Fotovoltinės energijos generavimas yra technologija, kuri tiesiogiai paverčia šviesos energiją į elektros energiją, naudojant puslaidininkio sąsajos fotovoltinį efektą. Pagrindinis šios technologijos elementas yra saulės elementas. Kai saulės elementai yra sujungti nuosekliai, jie gali būti supakuoti ir apsaugoti, kad būtų sudarytas didelio ploto saulės elementų modulis, o tada sujungti su galios valdikliais ir kitais komponentais, kad būtų sukurtas fotovoltinės energijos generavimo įrenginys.
1 Fotovoltinis efektas
Jei šviesa patenka į saulės elementą ir šviesa absorbuojama sąsajos sluoksnyje, pakankamai energijos turintys fotonai gali sužadinti elektronus iš kovalentinių ryšių tiek P tipo, tiek N tipo silicyje, todėl susidaro elektronų skylių poros. Elektronai ir skylės šalia sąsajos sluoksnio prieš rekombinaciją bus atskirti vienas nuo kito dėl erdvės krūvių elektrinio lauko poveikio. Elektronai juda link teigiamai įkrautos N srities, o skylės – link neigiamo krūvio P srities. Krūvio atskyrimas per sąsajos sluoksnį sukurs išoriškai išmatuojamą įtampą tarp P ir N sričių. Šiuo metu elektrodus galima pridėti prie abiejų silicio plokštelės pusių ir prijungti prie voltmetro. Kristalinio silicio saulės elementų atveju tipinė atviros grandinės įtampos vertė yra nuo 0,5 iki 0,6 V. Kuo daugiau elektronų skylių porų sukuria šviesa sąsajos sluoksnyje, tuo didesnis srovės srautas. Kuo daugiau šviesos energijos sugeria sąsajos sluoksnis, tuo didesnis sąsajos sluoksnis, ty elemento plotas, ir tuo didesnė srovė susidaro saulės elemente.
2. Principas
Saulės šviesa apšviečia puslaidininkio pn sandūrą ir sudaro naują skylės-elektronų porą. Veikiant pn sandūros elektriniam laukui, skylės teka iš n srities į p sritį, o elektronai iš p srities į n sritį. Įjungus grandinę susidaro srovė. Taip veikia fotoelektrinio efekto saulės elementai.
Yra du saulės energijos gamybos būdai: vienas yra šviesos-šilumos-elektros konvertavimas, o kitas - tiesioginis šviesos-elektros konvertavimas.
(1) Taikant šviesos-šilumos-elektros konversijos metodą, elektros energija gaminama naudojant saulės spinduliuotės sukurtą šiluminę energiją. Paprastai saulės kolektorius sugertą šiluminę energiją paverčia darbinės terpės garais, o tada varo garo turbiną, kad generuotų elektrą. Pirmasis procesas yra šviesos ir šilumos konversijos procesas; pastarasis procesas yra šilumos konvertavimo į elektrą procesas, kuris yra toks pat kaip įprasta šiluminės energijos gamyba. Saulės šiluminės energijos gamybos trūkumas yra labai mažas efektyvumas ir didelė kaina. Skaičiuojama, kad jos investicijos yra bent jau didesnės nei įprastos šiluminės energijos gamybos. Elektrinės yra 5–10 kartų brangesnės.
(2) Tiesioginio šviesos konvertavimo į elektrą metodas Šis metodas naudoja fotoelektrinį efektą saulės spinduliuotės energijai tiesiogiai paversti elektros energija. Pagrindinis šviesos į elektrą konvertavimo įrenginys yra saulės elementai. Saulės elementas yra prietaisas, kuris dėl fotovoltinio efekto saulės energiją tiesiogiai paverčia elektros energija. Tai puslaidininkinis fotodiodas. Kai ant fotodiodo šviečia saulė, fotodiodas saulės šviesos energiją pavers elektros energija ir generuos elektros energiją. srovė. Kai daug elementų yra sujungti nuosekliai arba lygiagrečiai, jis gali tapti saulės elementų matrica, kurios išėjimo galia yra gana didelė. Saulės elementai yra daug žadantis naujo tipo energijos šaltinis, turintis tris pagrindinius privalumus: pastovumą, švarą ir lankstumą. Saulės elementai turi ilgą tarnavimo laiką. Kol yra saulė, su viena investicija saulės elementai gali būti naudojami ilgą laiką; ir šiluminė energija, branduolinės energijos gamyba. Priešingai, saulės elementai neteršia aplinkos.
3. Sistemos sudėtis
Fotovoltinės energijos gamybos sistemą sudaro saulės elementų matricos, baterijų blokai, įkrovimo ir iškrovimo valdikliai, keitikliai, kintamosios srovės energijos paskirstymo spintos, saulės sekimo valdymo sistemos ir kita įranga. Kai kurios jo įrangos funkcijos yra šios:
baterijų masyvas
Kai yra šviesa (nesvarbu, ar tai būtų saulės šviesa, ar kitų šviečiančių medžiagų skleidžiama šviesa), akumuliatorius sugeria šviesos energiją, o abiejuose akumuliatoriaus galuose kaupiasi priešingo signalo įkrovos, tai yra, sukuriama „fotogeneruojama įtampa“. kuris yra „fotovoltinis efektas“. Veikiant fotovoltiniam efektui, du saulės elemento galai sukuria elektrovaros jėgą, kuri šviesos energiją paverčia elektros energija, kuri yra energijos konvertavimo įtaisas. Saulės elementai paprastai yra silicio elementai, kurie skirstomi į tris tipus: monokristaliniai silicio saulės elementai, polikristaliniai silicio saulės elementai ir amorfiniai silicio saulės elementai.
Akumuliatorius
Jo funkcija yra saugoti elektros energiją, kurią skleidžia saulės elementų matrica, kai ji yra apšviesta, ir bet kuriuo metu tiekti energiją apkrovai. Pagrindiniai reikalavimai baterijų blokui, naudojamiems saulės elementų energijos gamybai, yra šie: a. mažas savaiminio išsikrovimo greitis; b. ilgas tarnavimo laikas; c. stipri gilaus iškrovimo galimybė; d. didelis įkrovimo efektyvumas; e. mažiau priežiūros arba nereikalauja priežiūros; f. darbinė temperatūra Platus diapazonas; g. žema kaina.
Valdiklis
Tai įrenginys, galintis automatiškai užkirsti kelią akumuliatoriaus perkrovimui ir išsikrovimui. Kadangi įkrovimo ir iškrovimo ciklų skaičius bei akumuliatoriaus iškrovimo gylis yra svarbūs veiksniai, lemiantys akumuliatoriaus tarnavimo laiką, įkrovimo ir iškrovimo valdiklis, galintis valdyti akumuliatoriaus perkrovimą arba perkrovą, yra esminis prietaisas.
Inverteris
Įrenginys, paverčiantis nuolatinę srovę į kintamąją. Kadangi saulės elementai ir baterijos yra nuolatinės srovės energijos šaltiniai,
Kai apkrova yra kintamoji, būtinas keitiklis. Pagal veikimo režimą keitikliai gali būti skirstomi į nepriklausomo veikimo keitiklius ir prie tinklo prijungtus keitiklius. Atskiri inverteriai naudojami atskirose saulės elementų energijos sistemose, kad būtų galima maitinti atskiras apkrovas. Prie tinklo prijungti inverteriai naudojami prie tinklo prijungtoms saulės elementų energijos gamybos sistemoms. Inverteris gali būti suskirstytas į kvadratinės bangos keitiklį ir sinuso bangos keitiklį pagal išėjimo bangos formą. Kvadratinės bangos keitiklis turi paprastą grandinę ir mažą kainą, tačiau turi didelį harmoninį komponentą. Paprastai jis naudojamas sistemose, kurių galia mažesnė nei keli šimtai vatų, o harmonikos reikalavimai yra žemi. Sinuso bangos keitikliai yra brangūs, tačiau gali būti pritaikyti įvairioms apkrovoms.
4. Sistemos klasifikacija
Fotovoltinės energijos gamybos sistema yra padalinta į nepriklausomą fotovoltinės energijos gamybos sistemą, prie tinklo prijungtą fotovoltinės energijos gamybos sistemą ir paskirstytą fotovoltinės energijos gamybos sistemą.
1. Nepriklausoma fotovoltinės energijos gamyba taip pat vadinama ne tinklo fotovoltinės energijos gamyba. Jį daugiausia sudaro saulės elementų komponentai, valdikliai ir baterijos. Norint tiekti maitinimą kintamosios srovės apkrovai, reikia sukonfigūruoti kintamosios srovės keitiklį. Nepriklausomos fotovoltinės elektrinės apima kaimo elektros energijos tiekimo sistemas atokiose vietovėse, saulės namų maitinimo sistemas, ryšio signalų maitinimo šaltinius, katodinę apsaugą, saulės gatvių apšvietimą ir kitas fotovoltinės energijos generavimo sistemas su baterijomis, kurios gali veikti savarankiškai.
2. Prie tinklo prijungta fotovoltinė elektros energijos gamyba reiškia, kad saulės modulių generuojama nuolatinė srovė per prie tinklo prijungtą keitiklį paverčiama kintamąja srove, atitinkančia tinklo reikalavimus, o po to tiesiogiai prijungiama prie viešojo tinklo.
Jį galima suskirstyti į prie tinklo prijungtas elektros energijos gamybos sistemas su baterijomis ir be jų. Prie tinklo prijungta elektros energijos generavimo sistema su akumuliatoriumi yra suplanuota ir gali būti integruota į elektros tinklą arba išimama iš jo pagal poreikius. Jis taip pat turi atsarginio maitinimo šaltinio funkciją, kuri gali tiekti avarinį maitinimą, kai dėl kokios nors priežasties nutrūksta elektros tinklas. Į fotovoltinį tinklą prijungtos elektros energijos gamybos sistemos su baterijomis dažnai įrengiamos gyvenamuosiuose namuose; Prie tinklo prijungtos elektros energijos gamybos sistemos be baterijų neturi dispečerinio ir atsarginio maitinimo funkcijų ir dažniausiai montuojamos didesnėse sistemose. Prie tinklo prijungta fotovoltinė elektros energijos gamyba turi centralizuotas didelio masto prie tinklo prijungtas fotovoltines elektrines, kurios paprastai yra nacionalinio lygio elektrinės. Tačiau tokio tipo elektrinė dėl didelių investicijų, ilgo statybos laikotarpio ir didelio ploto nelabai išsivystė. Paskirstytos mažos apimties prie tinklo prijungtos fotoelektros, ypač į fotovoltinius pastatus integruotos fotovoltinės energijos generavimas, yra pagrindinė prie tinklo prijungtos fotovoltinės energijos gamybos kryptis dėl mažų investicijų, greitos statybos, mažo ploto ir stiprios politikos paramos pranašumų.
3. Paskirstytoji fotovoltinės energijos gamybos sistema, taip pat žinoma kaip paskirstyta energijos gamyba arba paskirstytasis energijos tiekimas, reiškia mažesnės fotovoltinės energijos tiekimo sistemos konfigūraciją vartotojo vietoje arba šalia elektros energijos tiekimo vietos, kad būtų patenkinti konkrečių vartotojų poreikiai ir palaikoma esama skirstomojo tinklo ūkinės eksploatacijos, arba vienu metu atitinka abiejų aspektų reikalavimus.
4. Pagrindinė paskirstytos fotovoltinės energijos gamybos sistemos įranga apima fotovoltinių elementų komponentus, fotovoltinių kvadratinių matricų laikiklius, nuolatinės srovės jungtuvų dėžes, nuolatinės srovės elektros skirstomąsias spintas, prijungtus prie tinklo keitiklius, kintamosios srovės skirstomąsias spintas ir kitą įrangą, taip pat maitinimo sistemą. stebėjimo prietaisai ir aplinkos stebėjimo prietaisai. Jo veikimo režimas yra toks, kad esant saulės spinduliuotei, fotovoltinės energijos gamybos sistemos saulės elementų modulių masyvas paverčia išeinančią elektros energiją iš saulės energijos ir siunčia ją į nuolatinės srovės energijos paskirstymo spintą per nuolatinės srovės jungiklio dėžę ir tinklą. - prijungtas keitiklis paverčia jį kintamosios srovės maitinimo šaltiniu. Pats pastatas apkraunamas, o elektros perteklius arba nepakankamas kiekis reguliuojamas jungiantis prie elektros tinklo.
5. Privalumai ir trūkumai
Palyginti su dažniausiai naudojamomis elektros energijos gamybos sistemomis, saulės fotovoltinės energijos gamybos pranašumai daugiausia atsispindi:
Saulės energija vadinama idealiausia nauja energija. ①Jokio išeikvojimo pavojaus; ② Saugus ir patikimas, be triukšmo, be taršos, visiškai švarus (be taršos); ③Jo neriboja geografinis išteklių pasiskirstymas, galima pasinaudoti pastatų stogų privalumais; ④ Nereikia vartoti kuro ir tiesti perdavimo linijų Vietinis elektros energijos gamyba ir tiekimas; ⑤Aukšta energijos kokybė; ⑥Vartotojus lengva priimti emociškai; ⑦ Statybos laikotarpis yra trumpas, o energijos gavimo laikas yra trumpas.
trūkumas:
①Švitinimo energijos pasiskirstymo tankis yra mažas, tai yra, jis užima didžiulį plotą; ② Gauta energija yra susijusi su keturiais metų laikais, diena ir naktis, debesuota ir saulėta bei kitomis meteorologinėmis sąlygomis. Saulės energijos naudojimas elektrai gaminti reikalauja didelių įrangos sąnaudų, tačiau saulės energijos panaudojimo lygis yra mažas, todėl ji negali būti plačiai naudojama. Jis daugiausia naudojamas kai kuriose specialiose aplinkose, pavyzdžiui, palydovuose.
6. Taikymo sritys
1. Naudotojo saulės energijos tiekimas: (1) mažas maitinimo šaltinis nuo 10-100W, naudojamas atokiose vietovėse, kuriose nėra elektros energijos, pvz., plynaukštėse, salose, pastoracinėse zonose, pasienio postuose ir kitoje karinėje ir civilinėje elektra, pvz., apšvietimui. , televizorius, magnetofonai ir kt.; (2) 3 -5KW buitinė ant stogo prijungta elektros energijos gamybos sistema; (3) Fotovoltinis vandens siurblys: išsprendžia gilių šulinių geriamojo ir drėkinimo problemą vietose, kuriose nėra elektros.
2. Eismo laukai, pvz., navigacijos žibintai, šviesoforo/geležinkelio signaliniai žibintai, eismo įspėjamieji/signaliniai žibintai, Yuxiang gatvių žibintai, didelio aukščio kliūčių žibintai, greitkelių/geležinkelio belaidžio ryšio telefonų būdelės, neprižiūrimas kelių pamainų maitinimo šaltinis ir kt.
3. Ryšio/ryšio sritis: saulės neprižiūrima mikrobangų perdavimo stotis, optinio kabelio priežiūros stotis, transliavimo/ryšio/ieškos maitinimo sistema; kaimo operatorių telefono fotovoltinė sistema, maža ryšio mašina, GPS maitinimo šaltinis kariams ir kt.
4. Naftos, jūrų ir meteorologijos laukai: katodinės apsaugos saulės energijos sistema naftotiekiams ir rezervuarų vartams, gyvybės ir avarinis energijos tiekimas naftos gręžimo platformoms, jūrų aptikimo įranga, meteorologinė/hidrologinė stebėjimo įranga ir kt.
5. Maitinimas buitinėms lempoms: pavyzdžiui, sodo lempos, gatvių lempos, nešiojamos lempos, stovyklavimo lempos, alpinizmo lempos, žvejybos lempos, juodos šviesos lempos, srieginės lempos, energiją taupančios lempos ir kt.
6. Fotovoltinė elektrinė: 10KW-50MW nepriklausoma fotovoltinė elektrinė, vėjo ir saulės (dyzelino) papildoma elektrinė, įvairios didelės automobilių stovėjimo aikštelės įkrovimo stotelės ir kt.
7. Saulės energijos pastatuose saulės energijos gamyba derinama su statybinėmis medžiagomis, kad dideli pastatai ateityje galėtų savarankiškai apsirūpinti elektros energija, o tai yra pagrindinė plėtros kryptis ateityje.
8. Kitos sritys apima: (1) Suderinamumą su automobiliais: saulės energija varomos transporto priemonės / elektra varomos transporto priemonės, akumuliatorių įkrovimo įranga, automobilių oro kondicionieriai, ventiliatoriai, šaltų gėrimų dėžės ir kt.; (2) regeneracinės energijos gamybos sistemos, skirtos saulės vandenilio ir kuro elementų gamybai; (3) jūros vandens gėlinimo įrangos maitinimas; (4) Palydovai, erdvėlaiviai, kosminės saulės elektrinės ir kt.