Generarea energiei fotovoltaice este o tehnologie care convertește direct energia luminii în energie electrică prin utilizarea efectului fotovoltaic al interfeței semiconductoare. Elementul cheie al acestei tehnologii este celula solară. După ce celulele solare sunt conectate în serie, acestea pot fi împachetate și protejate pentru a forma un modul de celule solare cu suprafață mare și apoi combinate cu controlere de putere și alte componente pentru a forma un dispozitiv de generare a energiei fotovoltaice.
1 Efect fotovoltaic
Dacă lumina lovește o celulă solară și lumina este absorbită la stratul de interfață, fotonii cu energie suficientă pot excita electronii din legăturile covalente atât în siliciul de tip P, cât și de tip N, rezultând perechi electron-gaură. Electronii și găurile din apropierea stratului de interfață vor fi separați unul de celălalt prin efectul câmpului electric al sarcinilor spațiale înainte de recombinare. Electronii se deplasează spre regiunea N încărcată pozitiv și găurile spre regiunea P încărcată negativ. Separarea sarcinii prin stratul de interfață va genera o tensiune măsurabilă în exterior între regiunile P și N. În acest moment, electrozii pot fi adăugați pe ambele părți ale plachetei de siliciu și conectați la un voltmetru. Pentru celulele solare cu siliciu cristalin, valoarea tipică a tensiunii în circuit deschis este de 0,5 până la 0,6V. Cu cât sunt mai multe perechi electroni-gaură generate de lumină pe stratul de interfață, cu atât fluxul de curent este mai mare. Cu cât este mai multă energie luminoasă absorbită de stratul de interfață, cu atât stratul de interfață este mai mare, adică aria celulei, și cu atât este mai mare curentul format în celula solară.
2. Principiu
Lumina soarelui strălucește pe joncțiunea semiconductoare pn pentru a forma o nouă pereche gaură-electron. Sub acțiunea câmpului electric de joncțiune pn, găurile curg din regiunea n în regiunea p, iar electronii curg din regiunea p în regiunea n. După ce circuitul este pornit, se formează un curent. Așa funcționează celulele solare cu efect fotoelectric.
Există două moduri de generare a energiei solare, una este conversia lumină-căldură-electricitate, iar cealaltă este conversia directă lumină-electricitate.
(1) Metoda de conversie lumină-căldură-electrică generează energie electrică prin utilizarea energiei termice generate de radiația solară. În general, colectorul solar transformă energia termică absorbită în abur al mediului de lucru și apoi antrenează turbina cu abur pentru a genera electricitate. Primul proces este un proces de conversie de la lumină la căldură; cel din urmă proces este un proces de conversie a căldurii în energie electrică, care este același cu generarea obișnuită de energie termică. Dezavantajul producerii de energie solară termică este că eficiența este foarte scăzută și costul este ridicat. Se estimează că investiția sa este cel puțin mai mare decât cea a producției obișnuite de energie termică. Centralele electrice sunt de 5 până la 10 ori mai scumpe.
(2) Metoda de conversie directă lumină-electricitate Această metodă utilizează efectul fotoelectric pentru a converti direct energia radiației solare în energie electrică. Dispozitivul de bază pentru conversia luminii în energie electrică sunt celulele solare. O celulă solară este un dispozitiv care transformă direct energia luminii solare în energie electrică datorită efectului fotovoltaic. Este o fotodioda semiconductoare. Când soarele strălucește pe fotodiodă, fotodioda va transforma energia luminoasă a soarelui în energie electrică și va genera electricitate. actual. Atunci când multe celule sunt conectate în serie sau în paralel, poate deveni o matrice de celule solare cu putere de ieșire relativ mare. Celulele solare sunt un nou tip promițător de sursă de energie, cu trei avantaje majore: permanență, curățenie și flexibilitate. Celulele solare au o durată de viață lungă. Atâta timp cât soarele există, celulele solare pot fi folosite mult timp cu o singură investiție; și energie termică, generarea de energie nucleară. În schimb, celulele solare nu provoacă poluarea mediului.
3. Compoziția sistemului
Sistemul de generare a energiei fotovoltaice este compus din rețele de celule solare, pachete de baterii, controlere de încărcare și descărcare, invertoare, dulapuri de distribuție a energiei AC, sisteme de control pentru urmărirea soarelui și alte echipamente. Unele dintre funcțiile echipamentului său sunt:
matrice de baterii
Când există lumină (fie că este lumina soarelui sau lumină generată de alți iluminatori), bateria absoarbe energie luminoasă și acumularea de sarcini cu semnal opus are loc la ambele capete ale bateriei, adică se generează o „tensiune fotogenerată”, care este „efectul fotovoltaic”. Sub acțiunea efectului fotovoltaic, cele două capete ale celulei solare generează forță electromotoare, care transformă energia luminoasă în energie electrică, care este un dispozitiv de conversie a energiei. Celulele solare sunt în general celule de siliciu, care sunt împărțite în trei tipuri: celule solare cu siliciu monocristalin, celule solare cu siliciu policristalin și celule solare cu siliciu amorf.
Acumulator
Funcția sa este de a stoca energia electrică emisă de rețeaua de celule solare atunci când este iluminată și de a furniza energie încărcăturii în orice moment. Cerințele de bază pentru acumulatorul utilizat în generarea energiei cu celule solare sunt: a. rata scăzută de auto-descărcare; b. durată lungă de viață; c. capacitate puternică de descărcare profundă; d. eficiență ridicată de încărcare; e. mai puțină întreținere sau fără întreținere; f. temperatura de lucru Gama larga; g. preț scăzut.
Controlor
Este un dispozitiv care poate preveni automat supraîncărcarea și supradescărcarea bateriei. Deoarece numărul de cicluri de încărcare și descărcare și adâncimea de descărcare a bateriei sunt factori importanți în determinarea duratei de viață a bateriei, un controler de încărcare și descărcare care poate controla supraîncărcarea sau supradescărcarea acumulatorului este un dispozitiv esențial.
Invertor
Un dispozitiv care convertește curentul continuu în curent alternativ. Deoarece celulele solare și bateriile sunt surse de curent continuu,
Când sarcina este o sarcină de curent alternativ, un invertor este esențial. În funcție de modul de funcționare, invertoarele pot fi împărțite în invertoare de funcționare independente și invertoare conectate la rețea. Invertoarele autonome sunt utilizate în sistemele de energie cu celule solare autonome pentru a alimenta sarcinile autonome. Invertoarele conectate la rețea sunt utilizate pentru sistemele de generare a energiei cu celule solare conectate la rețea. Invertorul poate fi împărțit în invertor cu undă pătrată și invertor cu undă sinusoidală în funcție de forma de undă de ieșire. Invertorul cu undă pătrată are un circuit simplu și un cost redus, dar are o componentă armonică mare. Este utilizat în general în sisteme sub câteva sute de wați și cu cerințe armonice scăzute. Invertoarele cu undă sinusoidală sunt scumpe, dar pot fi aplicate la diferite sarcini.
4. Clasificarea sistemului
Sistemul de generare a energiei fotovoltaice este împărțit în sistem independent de generare a energiei fotovoltaice, sistem de generare a energiei fotovoltaice conectat la rețea și sistem de generare a energiei fotovoltaice distribuite.
1. Generarea independentă de energie fotovoltaică se mai numește și generare de energie fotovoltaică în afara rețelei. Este compus în principal din componente de celule solare, controlere și baterii. Pentru a alimenta sarcina de curent alternativ, trebuie configurat un invertor de curent alternativ. Centralele fotovoltaice independente includ sisteme de alimentare cu energie electrică din sat în zone îndepărtate, sisteme solare de alimentare cu energie de uz casnic, surse de alimentare cu semnal de comunicare, protecție catodică, lumini stradale solare și alte sisteme de generare a energiei fotovoltaice cu baterii care pot funcționa independent.
2. Generarea de energie fotovoltaică conectată la rețea înseamnă că curentul continuu generat de modulele solare este transformat în curent alternativ care îndeplinește cerințele rețelei prin invertorul conectat la rețea și apoi conectat direct la rețeaua publică.
Poate fi împărțit în sisteme de generare a energiei conectate la rețea, cu și fără baterii. Sistemul de generare a energiei conectat la rețea cu baterie este programabil și poate fi integrat sau retras din rețea în funcție de necesități. Are, de asemenea, funcția de alimentare de rezervă, care poate furniza alimentare de urgență atunci când rețeaua de alimentare este întreruptă dintr-un motiv oarecare. Sistemele fotovoltaice de generare a energiei conectate la rețea cu baterii sunt adesea instalate în clădirile rezidențiale; Sistemele de generare a energiei conectate la rețea fără baterii nu au funcțiile de dispecerizare și putere de rezervă și sunt instalate în general pe sisteme mai mari. Generarea de energie fotovoltaică conectată la rețea are centrale fotovoltaice la scară largă, conectate la rețea, care sunt în general centrale electrice la nivel național. Cu toate acestea, acest tip de centrală nu s-a dezvoltat prea mult datorită investiției mari, perioadei lungi de construcție și suprafeței mari. Fotovoltaicele distribuite la scară mică conectate la rețea, în special generarea de energie fotovoltaică integrată în clădiri fotovoltaice, sunt curentul principal al generării de energie fotovoltaică conectată la rețea datorită avantajelor investițiilor mici, construcției rapide, amprentei mici și sprijinului puternic al politicii.
3. Sistemul de generare a energiei fotovoltaice distribuite, cunoscut și sub denumirea de generare de energie distribuită sau alimentare cu energie distribuită, se referă la configurarea unui sistem fotovoltaic mai mic de alimentare cu energie electrică la locul utilizatorului sau în apropierea locației de alimentare pentru a satisface nevoile utilizatorilor specifici și pentru a sprijini cele existente. funcționarea economică a rețelei de distribuție sau să îndeplinească cerințele ambelor aspecte în același timp.
4. Echipamentele de bază ale sistemului de generare a energiei fotovoltaice distribuite includ componente de celule fotovoltaice, suporturi de matrice pătrată fotovoltaică, cutii combinatoare DC, dulapuri de distribuție a energiei DC, invertoare conectate la rețea, dulapuri de distribuție a energiei AC și alte echipamente, precum și sistemul de alimentare cu energie electrică. dispozitive de monitorizare și dispozitiv de monitorizare a mediului. Modul său de funcționare este că, în condițiile radiației solare, matricea de module de celule solare a sistemului de generare a energiei fotovoltaice convertește energia electrică de ieșire din energia solară și o trimite către dulapul de distribuție a energiei CC prin cutia de combinare CC și rețea. -invertorul conectat îl transformă în sursă de curent alternativ. Clădirea în sine este încărcată, iar electricitatea în exces sau insuficientă este reglementată prin conectarea la rețea.
5. Avantaje și dezavantaje
În comparație cu sistemele de generare a energiei utilizate în mod obișnuit, avantajele generării de energie solară fotovoltaică se reflectă în principal în:
Energia solară este numită cea mai ideală energie nouă. ①Fără pericol de epuizare; ②Sigur și fiabil, fără zgomot, fără descărcare de poluare, absolut curat (fără poluare); ③Nu este limitat de distribuția geografică a resurselor, iar avantajele acoperișurilor clădirii pot fi utilizate; ④Nu este nevoie să consumați combustibil și să ridicați linii de transmisie. Generarea locală de energie și alimentarea cu energie; ⑤Calitate ridicată a energiei; ⑥Utilizatorii sunt ușor de acceptat emoțional; ⑦Perioada de construcție este scurtă, iar timpul necesar pentru obținerea energiei este scurt.
neajuns:
①Densitatea de distribuție a energiei a iradierii este mică, adică ocupă o suprafață imensă; ②Energia obținută este legată de cele patru anotimpuri, zi și noapte, noros și însorit și alte condiții meteorologice. Utilizarea energiei solare pentru a genera energie electrică are costuri ridicate pentru echipamente, dar rata de utilizare a energiei solare este scăzută, deci nu poate fi utilizată pe scară largă. Este utilizat în principal în unele medii speciale, cum ar fi sateliții.
6. Domenii de aplicare
1. Sursă de energie solară pentru utilizator: (1) Sursă de energie mică, de la 10-100W, utilizată în zone îndepărtate fără electricitate, cum ar fi platouri, insule, zone pastorale, puncte de frontieră și alte energie electrică pentru viața militară și civilă, cum ar fi iluminatul , TV, casetofon etc.; (2) 3 -5Sistem de generare a energiei electrice de pe acoperiș, conectat la rețea de uz casnic; (3) Pompă de apă fotovoltaică: rezolvă problema băutării și irigarii fântânilor adânci în zonele fără curent electric.
2. Domenii de trafic, cum ar fi lumini de navigație, lumini de semnalizare de trafic/cală ferată, lumini de avertizare/semnalizare de trafic, lumini stradale Yuxiang, lumini de obstacol la mare altitudine, cabine telefonice fără fir pentru autostradă/căi ferate, sursă de alimentare nesupravegheată pentru schimbarea drumului etc.
3. Domeniul de comunicare/comunicare: stație solară nesupravegheată cu microunde, stație de întreținere a cablului optic, sistem de alimentare cu energie de difuzare/comunicare/paging; sistem fotovoltaic de telefonie de transport rural, mașină de comunicație mică, sursă de alimentare GPS pentru soldați etc.
4. Domenii petroliere, marine și meteorologice: sistem de energie solară de protecție catodică pentru conductele petroliere și porțile rezervorului, sursă de energie de viață și de urgență pentru platformele de foraj petrolier, echipamente de detecție marină, echipamente de observare meteorologică/hidrologică etc.
5. Sursă de alimentare pentru lămpi de uz casnic: cum ar fi lămpi de grădină, lămpi stradale, lămpi portabile, lămpi de camping, lămpi de alpinism, lămpi de pescuit, lămpi de lumină neagră, lămpi de ciocnire, lămpi de economisire a energiei etc.
6. Centrală fotovoltaică: centrală fotovoltaică independentă de 10KW-50MW, centrală electrică complementară eolian-solară (diesel), diverse stații mari de încărcare pentru instalații de parcare etc.
7. Clădirile solare combină generarea de energie solară cu materialele de construcție pentru a permite clădirilor mari în viitor să atingă autosuficiența în energie electrică, care este o direcție majoră de dezvoltare în viitor.
8. Alte domenii includ: (1) Potrivirea cu automobile: vehicule solare/vehicule electrice, echipamente de încărcare a bateriilor, aparate de aer condiționat pentru automobile, ventilatoare, cutii de băuturi reci etc.; (2) sisteme de generare a energiei regenerative pentru producerea de hidrogen solar și pile de combustie; (3) alimentare cu apă de mare a echipamentelor de desalinizare; (4) Sateliți, nave spațiale, centrale solare spațiale etc.