CN108462248A - 一种太阳能发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能发电系统，包括至少一个太阳能电池、直流输出端和至少一个偏置电压源，偏置电压源与太阳能电池串联；偏置电压源对太阳能电池施加外部反向直流偏置电压。本发明的光电转换效率高，提高了太阳能电池输出功率和系统发电量，可以应用于太阳能并网、离网和储能发电系统中。
Description
[技术领域]
本发明涉及太阳能发电，尤其涉及一种太阳能发电系统。
[背景技术]
太阳能发电系统中，太阳能电池把太阳的光能转换为直流电，通过太阳能电池的串并联提高电压、增大电流，汇流箱、配电柜等实现电气连接功能，逆变器把这种随机变化的直流电转换为与公用电网频率、相位、电压均相同的交流电实现并网发电，或者直接转换为50/60Hz的交流电实现离网发电。传统太阳能光伏发电系统，如图1所示，主要由串联连接的太阳能电池、逆变器、交流电网或负载组成。
太阳能发电系统中使用太阳能电池作为光电转换器件，太阳能电池本质为光电二极管，其等效电路模型为一个电流源与一个普通二极管构成，如图2所示。其中，电阻Rsh为等效并联电阻，电阻Rs为等效串联电阻，Iph为电流源即太阳能电池反向光电流，I为太阳能电池工作电流，V为太阳能电池工作电压，二极管D两端存在太阳能电池内在电场产生的直流电压。太阳能电池是一种将光信号变成电信号的半导体器件，太阳能电池在设计和制作时尽量使表面积相对较大，以接收更多入射光。
太阳能电池的等效物理模型是一个类似于普通二极管的PN结，在衬底上由半导体材料构成，其形成过程为中N区的电子扩散至P型，因而N区带正电荷；同时P区的空穴由于接收电子而被填充，因此P区带负电荷，如图3所示。由形成过程可见，PN结电场的正方向由N区指向P区，这个也称为内在自偏置反向电压。
当前太阳能发电系统中全部使用太阳能电池的光伏效应：当有光照进入PN结时，本征半导体吸收光生电子后把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，并且在内在自偏置反向电压的作用下发生漂移运动，P区的电子被内建电场拉到N区，N区的空穴被拉到P区。因而，P区带正电，N区带负电，形成光伏电压和光生载流子也即光电流，如图4所示。将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光伏电压，如图5所示。这个光电流是一种反向电流。光的强度越大，反向光电流也越大。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。太阳能电池片的内在自偏置电压一般低至0.4-0.8V，根据太阳能电池的不同类型而存在差异，而太阳能太阳一般包含多晶硅、单晶硅、硅基薄膜、铜铟镓硒薄膜、碲化镉薄膜电池等。为了达到更高工作电压，多个电池片串联构成组件、多个组件串联构成组串，当然电池片、组件也可并联使用。为了简化描述起见，本文中把电池片、组件、组串、或多个组串串并联组成的阵列统一称作太阳能电池，多个太阳能电池串联仅提高工作电压，但无法增大工作电流。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种光电转换效率高，使输出电流和输出功率增大的太阳能发电系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种太阳能发电系统，包括至少一个太阳能电池、直流输出端和至少一个偏置电压源，偏置电压源与太阳能电池串联；偏置电压源对太阳能电池施加外部反向直流偏置电压。
以上所述的太阳能发电系统，包括复数个所述的太阳能电池，复数个太阳能电池串联。
以上所述的太阳能发电系统，偏置电压源的数量与太阳能电池的数量相同，每个太阳能电池对应串联一个偏置电压源。
以上所述的太阳能发电系统，偏置电压源对每个太阳能电池施加的外部反向直流偏置电压大于太阳能电池内部的自偏置电压。
以上所述的太阳能发电系统，偏置电压源为直流电源，包括蓄电池、电容、直流-直流功率变换器或交流-直流功率变换器。
以上所述的太阳能发电系统，包括逆变器，逆变器的直流输入端连接所述的直流输出端。
以上所述的太阳能发电系统，偏置电压源为蓄电池或电容，蓄电池或电容在太阳能电池光照不足时充电，充电电源采用直流-直流功率变换器、交流-直流功率变换器或线性电源。
以上所述的太阳能发电系统，偏置电压源为所述的直流-直流功率变换器或交流-直流功率变换器，所述的逆变器与直流-直流功率变换器或交流-直流功率变换器通信连接，将MPP处的电压和电流信息下发指令给直流-直流功率变换器或交流-直流功率变换器，适时调节直流-直流功率变换器或交流-直流功率变换器的输出电压和输出电流。
本发明的光电转换效率高，提高了太阳能电池输出功率和系统发电量，可以应用于太阳能并网、离网和储能发电系统中。
[附图说明]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是现有技术太阳能发电系统的原理图。
图2是现有技术太阳能电池的等效电路图。
图3是现有技术阳能电池等效物理模型原理图。
图4是现有技术太阳能电池的光伏效应原理图。
图5是现有技术太阳能电池电路示意图。
图6是本发明实施例太阳能电池施加外部反向直流偏置电压时的等效物理模型原理图。
图7是本发明实施例1太阳能光导发电系统的原理图。
图8是本发明实施例2太阳能光导发电系统的原理图。
[具体实施方式]
为了进一步增大多个太阳能电池串联的工作电流，本发明提出了太阳能光导发电的概念和技术，而光导技术过去仅用于光纤通信、光电传感器等领域，一般用于弱电信号检测和接收。与光伏效应本质不同的是，光导效应必须在太阳能电池上施加外部反向直流偏置电压，外加电场的方向与内在自偏置电压即内建电场的方向相同，打破了扩散运动和漂移运动的相对平衡，把各区的多数电子推向空间电荷区即耗尽区，因此加强了内建电场，使漂移运动加剧、扩散运动减弱。没有光照时，由于太阳能电池内部的PN结施加反向电压，从而反向光电流极其微弱，称为暗电流，其大小由太阳能电池的等效并联电阻决定。当有光照时，携带能量的光生电子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使大部分电子更容易挣脱共价键，从而极大提高了电子-空穴对数量，在外部与内在偏置电压的共同作用下发生更大规模的漂移运动，其工作原理如图6所示。
如果外部施加的反向偏置电压大于内在自偏置电压，大部分反向光电流由外偏置电压决定，从而使反向光电流显著变大。从以上工作原理可以看出，光导模式的反向光电流内在已包含自偏置所产生的光伏电流，施加外部反向直流偏置电压后PN结的耗尽区变得更宽，因此光导电流明显大于光伏电流，大幅度提高了光电转换效率，从而实现更大的输出电流和输出功率。
利用以上光导效应原理构成的太阳能光导发电系统实施例1如图7所示，这个系统中第1个太阳能组件、第2个第太阳能组件、及第n个太阳能组件、与光导增能器（偏置电压源）手拉手首尾串联连接，直流电进入逆变器经过直流-交流功率变换后，交流输出接至交流电网AC或负载RL。太阳能组件内部一般具有三组或多组子串，每组子串内部由多个电池片串联构成，每个电池片均具有PN结，并且每个子串设置有旁路二极管，以消除组件热斑效应及部分解决短木板问题。系统中n个组件均为串联连接，相当于光导增能器给每个太阳能组件、及其内部电池片施加了外部反向直流偏置电压，从而可利用光导效应原理实现比光伏电流更大的光导电流。传统太阳能光伏发电系统中，多个太阳能组件串联连接以提高直流输出电压，而光导发电系统中新增的光导增能器具有两种功能：一方面进一步提高了逆变器的直流工作电压，即在原太阳能光伏系统组件串联直流电压基础上、再串联叠加了光导增能器的输出电压；另一方面光导增能器的输出电压相当于给所有组件、及其内部电池片施加了外部反向直流偏置电压，从而可利用光导效应使系统中太阳能电池的工作电流进一步增大。由于太阳能发电系统中增加了光导增能器，因此可同时提高系统直流工作电压和工作电流，从而太阳能电池串联后的总输出功率得到了进一步增大。值得注意的是，这n个组件既可串联连接、也可并联连接，同时组件内部的电池片既可串联连接、也可并联连接，组件或电池片并联连接并不改变光导效应所实现的电流和功率增大效果。
利用以上光导效应原理构成的太阳能光导发电系统实施例2如图8所示，这个系统中第1个太阳能组件、第2个第太阳能组件、及第n个太阳能组件、与第1个光导增能器（偏置电压源）、第2个光导增能器、及第n个光导增能器首尾串联连接，直流电进入逆变器经过直流-交流功率变换后，交流输出接至交流电网AC或负载RL。系统中n个组件均为串联连接，通过多个光导增能器1-n给相应太阳能组件、及其内部电池片施加外部反向直流偏置电压，从而可利用光导效应原理实现比光伏电流更大的光导电流。工作原理与图7所示的实施例1相似，可同时提高系统直流工作电压和工作电流，太阳能电池串联后的总输出功率得到了进一步增大，从而光导效应能增大直流电流和功率。
光导增能器即偏置电压源是太阳能光导发电系统的核心设备，其核心作用为给太阳能电池提供外部反向直流偏置电压，既可提高系统直流工作电压，又通过光导效应增大太阳能电池电流。光导增能器本质上是为电压源，其构成形式为铅酸、锂离子、液流等类型的蓄电池；铝电解、金属膜、薄膜等类型的电容器或超级电容器；及各种类型的直流-直流、交流-直流等功率变换器。在白天太阳能发电系统工作时，蓄电池、电容器内部存储能量放电导致其电压降低后，需要在晚上及时充电而补充电能，可由直流-直流、交流-直流等功率变换器、或线性电源实现充电，从而放电、充电过程在时间上错开进行。
另外，太阳能电池最大功率点（MPP）发生在其功率曲线的峰值点，此时工作电压和工作电流的乘积最大。为了实现MPP功能，光导增能器的输出电流必须与太阳能电池的工作电流相同。一般地，逆变器内部通过爬山法、增量导纳法等软件算法实现MPP跟踪功能，逆变器可将MPP处的电压和电流信息下发指令给光导增能器，以适时调节其输出电压和电流，因而光导增能器也需和逆变器协同工作与通讯。
Claims (8)
1.一种太阳能发电系统，包括至少一个太阳能电池和直流输出端，其特征在于，包括至少一个偏置电压源，偏置电压源与太阳能电池串联；偏置电压源对太阳能电池施加外部反向直流偏置电压。
2.根据权利要求1所述的太阳能发电系统，其特征在于，包括复数个所述的太阳能电池，复数个太阳能电池串联。
3.根据权利要求2所述的太阳能发电系统，其特征在于，偏置电压源的数量与太阳能电池的数量相同，每个太阳能电池对应串联一个偏置电压源。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的太阳能发电系统，其特征在于，偏置电压源对每个太阳能电池施加的外部反向直流偏置电压大于太阳能电池内部的自偏置电压。
5.根据权利要求1所述的太阳能发电系统，其特征在于，偏置电压源为直流电源，包括蓄电池、电容、直流-直流功率变换器或交流-直流功率变换器。
6.根据权利要求5所述的太阳能发电系统，其特征在于，包括逆变器，逆变器的直流输入端连接所述的直流输出端。
7.根据权利要求5所述的太阳能发电系统，其特征在于，偏置电压源为蓄电池或电容，蓄电池或电容在太阳能电池光照不足时充电，充电电源采用直流-直流功率变换器、交流-直流功率变换器或线性电源。
8.根据权利要求6所述的太阳能发电系统，其特征在于，偏置电压源为所述的直流-直流功率变换器或交流-直流功率变换器，所述的逆变器与直流-直流功率变换器或交流-直流功率变换器通信连接，将MPP处的电压和电流信息下发指令给直流-直流功率变换器或交流-直流功率变换器，适时调节直流-直流功率变换器或交流-直流功率变换器的输出电压和输出电流。
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