【《光伏發(fā)電的相關(guān)理論知識基礎(chǔ)》2800字】

半導體是由很多以共價鍵連接的原子按照一定方式排列組成的，單原子由原因此半導體也呈電中性。硅是使用最廣泛的半導體材料，大部分的太陽能光伏電池的基本材料就是硅及其化合物。當原子組成分子過程中，原子與原子之間產(chǎn)生相互作用，每個原子能級將會分裂成兩個能量不一樣的能級，形成兩個能量不一樣的能帶，其中有電子存在且能量較高的能帶稱為價帶VB,價帶中的電子被稱為價電子，另一個沒有電子存在且能量較低的能帶稱為導帶CB,如圖1.1所示，處于價帶和導帶之間的稱為禁帶，禁帶的能量稱為禁帶寬度Eg,表示價帶與導帶的能量差。低能級高導電物體能夠?qū)щ姷脑蛑饕且驗殡娮釉谕怆妶龅淖饔孟庐a(chǎn)生定向運動，即電子從一個能帶躍遷到另一個能帶，從而產(chǎn)生電流，產(chǎn)生導電性。當電子脫離共價鍵形成自由電子后，就會剩下一個帶正電的空位，這個空位被稱為空穴。由于每產(chǎn)生一個自由電子就會出現(xiàn)一個空穴，即空穴和自由電子是成對出現(xiàn)的，所以他們常被稱為電子-空穴對。圖1.2展示的分別是導體、半導體和絕緣體的能帶示意圖。對于導體來說，價帶只有一部分被電子充滿，而且價帶與導帶之間沒有間隙，甚至產(chǎn)生重疊，在外電場的作用下，價帶中的價電子很容易躍遷到?jīng)]有電2子的導帶中去，從而形成電流或傳遞熱量，因此導體具有良好的導電性和導熱性。然而，在絕緣體中，價帶被價電子充滿，價帶和導帶間的禁帶寬度很寬，價電子被共價鍵連接著，很難發(fā)生躍遷，不容易產(chǎn)生能夠自由移動的電子，因此，絕緣體的導電性能和導熱性能較差。半導體的價帶也被價電子充滿，禁帶寬度Eg大約在0.5~3eV之間55,與可見光光子的能量相匹配，只要有能量大于禁帶寬度的光子就可以被吸收，從而激發(fā)價電子躍遷到導帶，產(chǎn)生電流，因此，半導體的導電性能和導熱性能不及導體那么強，但也不似絕緣體那樣毫不導電，性能介于兩1.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類光伏發(fā)電系統(tǒng)是一個能夠?qū)⑻柲苤苯愚D(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)，利用的關(guān)鍵原理是光伏電池的光生伏特效應。根據(jù)運行方式不同，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)三種。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是指在分散在用電地區(qū)旁邊的光伏發(fā)電系統(tǒng)，充分利用當?shù)氐臈l件，因地制宜，由于分散建設(shè)，則可以就近發(fā)電使用。其中應用最多的是在普通居民屋頂或者使建筑物屋頂上的太陽能光伏電池板，這種應用輸出功率相對較小，但可以有效利用當?shù)氐奶柲苜Y源，清潔高效，安全性高，可靠性高，安裝成本小，解決了電能在升壓運輸過程中的損耗問題，當周圍電網(wǎng)出現(xiàn)故障或者部分地區(qū)用電緊張時，可以作為應急電源供其使用[571。3獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)也叫離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)，屬于直流光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要由太陽能光伏電池組件、控制器和蓄電池組成，可直接與直流負載相連，若要連接交流負載為其提供電能，則需在中間添加一個逆變器，其結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。當白天陽光充足時，太陽能光伏電池組件起到主要作用，直接將光能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生的電能不僅用來給負載供電，多余的電能還能給蓄電池充電，貯存一部分能量；當夜間或者下雨天等光照條件不好的時候，此時光伏電池組件的效率較低，起主要作用的是蓄電池，由它放出電能為負載提供動力58。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)對于蓄電池的存在可有可無59,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.4所示，主要由太陽能光伏電池組件、控制器和并網(wǎng)逆變器等部分組成[60,光伏電池組件發(fā)出的電能經(jīng)過并網(wǎng)逆變器和變壓器直接輸入到電網(wǎng)，不需要蓄電池充電放電來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，避免了中途能量損耗，減小了系統(tǒng)的發(fā)電成本，減少了系統(tǒng)的使用面積，提高了太陽能資源的利用率?？刂破鞯闹饕饔檬潜O(jiān)控和管理整個光伏發(fā)電系統(tǒng)每一個發(fā)電流程的工作狀態(tài)，例如可控制光伏電池組件輸出始終處于最大功率點處。并網(wǎng)逆變器的主要作用是將光伏電池組件產(chǎn)生的直流電逆變成交流電，可直接與交流負載連接并為其提供能量，也可以經(jīng)過升壓變壓器升壓后并入電網(wǎng)。配置了儲能裝置的并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)具有一定的應急功能，當電網(wǎng)突然出現(xiàn)故障或者整體停電時，可以利用儲能裝置繼續(xù)對負載進行供電，可用于應急供電系統(tǒng)[61]。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)適用于大規(guī)模光伏電站發(fā)電，在用電高峰期時，還可以用于調(diào)節(jié)用電，是太陽能光伏發(fā)電的主要發(fā)展方向，也是目前極具前景的能源利用技術(shù)。4根據(jù)隔離方式的不同，又可將并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)分為隔離式和非隔離式兩種[62]。隔離式并網(wǎng)變壓器根據(jù)頻率不同又可分為工頻型和高頻型，在光伏逆變器發(fā)展初期多使用工頻型變壓器隔離，雖然算法簡單，但這種隔離方法成本高、損耗大，且變壓器的體積和重量也大，高頻型變壓器隔離方法的出現(xiàn)解決了這些問題[63。非隔離式變壓器可分為單級式和雙級式。單級式光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏陣列直接與光伏逆變器連接并網(wǎng)發(fā)電，因此該逆變器的設(shè)計結(jié)構(gòu)復雜，不僅要實現(xiàn)最大功率追蹤控制，還要實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制，結(jié)構(gòu)簡單，使用器件數(shù)量少，適合于大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電[64,65。雙級式光伏發(fā)電系統(tǒng)由兩級組成，分別是前級DC-DC直流變換器和后級DC-AC逆變器，前級DC-DC直流變換器的作用是實現(xiàn)光伏電池組件輸出電壓的升壓控制，并使光伏發(fā)電系統(tǒng)始終處于最大功率點處工作，后級DC-AC逆變器則是將前級變換器升壓后得到的直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)電壓相同頻率、相同相位滿足并網(wǎng)條件的交流電，從而實現(xiàn)并網(wǎng)。這種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)比單級式簡單，且前后兩級變換器互不干擾，可靠性高，轉(zhuǎn)換效率高，成本低，體積小，便于整體設(shè)計[66-68。光伏發(fā)電系統(tǒng)無論是向交流負載供電還是直接與電網(wǎng)相連，都要滿足電能質(zhì)量要求，電壓、頻率、波形和功率因素等都需滿足規(guī)定要求并符合相關(guān)標準691。5如果在并網(wǎng)過程中出現(xiàn)較大偏差，系統(tǒng)檢測到某處出現(xiàn)異常，就會自動斷開與電網(wǎng)的連接。首先，對于工作電壓，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時其電壓需與電網(wǎng)電壓相匹配。當系統(tǒng)正常運行時，當電網(wǎng)為三相且電網(wǎng)電壓為20kV及以下時，電網(wǎng)的額定電壓為400V;當電網(wǎng)為220V單相時，額定電壓為230V。根據(jù)國家《電能質(zhì)量供電電壓偏差》規(guī)定，并網(wǎng)過程中允許的電壓偏差需以電網(wǎng)的額定電壓作為標準電壓進行計算，三相電壓的允許電壓偏差范圍為372~428V,是電網(wǎng)額定電壓的±7%,單相電壓的允許電壓偏差范圍為207~246.1V,是電網(wǎng)額定電壓的+7%、-10%[70]。因此，當光伏發(fā)電系統(tǒng)需要并網(wǎng)時，電壓偏差需要在該范圍之內(nèi)才能實現(xiàn)并網(wǎng)。其次，光伏發(fā)電系統(tǒng)需和電網(wǎng)同步運行，光伏系統(tǒng)的頻率也要保持與電網(wǎng)頻率一致。我國規(guī)定的電網(wǎng)的額定頻率為50Hz,系統(tǒng)的頻率也要保持在50Hz,當容量較小時，系統(tǒng)允許出現(xiàn)的偏差為額定頻率的±0.5Hz,即光伏發(fā)電系統(tǒng)的頻接著，除了頻率一致之外，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出波形和電網(wǎng)能量都應該是正弦波，如果在運行過程中兩者相互作用產(chǎn)生擾動，則可能會導致電