太陽能光伏發電系統技術(設計安裝)-資料下載頁

　　

【正文】 1μm Cast, sheet, ribbon CVD Plasma deposition 圖 多晶硅形貌 27 圖 多晶硅晶粒及晶粒間界 (2). (3). ＋ 第三章 太陽電池、組件 圖 （ a）單晶硅微結構 （ b）多晶硅微結構 169。 柱狀多晶硅微結構 (d)納晶硅微結 構 (e)非晶硅微結構 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 。 治金級硅提純為半導體級硅或太陽電池級硅 。 半導體級硅（太陽電池級硅）切割為硅片 。 硅片制成太陽電池 。 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。也由于該種材料易得。 (2). 電阻率：由硅太陽電池的原理知道，在一定范圍內，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，總的轉換效率較高。所以，地面應用傾向于０ .５～３ .０ ?ｃｍ的材 料。太低的電阻率反而使開路電壓降低，并且導致填充因子下降。 28 第三章 太陽電池、組件 (3). 晶向、位錯、壽命 :太陽電池較多選用（１１１）和（１００）晶向生長的單 晶硅。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。在不要求太陽電池有很高轉換效率的場合，位錯密度和載流子壽命不作嚴 格要求。 單體電池的制造 硅單體太陽電池的結構如圖 所示。制造工藝流程如下： 1. 硅片檢測 2. 化學清洗和表面織構 3. 擴散形成 pn 結 4. 刻邊 5. 去除磷硅玻璃層 6. 制備減反射膜 7. 印刷電極 8. 烘干電極 9. 電極燒結 10. 單體性能電池檢測和分檔 fin g e r in v e rte d p y ra m id s n+ re a r c o n ta c t n p s ilic o n o x id e o x id e 圖 PERL 結構太陽電池 太陽電池組件及封裝 單體太陽電池是低電壓、大電流的器件，通常不能直接滿足負載需要。可以將若干單 體電池串、并聯連接并嚴密封裝成組件。對太陽電池組件要求為： (1). 有一定的標稱工作電流輸出功率。 (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， 零部件及結構，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。 (3). 有足夠的機械強度，能經受在運輸、安裝和使用過程中發生的沖突，振動及其 29 第三章 太陽電池、組件 它應力。 (4). 組合引起的電性能損失小。 (5). 組合成本低。 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 。目前還出現較新的雙面 鋼化玻璃封裝組件。 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。 圖 底盒式太陽電池組件示意圖 1－玻璃蓋板； 2－硅太陽電池； 3－盒式下底板； 4－粘接劑； 5－襯底； 6－固定絕緣膠； 7－電極引線； 8－互連條 。 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。 圖 全膠密封太陽電池組件示意圖 1－硅太陽電池； 2－粘接劑； 3－電極引線； 4－下底板； 5－互連條。 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。在組件中它是一項易被忽視但在實用中是決不能輕視的部件。現對材料分 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。作上蓋板的材料有：鋼化玻璃、聚丙烯酸類樹脂、氟化乙烯丙烯、 透明聚酯、聚碳酯等。目前，低鐵鋼化玻璃為最為普遍的上蓋板材料 粘結劑 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。一般要求其： （ 1）在可見光范圍內具有高透光性； （ 2）具有彈性； （ 3）具有良好的電絕緣性能； （ 4）能適用自動化的組件封裝。 底板 一般為鋼化玻璃、鋁合金、有機玻璃、 TPF 等。目前較多應用的是 TPF 復合膜，要求 : （ 1）具有良好的耐氣候性能； （ 2）層壓溫度下不起任何變化； （ 3）與粘接材料結合牢固。 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。邊框為粘結劑構成對組 件邊緣的密封。主要材料有不銹鋼，鋁合金，橡膠，增強塑料等。 組件制造工藝 平板式組件制造工藝流程如下：單體電池分選 單體電池 單體電池分選 制備互連條 上電極焊互連條 組合焊接 組合電池測試 玻璃清洗 疊 層 層壓封裝 固 化 邊框封裝 電性能測試 組件檢驗 組件包裝 33 (1). (3). (4). 第三章 太陽電池、組件 太陽電池組件的特性曲線 太陽電池組件的伏安特性曲線，見圖 . (2). 太陽電池并聯和串聯圖，見圖 。 太陽電池串聯的伏安特性曲線，見圖 。 太陽電池并聯的伏安特性曲線，見圖 。 I Isc m Imp V Vmp Voc 圖 太陽電池組件的伏安特性曲線 圖 太陽電池并聯和串聯圖 34 第三章 太陽電池、組件 圖 太陽電池串聯的伏安特性曲線（兩個和多個） 圖 太陽電池并聯的伏安特性曲線 失配對太陽電池的影響 當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失配。在很多條 件下，失配是光伏組件和光伏方陣中一個很嚴重的問題，因為此時組件或方陣的輸出是系統 中最差的組件或方陣的輸出。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。這 樣將導致局部發熱最后給組件帶來難以彌補的損傷，即熱斑效應發生。 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。 光伏組件和光伏方陣出現失配導致的能量損失的因素主要有： PV 組件的工作點情況； 電流的匹配情況； 與其他電池電性能參數的匹配情況； 下面我們進一步討論電池串串聯和并聯時失配的影響。 串聯失配 由于大部分的光伏組件都是串聯的，串聯失配是最常見的失配形式。對我們所考慮的兩 種最簡單的失配（短路電流失配和開路電壓失配），由于日常應用中部分組件受遮擋的情況 較多，短路電流失配的現象更常見也更嚴重。 36 第三章 太陽電池、組件 圖 兩個串聯電池。它們的電流是相同的，電壓等于兩單電池電壓之和。 電流失配意味著產生電流為兩單電池電流最小值。 對于串聯電池的開路電壓失配，影響相對較小。 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。將其中一個電池的 IV 曲 線對 I 軸做對稱，而另一個保持不變，那么焦點的電流表示串聯輸出的短路電流（此 時 v1+v2=0）。 并聯失配 并聯放置的太陽電池如圖 所示。 37 第三章 太陽電池、組件 圖 并聯 連接的太陽電池。通常兩單電池電壓相同，而輸出 電流是兩單電池電流之和。 并聯失配后輸出的開路電壓可利用圖 計算。此時兩曲線的交點表示并聯輸出 的開 路電壓（此時 I1+I2=0）。 I 圖 并聯 失配時輸出的開路電壓的計算 小結 本章主要介紹了太陽電池的基本原理、 IV 特性、基本工藝等。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。但是單體太陽電池往往因為輸出電壓太低、 輸出電流不合適，晶體硅太陽電池本身又比較易碎，不能獨立抵御外界惡劣條件，因而在實 際使用中需要把單體太陽電池進行串、并聯，并加以封裝，接出外接電線，成為可以獨立作 為光伏電源使用的太陽電池組件。光伏組件的輸出功率從零點幾瓦到數百瓦不等。若干塊光 38 第三章 太陽電池、組件 伏組件經串、并聯后組成太陽電池方陣。光伏方陣的輸出功率從數瓦到數十千瓦不等。作為 一個完整的獨立發電系統，除了光伏方陣外，還需要一些其他的部件，我們將在下一章節詳 細介紹。 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。見圖 41。 下面我們分別加以討論。 太陽電池 組件 接線箱 充電控制器 逆變器 蓄電池 負載 1. 2. 照明 TV 柴油發電機 3. 4. 冰箱 井水提水泵 圖 41 光伏發電系統方框圖 太陽電池組件：把太陽能轉換成電能的裝置。 接線箱：匯總太陽電池組件的配線。內裝有防雷器、回流防止器和開關等。 充電控制器：蓄電池的過充電保護裝置。 逆變器：將直流電轉換成 220V50Hz 的交流電。內裝輸入電壓控制、過載保護裝置等。 蓄電池：電能儲藏裝置。最好使用免維護型，一般采用鉛蓄電池。 柴油發電機：作為后備電源 光伏組件（陣列） 一個光伏陣列包含兩個或兩個以上的光伏組件，具體需要多少個組件及如何連接組件與 所需電壓（電流）及各個組件的參數有關。 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。目前大多數太陽能電 池片是單晶或多晶硅電池。這些電池正面用退水玻璃背面用軟的東西封裝。它就是光伏系統 中把輻射能轉換成電能的部件。 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。 用于電子產品的組件 40 光伏發電部件介紹 為驅動計算器、手表、收音機、電視、充電器等電子產品，一般需 至數十伏的電 壓。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。 下圖給出了地面用晶體硅太陽電池組件的結構，首先將太陽電池元件排列好，進行電學 串聯連接，然后將聯接好的電池封裝成組件。可見，為驅動電子裝置，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。 圖 42 地面用晶體硅太陽電池組件的結構 圖 43 非晶硅太陽電池組件的結構 另一種是非晶硅太陽電池。因為非晶硅薄膜是靠氣體發生化學反應形成的，在一塊襯底 上便于使多個單元電池串聯連接而獲得較高的電壓輸出，如圖 43 所示。 用于電力的組件 電力用的太陽電池一般均安裝在戶外用，所以除太陽電池本身以外，還必須采用能經受 雨、風、砂塵和溫度變化甚至冰雹襲擊等的框架、支撐板和密封樹脂等進行完好的保護，現 正研究各種電力用的太陽電池組件的結構。 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