光伏发电原理与应用期末大作业.doc

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1、光伏发电原理与应用期末大作业姓名：文福西班级：学号：指导教师：李绍武2017春期末大作业题目1：寻找一个光伏应用系统（比如光伏路灯、屋顶光伏系统等等），根据《光伏发电原理与应用》课程中所学知识分析其结构、工作原理以及应用中存在的问题，最后提出自己认为目前比较理想的控制方式并说明其理由。（可以从成本最优化、控制最优化等方面分析）。（60分）1.LED太阳能路灯的设计a.太阳能电池的结构及工作原理：结构：太阳能电池通常由半导体硅材料制成。其作用是把太阳能直接转换为直流形式的电能，是光伏阵列中光电转换的最小单元。由于单个太阳电池的功

2、率极小，因此一般不单独作为电源使用。实际应用中是将许多单个太阳电池经过串、并联组合并进行封装后构成太阳电池组件使用。光伏阵列就是由许多太阳电池组件经过相应的串、并联后构成。原理：太阳电池的工作原理为:当太阳光照射P-N结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子一空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而使N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴;于是就在P-N结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使P型区带正电、N型区带负电;于是就使得N

3、区与P区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势。当接通外电路时，便有电能输出。这就是太阳能电池发电的基本原理。b.白光LED的发光原理：半导体发光二极管(LED)是一个在热平衡状态下形成的PN结。扩散和漂移运动相等时，内建电场稳定，此时N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合，当PN结加正向电压时，外加电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄，结区势垒降低，载流子的扩散运动加强。由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率，因此电子由N区扩散到P区是载流子扩散运动的

4、主体。由半导体的能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、价带中间附近，也就是杂质能级或者缺陷)捕获，尔后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。也就是说这些不发光的载流子将可能被杂质能级(或缺陷)所捕获，最后以发热的形式消耗掉。PN结发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率。PN结半导体材料相对于空气有较高的折射率，因此半导体内部发出的光子只有极少数能

5、逸出半导体材料与空气的界面，大多数被反射回到半导体内部，最终被吸收。我们定义逸出效率为逸出发光二极管的光子数与PN结产生的光子数之比。为了提高逸出效率，可以选择不同的封装材料、封装几何形状。这样，从晶片透出的光子首先进入封装透镜，然后再逸出，因为封装材料的折射率在半导体材料和空气折射率之间，因此光子逸出率大大提高，同时，封装透镜还起到保护半导体晶片和控制输出光的分布。2.LED太阳能路灯在应用中存在的问题：a.环保问题：LED灯中包含有锑、砷、铬、铅及其它多种金属无素，其中部分LED灯的有毒元素已超过了相关标准，有的已超出近十

6、倍在美国加州的法律里已将绝大多数LED灯定义为有毒垃圾，如果使用普通填埋方法处理将会污染土壤和地下水。而如果LED灯破碎，还可能会对直接接触的人体健康造成损害。其研究报告中还指出虽然LED未来的能效非常高，但它绝非是完全环保的选择。光伏电池所用的多晶硅在提炼过程中，耗电量却比“电老虎”之称的电解铝还要高，此外，多晶硅生产过程中如果未处理好，还会排出四氯化硅、氯化氢、氢气等尾气。四氯化硅如果不作处理，就会溶解为盐酸等物质，污染土壤。b.节能问题：太阳能和LED表面看起来在一些方面省电，但我们看待节能要从整体、系统、全面的来看待，

7、如果在其生命周期内，其节约的能源（电费和相关消耗的人工、材料、机械费可折合成相关能量）要超过研究、加工、制造其所消耗的能量，才是真正的节能，如果达不到只能是表面节能或从国家意义上来讲其实是不节能，不能只局限于表面现象。故而从多方面来说LED太阳能路灯在节能方面有很多问题。c.寿命问题：LED路灯的寿命受散热、排列和驱动电源等方面的影响，寿命并不高，目前驱动的寿命只有1万小时多点，质量差的电源寿命更短，而且损坏后可能会直接烧毁LED灯珠。太阳能照明系统中的寿命问题主要是蓄电池的寿命问题，目前较好的GEL电池，其100%DOD循环

8、寿命也就600次左右。d.维护问题：为了保证太阳能照明装置的的持续运行，检查维护通常是以一周为一个周期，在白天和夜晚对每一个装置至少各巡视一次，大风、大雨、大雪或雨季过后要立即检查电池板是否发生位移(电池板掉下来可不得了，要出安全事故的)、控制室内和蓄电池室内是否进水、积水，