太陽能光伏發電系統技術(設計安裝)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 1 + (h ) 在其他大氣變量不變的情況下，隨著大氣質量的增加，到達地球的能量在所有波段都遭 到衰減。在陽光的光譜分布中，吸收帶附近衰減更為嚴重。 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。因此為了對不同 地點測得的不同太陽電池的性能進行有意義的比較，就必須確定一個地面標準，然后參照這 個標準進行測量。（一般采用 的分布，即總功率密度為 1KW/m （ 100mW/cm ），即接近 地球表面接收到的功率密度的最大值） 在給定地點，影響有效日照的因素有緯度，高度，氣候類別，主要植被，當地地理特征。 最經常使用的數據是水平面上總輻射的日平均值。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律： 表 21 太陽輻射能按月份變化規律 月份日期 （冬至） （春分） （夏至） 5（秋分） 太陽強度 Mwcm 比率 （相對 135176。 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都最大，在這些地 區很多屬于第三世界發展中國家，在這些地方利用太陽能發電具有很多優越性。 我國地處北半球，土地遼闊，幅員廣大，國土總面積達 960 萬平方公里。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。在我國廣闊富饒的土地上，有著豐富的太陽 能資源。全國各地的年太陽輻射總量為 928－ 2333kWh/ m2，中值為 1626kWh/ m2。 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。 一類地區為我國太陽能資源最豐富的地區，年太陽輻射總量 66808400 MJ/m2，相當于 日輻射量 。這些地區包括寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海西部和西藏 西部等地。尤以西藏西部最為豐富，最高達 2333kWh/ m2 （日輻射量 ，居世 界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠。 二類地區為我國太陽能資源較豐富地區，年太陽輻射總量為 58506680 MJ/m2，相當于 日輻射量 。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。 三類地區為我國太陽能資源中等類型地區，年太陽輻射總量為 50005850 MJ/m2，相當 于日輻射量 。主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉 15 第 2 章 太陽和太陽能 林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、蘇北、皖北、臺灣西南部 等地。 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 。這些地區包括湖南、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。 五類地區主要包括四川、貴州兩省，是我國太陽能資源最少的地區，年太陽輻射總量 33504200 MJ/m2，相當于日輻射量只有 。 太陽能輻射數據可以從縣級氣象臺站取得，也可以從國家氣象局取得。從氣象局取得的 數據是水平面的輻射數據，包括：水平面總輻射，水平面直接輻射和水平面散射輻射。 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/。與同緯度的其它國家相比，和美國類似，比歐 洲、日本優越得多。上述一、二、三類地區約占全國總面積的 2/3 以上，年太陽輻射總量高 于 5000 MJ/m2，年日照時數大于 2022h，具有利用太陽能的良好條件。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。 可充分利用當地豐富的太陽能資源，采用太陽光發電技術，發展經濟，提高人民生活水平。 圖 23 中國 太陽輻照及分布 16 第三章 太陽電池、組件 第 3 章 太陽電池、組件 太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質能、風能、海洋能、水能等都來 自太陽能；廣義地說，太陽能包含以上各種可再生能源；太陽能作為可再生能源的一種，則 是指太陽能的直接轉化和利用。 通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成熱能利用的屬于太陽能熱利用技術，再利用熱能進行 發電的稱為太陽能熱發電，也屬于這一技術領域；通過轉換裝置把太陽輻射能直接轉換成電 能利用的屬于太陽能光發電技術，光電轉換裝置通常是利用半導體器件的光伏效應原理進行 光電轉換的，因此又稱太陽能光伏技術。 太陽電池是把光能轉換成電能的一種半導體器件。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。如圖 所示。目前市場上所用多是硅太陽電池。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。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。如圖 所示 的彩色太陽電池。 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保意識的深入人心，隨著太陽能光伏發電理論研究和 新工藝技術研究的深入發展，也隨著規模效應帶來的成本的持續下降，太陽能光伏發電有望 逐漸成為新世紀的主力電源。 pn 結電流電壓特性 太陽電池是由電性質不同的 N型半導體和 P型半導體連接合成的。這兩種半導體的界面 稱作 PN結。在 pn結上加偏置電壓時，由于空間電荷區內沒有載流子（又稱為耗盡區）形成 高阻區，因此，電壓幾乎全部跨落在空間電荷區上。當外加電壓使得 p區為正時，勢壘高度 減小，空穴從 p區向 n區的移動以及電子從 n區向 p區的移動變得容易，在兩個區內有少數載流 子注入，因此電流容易流動（稱為正向）。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）。當存在外加電壓時，空間電荷 區的 n區邊界和 p區邊界的空穴濃度 pn及電子濃度 np如下： pn = pn0 exp? qV n p = n p0 exp? qV kT ? kT ? () 當加正向電壓時 V0，加反向電壓時 V0。 由于我們認為外加電壓僅跨越在空間電荷區，所以可視為 n區內沒有電場，由空穴構 成的電流只是由于它的濃度梯度形成的擴散電流。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區的少數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。正向時，在電壓較大的區域，電流密度與 exp(qV/kT)成正比；反向時則趨近于 J0。稱 J0為飽和電流密度。 圖 半導體 pn 結的電流－電壓特性 太陽電池工作原理 半導體的內光電效應 當光照射到半導體上時，光子將能量提供給電子，電子將躍遷到更高的能態，在這些 電子中，作為實際使用的光電器件里可利用的電子有： （ 1）價帶電子； （ 2）自由電子或空穴（ Free Carrier）； （ 3）存在于雜質能級上的電子。 太陽電池可利用的電子主要是價帶電子。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。 太陽電池能量轉換的基礎是半導體 pn結的光生伏特效應。當光照射到半導體光伏器件 上時，在器件內產生電子一空穴對，在半導體內部 pn結附近生成的載流子沒有被復合而能夠 到達空間電荷區，受內建電場的吸引，電子流入 n區，空穴流入 p區，結果使 n區儲存了過剩 的電子， p區有過剩的空穴。它們在 pn結附近形成與內建電場方向相反的光生電場。光生電 場除了部分抵消勢壘電場的作用外，還使 p區帶正電， N區帶負電，在 N區和 P區之間的薄層就 產生電動勢，這就是光生伏特效應。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。可以測得這個值，并稱之為開路電壓 (Voc)。由于此時 pn結處于正 向偏置，因此，上述短路光電流和二極管的正向電流相等，并由此可以決定 VOC的值。 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。它的基本構造是由半導體的 PN 結組成。 此外，異質結、肖特基勢壘等也可以得到較好的光電轉換效率。本節以最普通的硅材料 PN 結太陽電池為例，研究光能轉換成電能的過程。 首先研究在太陽電池工作時，外部觀測到的特性。圖 表示了無光照時太陽電池典 型的電流電壓特性（暗特性）。當太陽光照射到這個太陽電池上時，將有和暗電流方向相反 的光電流 Iph流過。 圖 無光照和有光照時太陽電池電流－電壓特性 當太陽電池與負載 R連接，并用太陽光照射時，負載上的電流 Im和電壓 Vm將由圖中有光 照時的電流一電壓特性曲線與 V=IR表示的直線的交點來確定。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。通過調整負載的大小，可以在一個最佳的 工作點上得到最大輸出功率。輸出功率（電能）與輸入功率（光能）之比稱為太陽電池的能 量轉換效率。 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。分析短路電流的最方便的方法是將太陽光譜劃 分成許多微小光譜區域，每一微小區域只有很窄的波長范圍，并計算出每一微小區域光譜所 對應的電流，電池的總短路電流是全光譜貢獻的總和，表達式如下： I sc = +0 jsc (? )d? ? +?m ? ? 0 jsc (? )d? = +?m ? 0 (1 ? R(? ) )qF (? )? (? )d? () 式中 λ0 ——本征吸收波長極限； R(λ)——半導體器件表面反射率； F(λ)——太陽光