风光发电系统复习题

1.画出n型半导体和p型半导体的能带图，标注重要的特征参数。N型半导体P型半导体2.分别画出下列情况下的Fermi-Dirac函数，标注费米能级、导带和价带边端的大概位置。(i)低温本征半导体(~0K)(ii)室温本征半导体(300K)(iii)室温p型半导体(300K)(iv)液氮冷却n型半导体(77K)3.什么是Fermi-Dirac分布函数和态密度函数？说明他们如何随室温n型半导体导带中能级的变化而变化？解释大部分电子为什么位于导带底部处的能级。Fermi-Dirac分布函数，或者简称为Fermi分布函数。它是热平衡体系中粒子按能量分布的一种规律。即表示一个电子占据能量为E的本征态的几率，其值为0~1，其函数形式为f(E)=1𝑒𝐸−𝐸𝑓𝑘𝑇+1其中Ef称为费米能级[即系统中电子的化学势]。态密度函数：晶体的能带中含有大量的量子态，单位体积内量子态数在能量上的分用g（E）=dZ/dE来表示，称为态密度函数。Fermi-Dirac函数描述的是一个电子占据能量为E的本征态的概率；态密度函数描述的是单位能量下一个电子可能占据的量子态数目；前者随n型半导体能级增加而快速减少，后者随能级增加而缓慢增加；电子密度受到状态密度和Fermi-Dirac函数影响。随着能量的增加，状态密度缓慢增加，而Fermi-Dirac函数快速下降，两种状况叠加使得电子密度峰值出现在略高于导带底部的位置。4.半导体中的电子和空穴浓度与费米能级及导带与价带的关系为：其中Gc(T)andGv(T)为导带和价带边端处的有效态密度。证明解：两者相乘即可。5.要使光伏电池产生光伏效应，入射光子激发的电子-空穴对EHP应该在pn结型光伏电池的什么区域。说明长波光子在p型中性区激发电子-空穴对产生光伏效应的机理。耗尽层答：光子激发的EHP在pn结界面层；长波低能量光子在p区中性区产生电子空穴对，在有足够能量情况下，该电子空穴对会扩散到空间电荷区附近。p区光生非平衡少子电子会进入n区，n区光生非平衡少子空穴会进入p区，产生从p到n的光生电场，与原有内电场方向相反，这便是光生伏特效应。6.某光伏电池面积为1cmx1cm,光照强度为600Wm-2,在负载为30下的电流为14.2mA.求电池的输出功率和效率。解：Pin=600*10(-4)=0.06WPout=I2R=(0.0142)2*30=0.00605Wη=Pout/Pin=10.1% n=GcT()exp–Ec–EF()kbTéëêùûú np=GcT()GvT()exp–EGkbTéëêùûú p=GvT()exp–EF–Ev()kbTéëêùûú7.某光伏电池在光照强度为600Wm-2下的短路电流Isc为16.1mA、开路电压为Voc为0.485V，求光照强度增加一倍的情况下的短路电流和开路电压。8.一pn结型光伏电池受光照的光子产生的电子空穴对EHP在如图所示范围内。EHP产生率Gph为单位时间单位体积内产生的EHP数量，G0exp(-x)为衰减函数，G0为半导体表面的产生率。假设光伏电池输出短路，且Lh大于n型层厚度ln以使得在(ln+W+Le)内产生的EHP全部转化为光生电流，并假设晶体表面的EHP复合可忽略不计。证明光伏电池产生的光生电流为A为入射光照器件表面积解：先积分再乘e9.太阳能电池的基本原理是什么？与普通二极管相比有何特点太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结内建电场的作用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。LeLhWIphxEHPsexp(x)PhotogeneratedcarrierswithinthevolumeLh+W+LegiverisetoaphotocurrentIph.ThevariationinthephotegeneratedEHPconcentrationwithdistanceisalsoshownwhereistheabsorptioncoefficientatthewavelengthofinterest.?1999S.O.Kasap,Optoelectronics(PrenticeHall)enphLWlAeGIexp10答：太阳能电池板将光能转化为电能，光照时，耗尽区多子浓度不受影响，少子浓度增加，产生扩散电流；p区光生非平衡少子电子会进入n区，n区光生非平衡少子空穴会进入p区，产生从p到n的光生电场，与原有内电场方向相反。这三个电流相加即为光生电流，在pn结两侧积累正负电子，从而产生光生电场。二极管两端受正压大于内部电场产生电压即可导通，而太阳能电池则是由光生伏特效应在pn结内部建立了新的电场，产生光电流的方向从p区外层流向n区外层，与二极管相反。10.影响太阳能电池的转换效率的因素有哪些？如何提高太阳能电池的转换效率？光学损失，光激发电子空穴对的复合，电流输出过程中的损失减少光学损失：电池表面上的接触面尽可能小，光照面使用反射膜，利用表面蚀减少反射，增加电池厚度提高光吸收减少电子空穴对的复合：采用具有合适性能的半导体材料，利用敦化技术减少表面缺陷导致的复合。减少串联电阻，增大并联电阻答：光学损失（由于光照射时的反射、折射），电学损失（由于电池内电阻损耗），光激发的电子空穴对的复合损失。提高效率措施：1.光照面使用减反膜；电池表面接触面积尽可能小；增加电池厚度；2.选用合适性能半导体材料，使用敦化技术减少表面缺陷导致的复合；3.减少串联电阻，增大并联电阻。11.什么是太阳能电池的最大输出功率？实现MPPT的方法有哪些？太阳能电池的最大输出功率：当满足1、气候干燥；2、晴朗无云天气；3、电池板90度垂直于太阳入射光线；4、正午时间；等条件时，太阳能电池的输出功率可以达到最大输出功率。开环：定电压跟踪法，短路电流比例系数法和插值计算法闭环：扰动观察法，电导增量法最大输出功率就是太阳能电池的额定功率，如图（IV曲线）。MPPT方法：定电压跟踪法；电导增量法；扰动观察法；电流扫描法。12.某一光伏系统交流负载的耗电量为12kWh/天，系统中所采用的逆变器效率为94%，直流输入电压为36V，设所选择使用循环蓄电池的自给天数为6天，放电深度为80%，每个单体电池的电压/容量为2V/400Ah，试计算需要串联和并联的蓄电池数量。因为直流输入电压为36V，单个电池的电压为2V，所以需要串联的蓄电池数量为18个负载6天所需功率为12*6=72kWh，所需输入功率为72/0.94=76.6kWh，一个电池放电为0.8*400=320Ah，所需电池数量为76.6*1000/（320*2）=120个所以需要串联18个电池，并联7组这样的电池组。解：串联电池数=36/2=18个负载消耗=12000/0.94/36=354.6(Ah)蓄电池容量=354.6*6/0.8=2659.6(Ah)并联电池数=2659.6/354.6≈7个总电池数=18*7=126个13.某在建光伏直流供电系统，负载为48V，600A·h/天，设安装的光伏电池组件所在斜面上平均日太阳辐射为3.0kW·h/m2，即相当于3个标准峰值小时，采用75W(12V)太阳能电池组件的日输出为13.2AA·h/天,假设蓄电池的库伦效率为90%，电池组件的输出衰减为10%，问给该负载供电需多少并联和串联电池组件。库伦效率=放电容量与充电容量之百分比需要串联48/12=4个电池为一组，用来提供48V的电压共需600/（13.2*0.9）=51个电池提供负载功率，所以需要并联13组4个串联为1组的电池解：串联电池数：48/12=4个并联电池数：600/(13.2*0.9*0.9)≈57个总电池数：57*4=228个14.在自由场中的风轮，设风轮上游风速为10m/s，风轮下游风速为5m/s，风轮扫略面积为5000m2,风能的密度为1.25kg/m3，求对风轮的作用力F和风轮所摄取的功率P。暂时认为风能密度为空气密度吧，不然不会做风轮吸收的功率为风轮上下游风的动能损失P=0.5m(v1^2-v2^2)=(ρ/4)*(v1^2-v2^2)*(v1+v2)*s=(1.25*0.25)(10^2-5^2)*(10+5)*5000=1758kW解：F==234375NP==1757.8kW说明定桨距风力发电机组的桨叶自动失速原理及功率调节过程。定桨距失速功率调节即是利用叶片气动失速特性来限制风力机叶片吸收风能，达到防止风力机输出功率过大，从而达到维持风力机转速恒定。15.利用Betz理论求风力机的最大风能利用系数。v1-进入风速v2-残余风速ρ-空气密度s-叶片扫风面积P-转换的动能P0-风的初始动能叶片处单位时间内通过的风的质量M=ρ*s*(v1+v2)/2-----式1根据牛顿第二定律，叶片吸收的动能等于风残余动能与风初始动能之差，于是得到：P=(1/2)*M*(v1^2-v2^2)-----式2将式1带入式2得到：P=(ρ/4)*(v1^2-v2^2)*(v1+v2)*s由风能的基本计算公式可知P0=(ρ/2)*v1^3*sP/P0=(1/2)*(1+v2/v1)^2)*(1-(v2/v1))由此可见P/P0为v2/v1的三次函数，求导得两个驻点，分别为1/3和-1，由于v2/v1为正，故：当v2/v1=1/3时P/P0为最大值16/27=0.593解：当v2=1/3v1时，P=31278Sv，3121SvP=0.59316.影响风能转换效率的因素有哪些？①风场盛行风频谱的强度及其对风力机的可利用性；②叶轮将风中能量转换为机械轴功的空气动力效率；③将能量调节、传输和升压到预期形式的电效率。17.变速恒频风力发电有哪几种方式?各有何特点？鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统：变速恒频控制策略是在定子电路实现的，尽管实现了变速恒频控制，具有变速恒频的一系列优点，但由于变频器在定子侧，变频器的容量需要与发电机的容量相同，使得整个系统的成本、体积和重量显著增加，尤其对于大容量的风力发电系统。双馈式变速恒频风力发电系统：变速恒频控制方案是在转子电路实现的，这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减少变频器的容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。缺点是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷。直驱型变速恒频风力发电系统：采用多极发电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，效率高、极距小混合式变速恒频风力发电系统：具有更高的速度和更小的转矩18.简述DFIG实现变速恒频风力发电的基本原理与功率转换过程。发电机采用交流励磁双馈异步发电机（DFIG），将DFIG的定子绕组直接接入电网，同时DFIG的转子绕组通过双PWM变换器接入电网，组成了变速恒频双馈风力发电机组。19.画出风力机的特性曲线，说明变速风力发电机组在低风速下实现最大风能利用系数的调节过程。20.解释下列名词：本征半导体：是完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体非本征半导体：当向半导体中添加受主或施主物质(称为掺杂物)，通过施主型杂质解离向导带注入电子或受主型杂质俘获价带电子产生了自由载流子，使本征半导体产生额外的电导，成为非本征半导体。简并半导体：发生载流子简并化的半导体称为简并半导体。非简并半导体:其中载流子遵从经典的Boltzmann统计分布的半导体就是非简并半导体费米能级:温度为绝对零度时固体能带中充满电子的最高能级功函数:把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量电子亲和势:电子之间亲和作用的能量带隙:导带的最低点和价带的最高点的能量之差直接带隙:导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中同一位置间接带隙：导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。受主掺杂：当在半导体材料，例如硅中人为地掺入价电子数更少的杂质原子，例如硼，来取代晶格中硅原子的位置，杂质原子缺少电子与硅形成共价键，需要从别处的硅原子夺取一个价电子，形成空穴和负电中心，施主掺杂：为了控制半导体的性质