光伏(PV)电池将太阳光转换成电能,这就是被称为光电效应的物理过程。照射在光伏电池上的光线,可能被反射、吸收或是透射过去,不过只有被吸收的光才能产生电能。被吸收光的能量转移到光伏电池原子中的电子上,这些电子藉由新获得的能量,从它们在半导体光伏材料原子中的正常位置逃逸出来,并成为电路中电流的一部分。太阳电池具有一种被称为“内建电场”的特殊电性能,能为驱动电流通过灯泡之类的外部“负载”提供所需的动力或者电压[8]。
为了在光伏电池内部诱导出内建电场,可以将两种不同的半导体材料层相互接触放置:一层是一个带有大量电子的“n型”半导体,电子带有一个负电荷;另一层是带有大量空穴的“p型”半导体,空穴带有一个正电荷。
虽然这两种材料都是电中性的,n型硅具有多余的电子,而p型硅则具有多余的空穴。将这些夹在一起就在交界处产生了一个p-n结,这样就形成了一个电场。图1.1所示为光伏电池的p-n结。
图1.1 太阳电池的p-n结
当n型硅和p型硅相互接触时,n型硅一侧多余的电子就会漂移到p型硅一侧。结果正电荷就积累在界面处n型一侧,负电荷积累在界面处p型一侧。
这两个半导体作用就像一个电池一样,在它们接触的表面形成了一个电场,称为p-n结。这是电子和空穴流动的结果,电场驱动电子从半导体向负表面移动,以携带电流。与此同时,空穴沿着相反方向,朝向正表面,它们在那里等待电子进入[8]。
另外,还需要额外的结构和元器件将直流电(DC)转换成交流电(AC)。有些系统还储存了一些电能,这些电能通常储存在电池之中,以备将来使用。所有这些都是称为“平衡系统”(BOS)的组件[9]。(www.xing528.com)
将BOS组件与各个光伏组件组合在一起,就可以构建一个完整的光伏系统。这种系统通常用于满足特定的能源需求,比如为一台水泵、家用电器或者照明供电。图1.2所示为单个电池、由单个电池组成的一个组件以及由组件组成的一个阵列。
一个光伏或者太阳电池是光伏(或者太阳电能)系统的基本构建块。单个光伏电池通常都非常小,功率通常为1W或者2W左右[9]。为了提高光伏电池的输出功率,必须将它们连接起来形成更大的单元,也就是所谓的组件。同样,也可以将这些组件连接起来形成更大的单元,也就是所谓的阵列,这些阵列又可以连接起来产生更大的功率。将这些电池或者组件串联起来,可以提高输出电压。另一方面,又可以将这些电池或者组件并联起来,从而达到更高的输出电流。
根据太阳光采集方法的不同,光伏发电系统可以分为两大类:平板系统和聚光系统[9]。平板光伏系统直接获取太阳光,或者使用环境中散射的太阳光。它们可以固定安装使用,或者与太阳跟踪系统组合在一起使用。而聚光系统则是采集了大量的太阳光,使用透镜和反射器将这些太阳光聚集并聚焦到光伏电池板上。这些系统可以减少所需电池的大小及数量,同时又提高了输出功率。此外,通过集中太阳能光源,还能够提高光伏电池的效率。
图1.2 太阳电池、组件和阵列
a)太阳电池 b)组件 c)阵列
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