聊聊太阳能发电那些事——光伏效应

2019-08-01 09:02:32 来源: 功率半导体那些事儿
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转眼七月已过,一去不返,只有希望大家能够拥有一个充实愉悦的八月!昨天我们简单地聊了聊关于太阳能发电的重要性和基本拓扑发展历程。今天我们来唠唠是如何将太阳能转化成电能的——光伏效应

 

光伏效应(Photovoltaic Effect),也就是将太阳光照进行转化的过程,光子转化为电子,光能转化为电能,然后再形成电压,即光生伏特效应。

 

通过在原材料硅片内加入硼原子和磷原子,形成PN结,在吸收太阳光照后,半导体产生的电子-空穴对,在势垒区内建电场的作用下会发生飘移。漂移分离的电子和空穴分别流入N型区和P型区。这样,便在PN结周围产生了与势垒电场方向相反的光生电场,从而产生了带正电的P型区和带负电的N型区。

 

在PN结内建电场的作用下会产生非平衡载流子,这些载流子反向穿过势垒区便产生了漂移电流,即光电流。之后变可以对外输出一定的能量了。详情可以参考下图:

 

 

 

下面我们再从数学模型上了解一下光伏效应的原理:

 

电路如下:

 

 

从上面的电路我们可以计算得到I-U的方程,输出电流为

 

 

其中,UD是等效二极管两端的电压;Io是PN结反向饱和电流;q为电子电荷,1.6*10∧-9C;k为玻尔兹曼常数,0.86*10∧-4 eV/K;A为PN结曲线常数,取值范围1~5;T为热力学温度。

 

输出电压为:

U=UD-IRs

 

为了获得光伏电池的I-U曲线,不仅需要确认A、Iph、Io、Rsh、Rs等值,还需要研究光照强度和温度的关系。

 

再短路状态下,不计流过等效二极管的电流ID和并联电阻Rsh上的电流Ish,可以得到短路电流为

 

 

其中,S为光照强度;Sref为参考光照强度,取1000W/m²;T为光伏电池温度;Tref为参考温度,取298.15K;Iscn为参考光照强度和参考温度下的短路电流值。

 

开路状态下,UD=U=Uoc,得到开路电压为:

 

 

其中,Uoc为开路电压;Uocn为参考温度和参考光照强度下的开路电压值。

 

最大功率点处电压电流和功率分别为:

 

 

其中,Im为最大功率点的输出电流;Imn为参考温度和参考光照强度下最大功率点的输出电流;Um为最大功率点的输出电压;Umn为参考温度和参考光照强度下最大功率点的输出电压。

 

光伏电池输出电流:

 

 

其中,V是光伏电池的输出电压(光伏电池单片电压一般为0.4~0.7V,一般串联36/54/60/73/96片,电压在18/27/30/36/48V左右),系数a、b分别为

 

 

 

光伏电池根据材料主要分为:单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜晶体硅电池。

 

单晶硅电池具有电池转换效率高,稳定性好,但是成本较高;

非晶硅太阳电池则具有生产效率高,成本低廉,但是转换效率较低,而且效率衰减得比较厉害;

铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定得转换的效率,而且性能价格比最高;

薄膜晶体硅太阳能电池则现在还只能处在研发阶段。

 

目前,铸造多晶硅太阳能电池已经取代直拉单晶硅成为最主要的光伏材料。但是铸造多晶硅太阳能电池的转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电池,材料中的各种缺陷,如晶界、位错、微缺陷,和材料中的杂质碳和氧,以及工艺过程中玷污的过渡族金属被认为是电池转换效率较低的关键原因,因此关于铸造多晶硅中缺陷和杂质规律的研究,以及工艺中采用合适的吸杂,钝化工艺是进一步提高铸造多晶硅电池的关键。另外,寻找适合铸造多晶硅表面织构化的湿化学腐蚀方法也是目前低成本制备高效率电池的重要工艺。

 

光伏电池做为光伏逆变器的能量转换部分,它的性能是蛮重要的,所以它的发展我认为也是“急不可耐”的,当然还是要稳中求进。上面我们在光伏电池数学模型时提到了最大功率点,下篇我们会介绍最大功率点跟踪--MPPT(Maximum Power Point Tracking),希望大家能够喜欢~

 

今天是八月的第一天,也是建军节,向所有的军人致敬~

 
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