光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理及分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u16997光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理及分析概述 1238411.1光伏發(fā)電技術(shù)原理及分析 1131071.1.1光伏系統(tǒng)基本組成 1180151.1.2光伏電池分類(lèi) 1297301.1.3光伏電池的結(jié)構(gòu)及功能 2324371.1.4光伏電池的工作原理 216241.2溫差發(fā)電技術(shù)原理及分析 342361.1.1溫差發(fā)電技術(shù)基本介紹 323151.1.2溫差發(fā)電工作原理 3109841.1.3溫差發(fā)電模塊基本性能參數(shù) 4289771.3光伏-溫差混合發(fā)電技術(shù)原理及分析 5289031.3.1光伏-溫差混合發(fā)電技術(shù)基本介紹 5142111.3.2光伏-溫差混合發(fā)電結(jié)構(gòu)及原理 51.1光伏發(fā)電技術(shù)原理及分析1.1.1光伏系統(tǒng)基本組成太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的組成部分通常包括太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池、DC/AC逆變器、交流負(fù)載、直流負(fù)載等，其發(fā)電系統(tǒng)示意圖如圖2-1所示。作為一種發(fā)電系統(tǒng)，太陽(yáng)輻射的光能可以直接被它轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用中用電設(shè)備或蓄電池所需要的電能。交流負(fù)載吸收光能蓄電池直流負(fù)載逆變器控制器太陽(yáng)能光伏組件充電放電（交流電）（直流電）（直流電）發(fā)電交流負(fù)載吸收光能蓄電池直流負(fù)載逆變器控制器太陽(yáng)能光伏組件充電放電（交流電）（直流電）（直流電）發(fā)電圖2-1太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)圖太陽(yáng)能光伏電池板接收光照以后進(jìn)行發(fā)電，發(fā)出來(lái)的電能是直流電壓或直流電源，一般需要經(jīng)過(guò)直流-直流變換器的作用以后才能供用電設(shè)備或蓄電池用電。若再經(jīng)過(guò)逆變器的作用，便可產(chǎn)生新的交流電。其中，直流電源直接提供給本地用電設(shè)備或蓄電池，如果滿(mǎn)足本地用戶(hù)的電源需求，則還可以為需要它的用戶(hù)提供交流電源，也可以將交流電合并到電網(wǎng)中。1.1.2光伏電池分類(lèi)如今，全球的光伏發(fā)電技術(shù)飛速發(fā)展，光伏電池的分類(lèi)方式也可以為很多種。根據(jù)當(dāng)前的生產(chǎn)和應(yīng)用情況，結(jié)合光伏電池的制造方法和使用材料，可以分為以下幾類(lèi)：1.由單晶硅片構(gòu)成的單晶硅太陽(yáng)能電池。目前，這類(lèi)電池是日常生活和實(shí)際生產(chǎn)中最常見(jiàn)的，其應(yīng)用時(shí)間也比較長(zhǎng)。這種電池轉(zhuǎn)換效率較高，可以達(dá)到25%，但制造成本也比較高。1.多晶硅太陽(yáng)能電池。這類(lèi)光伏電池的轉(zhuǎn)化效率較低，一般會(huì)在16%左右。但正是因?yàn)檫@種電池制造工藝簡(jiǎn)單，輸出效率較低，成本也相對(duì)較低。3.非晶硅電池。這類(lèi)光伏電池目前主要是應(yīng)用在屋頂光伏系統(tǒng)，因?yàn)橛兄豕忭憫?yīng)效率高，生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢(shì)。其中，非晶硅化合物是非晶硅電池的主要成分。1.1.3光伏電池的結(jié)構(gòu)及功能鋼化玻璃、EVA、電池片、透明的TPT背板、鋁合金框架等一起形成一個(gè)太陽(yáng)能光伏電池，下面簡(jiǎn)單介紹每個(gè)部分的結(jié)構(gòu)及其作用，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2所示。鋼化玻璃鋁合金框TPTEVA電池片E鋼化玻璃鋁合金框TPTEVA電池片EVA圖2-2光伏電池的結(jié)構(gòu)1.鋼化玻璃——需要高透光率以保護(hù)發(fā)電體，并經(jīng)過(guò)超高鋼化處理。1.EVA——用于鋼化玻璃與發(fā)電主體的連接和固定，光伏電池的使用壽命受EVA材料質(zhì)量的影響。3.電池片——光伏電池發(fā)電的主體。4.TPT背板——封裝、絕緣、防水。5.鋁合金框——保護(hù)層壓件，用于封裝和支撐整個(gè)部分。6.接線盒——電流的中轉(zhuǎn)站，用于整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的保護(hù)。7.硅膠——鋁合金框架的密封部件和接線盒部件的交點(diǎn)處。1.1.4光伏電池的工作原理光伏發(fā)電技術(shù)是一種將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)，半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)是該轉(zhuǎn)換過(guò)程中主要利用的原理。其中，半導(dǎo)體光電二極管可以組成光伏電池，光伏電池是光伏發(fā)電技術(shù)中用來(lái)轉(zhuǎn)換能量的器件。如圖2-3，為光伏電池的工作原理示意圖，太陽(yáng)光照到PN結(jié)上的時(shí)候，PN結(jié)將會(huì)反射部分光照。其余部分能量中的光子用來(lái)從半導(dǎo)體中的共價(jià)鍵中激發(fā)電子出來(lái)，形成空穴-電子對(duì)。PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)作用于空穴-電子對(duì)使其發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，從N區(qū)擴(kuò)散至P區(qū)的空穴和從P區(qū)擴(kuò)散至N區(qū)的電子經(jīng)過(guò)擴(kuò)散作用后會(huì)進(jìn)入空間電荷區(qū)，這樣，空穴和電子就會(huì)被光伏電池的正負(fù)極材料所聚集，進(jìn)而產(chǎn)生流過(guò)負(fù)載的電流，稱(chēng)為光生電流，記作Iph。光伏電池的開(kāi)路電壓指的是把PN結(jié)兩端斷開(kāi)以后測(cè)量得到的電動(dòng)勢(shì)，記作Uoc。而光伏電池的短路電流指的是將光伏電池短路后測(cè)量得到的電流，記作Isc。為獲得較大的輸出功率供實(shí)際中的使用，需要將多個(gè)這樣的光伏電池通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)方式結(jié)合起來(lái)進(jìn)行工作。多個(gè)光伏電池串聯(lián)起來(lái)以獲得較大的輸出電壓，并聯(lián)起來(lái)以獲得較大的輸出電流，這樣串聯(lián)或并聯(lián)在一起的光伏電池即可構(gòu)成光伏組件。負(fù)載電流I勢(shì)壘電場(chǎng)光生電場(chǎng)P區(qū)N負(fù)載電流I勢(shì)壘電場(chǎng)光生電場(chǎng)P區(qū)N區(qū)圖2-3光伏電池的工作原理1.2溫差發(fā)電技術(shù)原理及分析1.1.1溫差發(fā)電技術(shù)基本介紹溫差發(fā)電技術(shù)使用熱電材料作為發(fā)電載體，將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行發(fā)電，也稱(chēng)為熱電發(fā)電技術(shù)。熱電發(fā)電技術(shù)利用半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)，而塞貝克效應(yīng)是熱電半導(dǎo)體材料的溫差電效應(yīng)。溫差電效應(yīng)和可逆加熱效應(yīng)也統(tǒng)稱(chēng)為熱電效應(yīng)，包括帕爾貼效應(yīng)，湯姆遜效應(yīng)和塞貝克效應(yīng)、傅里葉效應(yīng)、焦耳熱效應(yīng)等。溫差電池就是利用自身冷熱端的溫度差異，把熱能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，其材料一般包括金屬、半導(dǎo)體等，以下將就其性能和應(yīng)用范圍進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。目前來(lái)看，溫差電池越來(lái)越受到人們重視的原因之一是越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注到溫差電池的許多優(yōu)點(diǎn)，諸如質(zhì)量輕、移動(dòng)方便、無(wú)化學(xué)反應(yīng)、無(wú)污染、無(wú)噪音、性能穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)單等。溫差發(fā)電材料對(duì)整個(gè)溫差發(fā)電系統(tǒng)的性能起到十分重要的作用，因?yàn)樗菧夭铍姵氐陌l(fā)電載體。目前，溫差發(fā)電的種類(lèi)可以概括為以下三類(lèi)：1.半導(dǎo)體合金溫差發(fā)電材料：這類(lèi)發(fā)電材料使用性能穩(wěn)定，當(dāng)前主要指的是這三種：SiGe、PbTe和Bi2Te3。其中，現(xiàn)在最為成熟的溫差發(fā)電材料是Bi2Te3，Bi2Te3在室溫下優(yōu)質(zhì)系數(shù)可以達(dá)到1，這類(lèi)溫差發(fā)電材料更適用在低溫條件下。1.氧化物溫差發(fā)電材料：當(dāng)前主要使用的氧化物溫差發(fā)電材料屬于鈷基氧化物過(guò)渡金屬類(lèi)，其中，現(xiàn)在性能最高的氧化物溫差發(fā)電材料是NaCo2O4，這類(lèi)溫差發(fā)電材料更適用在中高溫條件下。3.方鈷礦類(lèi)溫差發(fā)電材料：這類(lèi)材料熱電性能很高，適用在中溫環(huán)境中，對(duì)于當(dāng)前的光伏發(fā)電技術(shù)來(lái)說(shuō)擁有很大的研究潛力。1.1.2溫差發(fā)電工作原理熱源溫差發(fā)電使用的是熱電材料的塞貝克原理。在熱電材料發(fā)電的過(guò)程中，在熱電材料的兩端施加不同的溫度以形成特定的溫度差，并且載流子必須移動(dòng)通過(guò)該材料以產(chǎn)生所需的電能。因此，溫差發(fā)電技術(shù)可以直接將熱能單向轉(zhuǎn)換成熱能，溫差發(fā)電基本原理示意圖如圖2-4。熱源NP熱端I冷端負(fù)載NP熱端I冷端負(fù)載圖2-4溫差發(fā)電原理示意圖溫差電偶又稱(chēng)熱電單元，這種結(jié)構(gòu)是所有熱電設(shè)備的基本模型。首先，將一個(gè)N型材料和一個(gè)P型材料組合在一起，這樣構(gòu)成一個(gè)溫差熱電偶。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用中所需要的較大電壓或電流的輸出，通常需要將多個(gè)這樣的熱電偶結(jié)構(gòu)串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)。在溫差熱電偶這一結(jié)構(gòu)中，通過(guò)將P型熱電部件的一端連接到N型熱電部件來(lái)形成PN結(jié)。在PN結(jié)的兩端施加高溫和低溫，這會(huì)產(chǎn)生一定的溫差。這樣，在溫度差的影響下，與低溫端相比，P型材料的高溫端的空穴濃度和N型材料的高溫端的電子濃度更高。在溫差電池的高溫端與低溫端之間形成一定的濃度梯度。于是，在擴(kuò)散作用下，P型材料的高溫端空穴和N性材料高溫端的電子都要向低溫端進(jìn)行移動(dòng)，開(kāi)始向低溫端聚集。以這種方式，在兩種材料之間產(chǎn)生電壓，以促進(jìn)將熱能轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。此時(shí)，這個(gè)電壓的存在會(huì)阻止電子進(jìn)一步擴(kuò)散到冷端。如果材料中沒(méi)有電子的凈流動(dòng)，則電壓變得穩(wěn)定，并且可以實(shí)現(xiàn)向外部電路提供穩(wěn)定電能的功能。1.1.3溫差發(fā)電模塊基本性能參數(shù)尋找效率高的溫差發(fā)電材料是提高溫差發(fā)電技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的一大重要途徑，目前，評(píng)價(jià)溫差發(fā)電材料性能優(yōu)劣的指標(biāo)是熱電材料的優(yōu)質(zhì)系數(shù)ZT值。優(yōu)質(zhì)系數(shù)ZT值越大，則反應(yīng)溫差發(fā)電材料的熱電性能越好。根據(jù)以上分析，溫差電池是由大量串聯(lián)的溫差電偶臂構(gòu)成的，其中單級(jí)熱電偶的ZT值計(jì)算公式為：（2-1）式中，——單電偶臂的塞貝克系數(shù)；——單電偶臂的電阻率；——單電偶臂的熱導(dǎo)率。溫差材料的特性和所處環(huán)境溫度都會(huì)影響，，的數(shù)值大小。單級(jí)電偶臂的塞貝克系數(shù)、熱導(dǎo)率、電阻率的計(jì)算可用式（2-2）、（2-3）、（2-4）表示：（1）塞貝克系數(shù)：（2-2）；；（2）熱導(dǎo)率：（2-3）；；（3）電阻率：（2-4）；；式中，，表示熱電材料冷端和熱端的平均溫度，根據(jù)以上公式，可進(jìn)一步根據(jù)公式（2-5）、（2-6）、（2-7）表示出溫差熱電偶的塞貝克系數(shù)、熱導(dǎo)率、電阻率：（2-5）（2-6）（2-7）1.3光伏-溫差混合發(fā)電技術(shù)原理及分析1.3.1光伏-溫差混合發(fā)電技術(shù)基本介紹太陽(yáng)能光伏電池在工作過(guò)程中會(huì)不斷地吸收太陽(yáng)能輻射熱量，這樣大部分熱量會(huì)儲(chǔ)存在光伏電池中，太陽(yáng)能電池板的表面溫度持續(xù)升高，降低了太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，如何提高光電轉(zhuǎn)換效率是光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的重要問(wèn)題。通過(guò)對(duì)溫差電池工作原理的介紹，又利用溫差電池?zé)o污染、無(wú)化學(xué)反應(yīng)、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，有研究將溫差電池與光伏電池聯(lián)合在一起進(jìn)行發(fā)電的構(gòu)想。將光伏電池與溫差電池相結(jié)合，太陽(yáng)能電池的表面溫度用作溫差電池的熱端溫度。這樣可以解決太陽(yáng)能光伏電池的熱損失問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，它還可以降低太陽(yáng)能電池板的溫度并提高太陽(yáng)能電池發(fā)電的效率。同時(shí)，使用溫差電池不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，又不需要投入過(guò)多的精力與財(cái)力，是提高太陽(yáng)能利用率，延長(zhǎng)光伏電池使用壽命的一大措施。1.3.2光伏-溫差混合發(fā)電結(jié)構(gòu)及原理圖2-5給出光伏-溫差混合發(fā)電結(jié)構(gòu)示意圖，將溫差電池的高溫端黏貼在光伏電池板的背面即構(gòu)成簡(jiǎn)單的光伏-溫差混合發(fā)電結(jié)構(gòu)。連接條玻璃板熱電元件散熱片陶瓷板光伏板NPNPPNPN光輻照度S連接條玻璃板熱電元件散熱片陶瓷板光伏板NPN