科技新秀——太阳能光伏发电

光能电池（如太阳能光伏板）将太阳光直接转化为电能。 #生活知识# #科技生活# #科技改变生活# #新能源应用#

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太阳能是最清洁的能源，太阳电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种新型的器件。

太阳电池又称为“光伏电池”，太阳电池经过串并联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，配上功率控制器、储能装置、变换器等就组成了光伏发电系统。

硅太阳能电池原理

太阳能电池由半导体材料制造，利用PN结的光生伏特效应而将光能直接转变为电能，太阳电池分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳电池。目前制造工艺最成熟、性价比高的太阳电池采用硅半导体材料。

太阳能电池发电原理是光生伏打效应，故太阳能电池也叫光伏电池。

光生伏打效应

室温下从硅的原子的价电子层中分离出一个电子需要1.12eV的能量，被分离出来的电子是自由电子，能够自由移动并传送电流。半导体在太阳光照耀下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使半导体中原子的价电子受到激发而成为自由电子，形成光生电子-空穴对，也称光生载流子。

太阳能电池由PN结构成，在P区、空间电荷区和N区都会产生光生电子-空穴对，这些电子-空穴对由于热运动，会向各个方向迁移。

在空间电荷区产生的与迁移进来的光生电子-空穴对被内建电场分离，光生电子被推进N区，光生空穴被推进P区。在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为0。

在N区，光生电子-空穴产生后，光生空穴便向PN结边界扩散，一旦到达PN结边界，便立即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入P区，而光生电子（多数载流子）则被留在N区。

同样，P区中的光生电子也会向PN结边界扩散，并在到达PN结边界后，同样由于受到内建电场的作用而在电场力作用下作漂移运动，进入N区，而光生空穴（多数载流子）则被留在P区。

因此在PN结两侧形成了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使P型层带正电，N型层带负电，因此产生了光生电动势。这就是“光生伏打效应”（简称光伏）。

太阳能电池组件

硅太阳能电池采用硅晶体薄片制作，主要工艺流程为制绒面，制结，丝印电极。硅太阳能电池组件由多个电池片串并组成，并加钢化玻璃板与铝框架等封装而成。

在硅晶体薄片表面制作PN结，在上下表面做电极构成太阳能电池。上图显示的仅是硅太阳能电池的一小块截体。电池主体是PN结，为了防止硅晶体薄片对太阳光产生反射，把上表面制成无反射的绒面；为进一步减小反射，在上面还要敷一层透明的减反射膜；在电池上表面有电极线与N型半导体连接，在电池下表面有电极线与P型半导体连接。

太阳能电池组件

单个硅太阳能电池片的输出电压约0.4伏，必须把若干太阳能电池片经过串联后才能达到可供使用的电压，并联后才能输出较大的电流。多个太阳能电池片串并联进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，太阳电池组件是太阳能发电系统的基本组成单元。

光伏电池固定安装

大多数太阳电池采用固定安装，为了获得较强的太阳光辐射，由电池组件组成的电池板应向南方倾斜（北半球），用支架支撑固定，与地面角度为本地纬度值最好，对于在屋顶安装，也要尽量满足这个要求。

双排立柱固定安装太阳电池组件

单排立柱固定电池板

三角形支架固定电池板

安装太阳能电池发电系统的基本条件

日照条件：太阳能系统设计不仅要考虑直射到电池板太阳辐射强度值，也需要年平均太阳辐射总能量值（MJ/m2a）与年日照时数（h），这是考虑太阳能系统的经济效益的主要参考值。

环境条件：可提供的场地，包括屋顶、墙面，保证光伏电站所需的空间与安装条件。对于并网型光伏电站还要考虑与输电线路的距离（包括变电站）。

气象条件：

1.温度：太阳能电池具有较大的温度系数，较大的光伏电站采用较多组件并串输出高达数百伏的电压，对于一个输出800V的电池阵列，当温度从常温降至-20度时开路电压降增加15%，将增加120V左右，输出功率也增加许多，在最大功率点跟踪与逆变器容量方面要充分考虑温度的变化。温度升高时电池板的散热也是问题，散热不好会使输出功率进一步减少。

2、风速：根据当地的风速、风向计算风压，风压值将直接影响电池板支架与基础的设计与安装。

3、降水与降雪：组件下沿的高度一定要高于最大积雪深度，不然可能存在组件被埋在雪里的可能；积雪深度还用来计算雪压值。

冰雹多发区要考虑电池板的承受能力。

干旱地区蒸发量远大于降水量，水源多来自水井，需开挖深水井，还可能是有腐蚀性的碱性水，这对清洗板子都成问题。

4、恶劣天气：进行避雷方案设计时需参考多年平均雷暴日数；多年平均沙尘暴日数、多年平均扬沙日数决定光伏电站的清洗频率；灰尘遮挡与多年平均霾日数也是造成系统效率损失的重要参考值。

5、冻土深度：在进行设计时，电池板支架基础的深度要在冻土层以下，以保证支架基础的稳定性。

太阳电池的应用

太阳能光伏电池已经广泛应用在各个领域，并在交通，航空航天等领域开始得到应用。

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