La generazione di energia fotovoltaica è una tecnologia che converte direttamente l'energia luminosa in energia elettrica utilizzando l'effetto fotovoltaico dell'interfaccia a semiconduttore. L'elemento chiave di questa tecnologia è la cella solare. Dopo che le celle solari sono state collegate in serie, possono essere imballate e protette per formare un modulo di celle solari di grandi dimensioni, quindi combinate con controller di potenza e altri componenti per formare un dispositivo di generazione di energia fotovoltaica.
1 Effetto fotovoltaico
Se la luce colpisce una cella solare e la luce viene assorbita allo strato di interfaccia, i fotoni con energia sufficiente possono eccitare gli elettroni dai legami covalenti sia nel silicio di tipo P che in quello di tipo N, con conseguente coppia elettrone-foro. Gli elettroni e i fori vicino allo strato di interfaccia saranno separati l'uno dall'altro dall'effetto del campo elettrico delle cariche spaziali prima della ricombinazione. Gli elettroni si muovono verso la regione N caricata positivamente e i buchi verso la regione P caricata negativamente. La separazione di carica attraverso lo strato di interfaccia genererà una tensione misurabile verso l'esterno tra le regioni P e N. In questo momento, gli elettrodi possono essere aggiunti su entrambi i lati del wafer di silicio e collegati a un voltmetro. Per le celle solari in silicio cristallino, il valore tipico della tensione a circuito aperto è compreso tra 0,5 e 0,6 V. Più coppie elettrone-foro generate dalla luce sullo strato di interfaccia, maggiore è il flusso di corrente. Maggiore è l'energia luminosa assorbita dallo strato di interfaccia, maggiore è lo strato di interfaccia, cioè l'area della cella, e maggiore è la corrente formata nella cella solare.
2. Principio
La luce solare brilla sulla giunzione p-n del semiconduttore per formare una nuova coppia foro-elettrone. Sotto l'azione del campo elettrico di giunzione p-n, i fori fluiscono dalla regione n alla regione p e gli elettroni fluiscono dalla regione p alla regione n. Dopo che il circuito è stato acceso, si forma una corrente. Ecco come funzionano le celle solari ad effetto fotoelettrico.
Ci sono due modi di generazione di energia solare, uno è la conversione luce-calore-elettricità, e l'altro è la conversione diretta luce-elettricità.
(1) Il metodo di conversione luce-calore-elettrico genera elettricità utilizzando l'energia termica generata dalla radiazione solare. Generalmente, il collettore solare converte l'energia termica assorbita nel vapore del mezzo di lavoro e quindi aziona la turbina a vapore per generare elettricità. Il primo processo è un processo di conversione da luce a calore; quest'ultimo processo è un processo di conversione da calore a elettricità, che è lo stesso della normale generazione di energia termica. Lo svantaggio della generazione di energia solare termica è che l'efficienza è molto bassa e il costo è elevato. Si stima che il suo investimento sia almeno superiore a quello della normale generazione di energia termica. Le centrali elettriche sono da 5 a 10 volte più costose.
(2) Metodo di conversione diretta luce-elettricità Questo metodo utilizza l'effetto fotoelettrico per convertire direttamente l'energia della radiazione solare in energia elettrica. Il dispositivo di base per la conversione da luce a elettricità sono le celle solari. Una cella solare è un dispositivo che converte direttamente l'energia solare in energia elettrica a causa dell'effetto fotovoltaico. È un fotodiodo semiconduttore. Quando il sole splende sul fotodiodo, il fotodiodo convertirà l'energia luminosa del sole in energia elettrica e genererà elettricità. corrente. Quando molte celle sono collegate in serie o in parallelo, può diventare un array di celle solari con una potenza di uscita relativamente grande. Le celle solari sono un nuovo promettente tipo di fonte di energia con tre principali vantaggi: permanenza, pulizia e flessibilità. Le celle solari hanno una lunga durata. Finché esiste il sole, le celle solari possono essere utilizzate a lungo con un unico investimento; e l'energia termica, la produzione di energia nucleare. Al contrario, le celle solari non causano inquinamento ambientale.
3. Composizione del sistema
Il sistema di generazione di energia fotovoltaica è composto da array di celle solari, pacchi batteria, regolatori di carica e scarica, inverter, armadi di distribuzione dell'alimentazione CA, sistemi di controllo dell'inseguimento del sole e altre apparecchiature. Alcune delle sue funzioni di equipaggiamento sono:
array di batterie
Quando c'è luce (che si tratti di luce solare o luce generata da altri illuminanti), la batteria assorbe energia luminosa e l'accumulo di cariche di segnale opposto si verifica ad entrambe le estremità della batteria, cioè viene generata una "tensione fotogenerata", che è l'"effetto fotovoltaico". Sotto l'azione dell'effetto fotovoltaico, le due estremità della cella solare generano forza elettromotrice, che converte l'energia luminosa in energia elettrica, che è un dispositivo di conversione dell'energia. Le celle solari sono generalmente celle al silicio, che sono divise in tre tipi: celle solari in silicio monocristallino, celle solari in silicio policristallino e celle solari in silicio amorfo.
Batteria
La sua funzione è quella di immagazzinare l'energia elettrica emessa dall'array di celle solari quando è illuminato e di fornire energia al carico in qualsiasi momento. I requisiti di base per il pacco batterie utilizzato nella generazione di energia delle celle solari sono: a. basso tasso di autoscarica; b. lunga durata; c. forte capacità di scarico profondo; d. elevata efficienza di carica; e. meno manutenzione o esente da manutenzione; f. temperatura di lavoro Ampio intervallo; g. prezzo basso.
Controllore
È un dispositivo che può impedire automaticamente alla batteria di sovraccaricare e sovraccaricare. Poiché il numero di cicli di carica e scarica e la profondità di scarica della batteria sono fattori importanti nel determinare la durata della batteria, un controller di carica e scarica in grado di controllare il sovraccarico o la sovrascarica del pacco batteria è un dispositivo essenziale.
Invertitore
Dispositivo che converte la corrente continua in corrente alternata. Poiché le celle solari e le batterie sono fonti di energia CC,
Quando il carico è un carico CA, un inverter è essenziale. In base alla modalità operativa, gli inverter possono essere suddivisi in inverter di funzionamento indipendenti e inverter collegati alla rete. Gli inverter stand-alone sono utilizzati nei sistemi di alimentazione a celle solari stand-alone per alimentare carichi stand-alone. Gli inverter connessi alla rete sono utilizzati per i sistemi di generazione di energia a celle solari connessi alla rete. L'inverter può essere suddiviso in inverter a onda quadra e inverter a onda sinusoidale in base alla forma d'onda di uscita. L'inverter a onda quadra ha un circuito semplice e a basso costo, ma ha una grande componente armonica. Viene generalmente utilizzato in sistemi al di sotto di diverse centinaia di watt e con bassi requisiti armonici. Gli inverter a onda sinusoidale sono costosi, ma possono essere applicati a vari carichi.
4. Classificazione del sistema
Il sistema di generazione di energia fotovoltaica è suddiviso in sistema di generazione di energia fotovoltaica indipendente, sistema di generazione di energia fotovoltaica collegato alla rete e sistema di generazione di energia fotovoltaica distribuita.
1. La generazione di energia fotovoltaica indipendente è anche chiamata generazione di energia fotovoltaica off-grid. È composto principalmente da componenti di celle solari, controller e batterie. Per fornire energia al carico CA, è necessario configurare un inverter CA. Le centrali fotovoltaiche indipendenti includono sistemi di alimentazione del villaggio in aree remote, sistemi di alimentazione solare domestica, alimentatori di segnali di comunicazione, protezione catodica, lampioni solari e altri sistemi di generazione di energia fotovoltaica con batterie che possono funzionare in modo indipendente.
2. Generazione di energia fotovoltaica collegata alla rete significa che la corrente continua generata dai moduli solari viene convertita in corrente alternata che soddisfa i requisiti della rete elettrica attraverso l'inverter collegato alla rete e quindi collegata direttamente alla rete pubblica.
Può essere suddiviso in sistemi di generazione di energia collegati alla rete con e senza batterie. Il sistema di generazione di energia collegato alla rete con batteria è programmabile e può essere integrato o ritirato dalla rete elettrica in base alle esigenze. Ha anche la funzione di alimentazione di backup, che può fornire alimentazione di emergenza quando la rete elettrica viene interrotta per qualche motivo. I sistemi di generazione di energia fotovoltaica collegati alla rete con batterie sono spesso installati in edifici residenziali; i sistemi di generazione di energia connessi alla rete senza batterie non hanno le funzioni di dispacciabilità e alimentazione di backup e sono generalmente installati su sistemi più grandi. La generazione di energia fotovoltaica connessa alla rete ha centrali fotovoltaiche centralizzate su larga scala collegate alla rete, che sono generalmente centrali elettriche a livello nazionale. Tuttavia, questo tipo di centrale elettrica non si è sviluppato molto a causa dei suoi grandi investimenti, del lungo periodo di costruzione e della vasta area. Il fotovoltaico distribuito su piccola scala connesso alla rete, in particolare la generazione di energia fotovoltaica integrata nell'edificio fotovoltaico, è il mainstream della generazione di energia fotovoltaica connessa alla rete grazie ai vantaggi di piccoli investimenti, costruzione rapida, ingombro ridotto e forte supporto politico.
3. Il sistema di generazione di energia fotovoltaica distribuita, noto anche come generazione di energia distribuita o fornitura di energia distribuita, si riferisce alla configurazione di un sistema di alimentazione fotovoltaica più piccolo nel sito dell'utente o vicino al sito di alimentazione per soddisfare le esigenze di utenti specifici e supportare il funzionamento economico della rete di distribuzione esistente, o soddisfare i requisiti di entrambi gli aspetti allo stesso tempo.
4. L'attrezzatura di base del sistema di generazione di energia fotovoltaica distribuita comprende componenti di celle fotovoltaiche, staffe di array quadrati fotovoltaici, scatole combinatrici CC, armadi di distribuzione dell'energia CC, inverter collegati alla rete, armadi di distribuzione dell'energia CA e altre apparecchiature, nonché dispositivi di monitoraggio del sistema di alimentazione e dispositivo di monitoraggio ambientale. La sua modalità operativa è che sotto la condizione di radiazione solare, l'array di moduli a celle solari del sistema di generazione di energia fotovoltaica converte l'energia elettrica in uscita dall'energia solare e la invia all'armadio di distribuzione dell'energia CC attraverso la scatola combinatoria CC e l'inverter collegato alla rete lo converte in alimentazione CA. L'edificio stesso viene caricato e l'elettricità in eccesso o insufficiente viene regolata collegandosi alla rete.
5. Vantaggi e svantaggi
Rispetto ai sistemi di generazione di energia comunemente utilizzati, i vantaggi della generazione di energia solare fotovoltaica si riflettono principalmente in:
L'energia solare è definita la nuova energia più ideale. (1) Nessun pericolo di esaurimento; (2) Sicuro e affidabile, nessun rumore, nessuno scarico di inquinamento, assolutamente pulito (nessun inquinamento); (3)Non è limitato dalla distribuzione geografica delle risorse e possono essere utilizzati i vantaggi della costruzione di tetti; (4)Non è necessario consumare carburante ed erigere linee di trasmissione Generazione e alimentazione elettrica locali; (5)elevata qualità energetica; (6) Gli utenti sono facili da accettare emotivamente; (7) Il periodo di costruzione è breve e il tempo necessario per ottenere energia è breve.
mancanza:
(1) La densità di distribuzione dell'energia dell'irradiazione è piccola, cioè occupa un'area enorme; (2) L'energia ottenuta è correlata alle quattro stagioni, giorno e notte, nuvoloso e soleggiato e ad altre condizioni meteorologiche. L'uso dell'energia solare per generare elettricità ha alti costi di attrezzatura, ma il tasso di utilizzo dell'energia solare è basso, quindi non può essere ampiamente utilizzato. Viene utilizzato principalmente in alcuni ambienti speciali, come i satelliti.
6. Aree di applicazione
1. Alimentazione solare dell'utente: (1) Piccola alimentazione elettrica che va da 10-100W, utilizzata in aree remote senza elettricità come altipiani, isole, aree pastorali, posti di frontiera e altra elettricità militare e civile, come illuminazione, TV, registratori a nastro, ecc.; (2) Sistema di generazione di energia collegato alla rete domestica da 3 -5 KW sul tetto; (3) Pompa dell'acqua fotovoltaica: risolve il problema di bere e irrigare pozzi profondi in aree senza elettricità.
2. Campi di traffico come luci di navigazione, semafori stradali / ferroviari, luci di avvertimento / segnale stradale, lampioni Yuxiang, luci di ostruzione ad alta quota, cabine telefoniche wireless autostradali / ferroviarie, alimentazione automatica del cambio stradale, ecc.
3. Campo di comunicazione / comunicazione: stazione di relè a microonde solare non presidiata, stazione di manutenzione del cavo ottico, sistema di alimentazione di trasmissione / comunicazione / paging; impianto telefonico telefonico rurale, piccola macchina di comunicazione, alimentatore GPS per soldati, ecc.
4. Campi petroliferi, marini e meteorologici: sistema di protezione catodica solare per oleodotti e cancelli di giacimenti, alimentazione elettrica di vita e di emergenza per piattaforme di perforazione petrolifera, apparecchiature di rilevamento marino, apparecchiature di osservazione meteorologica / idrologica, ecc.
5. Alimentazione per lampade domestiche: come lampade da giardino, lampioni, lampade portatili, lampade da campeggio, lampade da alpinismo, lampade da pesca, lampade a luce nera, lampade a maschiatura, lampade a risparmio energetico, ecc.
6. Centrale fotovoltaica: centrale fotovoltaica indipendente da 10KW-50MW, centrale elettrica complementare eolico-solare (diesel), varie stazioni di ricarica per impianti di parcheggio di grandi dimensioni, ecc.
7. Gli edifici solari combinano la generazione di energia solare con materiali da costruzione per consentire ai grandi edifici in futuro di raggiungere l'autosufficienza nell'elettricità, che è una delle principali direzioni di sviluppo in futuro.
8. Altri campi includono: (1) Corrispondenza con automobili: veicoli solari / veicoli elettrici, apparecchiature di ricarica della batteria, condizionatori d'aria per automobili, ventilatori di ventilazione, scatole per bevande fredde, ecc.; (2) sistemi di generazione di energia rigenerativa per la produzione di idrogeno solare e celle a combustibile; (3) alimentazione elettrica delle apparecchiature di desalinizzazione dell'acqua di mare; (4) Satelliti, veicoli spaziali, centrali solari spaziali, ecc.