某15MW太阳能屋顶光伏发电工程的应用分析

某15MW太阳能屋顶光伏发电工程的应用分析该文档分享来源光伏辅料网：[摘要]由于目前太阳能电池本身的光电转换效率比较低且对太阳能电池的利用率低，为最大限度地提高太阳能电池的利用率，减少电能损耗，从太阳能电池的制备工艺、全自动跟踪电池板及太阳能电池最大功率点跟踪(MPPT)三个角度出发，对当前高效利用太阳能电池的现状进行总结分析.[关键词]太阳能电池;全自动跟踪;最大功率点跟踪能源短缺、环境恶化成为日益严重的全球性问题，人类为追求可持续性发展，正在积极发展可再生能源技术，寻找新能源是当前人类面临的紧迫问题.太阳能清洁、无污染，并且取之不尽，用之不竭，因此越来越受到人们的关注.光伏发电是当前利用太阳能的主要方式之一.太阳能电池利用光生伏特效应原理，将太阳光能直接转化为电能，既可以直接为小型电器提供电能，又可以进行光伏并网发电，应用前景广阔，并且在转化过程中，无污染、无噪声.因此，深入研究和利用太阳能资源，对缓解资源危机，改善生态环境，具有十分重要的意义.但目前太阳能电池的光电转换效率比较低，且戚本较高，因此提高太阳能电池的光电转换效率、降低成本、提高太阳能电池的利用率是人们当前研究的热点问题.1硅基太阳能电池许多半导体材料都可以用来制造太阳能电池，因此太阳能电池的种类很多.硅基太阳能电池是最早发展起来，并且也是目前发展最成熟的太阳能电池，主要包括单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池.单品硅太阳能电池稳定性好，具有比较高的转换效率，规模生产的电池组件的光电转换效率可以达到12%-I6%，而实验室记录的最高转换效率已经超过了25%，但其成本较高.与单晶硅相比，多晶硅半导体材料的价格相对较低，相应的电池单元成本也较低，非常具有竞争优势.然而由于多晶硅材料存在着较多的缺陷，如晶界、位错等，转换效率还不够高.非晶硅太阳能电池的转换效率和稳定性都不够好.2新型太阳能电池的制备工艺对硅基太阳能电池来说，目前其性价比还不能和传统能源相竞争.因此，提高其光电转换效率和降低成本是当前研究的热点问题.这就需要改进太阳能电池材料的制备工艺，因此各类新型太阳能电池应运而生.2.1多晶硅薄膜太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池是既具有单晶硅和多晶硅太阳能电池的高光电转换效率和长寿命，又具有非晶硅太阳能电池材料的制备工艺相对简单等优点的新一代电池.多晶硅薄膜太阳能电池是在低成本的衬底材料上生长一层多晶硅薄膜，用相对薄的晶体硅层作为太阳能电池的激活层，不仅保持了晶体硅太阳能电池的高性能和稳定性，而且材料的用量大大下降，明显地降低了太阳能电池的成本.其简单结构如图1所示.在多晶硅薄膜太阳能电池的制备过程中:衬底材料有玻璃、C-Si、P-Si、SiC、A1203、Si02膜等;隔离层是在衬底上再沉积一层薄膜，如在玻璃衬底上沉积一层SiOz薄膜，起介质层(绝缘)和隔膜层(阻止衬底中杂质渗入多晶硅薄膜)的作用;籽晶层一般用低温等离子体法(LPCVD)制备，通过再结晶等方法使品粒增大，用CVD等方法在其上生长多晶硅曹膜;P-N结可以在沉积多晶硅薄膜的同时掺棚、磷等获得;光学限制即上下表面织构化和减反射;电学限制即制备前后电极的欧姆接触;电极制备方法主要有丝网印刷、光刻、电子束蒸发和电子镀等.为了提高薄膜电池的光利用率，前电极常常采用绒面设计，增强其陷光作用，而背电极为了增强其反射效果，背电极的透明导电膜要保证其平整性;钝化包括品粒晶界钝化和表面钝化。为进一步提高光电转换效率，人们在制备工艺上进行了许多改进:1)制造绒面、减反射膜和高反射背电极来增加太阳光的透过率.多孔硅作为多晶硅太阳能电池的减反射膜具有实用意义，其减反射的作用已能与双重减反射膜相比，所得多晶硅电池的效率也能达到13.4%;2)采用氢钝化，钝化硅体内的悬挂键等缺陷.在晶体生长中受应力等影响造成缺陷越多的硅材料，氢钝化的效果越好.氢钝化可采用离子注入或等离子体处理.在多晶硅太阳能电池表面采用等离子增强化学气相沉积法镀上一层氮化硅减反射膜，由于硅皖分解时产生氢离子对多晶硅可产生氢钝化的效果，以防止其氧化;3)衬底与薄膜之间增加介质用来绝缘;4)表面钝化和体钝化以降低薄膜晶粒品界和品格错位等缺陷;5)采用丝网印刷技术制备细金属栅电极;6)通过改变实验方法和实验参数未获得大颗粒、取向规则、低杂质的多晶硅薄膜.2.2染料敏化纳米晶太阳能电池近年来，随着纳米材料科学的飞速发展，人们发现纳米TiOz不仅在光辅助催化降解方面[5]具有良好的性能，而且在光电转换方面成效显著.用染料敏化的TiOz纳米品多孔膜作为光电阳极的化学太阳能光电池，称为染料敏化纳米晶太阳能电池.染料敏化纳米晶太阳能电池的结构如图2所示.其主要由导电膜、导电玻璃、纳米晶半导体多孔膜、染料光敏化剂、电解质和铅电极等组成.TiO2是一种廉价、安全、无污染且非常稳定的半导体材料.在光照条件下，TiO2价带上的电子被激发到导带，同时在价带上形成空穴.由于纳米TiO2禁带宽度仅为3.2eV，再加上电子在半导体内的复合，使之仅能吸收整个太阳光谱5%左右的紫外光，光电转换效率低.充分利用太阳光中的可见光(大约为太阳光谱的45%)作为激发光源对TiO2的广泛应用至关重要.而另一个需要解决的问题就是TiO2的量子产率较低，因此有必要提高催化剂的光催化效率.因此，需要拓展TiOz吸收光谱以及提高TiO2的光催化效率.其中一个重要的途径就是将光敏材料经化学键合或物理吸附在高比表面积的TiO2纳米薄膜上使宽带隙的Ti02敏化.在染料敏化太阳能电池制备过程中，敏化材料的选择至关重要.其中染料敏化剂性能的优劣将直接影响染料敏化太阳能电池的光电转换效率.染料敏化剂是染料敏化纳米晶太阳能电池中非常关键的部分，敏化剂一般要满足以下条件:1)在Ti02纳米结构半导体电极表面有良好的吸附性，即能够快速达到吸附平衡，且不易脱落;2)在可见光区有较强的、尽量宽的吸收带;3)能级匹配，其氧化态和激发态要有较高的稳定性;4)激发态寿命足够长，且具有很高的电荷传输效率.敏化剂敏化半导体过程如下:1)敏化剂吸附到半导体表面;2)吸附态的敏化剂分子吸收光子被激发;3)激发态的敏化剂分子将电子注入到半导体的导带上。用于光化学转换的半导体材料，稳定性好的禁带太宽(如Ti02，E=3.2eV)，可见光难以激发，而对可见光敏感的窄禁带半导体材料(如CdS，且=2.5eV)却不稳定.半导体光敏化利用这一矛盾，采用宽、窄禁带半导体复合的方法提高电荷的分离效率，拓展宽禁带半导体的光谱响应区.其复合方法包括简单的组合、掺杂、多层结构和异相组合等.该方法目前主要用于半导体的光催化，在光敏电池中还在探索。总之，通过光敏化，获得较宽的可见光吸收光谱，快速的电F传输，优越的电子散射系数，增强光吸收效率是未来Ti02光阳极研究的方向-3全自动跟踪电池板除了提高太阳能电池本身的光电转换效率外，调节太阳能电池方阵实时跟踪太阳的角度，使其最大限度地接受太阳光照射，对高效利用太阳能也有着不可或缺的作用.太阳的方位随着观测位置和观测时间的不同而不同，要跟踪太阳就必须对太阳进行定位分析.一般太阳能电地板朝向是固定的，而太阳的位置在时刻变化，无法保证太阳光始终垂直于太阳能电池板，使得转换效率降低，同时所需的电池板面积增大，成本增加.所以全自动跟踪式的太阳能电池板[7--8]应运而生.太阳能电池板自动跟踪系统包括光电转换器、时角/赤纬电机、单片机以及相应的外围电路等.太阳能电池板有两个自由度，控制设备将分别对X、Y方向及Z方向进行调整.单片机加电复位后，X，Y方向将处于旋转状态，单片机将对采样进来的电压信号进行判断，如电压增大，则让电池板继续转动，如电压减小，单片机将立即发出信号，让电机反转，以实现电池板对太阳的跟踪.光电转换器接收太阳光将光信号转换成电信号，接着此模拟电信号经过放大器的放大再通过AJD转换成数字信号进入单片机，单片机根据采集来的信号进行分析比较，最终以控制步进电机的转向来达到太阳能电池面板始终垂直于人射光线的目的，从而实现最高效率地利用太阳能.利用光敏电阻在光照强度发生变化时阻值随之变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于太阳能电池板东西方向，如果太阳光垂直照射太阳能电地板时，两个光敏电阻接收到的光强相间，它们的阻值相同，此时电动机不转动;当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减少，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同，称为光敏电阻光强比较法.同时，系统还可以采用LCD液晶显示跟踪光斑图像，更加形象地体现出跟踪的精确度.4最大功率点跟踪(MPPT)由于太阳能电池的输出功率易受环境因素(光照、温度等)影响，在一定的环境因素条件下，太阳能电池输出功率和输出电压之间具有非线性的关系，并且最大功率点唯一.因此，为了实现光伏发电系统的功率输出最大化，有必要对太阳能电池的输.出最大功率点进行跟踪.即在同样的光照、温度条件下，通过控制输入电压等方式使太阳能电池最大限度地处于输出功率最大处.这里主要分析几种常见的最大功率点跟踪控制方法，并比较其优缺点及适用的场合.4.1太阳能电池输出特性分析太阳能电池输出特性具有非线性特征(如图3所示)，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响.在一定的光照强度和环境温度下，太阳能电池可以工作在不同的输出电压下，但是只有在某一输出电压值时，太阳能电池的输出功率才达到最大值，这时太阳能电池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点(MaximumPowerPoint,MPP).因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整太阳能电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这→过程就称之为最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking，MPPT)MPPT方法工作原理:由图3可知，当系统工作电压小于最大功率点电压Umax时，系统的输出功率随太阳能电池端电压上升而增加;当系统工作电压大于最大功率点电压Umax时，系统输出功率随Upv上升而减小.MPPT实质是一个自寻优过程，即通过控制输入电压Upv，使系统能在各种不同的光照和温度环境下智能化地输出最大功率.4.2太阳能电池的电气特性图4分别为太阳能电池在不同光照强度S相同温度T和不同温度T相同光照强度S下的1-U和P-U特性曲线.4.3MPPT跟踪控制的常用方法光伏系统常用的最大功率点跟踪算法有:恒定电压控制法、扰动观察法、电导增量法。4.3.1恒定电压拉制法恒定电压控制法(ConstantVoltageTracking,CVT):通过分析图4(c)可以看出，在温度一定时，P-U图各曲线的最大功率点几乎分布在一条垂直线的两侧，也就是说太阳能电池最大功率输出点大致对应于某一恒定电压.因此，CVT方法的思路即是将太阳能电地输出电压控制在该电压即Vmax(可以从生产厂商提供的参数中计算获得)处，此时光伏系统在整个工作过程中将近似处于最大功率点处.CVT算法的优点:控制简单，易于实现，可靠性高;系统不会出现震荡，且工作电压稳定性好;硬件实现简单.CVT算法的缺点:适应性差，因这种方式忽略了温度对电压的影响，所以在环境温度变化比较大的场合，会出现较大的偏差;精度差，因为只能保证光伏系统近似工作在最大功率点处.4.3.2扰动观察法扰动观察法(PerturbationandObservation,P&O):即在每个控制周期，用较小的步长改变光伏系统的输出，改变的步长是一定的，方向可以是增加也可以是减少，控制对象可以是输出电压或电流，这一过程称为扰动然后通过比较干扰周期前后系统的输出功率，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继续干扰如果输出功率减少，则改变干扰方向.P&O算法的优点:跟踪方法简单，待测参数少，传感器精度要求不高，易于实现.P&O算法的缺点:当扰动达到稳态后，光伏系统的实际工作点只能在其最大功率点附近的一个小范围内来回震荡，从而导致部分功率损失.其次是难以选择合适的步长.步长过小，跟踪的速度缓慢，系统可能