itd.
3. Področje komunikacije/komunikacije: solarna nenadzorovana mikrovalovna relejna postaja, postaja za vzdrževanje optičnih kablov, sistem napajanja za oddajanje/komunikacijo/paging; podeželski operaterski telefonski fotovoltaični sistem, majhen komunikacijski stroj, GPS napajanje za vojake itd.
4. Naftna, pomorska in meteorološka področja: sistem za sončno energijo s katodno zaščito za naftovode in zapornice rezervoarjev, življenjsko in zasilno napajanje za ploščadi za vrtanje nafte, oprema za odkrivanje morja, oprema za meteorološko/hidrološko opazovanje itd.
5. Napajanje za gospodinjske svetilke: kot so vrtne svetilke, ulične svetilke, prenosne svetilke, svetilke za kampiranje, gorniške svetilke, ribiške svetilke, svetilke za črno svetlobo, svetilke za točenje, energetsko varčne svetilke itd.
6. Fotovoltaična elektrarna: 10KW-50MW neodvisna fotovoltaična elektrarna, komplementarna vetrno-sončna (dizelska) elektrarna, različne velike polnilne postaje za parkirišča itd.
7. Sončne zgradbe združujejo proizvodnjo sončne energije z gradbenimi materiali, da bodo velikim zgradbam v prihodnosti omogočile samooskrbo z električno energijo, kar je glavna razvojna usmeritev v prihodnosti.
8. Druga področja vključujejo: (1) Ujemanje z avtomobili: solarna vozila/električna vozila, oprema za polnjenje baterij, avtomobilske klimatske naprave, prezračevalni ventilatorji, škatle za hladno pijačo itd.; (2) sistemi za regenerativno proizvodnjo električne energije za sončno proizvodnjo vodika in gorivne celice; (3) napajanje opreme za razsoljevanje morske vode; (4) Sateliti, vesoljska plovila, vesoljske sončne elektrarne itd.