太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)(設(shè)計安裝)(存儲版)

　　

【正文】 ：大氣質(zhì)量 =1/cosθ 估算大氣質(zhì)量的簡易方法是測量高度為 h 的豎直物體投射的陰影長度 s，于是有 大氣質(zhì)量 = 1 + (h ) 在其他大氣變量不變的情況下，隨著大氣質(zhì)量的增加，到達(dá)地球的能量在所有波段都遭 到衰減。 3Mw/cm ） 比率 世界和中國太陽能資源分布情況 在世界上，美國西南部，非洲，澳大利亞等地總輻射量或日照時數(shù)都最大，在這些地 區(qū)很多屬于第三世界發(fā)展中國家，在這些地方利用太陽能發(fā)電具有很多優(yōu)越性。尤以西藏西部最為豐富，最高達(dá) 2333kWh/ m2 （日輻射量 ，居世 界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠。 太陽能輻射數(shù)據(jù)可以從縣級氣象臺站取得，也可以從國家氣象局取得。 通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能利用的屬于太陽能熱利用技術(shù)，再利用熱能進(jìn)行 發(fā)電的稱為太陽能熱發(fā)電，也屬于這一技術(shù)領(lǐng)域；通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電 能利用的屬于太陽能光發(fā)電技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進(jìn)行 光電轉(zhuǎn)換的，因此又稱太陽能光伏技術(shù)。 圖 太陽電池工作示意圖 17 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 exp? n ? ? 第三章 太陽電池、組件 圖 彩色太陽電池 隨著地球化石資源的日益消耗和環(huán)保意識的深入人心，隨著太陽能光伏發(fā)電理論研究和 新工藝技術(shù)研究的深入發(fā)展，也隨著規(guī)模效應(yīng)帶來的成本的持續(xù)下降，太陽能光伏發(fā)電有望 逐漸成為新世紀(jì)的主力電源。電流密度 Jp為 J p = q D p L p (p ? pn0 ) = qpn0 D p ? ? qV ? ? L p ? ? kT ? ? () 同樣，注入到 p區(qū)的少數(shù)載流子電子的電流密度 Jn為 18 ? ? ? ? ? ? 1? ? ? qV ? ? ? ? kT ? ? 第三章 太陽電池、組件 J n = qn p0 Dn Ln ? ? qV ? ? ? exp? kT ? ? 1? () 因加偏壓 V 而產(chǎn)生的總電流是空穴電流與電子電流之和，故總電流密度 J 為： J = J p + J n = J 0 ? exp? () J 0 = qpn0 D p L p + qn p0 Dn Ln () 總電流密度 J具有如圖 所示的整流特性。它們在 pn結(jié)附近形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。本節(jié)以最普通的硅材料 PN 結(jié)太陽電池為例，研究光能轉(zhuǎn)換成電能的過程。 太陽電池的基本特性 短路電流 太陽電池的短路電流等于其光生電流。 設(shè)半導(dǎo)體、減反射膜、空氣的折射率分別為 n n n0，減反射膜厚度為 d1，則反射率 R為 式中： r1=(n0 n1)/(n0 + n1) r2=(n1 n2)/(n1 + n2) θ=2πn1d1/λ λ－波長 R = r12 + r22 + 2r1r2 cos 2? 1 + r12 r22 + 2r1r2 cos 2? () 顯然，減反射膜的厚度 d1為 1/4 波長時， R為最小。用 Si與 GaAs比較，因為 GaAs的禁帶寬度寬，故 I0值比 Si的小幾個 數(shù)量級， GaAs的 VOC值比 Si的高 伏左右。由 于電池邊沿的漏電和制作金屬化電極時，在電池的微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等， 使一部分本應(yīng)通過負(fù)載的電流短路，這種作用的大小可用一并聯(lián)電阻 RSh來等效。 VOC隨溫度的升高急劇下降。 （ 2） 溫度 :隨溫度的增加，效率 η下降。 C， VOC降低 或降低 %。在加工過程中，適當(dāng)而且經(jīng)常進(jìn)行相關(guān)工藝處理，可以使 復(fù)合中心移走，因而延長壽命。 圖 高摻雜效應(yīng)。為了使 RS小，一般是使金屬柵線做成又密又細(xì)的形狀。 柱狀多晶硅微結(jié)構(gòu) (d)納晶硅微結(jié) 構(gòu) (e)非晶硅微結(jié)構(gòu) 圖 非晶硅原子鍵合情況 晶體硅太陽電池的工藝流程可以歸納為下列步驟： (1). (4). (5). (6). 砂子還原成治金級硅 。太低的電阻率反而使開路電壓降低，并且導(dǎo)致填充因子下降。 (2). 工作壽命長，要求組件能正常工作 20～ 30 年，因此要求組件所使用的材料， 零部件及結(jié)構(gòu)，在使用壽命上互相一致，避免因一處損壞而使整個組件失效。 31 第三章 太陽電池、組件 圖 平板式太陽電池組件示意圖 1－邊框； 2－邊框封裝膠； 3－上玻璃蓋板； 4－粘接劑； 5－下底板； 6－硅太陽電池； 7－互連條； 8－引線護套； 9－電極引線。 底板 一般為鋼化玻璃、鋁合金、有機玻璃、 TPF 等。 I Isc m Imp V Vmp Voc 圖 太陽電池組件的伏安特性曲線 圖 太陽電池并聯(lián)和串聯(lián)圖 34 第三章 太陽電池、組件 圖 太陽電池串聯(lián)的伏安特性曲線（兩個和多個） 圖 太陽電池并聯(lián)的伏安特性曲線 失配對太陽電池的影響 當(dāng)太陽電池之間或組件之間的性能不一致時，將它們連接在一起會出現(xiàn)失配。 36 第三章 太陽電池、組件 圖 兩個串聯(lián)電池。通常兩單電池電壓相同，而輸出 電流是兩單電池電流之和。光伏方陣的輸出功率從數(shù)瓦到數(shù)十千瓦不等。 充電控制器：蓄電池的過充電保護裝置。這些電池正面用退水玻璃背面用軟的東西封裝。因為非晶硅薄膜是靠氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的，在一塊襯底 上便于使多個單元電池串聯(lián)連接而獲得較高的電壓輸出，如圖 43 所示。可見，為驅(qū)動電子裝置，需要一定的高壓，而 該組裝方法存在問題是成本高，接線點太多；從可靠性的觀點來看接線點太多是不利的。 光伏組件是由太陽能電池片群密封而成，是陣列的最小可換單元。 接線箱：匯總太陽電池組件的配線。光伏組件的輸出功率從零點幾瓦到數(shù)百瓦不等。 并聯(lián)失配 并聯(lián)放置的太陽電池如圖 所示。 串聯(lián)失配 由于大部分的光伏組件都是串聯(lián)的，串聯(lián)失配是最常見的失配形式。 太陽電池串聯(lián)的伏安特性曲線，見圖 。目前，低鐵鋼化玻璃為最為普遍的上蓋板材料 粘結(jié)劑 主要有：室溫固化硅橡膠、氟化乙烯丙烯、聚乙烯醇縮丁醛、透明雙氧樹酯、聚醋酸 乙烯等。 30 第三章 太陽電池、組件 圖 玻璃殼體式太陽電池組件示意圖 1－玻璃殼體； 2－硅太陽電池； 3－互連條； 4－粘接劑； 5－襯底； 6－下底板； 7－邊框線； 8－電極接線柱。可以將若干單 體電池串、并聯(lián)連接并嚴(yán)密封裝成組件。 (2). 電阻率：由硅太陽電池的原理知道，在一定范圍內(nèi)，電池的開路電壓隨著硅基 體電阻率的下降而增加，材料電阻率較低時，能得到較高的開路電壓，而短路電 流則略低，總的轉(zhuǎn)換效率較高。 26 第三章 太陽電池、組件 硅太陽電池常規(guī)工藝 硅太陽電池的基本工藝 目前，地面用太陽電池所用材料多為硅材料，根據(jù)原子鍵合狀態(tài)不同，大概可以分為晶體硅， 薄膜硅，下面將有詳細(xì)的分析。 （ 7） 金屬柵線和光反射 :在前表面上的金屬柵線不能透過陽光。一種稱為重?fù)诫s效應(yīng)的現(xiàn)象近年來已引起較多的關(guān)注，在高摻雜濃度下， 由于能帶結(jié)構(gòu)變形及電子統(tǒng)計規(guī)律的變化，所有方程中的 Nd和 Na都應(yīng)以（ Nd） eff和（ Na） eff 代替。載流 子的長壽命也會減小暗電流并增大 VOC。 C時，效率僅為 12％。 圖 影響太陽電池輸出特性的因素 影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素 （ 1） 材料能帶寬度 :開路電壓 VOC隨能帶寬度 Eg的增大而增大，但另一方面，短路電流密度 JSC隨 能帶寬度 Eg的增大而減小。 理想吸收材料的光譜響應(yīng)應(yīng)該是：當(dāng)光子能量 hνEg時， SR＝ 0； hνEg時， SR＝ 1。流經(jīng)負(fù)載的電流，經(jīng) 過它們時，必然引起損耗。而當(dāng)有 圖 開路電壓與短路電流的關(guān)系 較強的陽光時， VOC則與入射光的強度的對數(shù)成正比。為防止表面 的反射，在半導(dǎo)體表面沉積折射率介于半導(dǎo)體折射率和空氣折射率之間的透明薄膜層。通過調(diào)整負(fù)載的大小，可以在一個最佳的 工作點上得到最大輸出功率。它的基本構(gòu)造是由半導(dǎo)體的 PN 結(jié)組成。 太陽電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體 pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)存在外加電壓時，空間電荷 區(qū)的 n區(qū)邊界和 p區(qū)邊界的空穴濃度 pn及電子濃度 np如下： pn = pn0 exp? qV n p = n p0 exp? qV kT ? kT ? () 當(dāng)加正向電壓時 V0，加反向電壓時 V0。此外對 于晶體硅太陽電池，由于減反膜的厚度不同可以制備成不同顏色的太陽電池。 可充分利用當(dāng)?shù)刎S富的太陽能資源，采用太陽光發(fā)電技術(shù)，發(fā)展經(jīng)濟，提高人民生活水平。這些地區(qū)包括湖南、湖北、廣西、江西、浙江、 福建北部、廣東北部、 陜南、蘇北、皖南以及黑龍江、臺灣東北部等地。 一類地區(qū)為我國太陽能資源最豐富的地區(qū)，年太陽輻射總量 66808400 MJ/m2，相當(dāng)于 日輻射量 。實際使用的測量儀表有： ①、 天空輻射計 ②、 散射輻射計 ③、 棒移式總輻射計 ④、 直接輻射計 ⑤、 日照時數(shù)計表 波長 (um) 圖 22 太陽能光譜分布 14 2 2 ） 第 2 章 太陽和太陽能 表 21 是地球表面接收到的太陽輻射能按月份變化的規(guī)律： 表 21 太陽輻射能按月份變化規(guī)律 月份日期 （冬至） （春分） （夏至） 5（秋分） 太陽強度 Mw 太陽在頭頂正上方時，路程最短，太陽光線的實際路程和此最短路程之比稱為光學(xué)大氣 質(zhì)量。如圖 2。主要考慮以下方面： 利用球面三角公式求出每天日出日落時間和任意時刻太陽高度角，方位角。 d）春分與秋分日，春分（ 3 月 21 日）與秋分（ 9 月 23 日），太陽恰好直射地球的 赤道平面。 b） 角速度，地軸相對太陽的轉(zhuǎn)動速度不一樣，對北半球夏天快、冬天慢，對南 半球、夏慢、冬快。稱為太陽的大氣層，溫度約為 5000176。光譜分析表明， 一般認(rèn)為太陽由里向外可分為如圖 21 所示的 6 個區(qū)域 .圖 21 給出了太陽結(jié)構(gòu)示意圖 [1]、太陽核 其中進(jìn)行著激烈的熱核反應(yīng)并產(chǎn)生 90%的能量，以對流和輻射的方式 向外放出能量。金屬和其他元素 ,總計占 % 太陽和地球的物理性質(zhì)的比較如表 21 所列： 表 21 太陽 太陽直徑 在日地平均距離上太陽的徑向角 太陽表面積 太陽質(zhì)量 太陽體積 太陽平均密度 表面加速度 冠溫度 光球表面溫度（相對于黑體輻射） 陽光輻射率 太陽表面拋物線速度 太陽自轉(zhuǎn)周期 太陽視差 太陽成分（按重量） 氫 氦 重元素 慣性矩 太陽常數(shù)值 太陽和地球的物理性質(zhì) 10 32 2 對光伏的產(chǎn)量和價格的預(yù)測見表 16。 我國對于太陽電池的研究主要集中在實用型的單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池、非 晶硅太陽電池、砷化鎵太陽電池、空間用的硅太陽電池及其系統(tǒng)、錫銦銅及碲化鎘化合物 薄膜太陽電池和聚光太陽電池及