Sản xuất điện quang điện là công nghệ biến đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện của bề mặt bán dẫn. Yếu tố quan trọng của công nghệ này là pin mặt trời. Sau khi các pin mặt trời được kết nối nối tiếp, chúng có thể được đóng gói và bảo vệ để tạo thành mô-đun pin mặt trời diện tích lớn, sau đó kết hợp với bộ điều khiển điện và các thành phần khác để tạo thành thiết bị phát điện quang điện.
1 Hiệu ứng quang điện
Nếu ánh sáng chiếu vào pin mặt trời và ánh sáng bị hấp thụ ở lớp phân cách, các photon với năng lượng đủ lớn có thể kích thích các điện tử từ các liên kết cộng hóa trị trong silicon loại P và loại N, dẫn đến các cặp lỗ trống điện tử. Các electron và lỗ trống ở gần lớp phân cách sẽ bị tách ra khỏi nhau bởi hiệu ứng điện trường của các điện tích không gian trước khi tái hợp. Các êlectron chuyển động về phía vùng N tích điện dương và các lỗ trống về phía vùng P tích điện âm. Sự phân tách điện tích qua lớp giao diện sẽ tạo ra một điện áp có thể đo được bên ngoài giữa các vùng P và N. Tại thời điểm này, các điện cực có thể được thêm vào cả hai mặt của tấm silicon và kết nối với một vôn kế. Đối với pin mặt trời silicon tinh thể, giá trị điển hình của điện áp mạch hở là 0. 5 đến 0. 6V. Càng nhiều cặp electron-lỗ trống do ánh sáng tạo ra trên lớp phân cách thì dòng điện càng lớn. Càng nhiều năng lượng ánh sáng được hấp thụ bởi lớp giao diện, thì lớp giao diện, tức là diện tích tế bào càng lớn và dòng điện hình thành trong pin mặt trời càng lớn.
2. Nguyên tắc
Ánh sáng mặt trời chiếu vào tiếp giáp pn của chất bán dẫn tạo thành cặp electron lỗ trống mới. Dưới tác dụng của điện trường tiếp giáp pn, các lỗ trống chuyển động từ vùng n sang vùng p, và các electron chuyển từ vùng p sang vùng n. Sau khi mạch được bật, một dòng điện được hình thành. Đây là cách hoạt động của hiệu ứng quang điện.
Có hai cách sản xuất điện mặt trời, một là chuyển đổi ánh sáng thành nhiệt điện, và cách kia là chuyển đổi trực tiếp thành điện từ ánh sáng.
(1) Phương pháp chuyển đổi ánh sáng-nhiệt-điện tạo ra điện năng bằng cách sử dụng nhiệt năng do bức xạ mặt trời tạo ra. Nói chung, bộ thu năng lượng mặt trời chuyển đổi nhiệt năng hấp thụ thành hơi của môi trường làm việc, sau đó điều khiển tuabin hơi để tạo ra điện. Quá trình trước đây là một quá trình chuyển đổi ánh sáng thành nhiệt; quá trình thứ hai là một quá trình chuyển đổi nhiệt thành điện năng, giống như quá trình phát nhiệt điện thông thường. Nhược điểm của phát điện bằng năng lượng mặt trời là hiệu suất rất thấp, giá thành cao. Người ta ước tính rằng mức đầu tư của nó ít nhất cao hơn so với sản xuất nhiệt điện thông thường. Các trạm phát điện đắt gấp 5 đến 10 lần.
(2) Phương pháp chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành điện năng Phương pháp này sử dụng hiệu ứng quang điện để biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành năng lượng điện. Thiết bị cơ bản để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng là pin mặt trời. Pin mặt trời là thiết bị biến đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện do hiệu ứng quang điện. Nó là một điốt quang bán dẫn. Khi mặt trời chiếu vào photodiode, photodiode sẽ chuyển hóa năng lượng ánh sáng của mặt trời thành năng lượng điện và tạo ra điện năng. hiện hành. Khi nhiều cell mắc nối tiếp hoặc song song, nó có thể trở thành một dãy pin mặt trời với công suất phát tương đối lớn. Pin mặt trời là một loại nguồn điện mới đầy hứa hẹn với ba ưu điểm chính: tính lâu dài, độ sạch và tính linh hoạt. Pin mặt trời có tuổi thọ lâu dài. Chỉ cần mặt trời tồn tại, pin mặt trời có thể sử dụng lâu dài với một lần đầu tư; và nhiệt điện, phát điện hạt nhân. Ngược lại, pin mặt trời không gây ô nhiễm môi trường.
3. Thành phần hệ thống
Hệ thống phát điện quang điện bao gồm các mảng pin mặt trời, bộ pin, bộ điều khiển sạc và xả, bộ biến tần, tủ phân phối điện xoay chiều, hệ thống điều khiển theo dõi mặt trời và các thiết bị khác. Một số chức năng thiết bị của nó là:
mảng pin
Khi có ánh sáng (cho dù đó là ánh sáng mặt trời hay ánh sáng do các đèn chiếu sáng khác tạo ra), pin sẽ hấp thụ năng lượng ánh sáng và sự tích tụ các điện tích tín hiệu ngược chiều xảy ra ở cả hai đầu của pin, tức là "điện áp quang tạo" được tạo ra, đó là "hiệu ứng quang điện". Dưới tác dụng của hiệu ứng quang điện, hai đầu pin mặt trời sinh ra suất điện động, có tác dụng biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện, là thiết bị biến đổi năng lượng. Pin mặt trời nói chung là tế bào silicon, được chia thành ba loại: pin mặt trời silicon đơn tinh thể, pin mặt trời silicon đa tinh thể và pin mặt trời silicon vô định hình.
Bộ pin
Chức năng của nó là lưu trữ năng lượng điện do dãy pin mặt trời phát ra khi nó được chiếu sáng và cung cấp điện cho tải bất cứ lúc nào. Các yêu cầu cơ bản đối với bộ pin được sử dụng trong sản xuất pin năng lượng mặt trời là: a. tỷ lệ tự phóng điện thấp; b. tuổi thọ lâu dài; c. khả năng xả sâu mạnh mẽ; d. hiệu quả sạc cao; e. ít bảo trì hoặc bảo trì miễn phí; f. nhiệt độ làm việc Phạm vi rộng; g. giá thấp.
Bộ điều khiển
Nó là một thiết bị có thể tự động ngăn pin sạc quá mức và xả quá mức. Vì số chu kỳ sạc và xả và độ sâu xả của pin là những yếu tố quan trọng trong việc xác định tuổi thọ của pin nên bộ điều khiển sạc và xả có thể kiểm soát việc sạc quá mức hoặc xả quá mức của bộ pin là một thiết bị cần thiết.
Biến tần
Là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều. Vì pin mặt trời và pin là nguồn điện một chiều,
Khi tải là tải xoay chiều, một biến tần là điều cần thiết. Theo chế độ hoạt động, biến tần có thể được chia thành biến tần hoạt động độc lập và biến tần nối lưới. Biến tần độc lập được sử dụng trong các hệ thống điện pin mặt trời độc lập để cấp nguồn cho các tải độc lập. Biến tần nối lưới được sử dụng cho hệ thống phát điện bằng pin mặt trời nối lưới. Biến tần có thể được chia thành biến tần sóng vuông và biến tần sóng sin theo dạng sóng đầu ra. Bộ nghịch lưu sóng vuông có mạch đơn giản và giá thành rẻ, nhưng có thành phần sóng hài lớn. Nó thường được sử dụng trong các hệ thống dưới vài trăm watt và với yêu cầu sóng hài thấp. Bộ biến tần sóng sin đắt tiền, nhưng có thể được áp dụng cho nhiều tải khác nhau.
4. Phân loại hệ thống
Hệ thống phát điện quang điện được chia thành hệ thống phát điện quang điện độc lập, hệ thống phát điện quang điện nối lưới và hệ thống phát điện quang điện phân tán.
1. Phát điện quang điện độc lập còn được gọi là phát điện quang điện ngoài lưới. Nó chủ yếu bao gồm các thành phần pin mặt trời, bộ điều khiển và pin. Để cung cấp điện cho tải AC, cần phải cấu hình một biến tần AC. Trạm điện quang điện độc lập bao gồm hệ thống cung cấp điện thôn bản ở vùng sâu vùng xa, hệ thống cung cấp điện năng lượng mặt trời cho hộ gia đình, bộ nguồn tín hiệu truyền thông, bảo vệ catốt, đèn đường năng lượng mặt trời và các hệ thống phát điện quang điện khác với pin có thể hoạt động độc lập.
2. Phát điện quang điện nối lưới là dòng điện một chiều do môđun năng lượng mặt trời tạo ra được biến đổi thành dòng điện xoay chiều đáp ứng yêu cầu của lưới điện thông qua bộ biến tần nối lưới sau đó đấu trực tiếp vào lưới điện công cộng.
Nó có thể được chia thành các hệ thống phát điện nối lưới có và không có pin. Hệ thống phát điện nối lưới với ắc quy có thể lập lịch và có thể hòa vào hoặc rút khỏi lưới điện tùy theo nhu cầu. Nó còn có chức năng cung cấp nguồn điện dự phòng, có thể cung cấp điện khẩn cấp khi nguồn điện lưới bị cắt vì một lý do nào đó. Hệ thống phát điện nối lưới quang điện bằng pin thường được lắp đặt trong các tòa nhà dân cư; hệ thống phát điện nối lưới không có pin không có chức năng phân tán và nguồn dự phòng, và thường được lắp đặt trên các hệ thống lớn hơn. Phát điện quang điện nối lưới có các trạm phát điện quang điện nối lưới quy mô lớn tập trung, đây thường là các trạm điện cấp quốc gia. Tuy nhiên, loại hình trạm điện này chưa phát triển nhiều do vốn đầu tư lớn, thời gian xây dựng lâu và diện tích lớn. Quang điện nối lưới quy mô nhỏ phân tán, đặc biệt là sản xuất điện quang điện tích hợp trong tòa nhà, là xu hướng chủ đạo của sản xuất điện quang điện nối lưới do ưu điểm đầu tư nhỏ, xây dựng nhanh, diện tích nhỏ và hỗ trợ chính sách mạnh mẽ.
3. Hệ thống phát điện quang điện phân tán, còn được gọi là phát điện phân tán hoặc cung cấp năng lượng phân tán, đề cập đến cấu hình của hệ thống cung cấp năng lượng quang điện nhỏ hơn tại địa điểm sử dụng hoặc gần địa điểm phát điện để đáp ứng nhu cầu của người dùng cụ thể và hỗ trợ mạng lưới phân phối hoạt động kinh tế, hoặc đáp ứng yêu cầu của cả hai khía cạnh cùng một lúc.
4. Các thiết bị cơ bản của hệ thống phát điện quang điện phân phối bao gồm linh kiện tế bào quang điện, giá đỡ mảng vuông quang điện, hộp tổ hợp điện một chiều, tủ phân phối điện một chiều, biến tần nối lưới, tủ phân phối điện xoay chiều và các thiết bị khác, cũng như hệ thống cung cấp điện thiết bị quan trắc và thiết bị giám sát môi trường. Chế độ hoạt động của nó là trong điều kiện bức xạ mặt trời, mảng mô-đun pin mặt trời của hệ thống phát điện quang điện sẽ chuyển đổi năng lượng điện đầu ra từ năng lượng mặt trời và gửi nó đến tủ phân phối điện một chiều thông qua hộp kết hợp điện một chiều và lưới điện - Biến tần được kết nối chuyển đổi nó thành nguồn điện AC. Bản thân tòa nhà đã được tải, và lượng điện dư thừa hoặc không đủ được điều chỉnh bằng cách kết nối với lưới điện.
5. Ưu nhược điểm
So với các hệ thống phát điện thường được sử dụng, ưu điểm của phát điện quang điện mặt trời chủ yếu thể hiện ở:
Điện mặt trời được mệnh danh là năng lượng mới lý tưởng nhất. ①Không có nguy cơ cạn kiệt; ② An toàn và đáng tin cậy, không gây tiếng ồn, không xả thải ô nhiễm, hoàn toàn sạch sẽ (không gây ô nhiễm); ③ Nó không bị giới hạn bởi sự phân bố địa lý của các nguồn tài nguyên và có thể sử dụng các lợi thế của việc xây dựng mái nhà; ④Không cần tiêu thụ nhiên liệu và lắp dựng đường dây truyền tải Nguồn điện địa phương và cung cấp điện; ⑤ Chất lượng năng lượng cao; ⑥Người dùng dễ chấp nhận tình cảm; ⑦ Thời gian xây dựng ngắn và thời gian thu năng lượng ngắn.
sự thiếu sót:
① Mật độ phân bố năng lượng của bức xạ nhỏ, tức là nó chiếm một diện tích lớn; ②Năng lượng thu được liên quan đến bốn mùa, ngày và đêm, mây và nắng và các điều kiện khí tượng khác. Việc sử dụng năng lượng mặt trời để phát điện có chi phí thiết bị cao, nhưng hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời thấp nên chưa thể sử dụng rộng rãi. Nó chủ yếu được sử dụng trong một số môi trường đặc biệt, chẳng hạn như vệ tinh.
6. Các lĩnh vực ứng dụng
1. Nguồn cung cấp năng lượng mặt trời cho người dùng: (1) Nguồn điện nhỏ từ 10-100 W, được sử dụng ở các vùng sâu vùng xa không có điện như cao nguyên, hải đảo, khu mục vụ, đồn biên phòng và các nguồn điện dân dụng và quân sự khác, chẳng hạn như ánh sáng , TV, máy ghi âm, v.v.; (2) 3 -5 Hệ thống phát điện nối lưới trên mái nhà hộ gia đình KW; (3) Máy bơm nước quang điện: giải quyết vấn đề uống và tưới các giếng sâu ở những vùng không có điện.
2. Các lĩnh vực giao thông như đèn định vị, đèn tín hiệu giao thông / đường sắt, đèn cảnh báo / tín hiệu giao thông, đèn đường Yuxiang, đèn cản trở độ cao, bốt điện thoại không dây trên đường cao tốc / đường sắt, cung cấp điện chuyển đường không người giám sát, v.v.
3. Lĩnh vực truyền thông / thông tin liên lạc: trạm chuyển tiếp vi ba không người trực bằng năng lượng mặt trời, trạm bảo dưỡng cáp quang, hệ thống cung cấp điện phát sóng / truyền thông / phân trang; hệ thống quang điện điện thoại của hãng vận tải nông thôn, máy liên lạc nhỏ, hệ thống cung cấp điện GPS cho binh lính, v.v.
4. Lĩnh vực dầu khí, hàng hải và khí tượng: hệ thống điện mặt trời bảo vệ catốt cho đường ống dẫn dầu và cửa hồ chứa, cấp điện sinh hoạt và khẩn cấp cho dàn khoan dầu, thiết bị dò tìm hàng hải, thiết bị quan trắc khí tượng / thủy văn, v.v.
5. Nguồn điện cho các loại đèn gia dụng: như đèn sân vườn, đèn đường, đèn di động, đèn cắm trại, đèn leo núi, đèn câu cá, đèn đen, đèn gõ, đèn tiết kiệm điện, v.v.
6. Trạm điện quang điện: Trạm điện quang điện độc lập 10KW -50 MW, trạm điện bổ sung năng lượng mặt trời (diesel) gió, các trạm sạc nhà máy đậu xe lớn khác nhau, v.v.
7. Các tòa nhà năng lượng mặt trời kết hợp phát điện mặt trời với vật liệu xây dựng để các tòa nhà lớn trong tương lai có thể tự cung cấp điện, đây là một hướng phát triển chính trong tương lai.
8. Các lĩnh vực khác bao gồm: (1) Phù hợp với ô tô: xe năng lượng mặt trời / xe điện, thiết bị sạc pin, điều hòa ô tô, quạt thông gió, hộp nước lạnh, v.v ...; (2) hệ thống phát điện tái tạo để sản xuất hydro mặt trời và pin nhiên liệu; (3) nước biển cung cấp điện thiết bị khử mặn; (4) Vệ tinh, tàu vũ trụ, trạm năng lượng mặt trời ngoài không gian, v.v.