太陽能電池板的原理和功率計算方法

2021-01-14 寶星UPS

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太陽能電池是一種對光有響應並能將光能轉換成電力的器件。能產生光伏效應的材料有許多種，如：單晶矽、多晶矽、非晶矽、砷化鎵、硒銦銅等。它們的發電原理基本相同，現以晶體矽為例描述光發電過程。P型晶體矽經過摻雜磷可得N型矽，形成P-N結。

 

當光線照射太陽電池表面時，一部分光子被矽材料吸收；光子的能量傳遞給了矽原子，使電子發生了躍遷，成為自由電子在P-N結兩側集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的實質是：光子能量轉換成電能的過程。

 


太陽能發電方式太陽能發電有兩種方式：一種是光→熱→電轉換方式；另一種是光→電直接轉換方式。

 

（1）光→熱→電轉換方式：通過利用太陽輻射產生的熱能發電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換成工質的蒸氣，再驅動汽輪機發電。前一個過程是光→熱轉換過程；後一個過程是熱→電轉換過程，與普通的火力發電一樣。太陽能熱發電的缺點是效率很低而成本很高。

 

（2）光→電直接轉換方式：該方式是利用光電效應，將太陽輻射能直接轉換成電能，光→電轉換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由於光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件，是一個半導體光電二極體；當太陽光照到光電二極體上時，光電二極體就會把太陽的光能變成電能，產生電流。當許多個電池串聯或並聯起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。

 

太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優點。太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發電、核能發電相比，太陽能電池不會引起環境汙染；太陽能電池可以大中小並舉，大到百萬千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽能電池組，這是其它電源無法比擬的。

 



太陽能交流發電系統是由太陽電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成；太陽能直流發電系統則不包括逆變器。為了使太陽能發電系統能為負載提供足夠的電源，就要根據用電器的功率，合理選擇各部件。下面以100W輸出功率，每天使用6個小時為例，介紹一下計算方法：

 

1、首先應計算出每天消耗的瓦時數（包括逆變器的損耗）：若逆變器的轉換效率為90%，則當輸出功率為100W時，則實際需要輸出功率應為100W/90%=111W；若按每天使用5小時，則輸出功率為111W*5小時=555Wh。

 

2、計算太陽能電池板按每日有效日照時間為6小時計算，再考慮到充電效率和充電過程中的損耗，太陽能電池板的輸出功率應為555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充電過程中，太陽能電池板的實際使用功率。

 


單晶矽太陽能的光電轉換效率最高的達到24%，這是目前所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的。但是單晶矽太陽能電池的製作成本很大，以致於它還不能被大量廣泛和普遍地使用。多晶矽太陽能電池從製作成本上來講，比單晶矽太陽能電池要便宜一些，但是多晶矽太陽能電池的光電轉換效率則要降低不少。此外，多晶矽太陽能電池的使用壽命也要比單晶矽太陽能電池短。因此，從性能價格比來講，單晶矽太陽能電池還略好。

 

研究者發現有一些化合物半導體材料適於作太陽能光電轉化薄膜。例如CdS、CdTe、Ⅲ-V化合物半導體：GaAs，AIPInP等；用這些半導體製作的薄膜太陽能電池表現出很好光電轉化效率。具有梯度能帶間隙多元的半導體材料，可以擴大太陽能吸收光譜範圍，進而提高光電轉化效率。使薄膜太陽能電池大量的應用呈現廣闊的前景。在這些多元的半導體材料中Cu（In，Ga）Se2是一種性能優良太陽光吸收材料。以它為基礎可以設計出光電轉換效率比矽明顯地高的薄膜太陽能電池,可以達到的光電轉化率為18%。



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