2022年某MW太阳能屋顶光伏发电工程应用分析.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 某 15MW 太阳能屋顶光伏发电工程的应用分析该文档共享来源光伏辅料网：摘要 由于目前太阳能电池本身的光电转换效率比较低且对太阳能电池的利用率低,为最大限度地提高太阳能电池的利用率,削减电能损耗,从太阳能电池的制备工艺、全自动跟踪电池板及太阳能电池最大功率点跟踪MPPT 三个角度动身,对当前高效利用太阳能电池的现状进行总结分析. 关键 词 太 阳 能 电 池 ； 全 自 动 跟 踪 ； 最 大 功率 点 跟 踪能源短缺、环境恶化成为日益严峻的全球性问题,人类为追求可连续性进展,正在积极进展可再生能源技术,查找新能源是当前人类面临的紧迫问题.太阳能清洁、无污染,并且取之不尽,用之不竭,因此越来越受到人们的关注 .光伏发电是当前利用太阳能的主要方式之一 .太阳能电池利用光生伏特效应原理,将太阳光能直接转化为电能,既可以直接为小型电器供应电能,又可以进行光伏并网发电,应用前景宽阔,并且在转化过程中,无污染、无噪声 .因此,深化讨论和利用太阳能资源,对缓解资源危机,改善生态环境,具有十分重要的意义 .但目前太阳能电池的光电转换效率比较低,且戚本较高,因此提高太阳能电池的光电转换效率、降低成本、提高太阳能电池的利用率是人们当前讨论的热点问题 . 1 硅 基 太 阳 能 电 池很多半导体材料都可以用来制造太阳能电池,因此太阳能电池的种类很多 .硅基太阳能电池是最早进展起来,并且也是目前进展最成熟的太阳能电池,主要包括单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池. 单品硅太阳能电池稳固性好,具有比较高的转换效率,规模生产的电池组件的光电转换效率可以达到12%-I6% ,而试验室记录的最高转换效率已经超过了25%,但其成本较高.与单晶硅相比,多晶硅半导体材料的价格相对较低,相应的电池单元成本也较低,特别具有竞争优势 .然而由于多晶硅材料存在着较多的缺陷,如晶界、位错等,转换效率仍不够高够好.非晶硅太阳能电池的转换效率和稳定性都不. 2新型太阳能电池的制备工艺对硅基太阳能电池来说,目前其性价比仍不能和传统能源相竞争.因此,提高其光电转换效率和降低成本是当前讨论的热点问题硅.这就需要改进太阳能电池材料的制备工艺,因此. 各类新型太阳能电池应运而生2.1多晶薄膜太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池是既具有单晶硅和多晶硅太阳能电池的高光电转换效率和长寿 命,又具有非晶硅太阳能电池材料的制备工艺相对简洁等优点的新一代电池 .多晶硅薄膜太 阳能电池是在低成本的衬底材料上生长一层多晶硅薄膜,用相对薄的晶体硅层作为太阳能 电池的激活层,不仅保持了晶体硅太阳能电池的高性能和稳固性,而且材料的用量大大下名师归纳总结 降,明显地降低了太阳能电池的成本.其简洁结构如图1 所示 . 第 1 页,共 8 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 在多晶硅薄膜太阳能电池的制备过程中:衬底材料有玻璃、C-Si、P-Si、SiC、A1203 、Si02 膜等；隔离层是在衬底上再沉积一层薄膜,如在玻璃衬底上沉积一层 SiOz 薄膜,起介质层 绝缘 和隔膜层 阻挡衬底中杂质渗入多晶硅薄膜 法LPCVD 制备,通过再结晶等方法使品粒增大,用的作用；籽晶层一般用低温等离子体 CVD 等方法在其上生长多晶硅曹膜；P-N 结可以在沉积多晶硅薄膜的同时掺棚、磷等获得；光学限制即上下表面织构化和减反 射；电学限制即制备前后电极的欧姆接触；电极制备方法主要有丝网印刷、光刻、电子束蒸发和电子镀等 .为了提高薄膜电池的光利用率,前电极经常采纳绒面设计,增强其陷光作用,而背电极为了增强其反射成效,背电极的透亮导电膜要保证其平整性；钝化包括品粒晶界钝化和表面钝化；为进一步提高光电转换效率,人们在制备工艺上进行了很多改进:1制造绒面、减反射膜和高反射背电极来增加太阳光的透过率.多孔硅作为多晶硅太阳能电池的减反射膜具有实用意义,其减反射的作用已能与双重减反射膜相比,所得多晶硅电池的效率也能达到13.4%；2采纳氢钝化,钝化硅体内的悬挂键等缺陷.在晶体生长中受应力等影响造成缺陷越多的硅材料,氢钝化的成效越好.氢钝化可采纳离子注入或等离子体处理.在多晶硅太阳能电池表面采纳等离子增强化学气相沉积法镀上一层氮化硅减反射膜,由于硅皖分解时产生氢离子对多晶硅可产生氢钝化的成效,以防止其氧化；3衬底与薄膜之间增加介质用来绝名师归纳总结 缘； 4表面钝化和体钝化以降低薄膜晶粒品界和品行错位等缺陷；5采纳丝网印刷技术制第 2 页,共 8 页备细金属栅电极；6通过转变试验方法和试验参数未获得大颗粒、取向规章、低杂质的多晶硅薄膜. 2.2染料敏化纳M晶太阳能电池近年来,随着纳M 材料科学的飞速进展,人们发觉纳MTiOz 不仅在光帮助催化降解方面 5 具有良好的性能,而且在光电转换方面成效显著.用染料敏化的TiOz 纳 M 品多孔膜作为光电阳极的化学太阳能光电池,称为染料敏化纳M 晶太阳能电池 .染料敏化纳M 晶太阳能电池的结构如图2 所示 .其主要由导电膜、导电玻璃、纳M 晶半导体多孔膜、染料光敏化剂、电解质和铅电极等组成. - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - TiO2 是一种廉价、安全、无污染且特别稳固的半导体材料 . 在光照条件下,TiO2 价带上的电子被激发到导带,同时在价带上形成空穴. 由于纳 MTiO2禁带宽度仅为 3.2eV,再加上电子在半导体内的复合,使之仅能吸取整个太阳光谱5%左右的紫外光,光电转换效率低 . 充分利用太阳光中的可见光 大约为太阳光谱的 45%作为激发光源对 TiO2 的广泛应用至关重要 . 而另一个需要解决的问题就是 TiO2 的量子产率较低,因此有必要提高催化剂的光催化效率 . 因此,需要拓展 TiOz 吸取光谱以及提高TiO2 的光催化效率 . 其中一个重要的途径就是将光敏材料经化学键合或物理吸附在高比表面积的 TiO2 纳 M薄膜上使宽带隙的Ti02 敏化 . 在染料敏化太阳能电池制备过程中,敏化材料的挑选至关重要 . 其中染料敏化剂性能的优劣将直接影响染料敏化太阳能电池的光电转换效率 . 染料敏化剂是染料敏化纳 M晶太阳能电池中特别关键的部分,敏化剂一般要满意以下条件 :1在 Ti02 纳 M结构半导体电极表面有良好的吸附性,即能够快速达到吸附平稳,且不易脱落； 2 在可见光区有较强的、尽量宽的吸取带；3 能级匹配,其氧化态和激发态要有较高的稳固性；效率 . 敏化剂敏化半导体过程如下4 激发态寿命足够长,且具有很高的电荷传输:1 敏化剂吸附到半导体表面；2 吸附态的敏化剂分子吸取光子被激发；上；3 激发态的敏化剂分子将电子注入到半导体的导带用于光化学转换的半导体材料,稳固性好的禁带太宽 如 Ti02 ,E"=3.2eV ,可见光难以激发,而对可见光敏锐的窄禁带半导体材料 如 CdS,且=2.5eV 却不稳固 . 半导体光敏化利用这一冲突,采纳宽、窄禁带半导体复合的方法提高电荷的分别效率,拓展宽禁带半导体的光谱响应区 . 其复合方法包括简洁的组合、掺杂、多层结构和异相组合等 化,在光敏电池中仍在探究；. 该方法目前主要用于半导体的光催总之,通过光敏化,获得较宽的可见光吸取光谱,快速的电 F 传输,优越的电子散射系数,增强光吸取效率是将来 3 全自动跟踪电池板Ti02 光阳极讨论的方向 - 除了提高太阳能电池本身的光电转换效率外,调剂太阳能电池方阵实时跟名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 踪太阳的角度,使其最大限度地接受太阳光照耀,对高效利用太阳能也有着不 可或缺的作用 . 太阳的方位随着观测位置和观测时间的不同而不同,要跟踪太阳就必需对 太阳进行定位分析 . 一般太阳能电地板朝向是固定的,而太阳的位置在时刻变 化,无法保证太阳光始终垂直于太阳能电池板,使得转换效率降低,同时所需的电池板面积增大,成本增加. 所以全自动跟踪式的太阳能电池板7-8应运而生. 太阳能电池板自动跟踪系统包括光电转换器、时角/ 赤纬电机、单片机以及相应的外围电路等 . 太阳能电池板有两个自由度,掌握设备将分别对 X、Y 方向 及 Z 方向进行调整 . 单片机加电复位后, X,Y方向将处于旋转状态,单片机将 对采样进来的电压信号进行判定,如电压增大,就让电池板连续转动,如电压 减小,单片机将立刻发出信号,让电机反转,以实现电池板对太阳的跟踪 . 光电 转换器接收太阳光将光信号转换成电信号,接着此模拟电信号经过放大器的放 大再通过 AJD转换成数字信号进入单片机,单片机依据采集来的信号进行分析 比较,最终以掌握步进电机的转一直达到太阳能电池面板始终垂直于人射光线 的目的,从而实现最高效率地利用太阳能 . 利用光敏电阻在光照强度发生变化时阻值随之变化的原理,将两个完全相 同的光敏电阻分别放置于太阳能电池板东西方向,假如太阳光垂直照耀太阳能 电地板时,两个光敏电阻接收到的光强相间,它们的阻值相同,此时电动机不 转动；当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时,接收光强多的光敏电阻阻值 削减,驱动电动机转动,直至两个光敏电阻上的光照强度相同,称为光敏电阻光强比较法 . 同时,系统仍可以采纳 现出跟踪的精确度 . LCD液晶显示跟踪光斑图像,更加形象地体4 最大功率点跟踪 MPPT 由于太阳能电池的输出功率易受环境因素 光照、温度等 影响,在肯定的环境因素条件下,太阳能电池输出功率和输出电压之间具有非线性的关系,并 且最大功率点唯独 . 因此,为了实现光伏发电系统的功率输出最大化,有必要对 太阳能电池的输 . 出最大功率点进行跟踪 . 即在同样的光照、温度条件下,通过 掌握输入电压等方式使太阳能电池最大限度地处于输出功率最大处 . 这里主要分 析几种常见的最大功率点跟踪掌握方法,并比较其优缺点及适用的场合 . 4.1 太阳能电池输出特性分析太阳能电池输出特性具有非线性特点 度、环境温度和负载情形影响 . 如图 3 所示 ,并且其输出受光照强名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 在肯定的光照强度和环境温度下,太阳能电池可以工作在不同的输出电压 下,但是只有在某一输出电压值时,太阳能电池的输出功率才达到最大值,这 时太阳能电池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点,称之为最大功率 点Maximum Power Point, MPP. 因此,在光伏发电系统中,要提高系统的整体 效率,一个重要的途径就是实时调整太阳能电池的工作点,使之始终工作在最 大 功 率 点 附 近 , 这 过 程 就 称 之 为 最 大 功 率 点 跟 踪 MaximumPowerPointTracking ,MPPTMPPT方法工作原理 : 由图 3 可知,当系统 工作电压小于最大功率点电压 Umax时,系统的输出功率随太阳能电池端电压上 升而增加；当系统工作电压大于最大功率点电压 Umax时,系统输出功率随 Upv 上升而减小 .MPPT实质是一个自寻优过程,即通过掌握输入电压 Upv,使系统能 在 各 种 不 同 的 光 照 和 温 度 环 境 下 智 能 化 地 输 出 最 大 功 率 . 4.2太阳能电池的电气特性图 4 分别为太阳能电池在不同光照强度 照强度 S 下的 1-U 和 P-U 特性曲线 . S 相同温度 T 和不同温度 T 相同光名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4.3MPPT跟踪掌握的常用方法光伏系统常用的最大功率点跟踪算法有 导增量法；: 恒定电压掌握法、扰动观看法、电4.3.1 恒定电压拉制法 恒定电压掌握法 Constant Voltage Tracking, CVT:通过分析图 4c 可以看出,在温度肯定时,P-U图各曲线的最大功率点几乎分布在一条垂直线的两侧,也就是说太阳能电池最大功率输出点大致对应于某一恒定电压 . 因此,CVT方法的思路即是将太阳能电地输出电压掌握在该电压即 Vmax可以从生产厂商供应的参数中运算获得 功率点处 . 处,此时间伏系统在整个工作过程中将近似处于最大CVT算法的优点 : 掌握简洁,易于实现,牢靠性高；系统不会显现震荡,且 工作电压稳固性好；硬件实现简洁 . CVT算法的缺点 : 适应性差,因这种方式忽视了温度对电压的影响,所以在 环境温度变化比较大的场合,会显现较大的偏差；精度差,由于只能保证光伏 系统近似工作在最大功率点处 . 4.3.2 扰动观看法扰动观看法 PerturbationandObservation,P&O:即在每个掌握周期,用较小的步长转变光伏系统的输出,转变的步长是肯定的,方向可以是增加也可以 是削减,掌握对象可以是输出电压或电流,这一过程称为 " 扰动然后通过比较干扰周期前后系统的输出功率,假如输出功率增加,那么连续依据上一周期的方名师归纳总结 向连续 " 干扰假如输出功率削减,就转变" 干扰 "方向 . 第 6 页,共 8 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - P&O算法的优点 : 跟踪方法简洁,待测参数少,传感器精度要求不高,易于 实现 . P&O算法的缺点 : 当扰动达到稳态后,光伏系统的实际工作点只能在其最大 功率点邻近的一个小范畴内来回震荡,从而导致部分功率缺失 . 其次是难以挑选 合适的步长 . 步长过小,跟踪的速度缓慢,系统可能长时间工作于低功率输出 区；步长过大,系统在最大功率点邻近的震荡又会加大,跟踪精度降低,从而 导致更多的功率缺失,即步长的选取无法兼顾跟踪的速度和精度；第三,自身 算法不严谨 . 当外部环境突然变化时,会显现误判现象,使得 " 干扰" 方向相反,减慢跟踪速度；4.3.3 电导增量法 电导增量法 : 由太阳能电池的 P-U 曲线图可以看出,在最大功率点处斜率为 0,dP/dU=0.对 P=UI 进行简洁的数学推导 : 上面的推导说明,太阳能电池工作在最大功率点的条件是 : 输出电导的变化量等于输出电导的负值 . 如不相等,就要判定dP/dU 大于 0 仍是小于 0,即处于最 大 功 率 点 的 左 边 仍 是 右 边 , 进 而 决 定 " 扰 动 " 的 方 向 . 电导增量法的优点 : 光照强度发生变化时,系统的输出电压能以平稳的方式 追 随 其 变 化 , 而 且 稳 态 时 的 震 荡 也 较 扰 动 观 察 法 小 . 电导增量法的缺点 : 掌握算法较复杂,且对硬件要求较高,导致成本增加,不适用于小功5率发电场合. 结语本文从太阳能电池的制备工艺、全自动跟踪电池板及太阳能电池最大功率 点跟踪 MPPT3 个角度动身,对当前高效利用太阳能电池的现状进行了总结分 析,大大提高了太阳能电池本身的光电转换效率及对太阳能电池的利用率,且性价比高,与传统能源具有竞争性. 但在提高太阳能电池利用率方面,仍需进步做大量的工作,比如在 3 种经典的 MPPT方法的基础上,进行一系列的改进,提出一些改进算法,或将多种方法进行有机综合,在肯定程度土能提高跟踪的名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 速度和精度,这也是当前讨论的热点问题之一；名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 8 页