Fotovoltaická výroba energie je technológia, ktorá priamo premieňa svetelnú energiu na elektrickú energiu využitím fotovoltaického efektu polovodičového rozhrania. Kľúčovým prvkom tejto technológie je solárny článok. Potom, čo sú solárne články zapojené do série, môžu byť zabalené a chránené tak, aby vytvorili veľkoplošný modul solárnych článkov, a potom skombinovať s regulátormi výkonu a ďalšími komponentmi, aby vytvorili zariadenie na výrobu fotovoltaickej energie.
1 Fotovoltaický efekt
Ak svetlo dopadá na solárny článok a svetlo je absorbované na medzivrstve, fotóny s dostatočnou energiou môžu excitovať elektróny z kovalentných väzieb v kremíku typu P aj N, čo vedie k párom elektrón-diera. Elektróny a diery v blízkosti medzivrstvy budú pred rekombináciou navzájom oddelené účinkom elektrického poľa vesmírnych nábojov. Elektróny sa pohybujú smerom k pozitívne nabitej oblasti N a diery smerom k negatívne nabitej oblasti P. Oddelenie náboja cez vrstvu rozhrania bude generovať navonok merateľné napätie medzi oblasťami P a N. V tomto čase môžu byť elektródy pridané na obe strany kremíkového plátku a pripojené k voltmetru. Pre solárne články z kryštalického kremíka je typická hodnota napätia naprázdno 0,5 až 0,6V. Čím viac párov elektrón-diera je generovaných svetlom na vrstve rozhrania, tým väčší je tok prúdu. Čím viac svetelnej energie absorbuje vrstva rozhrania, tým väčšia je vrstva rozhrania, teda plocha článku, a tým väčší prúd vzniká v solárnom článku.
2. Princíp
Slnečné svetlo dopadá na polovodičový pn prechod a vytvára nový pár diera-elektrón. Pôsobením elektrického poľa pn prechodu diery prúdia z oblasti n do oblasti p a elektróny prúdia z oblasti p do oblasti n. Po zapnutí obvodu sa vytvorí prúd. Takto fungujú solárne články s fotoelektrickým efektom.
Existujú dva spôsoby výroby solárnej energie, jedným je premena svetlo-teplo-elektrina a druhým je priama premena svetlo-elektrina.
(1) Metóda premeny svetlo-teplo-elektrická energia vyrába elektrinu využitím tepelnej energie generovanej slnečným žiarením. Vo všeobecnosti solárny kolektor premieňa absorbovanú tepelnú energiu na paru pracovného média a potom poháňa parnú turbínu na výrobu elektriny. Prvý proces je proces premeny svetla na teplo; posledný uvedený proces je procesom premeny tepla na elektrinu, ktorý je rovnaký ako pri bežnej výrobe tepelnej energie. Nevýhodou solárnej tepelnej výroby energie je veľmi nízka účinnosť a vysoké náklady. Odhaduje sa, že jeho investície sú minimálne vyššie ako pri bežnej výrobe tepelnej energie. Elektrárne sú 5 až 10-krát drahšie.
(2) Metóda priamej premeny svetla na elektrinu Táto metóda využíva fotoelektrický efekt na priamu premenu energie slnečného žiarenia na elektrickú energiu. Základným zariadením na premenu svetla na elektrinu sú solárne články. Solárny článok je zariadenie, ktoré priamo premieňa slnečnú energiu na elektrickú energiu vďaka fotovoltaickému efektu. Je to polovodičová fotodióda. Keď na fotodiódu zasvieti slnko, fotodióda premení slnečnú svetelnú energiu na elektrickú energiu a vytvorí elektrinu. prúd. Keď je veľa článkov zapojených do série alebo paralelne, môže sa z nich stať pole solárnych článkov s relatívne veľkým výstupným výkonom. Solárne články sú sľubným novým typom zdroja energie s tromi hlavnými výhodami: stálosťou, čistotou a flexibilitou. Solárne články majú dlhú životnosť. Pokiaľ existuje slnko, solárne články sa dajú s jednou investíciou používať dlhodobo; a tepelná energia, výroba jadrovej energie. Naproti tomu solárne články nespôsobujú znečistenie životného prostredia.
3. Zloženie systému
Fotovoltaický systém na výrobu energie sa skladá z polí solárnych článkov, batérií, regulátorov nabíjania a vybíjania, invertorov, rozvodných skríň striedavého prúdu, riadiacich systémov sledovania slnka a ďalších zariadení. Niektoré z funkcií jeho vybavenia sú:
batériové pole
Keď je svetlo (či už je to slnečné svetlo alebo svetlo generované inými žiaričmi), batéria absorbuje svetelnú energiu a na oboch koncoch batérie dochádza k akumulácii nábojov opačného signálu, to znamená, že sa vytvára "fotogenerované napätie". čo je „fotovoltaický efekt“. Pôsobením fotovoltaického efektu vytvárajú dva konce solárneho článku elektromotorickú silu, ktorá premieňa svetelnú energiu na elektrickú energiu, čo je zariadenie na premenu energie. Solárne články sú vo všeobecnosti kremíkové články, ktoré sa delia na tri typy: monokryštalické kremíkové solárne články, polykryštalické kremíkové solárne články a amorfné kremíkové solárne články.
Balenie batérií
Jeho funkciou je akumulovať elektrickú energiu, ktorú vyžaruje pole solárnych článkov, keď je osvetlené, a kedykoľvek dodávať energiu do záťaže. Základné požiadavky na batériu používanú pri výrobe energie solárnych článkov sú: a. nízka miera samovybíjania; b. dlhá životnosť; c. silná schopnosť hlbokého vybitia; d. vysoká účinnosť nabíjania; e. menej údržby alebo bezúdržbový; f. pracovná teplota Široký rozsah; g. nízka cena.
Ovládač
Ide o zariadenie, ktoré dokáže automaticky zabrániť prebitiu a nadmernému vybitiu batérie. Keďže počet cyklov nabitia a vybitia a hĺbka vybitia batérie sú dôležitými faktormi určujúcimi životnosť batérie, nevyhnutným zariadením je regulátor nabíjania a vybíjania, ktorý dokáže kontrolovať prebitie alebo nadmerné vybitie súpravy batérií.
Invertor
Zariadenie, ktoré premieňa jednosmerný prúd na striedavý prúd. Keďže solárne články a batérie sú zdrojom jednosmerného prúdu,
Keď je záťaž AC záťažou, je nevyhnutný invertor. Podľa prevádzkového režimu možno meniče rozdeliť na samostatné prevádzkové striedače a striedače pripojené k sieti. Samostatné invertory sa používajú v samostatných systémoch napájania solárnych článkov na napájanie samostatných záťaží. Invertory pripojené k sieti sa používajú pre systémy na výrobu energie zo solárnych článkov pripojených k sieti. Invertor možno rozdeliť na menič so štvorcovými vlnami a sínusový menič podľa výstupného tvaru vlny. Invertor štvorcových vĺn má jednoduchý obvod a nízku cenu, ale má veľkú harmonickú zložku. Vo všeobecnosti sa používa v systémoch pod niekoľko stoviek wattov a s nízkymi požiadavkami na harmonické. Sínusové meniče sú drahé, ale dajú sa použiť na rôzne záťaže.
4. Klasifikácia systému
Systém na výrobu fotovoltaickej energie je rozdelený na nezávislý systém na výrobu fotovoltaickej energie, systém na výrobu fotovoltaickej energie pripojený k sieti a distribuovaný systém na výrobu fotovoltaickej energie.
1. Nezávislá výroba fotovoltaickej energie sa nazýva aj výroba fotovoltaickej energie mimo siete. Skladá sa hlavne z komponentov solárnych článkov, ovládačov a batérií. Na napájanie AC záťaže je potrebné nakonfigurovať striedavý menič. Nezávislé fotovoltaické elektrárne zahŕňajú dedinské napájacie systémy v odľahlých oblastiach, solárne domáce napájacie systémy, napájacie zdroje komunikačného signálu, katódovú ochranu, solárne pouličné osvetlenie a iné fotovoltaické systémy na výrobu energie s batériami, ktoré môžu fungovať nezávisle.
2. Výroba fotovoltaickej energie pripojená k sieti znamená, že jednosmerný prúd generovaný solárnymi modulmi sa premieňa na striedavý prúd, ktorý spĺňa požiadavky elektrickej siete, cez striedač pripojený k sieti a potom sa priamo pripája k verejnej sieti.
Dá sa rozdeliť na systémy na výrobu energie pripojené k sieti s batériami a bez nich. Systém výroby elektrickej energie s batériou pripojený k sieti je plánovateľný a môže byť podľa potreby integrovaný do elektrickej siete alebo z nej odoberaný. Disponuje tiež funkciou záložného napájania, ktoré dokáže zabezpečiť núdzové napájanie, keď je z nejakého dôvodu odpojená elektrická sieť. V obytných budovách sa často inštalujú fotovoltaické systémy na výrobu elektrickej energie s batériami pripojené k sieti; systémy na výrobu elektrickej energie pripojené k sieti bez batérií nemajú funkcie dispečingu a záložného napájania a vo všeobecnosti sa inštalujú na väčšie systémy. Výroba fotovoltaickej energie pripojená do siete centralizovala veľké fotovoltaické elektrárne pripojené do siete, ktoré sú vo všeobecnosti elektrárňami na národnej úrovni. Tento druh elektrárne sa však príliš nerozvinul kvôli veľkým investíciám, dlhej dobe výstavby a veľkej ploche. Distribuovaná malá fotovoltaika pripojená k sieti, najmä fotovoltaická výroba fotovoltaickej energie integrovaná do budovy, je hlavným prúdom výroby fotovoltaickej energie pripojenej k sieti vďaka výhodám malých investícií, rýchlej výstavby, malej plochy a silnej politickej podpory.
3. Distribuovaný systém fotovoltaickej výroby energie, tiež známy ako distribuovaná výroba energie alebo distribuované zásobovanie energiou, sa vzťahuje na konfiguráciu menšieho systému fotovoltaického napájania na mieste používateľa alebo v blízkosti miesta napájania, aby vyhovoval potrebám konkrétnych používateľov a podporoval existujúce ekonomickú prevádzku distribučnej siete, alebo spĺňať požiadavky oboch hľadísk súčasne.
4. Základné vybavenie distribuovaného systému fotovoltaickej výroby elektriny zahŕňa komponenty fotovoltaických článkov, držiaky fotovoltaického štvorcového poľa, zlučovače jednosmerného prúdu, rozvodné skrine jednosmerného prúdu, striedače pripojené k sieti, rozvodné skrine striedavého prúdu a ďalšie zariadenia, ako aj napájací systém monitorovacie zariadenia a Zariadenia na monitorovanie životného prostredia. Jeho prevádzkový režim spočíva v tom, že v podmienkach slnečného žiarenia pole modulov solárnych článkov fotovoltaického systému na výrobu energie premieňa výstupnú elektrickú energiu zo slnečnej energie a posiela ju do rozvodnej skrine jednosmerného prúdu cez zlučovač jednosmerného prúdu a sieť. -pripojený menič ho premení na zdroj striedavého prúdu. Samotná budova je zaťažená a prebytok alebo nedostatok elektriny sa reguluje pripojením do siete.
5. Výhody a nevýhody
V porovnaní s bežne používanými systémami výroby energie sa výhody solárnej fotovoltaickej výroby energie odrážajú najmä v:
Slnečná energia sa nazýva najideálnejšia nová energia. ① Žiadne nebezpečenstvo vyčerpania; ②Bezpečné a spoľahlivé, žiadny hluk, žiadne vypúšťanie znečistenia, absolútne čisté (bez znečistenia); ③Nie je obmedzený geografickým rozložením zdrojov a možno využiť výhody striech budov; ④ Nie je potrebné spotrebovávať palivo a stavať prenosové vedenia Miestna výroba energie a napájanie; ⑤ Vysoká kvalita energie; ⑥ Užívatelia sú ľahko emocionálne akceptovaní; ⑦ Doba výstavby je krátka a čas potrebný na získanie energie je krátky.
nedostatok:
①Hustota distribúcie energie žiarenia je malá, to znamená, že zaberá obrovskú plochu; ②Získaná energia sa vzťahuje na štyri ročné obdobia, deň a noc, zamračené a slnečné a ďalšie meteorologické podmienky. Využitie slnečnej energie na výrobu elektriny má vysoké náklady na zariadenia, ale miera využitia slnečnej energie je nízka, takže ju nemožno široko využívať. Používa sa hlavne v niektorých špeciálnych prostrediach, ako sú satelity.
6. Oblasti použitia
1. Používateľský solárny napájací zdroj: (1) Malý napájací zdroj v rozsahu od 10-100W, používaný v odľahlých oblastiach bez elektriny, ako sú náhorné plošiny, ostrovy, pastierske oblasti, hraničné priechody a iná vojenská a civilná elektrická energia, ako je osvetlenie , TV, magnetofóny atď.; (2) 3 -5KW systém výroby elektrickej energie na streche domácností pripojený k sieti; (3) Fotovoltaické vodné čerpadlo: rieši problém pitia a zavlažovania hlbokých studní v oblastiach bez elektriny.
2. Dopravné polia, ako sú navigačné svetlá, dopravné / železničné signálne svetlá, dopravné výstražné / signálne svetlá, pouličné svetlá Yuxiang, výškové prekážkové svetlá, diaľničné / železničné bezdrôtové telefónne búdky, bezobslužný napájací zdroj pre posun na ceste atď.
3. Komunikačné/komunikačné pole: solárna bezobslužná mikrovlnná reléová stanica, stanica údržby optických káblov, vysielací/komunikačný/pagingový systém napájania; vidiecky nosič telefónny fotovoltaický systém, malý komunikačný stroj, napájanie GPS pre vojakov atď.
4. Ropné, námorné a meteorologické polia: solárny systém katódovej ochrany pre ropovody a brány nádrží, zásobovanie životnou a núdzovou energiou pre plošiny na ťažbu ropy, námorné detekčné zariadenia, meteorologické/hydrologické pozorovacie zariadenia atď.
5. Napájanie pre domáce lampy: ako sú záhradné lampy, pouličné lampy, prenosné lampy, kempingové lampy, horolezecké lampy, rybárske lampy, lampy s čiernym svetlom, výbojkové lampy, energeticky úsporné lampy atď.
6. Fotovoltaická elektráreň: 10KW-50MW nezávislá fotovoltaická elektráreň, veterná-solárna (dieselová) doplnková elektráreň, rôzne veľké nabíjacie stanice pre parkovacie zariadenia atď.
7. Solárne budovy kombinujú výrobu solárnej energie so stavebnými materiálmi, aby umožnili veľkým budovám v budúcnosti dosiahnuť sebestačnosť v oblasti elektriny, čo je hlavný smer rozvoja v budúcnosti.
8. Medzi ďalšie oblasti patria: (1) Párovanie s automobilmi: solárne vozidlá/elektrické vozidlá, zariadenia na nabíjanie batérií, automobilové klimatizácie, ventilačné ventilátory, boxy na studené nápoje atď.; (2) systémy na regeneráciu energie na výrobu solárneho vodíka a palivové články; (3) napájanie zariadenia na odsoľovanie morskej vody; (4) Satelity, kozmické lode, vesmírne solárne elektrárne atď.