光伏发电简介

光伏发电简介

光伏发电原理

1 太阳电池

1.1 半导体光生伏打电效应

硅，地球上最丰富的元素之一，经“提纯”和“生长”后成为晶体半导体，是构成太阳电池的基本材料。太阳电池特有的电特性是借助于在晶体硅中掺入某些元素（例如：磷或硼等），从而在材料的分子电荷里造成永久的不平衡，形成具有特殊电性能的半导体材料。具有光-电转换特性的半导体器件通常由两种分别称为p 型半导体和n 型半导体的材料结合而成（见图2-1），当光照射到 p －n 结上时，产生 电子—空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子，受内建电场的吸引到达空间电荷区。电子流入n 区，空穴流入p 区，结果使n 区储存了过剩的电子，p 区有过剩的空穴，在p －n 结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P 区带正电，n 区带负电，在n 区和p 区之间的薄层产生电动势，这

就是“光生伏打效应”。此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流。另一方面，若将p －n 结两端开路，则由于电子和空穴分别流人n 区和p 区，使n 区的费米能级比p 区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差V 。可以测得这个值，并称为开路电压。

图2-1 半导体光电效应示意图

1.2 太阳电池原理

太阳电池是一种具有光伏打效应的半导体器件（简称“光伏器件”），它直接将太阳光转换成直流电，是光伏发电的最基本单元（见图2-2）。太阳电池由两层半

导体材料组成，其厚度大约1/100英寸，形成两个区域—一个正荷电区，一个负荷电区。负区位于电池的上层，在这一层强迫渗透磷并与硅粘在一起。正区置于电池表层的下面，正负界面区域称为p-n 结。制造电池时p-n 结被赋予了恒定的特性。当阳光投射到太阳电池内保持松散状态的电子时，这些靠近p-n 结的电子朝向电池的表

层流动。金属线将光伏组件里每个电池的前面与下一个电池的背面相连，这样使电

子通过许多p-n 结，建立起所有电池的串联电压。在每个电池p-n 结处的电压增加大约0.5V 的电动势，这个电池电压与电池的尺寸无关。电流受电池面积和日照强度的影响，较大面积的电池能够产生较强的电流。

2 光伏电路原理

2.2.1 简单光伏电路

电路是来自电压源的电子流的连续通道，例如将一个蓄电池通过导体或金属线连到负载，就成为一个最简单的电路，如图2-3（a ）所示。它有一个单一的电压源（一个12V 蓄电池）被导线连到单一负载（12V24W 灯泡），使用一个开关接通或断

图2-2 光伏器件光-电转换示意图

开灯泡与电源的连接。当电路断开时，灯是熄灭的。当电路闭合后，24 W灯泡将形成2A (24W /12 V = 2A)的电流。电流以2A的速率从蓄电池流出，再通过灯泡返回到蓄电池。由蓄电池流出的电子所获得的12V势能，在照明灯里消耗掉。

太阳电池组件是一组用金属线串联或串/并联起来的太阳电池（见图2-4），目的是产生所希望的电压和电流。太阳电池非常象小的蓄电池，当用金属线串联时，

电流值恒定，电压累加。每个太阳电池电压约0.5伏，36个电池串联的光伏组件工作电压18伏，标称电压12伏，组件的输出电流与每个单独的电池电流相同。

依照上述电路的构成原理，将图2-3中的蓄电池替换成光伏组件后，在阳光的照射下灯泡也将发光，从而构成一个最简单的光伏电路，如图2-3（b）所示。

2.2.2 串联和并联光伏电路

太阳电池件组件同电源一样，也采用电压值和电流值标定。在充足的阳光下50W组件标称电压是12V，电流大约3A。光伏组件可以组合到一起，根据需要可得到不同的电压和电流。同蓄电池一样，将光伏组件串联时电压将增加，电流值不变。同样的两个12V、3A 光伏组件串联接线后得到24 V、3A系统，如图2-5所示。为增加

系统的电流值，光伏组件必须并联接线，图2-6展示同样的两个12V、3A 光伏组件并联接线后得到12 V、6A系统。并联接线使产生的电流值增加，电压值不变。

光伏系统可以采用串/并联接线，以获得所需要的电压和电流值。为得到24V、6A方阵需要四个光伏组件（见图2-7）。注意，串联接线时要将一个组件的正极（+）连到另一个组件的负极（-），并联接线是从正到正极和负到负极。光伏组件串联接线时的总电压降等于每个单独组件电压之和，串联接线时的各组件电流相等。

蓄电池与光伏组件连接时，组件使用串联和并联组合接线，可实现所负载所要求的电压和电流。