太陽能光伏發電系統技術(設計安裝)(完整版)

　　

【正文】 IV曲線下最大長方形面積與 Voc Isc乘積之比，所以轉換效率可表示為 ? = FFVoc I sc Pin () 太陽電池的光譜響應 太陽電池的光譜響應是指光電流與入射光波長的關系，設單位時間波長為 λ的光入射 到單位面積的光子數為 Φ0（ λ），表面反射系數為 ρ（ λ），產生的光電流為 JL，則光譜響應 SR （ λ）定義為 SR(? ) = J L (? ) q? 0 (? )[1 ? ? (? )] () 其中 JL＝ JL|頂層 ＋ JL|勢壘 ＋ JL|基區 。但是，由于前面和背面的電極和接觸，以及材 料本身具有一定的電阻率，基區和頂層都不可避免的要引入附加電阻。 Voc = nkT I L q I 0 = I L R0 () 在很強的陽光下， ISCI0， Voc = nkT I sc q I 0 () 由此可見，在較弱陽光時，硅太陽電池的開路電壓隨光的強度作近似直線的變化。 時的情況， AM0 則表示在宇宙空間中的分布 實際半導體表面的反射率與入射光的波長有關，反射率一般為 30～ 50％。此時負載上有 Pout=RI m的功率 消耗，它清楚地表明正在進行著光電能量的轉換。 19 2 第三章 太陽電池、組件 太陽電池的能量轉換過程 太陽電池是將太陽能直接轉換成電能的器件。由價帶電子吸收光子的能量躍遷到導帶的過 程決定的光的吸收稱為本征吸收或固有吸收。當外加電壓使得 n區為正時，勢壘高度增加，載流 子的移動就變得困難，幾乎沒有電流流過（此時稱為反向）。根據硅晶體結構的不同，太陽電 池可分為：單晶硅太陽電池，多晶硅太陽電池，非晶硅太陽電池，帶狀硅太陽電池。特別是一、二類地區， 正是我國人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、邊遠的廣大西北地區，經濟發展較為落后。 四類地區是我國太陽能資源較差地區，年太陽輻射總量 42005000 MJ/m2，相當于日輻 射量 。 根據各地接受太陽總輻射量的多少，可將全國劃分為五類地區。 最經常使用的數據是水平面上總輻射的日平均值。陽光能量的精確分布對于太陽電池的工作很重要，因 為這些電池對于不同波長的光有不同的反應。這種散射對所有波長的太陽光都有衰減作用，但對 短波長的光衰減最大； （ 2）懸浮微粒和灰塵引起的散射； （ 3）大氣，特別是其組成氣體 ——氧氣、臭氧、水蒸氣和二氧化碳的吸收。目前世界上計算太陽輻射能的方法很多，現在通用性較強的方法是依靠計算機，可以很 快得出到達任意傾面的太陽輻射能。 S 為南回歸線。 。 [5]、色球層，色球層厚約 1000015000Km，大部分由低壓氦氣、氫氣以及少量離子組 成。 太陽的結構 太陽的結構還遠遠沒有弄清。 He 占 %。哈爾濱克羅拉太陽能電力公司及深圳拓日太陽能公司等 2個工廠生產的非晶硅 太陽電池價格為 23～25元 /Wp,光電轉換效率為 4～6%。 九 十年 代 開 始 以 來 ， 全 國 已 形 成 。 圖 11 世界太陽電池歷年產量 3 3 第 1章 導論 圖 12 世界光伏組件生產成本下降趨勢 表 12為歷年太陽電池發貨量，可以看到原來居太陽電池首位的美國。多年來光伏產業一直是世界增長速度最高和最穩定的領域 之一， 1999－ 2022年光伏組件的生長以 30－ 40％的速度甚至更高的遞增速度發展，太 陽電池的產量從 1999年的 202MW增加到 2022年的 1256MW，如圖 11所示。究其原因 或許是人們對于信息的追求特別強烈，而常規能源還能滿足人類對于能源的需求。太陽能光伏發電是指不通過熱過程，直接將太 陽的光能變換成電能的太陽能利用方式。目前大面積地面用太陽能電池仍以硅材料太陽能電池為主 ,主要有 單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池，此外還有部分化合物太陽能 電池（如硒銦銅薄膜太陽電池等） ,化合物砷化鎵太陽能電池主要應用于空間電源領域。應用范圍也越來越廣，尤其是各個國家的光伏計劃，為 太陽能光伏發電展現了無限光明的前途。隨自動化程度和技術水平的提 高，電池效率將由現在的水平（單晶硅 1315%，多晶硅 1113%）向更高水平（單晶硅 1820%，多晶硅 1618%）發展。中國自制的光伏航標燈、太陽能燈塔和氣象用光伏 電源、通訊用光伏電源在七十年代已開始使用，但規模很小， 1977年中國光伏產量只有 ,價格高達 200元 /Wp,光電轉換效率為 6?10%。這一項目的啟動 大大刺激了光伏工業，國內建起了幾條太陽電池的封裝線，使太陽電池的年生產量迅速達 到 100MWP （ 2022年當年產量 20MWP ）。 太陽和地球有著密切的關 系。Km大量的對流熱傳導在該 對流層以外 500Km 以內，有大量低電離的 H 原子，是肉眼所見的太陽 表面，其亮度相對于 6000176。密度為 10 g/cm ，溫度高達 100 多萬度，有時日冕能向 太空伸展幾萬公里，形成太陽風。 N 緯度圈為北回歸線。 一年中從 0 與 176。 [2] 地球表面上的太陽輻射光譜 太陽是以光輻射的方式將能量輸送到地球表面上的，因此，了解太陽光的光譜是很必要的。 在地球大氣層之外，地球 太陽平均距離處，垂直于太陽光方向的單位面積上的輻射能基本 為一常數。 與地球大氣層外的情況相反，地面陽光的強度和光譜成分變化都很大。南從北緯 4o的 曾母暗沙，北到北緯 的漠河，西自東經 73o 的帕米耳高原，東至東經 135o 的黑龍江 與烏蘇里江匯流處，距離都在 5000 公里以上。這些地區包括河北西北部、山西北部、內蒙古南部、寧夏南部、 甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。 從全國來看，我國是太陽能資源相當豐富的國家，絕大多數地區年平均日輻射量在 4 kWh/ 以上，西藏最高達 7 kWh/。當陽光照射到太陽電池上，光子所含 的能量被太陽電池吸收后，產生光生伏打效應，將太陽電池兩極用導線連成回路后，形成光 生電流。這兩種半導體的界面 稱作 PN結。稱 J0為飽和電流密度。此時，如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能 量成正比的光電流流過，這個電流稱作短路電流（ Isc），另一方面，若將 PN結兩端開路，則 由于電子和空穴分別流入 N區和 P區，使 N區的費米能級比 P區的費米能級高，在這兩個費米能 級之間就產生了電位差 VOC。圖 表示了無光照時太陽電池典 型的電流電壓特性（暗特性）。 F（ λ）的值很大的程度上依賴于太陽天頂角。 4 n1 時， Rmin ? (n 2 ? n0 n2 )? ? (n1 + n0 n2 )? () 一般在太陽光譜的峰值波長處，使得 R變為最小，以此來決定 d1的值。 太陽電池的輸出特性 等效電路 為了描述電池的工作狀態，往往將電池及負載系統用一等效電路來模擬。其中暗電流等于總面積 AT與 Jbk乘積，而光電流 IL為電池的有 22 ? ? 第三章 太陽電池、組件 效受光面積 AE與 JL的乘積，這時的結電壓不等于負載的端電壓，由圖 可見 V j = IRS + V 圖 pn 同質結太陽電池等效電路 () （ a）不考慮串并聯電阻 （ b）考慮串并聯電阻 輸出特性 根據上圖就可以寫出輸出電流 I 和輸出電壓 V 之間的關系 I = RSh RS + RSh ? V ? ? I L ? RSh ? I bk (V )? () 其中暗電流 Ibk應為 pn結電壓 Vj的函數，而 Vj又是通過式（ ）與 輸出電壓 V相聯系的。 太陽電池的輻照效應 在外層空間存在著高能粒子，如電子、質子、 γ粒子等。對于 Si， 溫度每增加 1176。在間接帶隙半導體材料如 Si中，距離 pn結 100181。設 想光強被濃縮了 X倍，單位電池面積的輸入功率和 JSC 都將增加 X倍，同時 VOC 也隨著增加 (kT/q)lnX倍。 （ 6） 串聯電阻 :在任何一個實際的太陽電池中，都存在著串聯電阻，其來源可以是引線、 金屬接觸柵或電池體電阻。裸 Si表面的反射率約為 40%。 半導體級硅（太陽電池級硅）切割為硅片 。由于絨面電池相對有較高的吸光性能，較多采用（１００）晶向的硅襯底 材料。 (4). 組合引起的電性能損失小。 太陽電池組件的封裝材料 組件工作壽命的長短和封裝材料，封裝工藝有很大的關系，它的長短是決定組件壽命 的重要因素之一。 32 第三章 太陽電池、組件 邊框 平板組件必須有邊框，以保護組件和組件與方陣的連接固定。例如，當組件中的某一個太陽電池被陰影遮擋而其他的電池都 正常接收太陽光，那么“好”電池的能量輸出就會加到“差”電池上而不是外加到負載。 電流失配意味著產生電流為兩單電池電流最小值。此時兩曲線的交點表示并聯輸出 的開 路電壓（此時 I1+I2=0）。 39 光伏發電部件介紹 第 4 章 太陽能光伏發電系統部件介紹 獨立光伏系統的構成主要包括：光伏組件（陣列）、蓄電池、逆變器、控制器。內裝輸入電壓控制、過載保護裝置等。 按照太陽電池的用途，目的、規模、太陽能電池的種類等有各種形狀的太陽能電池組件， 下面就幾種典型的例子進行介紹。 如圖 44 中（ a）所示的是襯片式結構，是在太陽電池的背后放一塊襯片作。而單個太陽電池產生的電壓小于 1V，所以要驅動這些電子產品，必須使多個太陽電池 元件串聯連接才能滿足一般電子器件的電壓要求。最好使用免維護型，一般采用鉛蓄電池。 下面我們分別加以討論。太陽電池通過吸收太陽 光的光能，將太陽的光能直接轉化為電能輸出。 圖 串聯失配時輸出的短路電流的計算 在串聯失配時，輸出的短路電流可利用圖 求得。 35 第三章 太陽電池、組件 圖 PV 組件中某一部分被遮擋是最常見的失配形式。主要材料有不銹鋼，鋁合金，橡膠，增強塑料等?，F對材料分 述如下： 上蓋板 上蓋板覆蓋在太陽電池組件的正面，構成組件的最外層，它既要透光率高，又要堅固， 起到長期保護電池的作用。 圖 晶體硅太陽電池封裝成組件所需的材料及結構 太陽電池組件的常見結構形式 圖 太陽電池的典型封裝結構 常規的太陽電池組件結構形式有下列幾種，玻璃殼體式結構如圖 ，底盒式組件如 圖 ，平板式組件如圖 ，無蓋板的全膠密封組件如圖 。 單體電池的制造 硅單體太陽電池的結構如圖 所示。 太陽電池封裝成光伏組件； 光伏組件連接成光伏方陣 . 根據不同用途，可以從下幾方面選用硅材料： (1). 導電類型：從國內外硅太陽電池生產的情況來看，多數采用Ｐ型硅材料，這是 基于ｎ ／ｐ型電池在空間的應用及其傳統的生產歷史。對于垂直地投射到電池上的單波長的光，用一種厚為 1/4 波長、 折射率等于 n （ n為 Si的折射率）的涂層能使反射率降為零。 PN結收集的 電流必須經過表面薄層再流入最靠近的金屬導線，這就是一條存在電阻的路線，顯然通 過金屬線的密布可以使串聯電阻減小。 （ 5） 摻雜濃度及剖面分布 :對 VOC有明顯影響的另一因素是半導體摻雜濃度。s，就可以被 pn收集，從而輸送到 外電路。例如，一個 25 16 3 17 3， 19 3， 第三章 太陽電池、組件 硅電池在 20176。大量研究工作表明，壽命參數對輻照缺陷最為靈敏， 也正因為輻照影響了壽命值，從而使太陽電池性能下降。曲線上任何一點都可以作為工作點 , 工作點所 對應的縱橫坐標，即為工作電流和工作電壓 ,