光伏发电原理与应用期末大作业

光伏发电原理与应用期末大作业姓名：文福西班级：0314405学号：171440138指导教师：李绍武2017春期末大作业题目1：寻找一个光伏应用系统（比如光伏路灯、屋顶光伏系统等等），根据《光伏发电原理与应用》课程中所学知识分析其结构、工作原理以及应用中存在的问题，最后提出自己认为目前比较理想的控制方式并说明其理由。（可以从成本最优化、控制最优化等方面分析）。（60分）1.LED太阳能路灯的设计a.太阳能电池的结构及工作原理：结构：太阳能电池通常由半导体硅材料制成。其作用是把太阳能直接转换为直流形式的电能，是光伏阵列中光电转换的最小单元。由于单个太阳电池的功率极小，因此一般不单独作为电源使用。实际应用中是将许多单个太阳电池经过串、并联组合并进行封装后构成太阳电池组件使用。光伏阵列就是由许多太阳电池组件经过相应的串、并联后构成。原理：太阳电池的工作原理为:当太阳光照射P-N结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子一空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而使N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴;于是就在P-N结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使P型区带正电、N型区带负电;于是就使得N区与P区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势。当接通外电路时，便有电能输出。这就是太阳能电池发电的基本原理。b.白光LED的发光原理：半导体发光二极管(LED)是一个在热平衡状态下形成的PN结。扩散和漂移运动相等时，内建电场稳定，此时N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合，当PN结加正向电压时，外加电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄，结区势垒降低，载流子的扩散运动加强。由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率，因此电子由N区扩散到P区是载流子扩散运动的主体。由半导体的能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、价带中间附近，也就是杂质能级或者缺陷)捕获，尔后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。也就是说这些不发光的载流子将可能被杂质能级(或缺陷)所捕获，最后以发热的形式消耗掉。PN结发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率。PN结半导体材料相对于空气有较高的折射率，因此半导体内部发出的光子只有极少数能逸出半导体材料与空气的界面，大多数被反射回到半导体内部，最终被吸收。我们定义逸出效率为逸出发光二极管的光子数与PN结产生的光子数之比。为了提高逸出效率，可以选择不同的封装材料、封装几何形状。这样，从晶片透出的光子首先进入封装透镜，然后再逸出，因为封装材料的折射率在半导体材料和空气折射率之间，因此光子逸出率大大提高，同时，封装透镜还起到保护半导体晶片和控制输出光的分布。2.LED太阳能路灯在应用中存在的问题：a.环保问题：LED灯中包含有锑、砷、铬、铅及其它多种金属无素，其中部分LED灯的有毒元素已超过了相关标准，有的已超出近十倍在美国加州的法律里已将绝大多数LED灯定义为有毒垃圾，如果使用普通填埋方法处理将会污染土壤和地下水。而如果LED灯破碎，还可能会对直接接触的人体健康造成损害。其研究报告中还指出虽然LED未来的能效非常高，但它绝非是完全环保的选择。光伏电池所用的多晶硅在提炼过程中，耗电量却比“电老虎”之称的电解铝还要高，此外，多晶硅生产过程中如果未处理好，还会排出四氯化硅、氯化氢、氢气等尾气。四氯化硅如果不作处理，就会溶解为盐酸等物质，污染土壤。b.节能问题：太阳能和LED表面看起来在一些方面省电，但我们看待节能要从整体、系统、全面的来看待，如果在其生命周期内，其节约的能源（电费和相关消耗的人工、材料、机械费可折合成相关能量）要超过研究、加工、制造其所消耗的能量，才是真正的节能，如果达不到只能是表面节能或从国家意义上来讲其实是不节能，不能只局限于表面现象。故而从多方面来说LED太阳能路灯在节能方面有很多问题。c.寿命问题：LED路灯的寿命受散热、排列和驱动电源等方面的影响，寿命并不高，目前驱动的寿命只有1万小时多点，质量差的电源寿命更短，而且损坏后可能会直接烧毁LED灯珠。太阳能照明系统中的寿命问题主要是蓄电池的寿命问题，目前较好的GEL电池，其100%DOD循环寿命也就600次左右。d.维护问题：为了保证太阳能照明装置的的持续运行，检查维护通常是以一周为一个周期，在白天和夜晚对每一个装置至少各巡视一次，大风、大雨、大雪或雨季过后要立即检查电池板是否发生位移(电池板掉下来可不得了，要出安全事故的)、控制室内和蓄电池室内是否进水、积水，雷雨后要重点检查装置是否正常工作，其充放电控制器是否损坏等等。每年的秋季还要对装置进行全面检查，特别是要清洁、擦拭照明灯具和太阳能电池组件的透光部位。且在LED路灯工作维护中一方面给维护人员在工作时带来相当大的危险，另一方面工作量极为巨大，需要投入大量的人力、机械，相关照度计或亮度计的设备投资也不少，对于维护单位来讲是无法忍受的。3.LED太阳能路灯的控制方式：a.采用时钟控器型的路灯控制器，要预先设定开关时间，使路灯按时亮灯，准时熄灯，从而达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。缺点是不能根据季节变换和特殊的天气情况自动变换开关时间，需人工经常调整开关时间，费时费力，不利于节省电力。b.经纬型控制器采用单片机技术，模拟日照规律，晚上能自动开灯，早晨能自动熄灯。它采取光控开关时间的优点，克服了光控开关易受干扰的缺点，取钟控器时间准确之长处，克服了定时开关不会自动变换开关时间之短处。目前路灯控制常采用这种控制方式，但其价格较高，在路灯中使用将会增加不必要的成本。故而综合从节电，经济和实用等方面考虑，利用光控时控制结合型。题目2：.写一份《光伏发电原理与应用》课程总结和体会。（约800~1000字）（40分）心得随着世界人口的持续增长和经济的不断发展，对于能源供应的需求量日益增加，而在目前的能源消费结构中，主要还是依赖煤炭，石油和天然气等化石燃料。而随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越突显，且这种稀缺性也逐渐在能源商品的价格上反应出来。在化石能源供应日趋紧张的背景下，大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。而且化石燃料的燃烧不仅消耗大量的化石能源，还造成了严重的环境污染，导致全球气候变暖，冰山融化，海平面上升，沙漠化日益扩大，自然灾害频繁发生。人们逐渐认识到，减少温室气体的排放，治理大气环境，防止污染已经到了刻不容缓的地步了。而太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位，人们就加强了对太阳能的利用。人们对太阳能的利用大致可以分为光热转换和光电转换两种方式，其中，光电利用是近些年来发展最快，也是最具经济潜力的能源开发领域。太阳能电池是光伏发电系统中的关键部分，包括硅系太阳电池和非硅系太阳能电池等。在晶体硅太阳能电池的产业链上分布着晶硅制备、硅片生产、电池制造、组件封装四个环节。其中光伏发电系统主要由太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器构成。光伏发电系统可分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统：独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要蓄电池来存储能量，在民用范围内主要用于边远的乡村，如家庭系统、村级太阳能光伏电站；在工业范围内主要用于电讯、卫星广播电视、太阳能水泵，在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统等。并网太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电连接到国家电网的发电的方式，成为电网的补充。大力开发以太阳能为代表的可再生能源，在能源供应领域走可持续发展的道路，才能保证经济的繁荣发展和人类社会的不断进步。而通过学习《光伏发电原理与应用》让我们能更好的去了解太阳能，让我们能更好的去利用太阳能。