发布时间 : 星期二 文章张吉荣毕业设计论文（2kw风光互补发电系统设计光伏发电部分）更新完毕开始阅读
兰州交通大学毕业设计（论文）
3 光伏发电介绍
3.1太阳能光伏电池的原理
太阳能光伏电池(简称光伏电池)用于把太阳的光能直接转化为电能。目前世界各国正在研究的太阳电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率略低，但价格更便宜。另外，还有其它类型的太阳电池。
太阳能电池的能量转换是应用P-N结的光伏效应（Photovoltaic Effect）。首先对P-N结二极管做一简单说明。如图3-1所示，为一理想的P-N结二极管的电流-电压（I-V）特性图，其对应的方程式如下：
???qVpn???Vpn???????Is?exp?nkT?1???Is?exp?nV??1? （1） ??????T?????? IpnIpn，Vpn：P-N结二极管的电流及电压
k：波尔兹曼常数（Boltzmann Constant：1.38×10-23J/K） q：电子电荷量（1.602×10-19库仑）
T：绝对温度（凯氏温度K＝摄氏温度＋273度） Is：等效二极管的逆向饱和电流
VT：热电压（Thermal Voltage：25.68mV）
太阳能电池将太阳光能转换为电能是依赖自然光中的的量子-光子（Photons），而每个光子所携带的能量为Eph：
Eph????hc? （2）
h：普郎克常数（Planck Constant：4.14×10-15eV·S） c：光速（3×108m/s） λ：光子波长
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图3-1 P-N结二极管I-V特性图
但并非所有光子都能顺利地通过太阳能电池将光能转换为电能，因为在不同的光谱中光子所携带的能量不一样。
当光子所携带的能量大于禁带（Band Gap）能量时，电子由价电带（Valence Band）跃迁至导电带（Conduction Band）而产生所谓的“电流”，所以当光子所携带的能量若大于禁带能量时，便可以通过光电子转换成电能。
当入射太阳光的能量大于硅半导体的禁带能量时，太阳光子照射入半导体内，把电子从价电带激发到导电带，从而在半导体内部产生了许多“电子-空穴”对，在内建电场的作用下，电子向N型区移动，空穴向P型区移动，这样，N区有很多电子，P区有很多空穴，在P-N结附近就形成了与内建电场方向相反的光生电场，它的一部分抵消了内建电场，其余部分则使P区带正电，N区带负电，于是在N区与P区之间产生了光生伏打电动势，这就是所谓的“光生伏打效应”。
如果位太阳电池开路，即组成电池回路中，负载电阻为无穷大，则被P-N结分开的电子和空穴，就会全部积累在P-N结附近，于是出现了最大光生电动势，它的数值即为开路电压，记作Voc。
如果把太阳电池短路，即回路负载电阻为零，则所有P-N结附近的电子与空穴，由结的一边，流经外电路到达结的另一边，产生了最大可能的电流，即短路电流记作ISC。
太阳能电池相当于具有与受光面平行的极薄P-N结的大面积的等效二极管，因此可以假设太阳能电池为一个二极管与太阳光电流发生源所并联的等效电路，如图3-2所示。
图3-2 太阳能电池的理想状态等效电路
3.2太阳能电池板的计算
硅太阳能发电板容量是指平板式太阳能板发电功率WP。太阳能发电功率量值取决
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于负载24h所能消耗的电力H(WH)，由负载额定电源与负载24h所消耗的电力，决定了负载24h消耗的容量P(AH)，再考虑到平均每天日照时数及阴雨天造成的影响，计算出太阳能电池阵列工作电流IP(A)。
由负载额定电源，选取蓄电池公称电压，由蓄电池公称电压来确定蓄电池串联个数及蓄电池浮充电压VF (V)，再考虑到太阳能电池因温度升高而引起的温升电压VT(v)及反充二极管P-N结的压降VD(V)所造成的影响，则可计算出太阳能电池阵列的工作电压VP(V)，由太阳电池阵列工作电源IP(A)与工作电压VP(V)，便可决定平板式太阳能板发电功率WP，从而设计出太阳能板容量，由设计出的容量WP与太阳能电池阵列工作电压VP，确定硅电池平板的串联块数与并联组数。
太阳能电池阵列的具体设计步骤如下： 计算负载24h消耗容量P。
P=H/V （３）
V——负载额定电源 选定每天日照时数T(H)。 计算太阳能阵列工作电流。
IP=P(1+Q)/T （４）
Q——按阴雨期富余系数，Q=0.21～1.00 确定蓄电池浮充电压VF。
镉镍(ＧＮ)和铅酸(ＣＳ)蓄电池的单体浮充电压分别为1.4～1.6V和2.2V。 太阳能电池温度补偿电压VT。
VT=2.1/430(T-25)VF （５）
计算太阳能电池阵列工作电压VP。
VP=VF+VD+VT （６）
其中VD=0.5～0.7，约等于VF
太阳电池阵列输出功率ＷＰ平板式太阳能电板。
WP=IP×UP （７）
根据VP、WP在硅电池平板组合系列表格，确定标准规格的串联块数和并联组数。 太阳电池阵列的伏安特性如图5。由图可知，该伏安特性曲线具有强烈的非线性。太阳电池阵列的额定功率是在以下条件下定义的：当日射S=l000W／㎡；太阳电池温度T=25；大气质量AM=1.5时，太阳电池阵列输出的最大功率便定义为它的额定功率。太阳电池阵列额定功率的单位为“峰瓦”，记以“WP”。当日射S<1000W／㎡时。
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图3-3 太阳电池阵列的伏安特性曲线
温度和日照强度的变化对太阳电池的伏安特性都有影响，在仅改变日照强度而保持其它条件(如太阳电池温度和大气质量等)不变的情况下。计算出每天消耗的瓦时数(包括逆变器的损耗)： 逆变器的转换效率为90％，则当输出功率为100W时，则实际需要输出功率应为100W/90％=111W；若按每天使用8小时，则耗电量为111W*8小时=888Wh。按每日有效日照时间为6小时计算，再考虑到充电效率和充电过程中的损耗，太阳能电池板的输出功率应为888Wh/6h/70%=210W。其中70％是充电过程中，太阳能电池板的实际使用功率。
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