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磁性元件在光伏中的功率转换及应用(上)

发布时间:2023-02-27 来源:CODACA 责任编辑:wenwei

【导读】经过长期的技术发展——特别是在生态危机、化石能源困境等多个重大关键课题的刺激下,太阳能在以转换效率和成本为核心的技术和商业两方面的关键难点上取得了巨大突破。太阳能是可再生能源和可持续电力设施改造的关键形式、实现碳中和传播的重要途径,这不仅是全球共识,也是美国、欧盟等经济发达国家目前所处的实际情况。同时,中国也在出台相应的政策指导方针,大幅增加光伏发电装置的数量。为光伏发电系统选择合适的磁性元件对于太阳能的进一步普及具有重要的意义。


Part1 光伏发电应用与功率转换


以设施等级为划分依据,太阳能应用通常分为三类:住宅,x100W~xKW;商用,xKW ~ xMW;公共事业,xMW ~ xGW。由于太阳能应用广泛,且具有可扩展性,太阳能发电的相应功率转换有几种不同的方案可供选择:


在转换效率方面,有用于适应太阳辐射并根据电池温度调节输出的连续控制单元;考虑到相对发电成本和用电容量,有用于离网型发电的分布式微电网和用于栅极接电的集中式电站,尤其是当光伏板数量增加时,系统的孤岛风险和并网设备的低电压穿越(LVRT)会使得光伏发电的配置方案更复杂多变。


滤波电感、升压电感、电源变压器、电抗器等磁性元件除了应用于相应的功率转换之外,在其他方面也广泛应用;尤其是在典型的分布式光伏解决方案中,磁性元件成本更高(按百分比计),因此为光伏发电系统选择合适的磁性元件对于太阳能的进一步普及具有重要的意义。


Part2 系统中光伏发电及功率转换的原理


1 半导体基础


由于光电转换效率的关键要求,单晶硅异质结(HIT)太阳能电池(N衬底)是目前的重点发展类型(效率在25%左右)。目前占据安装规模的主要份额的类型仍然是铝背场(BSF)和PerC型如P 型基板电池(效率在 19% 和 21.5% 之间)。但随着设备和主要材料(硅材料和低温银浆)的不断研发和生产能力的提高,HIT成本将逐步降低,未来新装的太阳能电池将以HIT型为主。


在本征半导体中,P型或N型半导体通过掺杂获得足够的载流子浓度。由于其窄带隙,外界干扰(如照明电磁辐射)可以激发内部原子产生更多的电子-空穴对。当不同类型的半导体形成PN结时,n型端在内部扩散电场的作用下会积聚更多的电子;而p型端则相反,最终在两端形成驱动电压并成为电源,即电池。这种内部光电效应称为光伏效应。


相反的现象是LED通过电子空穴复合产生电光。两者的PN结工作状态为正偏,但光伏电池为电源(光辐射驱动电流,低功率密度),LED为负载(产生光的电力,高功率密度),因此,光伏电池可以提供大电流,LED 则受限于其散热结构和尺寸而无法通过大电流(烧坏)。相关二极管结构、电路符号及等效电路如下图1所示:


1675570273624759.png

图1 光伏电池(HIT)和LED的结构、符号和等效电路


常见的典型的光伏电池(PV)输出电流表示为:


2.png


其中:


isc—光照射产生的激发电流;


iDo—PN结的饱和电流;


q–电子电荷为1.6×10−19C中;


K–玻尔兹曼常数为1.38×10−23J/K;


A–1~2之间的理想常数;


T–PN结温度


q/AKT是辐照的弱相互作用,随辐照强度而变化;通常

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