La generación de energía fotovoltaica es una tecnología que convierte directamente la energía lumínica en energía eléctrica utilizando el efecto fotovoltaico de la interfaz semiconductora. El elemento clave de esta tecnología es la célula solar. Después de que las células solares se conectan en serie, se pueden empaquetar y proteger para formar un módulo de células solares de gran área, y luego combinarse con controladores de energía y otros componentes para formar un dispositivo de generación de energía fotovoltaica.
1 Efecto fotovoltaico
Si la luz golpea una célula solar y la luz se absorbe en la capa de interfaz, los fotones con suficiente energía pueden excitar electrones de enlaces covalentes tanto en silicio de tipo P como de tipo N, lo que resulta en pares electrón-agujero. Los electrones y agujeros cerca de la capa de interfaz estarán separados entre sí por el efecto de campo eléctrico de las cargas espaciales antes de la recombinación. Los electrones se mueven hacia la región N cargada positivamente y los agujeros hacia la región P cargada negativamente. La separación de carga a través de la capa de interfaz generará un voltaje medible externamente entre las regiones P y N. En este momento, se pueden agregar electrodos a ambos lados de la oblea de silicio y conectarlos a un voltímetro. Para las células solares de silicio cristalino, el valor típico del voltaje de circuito abierto es de 0.5 a 0.6V. Cuantos más pares electrón-agujero genere la luz en la capa de interfaz, mayor será el flujo de corriente. Cuanta más energía de luz absorba la capa de interfaz, mayor será la capa de interfaz, es decir, el área de la célula, y mayor será la corriente formada en la célula solar.
2. Principio
La luz solar brilla en la unión p-n del semiconductor para formar un nuevo par agujero-electrón. Bajo la acción del campo eléctrico de unión p-n, los agujeros fluyen de la región n a la región p, y los electrones fluyen de la región p a la región n. Después de encender el circuito, se forma una corriente. Así es como funcionan las células solares de efecto fotoeléctrico.
Hay dos formas de generación de energía solar, una es la conversión luz-calor-electricidad, y la otra es la conversión directa luz-electricidad.
(1) El método de conversión luz-calor-electricidad genera electricidad utilizando la energía térmica generada por la radiación solar. Generalmente, el colector solar convierte la energía térmica absorbida en el vapor del medio de trabajo, y luego impulsa la turbina de vapor para generar electricidad. El primer proceso es un proceso de conversión de luz a calor; este último proceso es un proceso de conversión de calor a electricidad, que es lo mismo que la generación de energía térmica ordinaria. La desventaja de la generación de energía solar térmica es que la eficiencia es muy baja y el costo es alto. Se estima que su inversión es al menos superior a la de la generación ordinaria de energía térmica. Las centrales eléctricas son de 5 a 10 veces más caras.
(2) Método de conversión directa de luz a electricidad Este método utiliza el efecto fotoeléctrico para convertir directamente la energía de la radiación solar en energía eléctrica. El dispositivo básico para la conversión de luz a electricidad son las células solares. Una célula solar es un dispositivo que convierte directamente la energía solar en energía eléctrica debido al efecto fotovoltaico. Es un fotodiodo semiconductor. Cuando el sol brilla en el fotodiodo, el fotodiodo convertirá la energía lumínica del sol en energía eléctrica y generará electricidad. actual. Cuando muchas células están conectadas en serie o en paralelo, puede convertirse en un conjunto de células solares con una potencia de salida relativamente grande. Las células solares son un nuevo tipo prometedor de fuente de energía con tres ventajas principales: permanencia, limpieza y flexibilidad. Las células solares tienen una larga vida útil. Mientras exista el sol, las células solares se pueden usar durante mucho tiempo con una sola inversión; y energía térmica, generación de energía nuclear. Por el contrario, las células solares no causan contaminación ambiental.
3. Composición del sistema
El sistema de generación de energía fotovoltaica se compone de paneles de células solares, paquetes de baterías, controladores de carga y descarga, inversores, gabinetes de distribución de energía de CA, sistemas de control de seguimiento solar y otros equipos. Algunas de sus funciones de equipamiento son:
matriz de baterías
Cuando hay luz (ya sea luz solar o luz generada por otros iluminantes), la batería absorbe la energía de la luz, y la acumulación de cargas de señal opuesta se produce en ambos extremos de la batería, es decir, se genera un "voltaje fotogenerado", que es el "efecto fotovoltaico". Bajo la acción del efecto fotovoltaico, los dos extremos de la célula solar generan fuerza electromotriz, que convierte la energía de la luz en energía eléctrica, que es un dispositivo de conversión de energía. Las células solares son generalmente células de silicio, que se dividen en tres tipos: células solares de silicio monocristalino, células solares de silicio policristalino y células solares de silicio amorfo.
Batería
Su función es almacenar la energía eléctrica emitida por el panel de células solares cuando se ilumina y suministrar energía a la carga en cualquier momento. Los requisitos básicos para el paquete de baterías utilizado en la generación de energía de células solares son: a. baja tasa de autodescarga; b. larga vida útil; c. fuerte capacidad de descarga profunda; d. alta eficiencia de carga; e. menos mantenimiento o libre de mantenimiento; f. temperatura de trabajo Amplio rango; g. precio bajo.
Controlador
Es un dispositivo que puede evitar automáticamente que la batería se sobrecargue y se sobredescargue. Dado que el número de ciclos de carga y descarga y la profundidad de descarga de la batería son factores importantes para determinar la vida útil de la batería, un controlador de carga y descarga que pueda controlar la sobrecarga o sobredescarga del paquete de baterías es un dispositivo esencial.
Inversor
Un dispositivo que convierte la corriente continua en corriente alterna. Dado que las células solares y las baterías son fuentes de energía de CC,
Cuando la carga es una carga de CA, un inversor es esencial. De acuerdo con el modo de operación, los inversores se pueden dividir en inversores de operación independientes e inversores conectados a la red. Los inversores independientes se utilizan en sistemas de energía de células solares independientes para alimentar cargas independientes. Los inversores conectados a la red se utilizan para sistemas de generación de energía de células solares conectados a la red. El inversor se puede dividir en inversor de onda cuadrada e inversor de onda sinusoidal de acuerdo con la forma de onda de salida. El inversor de onda cuadrada tiene un circuito simple y de bajo costo, pero tiene un gran componente armónico. Generalmente se utiliza en sistemas por debajo de varios cientos de vatios y con bajos requisitos armónicos. Los inversores de onda sinusoidal son caros, pero se pueden aplicar a varias cargas.
4. Clasificación del sistema
El sistema de generación de energía fotovoltaica se divide en un sistema de generación de energía fotovoltaica independiente, un sistema de generación de energía fotovoltaica conectado a la red y un sistema de generación de energía fotovoltaica distribuida.
1. La generación de energía fotovoltaica independiente también se llama generación de energía fotovoltaica fuera de la red. Se compone principalmente de componentes de células solares, controladores y baterías. Para suministrar energía a la carga de CA, es necesario configurar un inversor de CA. Las centrales fotovoltaicas independientes incluyen sistemas de suministro de energía de aldeas en áreas remotas, sistemas de suministro de energía solar doméstica, fuentes de alimentación de señal de comunicación, protección catódica, farolas solares y otros sistemas de generación de energía fotovoltaica con baterías que pueden funcionar de forma independiente.
2. La generación de energía fotovoltaica conectada a la red significa que la corriente continua generada por los módulos solares se convierte en corriente alterna que cumple con los requisitos de la red eléctrica a través del inversor conectado a la red y luego se conecta directamente a la red pública.
Se puede dividir en sistemas de generación de energía conectados a la red con y sin baterías. El sistema de generación de energía conectado a la red con batería es programable y se puede integrar o retirar de la red eléctrica según las necesidades. También tiene la función de fuente de alimentación de respaldo, que puede proporcionar una fuente de alimentación de emergencia cuando la red eléctrica está cortada por alguna razón. Los sistemas de generación de energía fotovoltaica conectados a la red con baterías a menudo se instalan en edificios residenciales; Los sistemas de generación de energía conectados a la red sin baterías no tienen las funciones de despachabilidad y energía de respaldo, y generalmente se instalan en sistemas más grandes. La generación de energía fotovoltaica conectada a la red ha centralizado centralizaciones fotovoltaicas conectadas a la red a gran escala, que generalmente son centrales eléctricas a nivel nacional. Sin embargo, este tipo de central eléctrica no se ha desarrollado mucho debido a su gran inversión, largo período de construcción y gran área. La energía fotovoltaica distribuida a pequeña escala conectada a la red, especialmente la generación de energía fotovoltaica integrada en edificios fotovoltaicos, es la corriente principal de la generación de energía fotovoltaica conectada a la red debido a las ventajas de la pequeña inversión, la construcción rápida, la huella pequeña y el fuerte apoyo a las políticas.
3. El sistema de generación de energía fotovoltaica distribuida, también conocido como generación de energía distribuida o suministro de energía distribuida, se refiere a la configuración de un sistema de suministro de energía fotovoltaica más pequeño en el sitio del usuario o cerca del sitio de energía para satisfacer las necesidades de usuarios específicos y apoyar la operación económica de la red de distribución existente, o cumplir con los requisitos de ambos aspectos al mismo tiempo.
4. El equipo básico del sistema de generación de energía fotovoltaica distribuida incluye componentes de células fotovoltaicas, soportes de matriz cuadrada fotovoltaica, cajas combinadoras de CC, gabinetes de distribución de energía de CC, inversores conectados a la red, gabinetes de distribución de energía de CA y otros equipos, así como dispositivos de monitoreo del sistema de suministro de energía y dispositivo de monitoreo ambiental. Su modo de operación es que bajo la condición de radiación solar, la matriz de módulos de células solares del sistema de generación de energía fotovoltaica convierte la energía eléctrica de salida de la energía solar y la envía al gabinete de distribución de energía de CC a través de la caja combinadora de CC, y el inversor conectado a la red la convierte en fuente de alimentación de CA. El edificio en sí está cargado, y el exceso o la insuficiencia de electricidad se regula mediante la conexión a la red.
5. Ventajas y desventajas
En comparación con los sistemas de generación de energía comúnmente utilizados, las ventajas de la generación de energía solar fotovoltaica se reflejan principalmente en:
La energía solar se llama la nueva energía más ideal. (1) No hay peligro de agotamiento; (2) Seguro y confiable, sin ruido, sin descarga de contaminación, absolutamente limpio (sin contaminación); (3) No está limitado por la distribución geográfica de los recursos, y se pueden utilizar las ventajas de los techos de construcción; (4) No hay necesidad de consumir combustible y erigir líneas de transmisión Generación de energía local y suministro de energía; (5) Alta calidad de la energía; (6) Los usuarios son fáciles de aceptar emocionalmente; (7) El período de construcción es corto y el tiempo que se tarda en obtener energía es corto.
defecto:
(1) La densidad de distribución de energía de la irradiación es pequeña, es decir, ocupa un área enorme; (2) La energía obtenida está relacionada con las cuatro estaciones, día y noche, nublado y soleado y otras condiciones meteorológicas. El uso de energía solar para generar electricidad tiene altos costos de equipo, pero la tasa de utilización de la energía solar es baja, por lo que no se puede usar ampliamente. Se utiliza principalmente en algunos entornos especiales, como los satélites.
6. Áreas de aplicación
1. Suministro de energía solar del usuario: (1) Pequeño suministro de energía que oscila entre 10 y 100W, utilizado en áreas remotas sin electricidad, como mesetas, islas, áreas de pastoreo, puestos fronterizos y otra electricidad de vida militar y civil, como iluminación, TV, grabadoras, etc.; (2) Sistema de generación de energía conectado a la red en la azotea doméstica de 3 -5KW; (3) Bomba de agua fotovoltaica: resuelve el problema de beber e irrigar pozos profundos en áreas sin electricidad.
2. Campos de tráfico como luces de navegación, luces de señal de tráfico / ferrocarril, luces de advertencia de tráfico / señales, luces de calle Yuxiang, luces de obstrucción a gran altitud, cabinas telefónicas inalámbricas de carretera / ferrocarril, fuente de alimentación de cambio de carretera desatendida, etc.
3. Campo de comunicación / comunicación: estación de retransmisión de microondas solar desatendida, estación de mantenimiento de cable óptico, sistema de suministro de energía de radiodifusión / comunicación / paginación; sistema fotovoltaico de telefonía portador rural, pequeña máquina de comunicación, fuente de alimentación GPS para soldados, etc.
4. Campos petrolíferos, marinos y meteorológicos: sistema de energía solar de protección catódica para oleoductos y compuertas de yacimientos, suministro de energía de vida y emergencia para plataformas de perforación petrolera, equipos de detección marina, equipos de observación meteorológica / hidrológica, etc.
5. Fuente de alimentación para lámparas domésticas: como lámparas de jardín, farolas, lámparas portátiles, lámparas de camping, lámparas de montañismo, lámparas de pesca, lámparas de luz negra, lámparas de roscado, lámparas de ahorro de energía, etc.
6. Central fotovoltaica: estación de energía fotovoltaica independiente de 10KW-50MW, central eléctrica complementaria eólica-solar (diesel), varias estaciones de carga de plantas de estacionamiento grandes, etc.
7. Los edificios solares combinan la generación de energía solar con materiales de construcción para permitir que los grandes edificios en el futuro logren la autosuficiencia en electricidad, que es una dirección de desarrollo importante en el futuro.
8. Otros campos incluyen: (1) Emparejamiento con automóviles: vehículos solares / vehículos eléctricos, equipos de carga de baterías, acondicionadores de aire para automóviles, ventiladores de ventilación, cajas de bebidas frías, etc.; (2) sistemas de generación de energía regenerativa para la producción solar de hidrógeno y pilas de combustible; (3) suministro de energía de equipos de desalinización de agua de mar; (4) Satélites, naves espaciales, centrales solares espaciales, etc.