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通信設備環(huán)境知識點精講之太陽能電池的結構原理和特性

動力與環(huán)境責任編輯：小狐貍 2016-08-22

摘要：下面是由希賽小編整理的中級通信設備環(huán)境知識點精講之太陽能電池的結構原理和特性，希望能幫助學友們。

下面是由希賽小編整理的通信設備環(huán)境知識點精講之太陽能電池的結構原理和特性，希望能幫助學友們。具體內(nèi)容如下：

太陽能電池

太陽是一個巨大的能源，每年向地球輻射大量的光能，這種光能可以用光電變換器變換成電能。在兩種光電轉換器中，目前己投入實際應用的是光生伏特電池，即太陽能電池。近年來，為了提髙太陽能電池的效率，降低成本，研制了硅、砷化稼、硫化鎘等各種太陽能電池，并利用這些電池組成太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

太陽能電池的結構、原理和特性

鉛蓄電池、鎘鎳蓄電池都是將化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置，都屬于化學電池。而太陽能電池屬于物理電池，它利用光電效應把太陽能直接轉換為電能。

1.太陽能電池的基本結構

太陽能電池是依靠PN結的光生伏特效應，4-11所示。它由PN結、金屬柵狀上電極、金屬下電極、減反射膜和背反射器等組成。

硅太陽能電池常用P型單晶硅作為基體材料，厚度為200nm.在P型基體的背表面有用鋁制造的背反射器。為了減少器件表面對入射光線的反射，電池的表面覆蓋了一層氧化物作為減反射層，為了輸出光生電壓，電池有上、下電極。上電極是用銀采取光刻工藝制成的柵線，上電極金屬覆蓋面積約占電池總面積的4.75%.下電極用鋁制成。上、下電極與硅片的接觸電阻應很低。

2.硅太陽能電池的工作原理

當陽光照射半導體時，共價鍵中的電子因獲得足夠的光子能量而擺脫共價鍵的束縛，成為可以自由移動的電子，原來的共價鍵上就留下一個空穴。因此，半導體經(jīng)太陽光的照射后就會產(chǎn)生一些電子一空穴對。

由于熱運動的結果，使這些非平衡的電子一空穴對進入PN結的空間電荷區(qū)。受自建電場的作用，電子和空穴向相反的方向運動，使PN結兩側出現(xiàn)負電荷積累，產(chǎn)生與PN結自建電場方向相反的光生電場，產(chǎn)生了光生電動勢，這就是“光生伏特效應”.電池開路時，光生載流子只能積累在PN結的兩側，產(chǎn)生光生電動勢，該電動勢稱為開路電壓，用t/oc表示。電池短路時，PN結附近的光生載流子將形成最大的光生電流，該電流稱為短路電流，用/sc表示。光電池接上負載后，光電流從P區(qū)經(jīng)過負載流至W區(qū)，負載中即得到功率輸出。

光照使PN結自身電場強度降低，如同一個二極管的PN結上加了一個正向電壓，因此常把硅太陽能電池等效為一個恒流源和一個理想的二極管相并聯(lián)，其等效電路如圖4-12所示。

從圖4-12中可看出，恒流源產(chǎn)生的光生電流總共有三個通道。

①正向流過PN結(PN結構成的二極管)的電流在。

②在PN結沒有完全形成的部分有漏電4-12流I命(在電池內(nèi)部或邊緣會形成某些漏電通道，可將其等效為旁路電阻漏電流與工作電壓成比例)。

③流經(jīng)負載的電流IR。

隨著電池制造工藝不斷改善，Rsh可做得很大(則Ish忽略不計)，如不考慮電池串聯(lián)電阻札的影響，那么，負載電流應當是光生電流與結電流之差，即

3.硅太陽能電池的特性

在不同負載電阻的情況下，受光照時，太陽能電池流入負載的電流&和電池兩端電壓的關系曲線稱為太陽電池的伏安特性曲線，如圖4-13所示。曲線拐點A的兩個坐標值(Um和Im)為硅太陽能電池的最佳工作電壓和最佳工作電流。

關于硅太陽能電池的入射光強響應特性。開路電壓與入射光強的對數(shù)成正比，顯然，獲得最大輸出功率時，太陽能電池的輸出電壓明顯地受入射光強的影響。

關于硅太陽能電池的轉換效率。專換效率是指太陽能電池單位面積的最人輸出功率(Pmax)與入射光功率(Pin)的百分比。轉換效率是衡量電池好壞的重要參數(shù)。

太陽能電池供電系統(tǒng)

太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)可以作獨立電源，也可與發(fā)電機等組成混合發(fā)電系統(tǒng)，還可與電網(wǎng)連接，向電網(wǎng)輸送電力。

1.系統(tǒng)組成

太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池方陣、蓄電池、控制器以及阻塞二極管組成，如圖4-14所示。根據(jù)負載不同，太陽電池供電系統(tǒng)可分為直流、交流、交一直流混合供電系統(tǒng)。

(1)太陽能電池方陣。若干太陽能電池組件按一定方式連接后，再配上適當?shù)闹Ъ芗敖泳€盒，即構成太陽能電池方陣，它的作用是將太陽輻射直接轉換為電能。

(2)蓄電池組。蓄電池組是太陽能電池方陣的儲能裝置，它的作用是將有日照時方陣發(fā)出的多余電能儲存起來，在晚間或陰雨天供負載使用。在光伏供電系統(tǒng)中，蓄電池處于浮充狀態(tài)。白天方陣給蓄電池充電，晚上負載由蓄電池供電。因此要求蓄電池自放電小、能耐過充放電且充電效率高。目前常用的有普通鉛蓄電池及閥控鉛蓄電池。由于鍵鎘和鎳氫電池價格較貴，所以應用較少。

(3)控制器?？刂破髦饕筛鞣N電子元器件、儀表、繼電器、開關等組成。它的主要功能是防止過充電、過放電并保證穩(wěn)壓供電。如果負載要求交流供電，系統(tǒng)中還應配置逆變器。

(4)阻塞二極管。阻塞二極管也稱防反充二極管或隔離二極管，其作用是防止無日照時，蓄電池通過太陽能電池方陣放電。對阻塞二極管的要求是工作電流必須大于方陣的最大輸出電流，反向耐壓要高于蓄電池組的電壓。方陣工作時，阻塞二極管有一定電壓降。

2.太陽能電池組裝方式

太陽能電池的組裝方式有平板式和聚光式。在平板式組裝方式中，首先把太陽能電池串聯(lián)組裝成組合板，然后再將組合板裝成陣列。

(1)組合板與陣列。

太陽能單體電池容易碎裂，一般不能直接使用。根據(jù)使用要求，若干單體電池適當連接并封裝后，組成可單獨供電的最小單元，稱為太陽能電池組件。實際使用中，為了滿足使用要求，常將若干組件按一定方式組裝，并固定在支架上，形成直流發(fā)電單元，這種單元稱為太陽電池方陣(或陣列)。較大的方陣，還可由一些子方陣(或稱組合板)構成。

(2)太陽能電池的串并聯(lián)特性。

為了得到需要的輸出電壓，可將太陽能電池組件串聯(lián)，串聯(lián)后的電壓是單體(或組件)電池電壓之和1串聯(lián)后的電流，取決于其中電流最小的電池組件。為了獲得較大的輸出電流，可把電池組件并聯(lián)。并聯(lián)后的電流是電池組件電流之和。并聯(lián)后的電壓為各組件電壓的平均值。

聚光式太陽能電池系統(tǒng)由聚光電池陣列、支撐座和光電控制裝置等部分組成。光電自動控制裝置由傳感器、控制箱和電動機組成，通過這種裝置，太陽能電池可以自動跟蹤太陽光，以獲得最大功率輸出功率。

3.太陽能電池的主要技術要求

(1)太陽能電池組件

太陽能電池組件系列有：36W、38W、和50W等，組件電壓有16.4V、16.9V、17V和17.1V等;要求組件效率>10%;組件使用10年后，功率下降不得超過使用前的10%;組件的面積比功率、質量比功率、填充因子不得低于表W所示的規(guī)定。