风能发电的工作原理

光伏发电的工作原理以及优缺点介绍

光伏发电定义

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

光伏发电的工作原理

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结内建电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的光伏发电工作原理。

太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

（1） 光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。

（2） 光—电直接转换方式该方式是利用光伏效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染。

光伏发电的优缺点

与常用的发电系统相比，太阳能光伏发电的优点主要体现在：

太阳能发电被称为最理想的新能源。

光伏发电优点

①无枯竭危险；

②安全可靠，无噪声，无污染排放外，绝对干净（无公害）；

风力发电机工作原理图

风力发电机是一种利用风能转换为电能的装置，其工作原理图如下：

1. 风能转换。

当风吹过风力发电机的叶片时，风的动能被转换为叶片的动能。风力发电机通常由多个叶片组成，这些叶片被设计成可以捕捉更多的风能，并将其转换为机械能。

2. 机械能转换。

叶片的运动会带动风力发电机的转子转动。转子连接着发电机的发电部件，当转子转动时，机械能被转换为电能。

3. 发电部件工作原理。

发电部件通常由磁场和线圈组成。当转子转动时，磁场和线圈之间会产生相对运动，从而产生感应电动势。这个电动势随着转子的转动而改变，最终被转换为交流电能。

4. 输电。

发电部件产生的电能会被输送到变压器中，经过变压器升压后，再输送到电网中。

风力发电机的工作原理图清晰地展示了风能如何被转换为电能的过程。这种清洁能源的利用方式对环境友好，能够有效减少对化石燃料的依赖，是未来发展的重要方向之一。

太阳能发电系统的结构和工作原理解析

太阳能发电是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。太阳能电池组件(Solar cells)是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置,在广大的无电力网地区,该装置可以方便地实现为用户照明及生活供电,一些发达国家还可与区域电网并网实现互补。目前从民用的角度,在国外技术研究趋于成熟且初具产业化的是光伏--建筑(照明)一体化技术,而国内主要研究生产适用于无电地区家庭照明用的小型太阳能发电系统。

1 太阳能发电原理

太阳能发电系统主要包括:太阳能电池组件(阵列)、控制器、蓄电池、逆变器、用户即照明负载等组成。其中,太阳能电池组件和蓄电池为电源系统,控制器和逆变器为控制保护系统,负载为系统终端。

1.1 太阳能电源系统

太阳能电池与蓄电池组成系统的电源单元,因此蓄电池性能直接影响着系统工作特性。

(1) 电池单元

由于技术和材料原因,单一电池的发电量是十分有限的,实用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统,称为电池组件(阵列)。单一电池是一只硅晶体二极管,根据半导体材料的电子学特性,当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时,在一定的条件下,太阳能辐射被半导体材料吸收,在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。同于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场,因而能在光照下形成电流密度J,短路电流Isc,开路电压Uoc。若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载,理论上讲由P-N结、连接电路和负载形成的回路,就有光生电流流过,太阳能电池组件就实现了对负载的功率P输出。

理论研究表明,太阳能电池组件的峰值功率Pk,由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷(需电量)决定。

(2) 电能储存单元

太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存,蓄电池的特性影响着系统的工作效率和特性。蓄电池技术是十分成熟的,但其容量要受到末端需电量,日照时间(发电时间)的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的连续无日照时间决定。

风力发电的工作原理（经典）

现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转距(风轮转动惯量),通过主轴传动链,经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后,通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网.如果超过发电机同步转速,转子也处于发电状态,通过变流器向电网馈电.

最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成,立在一定高度的塔干上,这是小型离网风机. 最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无,电压和频率不稳定,没有实际应用价值.为了解决这些问题,现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等.

齿轮箱可以将很低的风轮转速(1500千瓦的风机通常为12-22转/分)变为很高的发电机转速(发电机同步转速通常为1500转/分).同时也使得发电机易于控制,实现稳定的频率和电压输出.偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向.要知道,1500千瓦的风机机舱总重50多吨,叶轮30吨,使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度.

风机是有许多转动部件的,机舱在水平面旋转,随时偏航对准风向;风轮沿水平轴旋转,以便产生动力扭距.对变桨矩风机,组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转,以便适应不同的风况而变桨距.在停机时,叶片要顺桨,以便形成阻尼刹车.

早期采用液压系统用于调节叶片桨矩(同时作为阻尼、停机、刹车等状态下使用),现在电变距系统逐步取代液压变距. 就1500千瓦风机而言,一般在4米/秒左右的风速自动启动,在13米/秒左右发出额定功率.然后,随着风速的增加,一直控制在额定功率附近发电,直到风速达到25米/秒时自动停机.

现代风机的设计极限风速为60-70米/秒,也就是说在这么大的风速下风机也不会立即破坏.理论上的12级飓风,其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒.

风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制,在稳定的电压和频率下运行,自动地并网和脱网;同时监视齿轮箱、发电机的运行温度,液压系统的油压,对出现的任何异常进行报警,必要时自动停机,属于无人值守独立发电系统单元.