太阳能光伏发电系统技术.rtf

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1、 本文由 gessler 贡献 pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）主编：崔容强 赵春江 国家发改委世界银行/GEF 项目办 上海交通大学太阳能研究所 前 言 太阳能光伏发电是利用半导体、太阳电池（也称光伏电池）的光生伏打效应，直接将太阳光能变成电能，是一种零排放的清洁能源。1954 年第一片实用的硅 太阳电池在美国贝尔实验室诞生以后，立即被用于航天飞行器，其高可靠、高效 率、高功率质量比的优异性能，为航天事业立下了汗马功劳。地面太阳电池也要 求高可靠、高效率、更追求高功率/成本比。地面用

2、光伏发电系统设计与当地太 阳能资源及气象条件密切相关。本书比较扼要地介绍了太阳电池的原理、特性、光伏发电系统的设计、安装、运行以及维护方法，希望本书能为从事光伏发电科 研、教学、生产和应用的同行提供帮助。中国面临着环保和能源可持续发展的双重压力，迫切需要可再生能源替代和 补充常规能源。中华人民共和国可再生能源为大规模开发利用太阳能开辟了 道路。中国太阳能资源丰富，硅沙充足，光伏发电有巨大的市场。中国的小康社 会和实现中华民族的伟大复兴，最可靠的能源是太阳，太阳能光伏发电必将成为 支撑中国未来电网的中坚能源，中国终将成为世界光伏大国。本书由崔容强教授、赵春江副教授任主编，上海交通大学太阳能研究所

3、孟凡 英副教授、孙铁囤副教授、周之斌副教授、徐林讲师和于化丛博士、陈凤翔博士、刘志刚博士、苦史伟硕士等参加了全书的编审工作。陈凤翔博士、赵占霞博士还 参与了全书的统编。本书的编审和出版编审始终得到了国家发改委世界银行/GEF 中国光伏发展 项目办公室的全力支持。项目办吴达成主任和国内许多光伏专家都为本书的编审 提出了宝贵意见，在此一并感谢。由于时间仓促及编者水平有限，本书定有疏漏 错误之处，欢迎读者批评指正。编者 2005 年 4 月 15 日 目 录 目 录 第 1 章 导论 1.1 太阳能发电的主要优缺点 1.2 太阳能光伏电池分类 1.3 太阳能光伏发电的历史和现状 1.4 中国的太阳能

4、光伏发电 1 1 1 2 6 第 2 章 太阳和太阳能 2.1 2.2 2.3 2.4 太阳的结构 太阳和地球相对运动的规律 太阳辐射的性质 世界和中国太阳能资源分布情况 10 11 13 13 15 第 3 章 太阳电池、组件 3.1 半导体 PN 结电流电压特性 3.2 太阳电池的工作原理 3.2.1 半导体的内光电效应 3.2.2 太阳电池的能量转换过程 3.3 太阳电池的基本特性 3.3.1 短路电流 3.3.2 开路电压 3.3.3 太阳电池的输出特性 3.3.3.1 等效电路 3.3.3.2 输出特性 3.3.3.3 转换效率 3.3.4 太阳电池的光谱响应 3.3.5 太阳电池的

5、温度效应 3.3.6 太阳电池的辐照效应 3.4 影响太阳电池转换效率的因素 3.5 硅太阳电池常规工艺 3.5.1 硅太阳电池的基本工艺 3.5.2 单体电池的制造 3.5.3 太阳电池组件及封装 3.5.4 太阳电池组件的常见结构形式 3.5.5 太阳电池组件的封装材料 3.5.5.1 上盖板 3.5.5.2 粘结剂 3.5.5.3 底板 3.5.5.4 边框 3.5.5.5 组件制造工艺 3.5.5.6 太阳电池组件的特性曲线 17 18 19 19 20 20 21 21 22 23 24 24 24 25 25 25 27 27 29 29 30 32 32 32 32 33 33

6、34 -1-目 3.6 失配对太阳电池的影响 3.6.1 串联失配 3.6.2 并联失配 3.7 小结 录 35 36 37 38 第 4 章 太阳能光伏发电系统部件介绍 4.1 光伏组件（阵列）4.1.1 用于电子产品的组件 4.1.2 用于电力的组件 4.1.3 光伏组件性能 4.2 蓄电池 4.2.1 铅酸蓄电池 4.2.1.1 特点与结构 4.2.1.2 铅酸蓄电池的工作原理 4.2.2 硅胶蓄电池 4.2.2.1 工作原理 4.2.2.2 硅胶电解质对蓄电池性能的影响 4.2.3 碱性蓄电池 4.2.4 蓄电池的特性 4.2.5 蓄电池的维护 4.2.6 蓄电池实例介绍 4.3 电子

7、控制器 4.3.1 控制器分类 4.3.2 逻辑控制 4.3.2.1 并联控制器 4.3.2.2 半导体串联控制器 4.3.2.3 并联和串联混合的控制器 4.3.2.4 DC-DC 控制器 4.3.3 计算机控制 4.3.3.1 智能型控制器结构 4.3.3.2 模拟信号测量 4.3.4 电子控制器实例介绍 4.4 逆变器 4.4.1 逆变器分类 4.4.2 逆变器用途 4.4.3 逆变器的结构及工作原理 4.4.3.1 半导体功率集成器件 4.4.3.2 逆变电路 4.4.4 PWM 脉宽调制技术 4.4.4.1 PWM 变换技术的基本原理 4.4.4.2 PWM 变换的特点和应用 4.4

8、.5 正弦波 PWM 技术 4.4.5.1 单极性 SPWM 波形 4.4.5.2 双极性 SPWM 波形 40 40 40 41 44 46 46 46 47 50 50 50 53 54 56 56 57 58 58 59 61 64 65 66 66 66 67 69 69 69 70 70 70 71 71 72 72 72 73 -2-目 4.4.5.3 三相 SPWM 波形 4.4.5.4 SPWM 的用途 4.4.6 逆变器基本特性及评价 4.4.6.1 输出波形 4.4.6.2 输出频率 4.4.6.3 DC/AC 转换效率 4.4.6.4 工作温度 4.4.6.5 工作环境

9、4.4.6.6 电磁干扰和噪声 4.4.6.7 过载能力 4.4.6.8 其它 4.4.7 逆变器实例介绍 录 73 73 73 73 74 74 75 75 75 75 75 75 第 5 章 独立光伏电站（集中供电）及用户光伏系统（分散供电）的设计，安装 及 维 修 7 8 5.1 独立光伏系统的设计 5.1.1 负载的计算 5.1.1.1 负载估计 5.1.1.2 电压的选择 5.1.2 PV 组件电流和蓄电池的容量 5.1.2.1 每日需求的总安时 5.1.2.2 确定蓄电池容量 5.1.2.3 典型的户用太阳能系统 5.1.3 确定太阳电池组件的输出 5.1.3.1 蓄电池效率 5.

10、1.3.2 太阳电池组件的输出 5.2 独立光伏系统的安装 5.2.1 阵列的安装 5.2.2 蓄电池的安装 5.2.3 控制中心 5.2.4 系统布线 5.3 独立光伏系统的维修 5.3.1 周期性地检查 5.3.2 故障检修 78 79 79 79 80 80 80 82 82 83 83 86 86 88 88 89 89 89 90 第 6 章 太阳电池测试 93 93 93 93 93 93 93 94 6.1 太阳辐射 6.1.1 概述 6.1.2 太阳辐射的基本特性 6.1.2.1 几个描述光的物理概念 6.1.2.2 辐照度及其均匀性 6.1.2.3 光谱分布 6.1.2.4

11、总辐射和间接辐射 -3-目 录 94 94 94 94 95 95 95 95 96 97 97 98 98 99 99 100 101 102 102 102 102 102 102 102 102 102 103 103 103 103 103 104 104 104 104 104 104 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.1.2.5 辐照稳定性 太阳模拟器 6.2.1 稳态太阳模拟器和脉冲式太阳模拟器 6.2.2 太阳模拟器的电光源及滤光装置 太阳模拟器某些光学特性的检测 6.3.1 辐照不均匀度的检测 6.3.2 辐照不稳定的检测 6.3.3 光谱失配误差计算 单体

12、太阳电池测试 6.4.1 测试项目 6.4.2 电性能测试的一般规定 6.4.3 测量仪器与装置 6.4.4 基本测试方法 6.4.5 从非标准测试条件换算到标准测试条件 6.4.6 室外阳光下测试 6.4.7 太阳电池内部串联电阻的测量 6.4.8 太阳电池电流和电压温度系数的测量 非晶硅太阳电池电性能测试须知 6.5.1 校准辐照度 6.5.2 光源 6.5.3 光谱响应 太阳电流组件测试和环境试验方法 6.6.1 测试项目 6.6.2 组件电性能参数测量中所需的参考组件 6.6.3 太阳电池组件测试方法 6.6.3.1 组件的额定工作温度(NOCT)6.6.3.2 电阻的测量 地面用硅太

13、阳电池组件环境试验概况 6.7.1 温度交变 6.7.2 高温贮存 6.7.3 低温贮存 6.7.4 恒定湿热贮存 6.7.5 振动、冲击 6.7.6 盐雾试验 6.7.7 冰雹试验 6.7.8 地面太阳光辐照试验 6.7.9 扭弯试验 第 7 章 光伏系统应用介绍 7.1 独立光伏系统 7.1.1 无电乡村独立电站 7.1.2 太阳能微波中继站 7.1.3 太阳能路灯 7.1.4 太阳能航标/灯塔 7.1.5 太阳能信号标志 105 105 105 105 106 107 107 -4-目 7.1.6 太阳能汽车 7.1.7 太阳能船 7.1.8 太阳能手表 7.1.9 光伏水泵 7.1.1

14、0 沙漠光伏电站 7.2 与建筑集成的光伏系统 7.2.1 太阳能光伏屋顶 7.2.2 公共建筑光伏系统 录 107 108 108 109 109 109 110 112 -5-第 1 章 导论 第 1 章 导 论 “到处阳光到处电”是人类美丽的理想。太阳能光伏发电是指不通过热过程，直接将太 阳的光能变换成电能的太阳能利用方式。依靠光伏电池，把照射到光伏电池上的光能直接 转换成电能输出的光伏发电是太阳能光发电的主流。1.1 太阳能光伏发电的主要优缺点 太阳能光伏发电的主要优点为：（1）结构简单，体积小且轻；（2）易安装，易运输，建设周期短；（3）使用方便，维护简单，在-50-65 温度范围均

15、可正常工作；（4）清洁能源，安全，无噪声，零排放；（5）可靠性高，寿命长；（6）太阳能几乎无处不有，所以光伏发电应用范围广，；（7）降价速度快，能量偿还时间有可能缩短；（8）可以与蓄电池相配组成独立电源，也可以并网发电。太阳能光伏发电的主要缺点是：（1）太阳能能量密度低，覆盖面积大；（2）光伏发电具有间歇性和随机性；（3）各个地区太阳能资源情况不通，所以光伏发电区域性强。1.2 太阳能光伏电池分类 迄今为止，人们已经研究了 100 多种不同材料、不同结构、不同用途和不同型式的太 阳能电池（见表 1.1）。目前大面积地面用太阳能电池仍以硅材料太阳能电池为主,主要有 单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能

16、电池、非晶硅太阳能电池，此外还有部分化合物太阳能 电池（如硒铟铜薄膜太阳电池等）,化合物砷化镓太阳能电池主要应用于空间电源领域。用 于地面太阳能光发电系统的太阳能电池，要求耐风霜雨雪的侵袭，有较高的功率价格比，要求具有大规模生产的工艺可行性和材料来源。表 1.1 太阳电池与光伏组件的分类 A:按基本材料分类 -11 第 1 章 导论 晶体硅光伏电池及组件 非晶硅薄膜光伏电池及组件 微晶硅薄膜光伏电池及组件 纳晶硅薄膜光伏电池及组件 硒光电池 化合物太阳电池:硫化镉,硒铟铜,碲化镉,砷化镓光伏电池及组件 染料电池.B:按结构分类 同质结光伏电池及组件 异质结光伏电池及组件 肖特基结光伏电池及组件

17、 复合结光伏电池及组件 液结光伏电池 及组件 C:按用途分类 空间光伏电池及组件 地面光伏电池及组件 光伏传感器 D:按使用状态分类 平板光伏电池及组件 聚光光伏电池及组件 分光光伏电池及组件 E:按封装材料分类 刚性封装光伏电池及组件 半刚性封装光伏电池及组件 柔性衬底封装光伏电池及组件 1.3 太阳能光伏发电的发展历史和现状 自从 1839 年发现“光生伏打效应”和 1954 年第一块实用的光伏电池问世以来，太阳能 光伏发电取得了长足的进步，但是它的发展仍然比计算机和光纤通讯要慢得多。究其原因 或许是人们对于信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对于能源的需求。1973 年 -22 第

18、 1 章 导论 的石油危机和九十年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电的发展。随着人们对后 续能源问题和环境质量的认识不断提高，加大了关于光伏发电的各项科研经费的投入，而 科研成就转化为技术和生产规模不断增长，使得成本不断下降，政策刺激下的市场不断扩 大。自 1998 年以来，连续 5 年以 30%以上的速度增长，至 2002 年已达 540MW/年，2003 年高达 约 750MW，增长 40%。由于德国、欧盟及日本太阳能屋顶项目的推动，2004 年世界光伏年产 量达到 1256MW，年增长率超过 50%。应用范围也越来越广，尤其是各个国家的光伏计划，为 太阳能光伏发电展现了无限光明的前

19、途。自 1996 年以来，世界光伏发电正在高速发展。主 要表现在:光伏产量增长率持续走高。多年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域 之一，19992003 年光伏组件的生长以 3040的速度甚至更高的递增速度发展，太 阳电池的产量从 1999 年的 202MW 增加到 2004 年的 1256MW，如图 1-1 所示。生产规模不断扩大，光伏产业向百兆瓦级规模和更高技术发展。目前光伏组件的生产 规模在 5-20MW/年。许多公司在计划扩建和新建年产 50-100MW 级光伏组件生产厂。新技术不断出现，电池效率持续攀升，成本明显降低。随自动化程度和技术水平的提 高，电池效率将由现在的水平

20、（单晶硅 13-15%，多晶硅 11-13%）向更高水平（单晶硅 18-20%，多晶硅 16-18%）发展。而在过去的 30 年中，光伏组件的成本已降低了 2 个数量 级，光伏组件的成本已降低了 2 个数量级，如图 1-2 所示。20022004 年间，我国光伏产业迅猛发展，已经成为世界光伏产业和市场发展最快的 国家之一。图 1-1 世界太阳电池历年产量 -3-3 第 1 章 导论 图 1-2 世界光伏组件生产成本下降趋势 表 1-2 为历年太阳电池发货量，可以看到原来居太阳电池首位的美国。已 从 1999 年开始让位于日本。表 12：1993-2003 年 世界太阳电池组件发货量（MW）年度

21、 日本 欧洲 美国 其它 合计 1993 17.0 17.0 21.0 5.5 61.4 1994 16.5 21.7 25.64 5.6.0 69.44 1995 16.4 20.1 34.75 6.35 77.6 1996 21.2 18.8 8.85 9.75 88.60 1997 35.0 30.4 51.0 9.4.0 125.80 1998 49.0 33.5 53.718.7 154.9 1999 80 40 60.8 20.5 201.30 2000 128.6 60.66 74.97 23.42 287.65 2001 171.22 86.38 100.32 32.62 39

22、0.54 2002 251.07 135.05 120.60 55.05 561.77 2003 365.4 202.3 96.3 85.7 749.7 国际太阳电池研究现状 迄今为止，已经研究了近 100 种太阳电池，表 13，表 14 和表 15 为各种 太阳电池世界最高水平的科研成果。-4-4 第 1 章 导论 表 13 地面用太阳电池在标准测试条件下的效率 表 14 地面用光伏组件在标准测试条件下的效率 -5-5 第 1 章 导论 表 15 地面用聚光太阳电池和组件在标准测试条件下的效率 1.4 中国的太阳能光伏发电 我国从 1958 年开始研究光伏发电，1971 年首次成功应用于我国

23、发射的东方红二号卫星 上。于 1973 年开始地面光伏系统应用。中国自制的光伏航标灯、太阳能灯塔和气象用光伏 电源、通讯用光伏电源在七十年代已开始使用，但规模很小，1977 年中国光伏产量只有 1.1KW,价格高达 200 元/Wp,光电转换效率为 610%。八十年代开始先后引进了一批美国的单晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池生产设备，使 得中国的光伏工业开始起步。至 1987 年，中国光伏产量达到 100KW/年,晶体硅太阳电池的价 格 已 降 到 4045 元/Wp,光 电 转 换 效 率 达 到 了 812%。九 十年 代 开 始 以 来，全 国 已 形 成 5.0MWp/年的生产能力。我国对

24、于太阳电池的研究主要集中在实用型的单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非 晶硅太阳电池、砷化镓太阳电池、空间用的硅太阳电池及其系统、锡铟铜及碲化镉化合物 薄膜太阳电池和聚光太阳电池及系统。目前我国各种太阳电池的实验室最高效率见表 1-6。-6-6 第 1 章 导论 表 1-6 中国各种太阳电池实验室研究的最高效率 类型 单晶硅电池 GaAs 电池 多晶硅电池 聚光硅电池 CdS/CuxS 电池 CuInSe2 电池 CdTe 电池 多晶硅薄膜电池 最高效率（）20.4 20.1 14.53(2000 年)17 12 8.57 7 13.6 11.2(单结)11.4（双结）非晶硅电池 8.6 7.9

25、 6.2 二氧化钛纳米有机电池 10 面积（cm）2*2 1*1 2*2 2*2 几个 mm 1*1 3mm 1*1,非活性硅衬底上 几个 mm 几个 mm 10*10 20*20 30*30 1*1 2 进入 21 世纪，我国的光伏产业出现了新气象，老的国有企业重组焕发青春，大型上市 公司采取多种形式加入，大型民营企业也开始涉足。2002 年，国家计委启动了“西部省区 无电乡通电计划”，通过光伏和小型风力发电解决西部七省区（西藏、新疆、青海、甘 肃、内蒙、陕西和四川）780 个无电乡的用电问题，光伏用量达到 16.5MW。这一项目的启动 大大刺激了光伏工业，国内建起了几条太阳电池的封装线，使

26、太阳电池的年生产量迅速达 到 100MWP（2002 年当年产量 20MWP）。截止 2003 年底我国太阳电池底累计装机已达到 50MWP。较大的生产规模和先进的技术使太阳电池的价格已从 2000 年的 3640 元/Wp，降为 2003 年 的0，加反向电压时 V0。(3.1)由于我们认为外加电压仅跨越在空间电荷区，所以可视为 n 区内没有电场，由空穴构 成的电流只是由于它的浓度梯度形成的扩散电流。电流密度 Jp 为 Jp=q Dp Lp (p n pn0=qpn0 )D p?qV?exp?1 L p?kT?(3.2)同样，注入到 p 区的少数载流子电子的电流密度 Jn 为 18 第三章

27、太阳电池、组件 J n=qn p0 Dn Ln?qV?exp?kT?1?(3.3)因加偏压 V 而产生的总电流是空穴电流与电子电流之和，故总电流密度 J 为：?qV?J=J p+J n=J 0?exp?1?kT?J 0=qpn0 Dp Lp+qn p0 Dn Ln (3.4)(3.5)总电流密度 J 具有如图 3.3 所示的整流特性。正向时，在电压较大的区域，电流密度与 exp(qV/kT)成正比；反向时则趋近于-J0。称 J0 为饱和电流密度。图 3.3 半导体 pn 结的电流电压特性 3.2 太阳电池工作原理 3.2.1 半导体的内光电效应 当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子

28、将跃迁到更高的能态，在这些 电子中，作为实际使用的光电器件里可利用的电子有：（1）价带电子；（2）自由电子或空穴（Free Carrier）；（3）存在于杂质能级上的电子。太阳电池可利用的电子主要是价带电子。由价带电子吸收光子的能量跃迁到导带的过 程决定的光的吸收称为本征吸收或固有吸收。太阳电池能量转换的基础是半导体 pn 结的光生伏特效应。当光照射到半导体光伏器 件上时，在器件内产生电子一空穴对，在半导体内部 pn 结附近生成的载流子没有被复合而 能够到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入 n 区，空穴流入 p 区，结果使 n 区储存 了过剩的电子，p 区有过剩的空穴。它们在 pn 结附

29、近形成与内建电场方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使 p 区带正电，N 区带负电，在 N 区和 P 区之 间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。此时，如果将外电路短路，则外电路中就有 与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流（Isc），另一方面，若将 PN 结两 端开路，则由于电子和空穴分别流入 N 区和 P 区，使 N 区的费米能级比 P 区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差 VOC。可以测得这个值，并称之为开路电压(Voc)。由 于此时 pn 结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等，并由此可以 19 第三章 太阳电

30、池、组件 决定 VOC 的值。3.2.2 太阳电池的能量转换过程 太阳电池是将太阳能直接转换成电能的器件。它的基本构造是由半导体的 PN 结组成。此外，异质结、肖特基势垒等也可以得到较好的光电转换效率。本节以最普通的硅材料 PN 结太阳电池为例，研究光能转换成电能的过程。首先研究在太阳电池工作时，外部观测到的特性。图 3.4 表示了无光照时太阳电池典 型的电流电压特性（暗特性）。当太阳光照射到这个太阳电池上时，将有和暗电流方向相反 的光电流 Iph 流过。图 3.4 无光照和有光照时太阳电池电流电压特性 当太阳电池与负载 R 连接，并用太阳光照射时，负载上的电流 Im 和电压 Vm 将由图中有

31、 2 光照时的电流一电压特性曲线与 V=-IR 表示的直线的交点来确定。此时负载上有 Pout=RI m 的 功率消耗，它清楚地表明正在进行着光电能量的转换。通过调整负载的大小，可以在一个最 佳的工作点上得到最大输出功率。输出功率（电能）与输入功率（光能）之比称为太阳电池 的能量转换效率。3.3 太阳电池的基本特性 3.3.1 短路电流 太阳电池的短路电流等于其光生电流。分析短路电流的最方便的方法是将太阳光谱划 分成许多微小光谱区域，每一微小区域只有很窄的波长范围，并计算出每一微小区域光谱所 对应的电流，电池的总短路电流是全光谱贡献的总和，表达式如下：I sc=jsc()d 0 0 0.3 m

32、 jsc()d=0 0.3 m (1?R()qF()()d (3.6)式中 0 本征吸收波长极限；R()半导体器件表面反射率；F()太阳光谱中波长为+d间隔内的光子数。20 第三章 太阳电池、组件 F（）的值很大的程度上依赖于太阳天顶角。作为表示 F（）分布的参数是大气质量 AM（AirMass）。AM 表示入射到地球上的大气的太阳直射光所通过的路程长度，定义为 AM=式中：b0标准大气压 b测定时的大气压 Z太阳天顶距离 b sec Z b0 (3.7)一般情况下，b b0，例如，AM1 相当于太阳在天顶位置时的情况，AM2 相当于太阳高度角 为 30时的情况，AM0 则表示在宇宙空间中的分

33、布 实际半导体表面的反射率与入射光的波长有关，反射率一般为 3050。为防止表面 的反射，在半导体表面沉积折射率介于半导体折射率和空气折射率之间的透明薄膜层。这个 薄膜层称为减反射膜（Antireflective coating）。设半导体、减反射膜、空气的折射率分别为 n2、n1、n0，减反射膜厚度为 d1，则反射 率 R 为 R=式中：r1=(n0-n1)/(n0+n1)r2=(n1-n2)/(n1+n2)=2n1d1/波长 r12+r22+2r1r2 cos 2 1+r12 r22+2r1r2 cos 2 (3.8)显然，减反射膜的厚度 d1 为 1/4 波长时，R 为最小。即 d 1=

34、1 时，4 n1 (3.9)Rmin (n 2?n0 n2)?=?12?(n1+n0 n2)?2 一般在太阳光谱的峰值波长处，使得 R 变为最小，以此来决定 d1 的值。3.3.2 开路电压 当太阳电池处于开路状态时，对应光电流的大小产生电动势，这就是开路电压。I=0 设（开路）phISC，则，I Voc=nkT ln(I sc I 0)+1 q (3.10)在可以忽略串联、并联电阻的影响时，ISC 为与入射光强度成正比的值，在很弱的阳光下，ISCI0，Voc=nkT I sc ln q I0 (3.12)由此可见，在较弱阳光时，硅太阳电池的开路电压随光的强度作近似直线的变化。而当有 图 3.

35、5 开路电压与短路电流的关系 较强的阳光时，VOC 则与入射光的强度的对数成正比。图 3.5 表示具有代表性的硅和 GaAs 太 阳电池的 ISC 与 Voc 之间的关系。用 Si 与 GaAs 比较，因为 GaAs 的禁带宽度宽，故 I0 值比 Si 的小几个数量级，GaAs 的 VOC 值比 Si 的高 0.45 伏左右。假如半导体 pn 结的质量很好，禁 带宽度愈宽的半导体，开路电压 VOC 也愈大。3.3.3 太阳电池的输出特性 3.3.3.1 等效电路 为了描述电池的工作状态，往往将电池及负载系统用一等效电路来模拟。在恒定光照 下，一个处于工作状态的太阳电池，其光电流不随工作状态而变

36、化，在等效电路中可把它看 作是恒流源。光电流一部分流经负载 RL，在负载两端建立起端电压 V，反过来它又正向偏置 于 pn 结二极管，引起一股与光电流方向相反的暗电流 Ibk，这样，一个理想的 PN 同质结 太阳电池的等效电路就被绘制成如图 3.6a)所示。但是，由于前面和背面的电极和接触，以 及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免的要引入附加电阻。流经负载的电流，经过它们时，必然引起损耗。在等效电路中，可将它们的总效果用一个串联电阻 RS 来表示。由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一并

37、联电阻 RSh 来等效。其等效电 路就绘制成上图 3.6（b）的形式。其中暗电流等于总面积 AT 与 Jbk 乘积，而光电流 IL 为电 22 第三章 太阳电池、组件 池的有效受光面积 AE 与 JL 的乘积，这时的结电压不等于负载的端电压，由图可见 V j=IRS+V (3.13)图 3.6 pn 同质结太阳电池等效电路（a）不考虑串并联电阻（b）考虑串并联电阻 3.3.3.2 输出特性 根据上图就可以写出输出电流 I 和输出电压 V 之间的关系 I=RSh RS+RSh?V?I L?R?I bk(V)?Sh?(3.14)其中暗电流 Ibk 应为 pn 结电压 Vj 的函数，Vj 又是通过式

38、 而（3.13）输出电压 V 相联系的。与 当负载 RL 从 0 变化到无穷大时，输出电压 V 则从 0 变到 VOC，同时输出电流便从 ISC 变到 0，由此得到电池的输出特性曲线，如图 3.7 所示。曲线上任何一点都可以作为工作点,工作点 所对应的纵横坐标，即为工作电流和工作电压,其乘积 P=IV 为电池的输出功率。23 第三章 太阳电池、组件 图 3.7 太阳电池的输出特性 3.3.3.3 转换效率 转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻 R 时，得到的最大能量转换效率，其定义为 =Pmax I mpVmp=Pin Pin 即电池的最大功率输出与入射功率之比，这里我们定义一个填充因子 FF

39、 为 FF=I mpVmp Voc I sc =Pm Voc I sc (3.15)填充因子正好是 I-V 曲线下最大长方形面积与 VocIsc 乘积之比，所以转换效率可表示为 =FFVoc I sc Pin (3.16)3.3.4 太阳电池的光谱响应 太阳电池的光谱响应是指光电流与入射光波长的关系，设单位时间波长为的光入射 到单位面积的光子数为0（），表面反射系数为（），产生的光电流为 JL，则光谱响应 SR（）定义为 SR()=其中 JLJL|顶层JL|势垒JL|基区。J L()q 0()1?()(3.17)理想吸收材料的光谱响应应该是：当光子能量 hEg 时，SR1。24 第三章 太阳电

40、池、组件 3.3.5 太阳电池的温度效应 少子的扩散长度随温度的升高稍有增大，因此，光生电流 JL 也随温度的升高有所增加。VOC 随温度的升高急剧下降。填充因子下降，所以转换效率随温度的增加而降低。3.3.6 太阳电池的辐照效应 在外层空间存在着高能粒子，如电子、质子、粒子等。高能粒子辐照时晶格原子发生 位移，产生晶格缺陷，降低少子寿命。大量研究工作表明，寿命参数对辐照缺陷最为灵敏，也正因为辐照影响了寿命值，从而使太阳电池性能下降。关于上述几种因素对电池性能影响情况见图 38。图 3.8 影响太阳电池输出特性的因素 3.4 影响太阳电池转换效率的因素 （1）材料能带宽度:开路电压 VOC 随

41、能带宽度 Eg 的增大而增大，但另一方面，短路电流密度 JSC 随能带宽度 Eg 的增大而减小。结果是可期望在某一个确定的 Eg 随处出现太阳电池效率 的峰值。（2）温度:随温度的增加，效率下降。ISC 对温度 T 很敏感，温度还对 VOC 起主要作用。对于 Si，温度每增加 1C，VOC 下降室温值的 0.4%，也因而降低约同样的百分数。例如，25 第三章 太阳电池、组件 一个硅电池在 20C 时的效率为 20%，当温度升到 120C 时，效率仅为 12。又如 GaAs 电池，温度每升高 1C，VOC 降低 1.7mv 或降低 0.2%。（3）光生载流子复合寿命:对于太阳电池的半导体而言，光

42、生载流子的复合寿命越长，短路电流 ISC 会越大。在间接带隙半导体材料如 Si 中，距离 pn 结 100m 处也能产生相 当多的载流子，如果这些位置的光生载流子寿命能大于 1s，就可以被 pn 收集，从而输 送到外电路。在直接带隙材料，GaAs 或 Gu2S 中，如 只要 10ns 的复合寿命就已足够长了。载流子的长寿命也会减小暗电流并增大 VOC。达到长寿命的关键是在材料制备和电池的生 产过程中，要避免形成复合中心。在加工过程中，适当而且经常进行相关工艺处理，可 以使复合中心移走，因而延长寿命。（4）光强:将太阳光聚焦于太阳电池，可使一个小小的太阳电池产生出大量的电能。设 想光强被浓缩了

43、X 倍，单位电池面积的输入功率和 JSC 都将增加 X 倍，同时 VOC 也随着增 加(kT/q)lnX 倍。因而输出功率的增加将大大超过 X 倍，而且聚光的结果也使转换效率 提高了。（5）掺杂浓度及剖面分布:对 VOC 有明显影响的另一因素是半导体掺杂浓度。掺杂浓度愈 高，Voc 愈高。一种称为重掺杂效应的现象近年来已引起较多的关注，在高掺杂浓度下，由于能带结构变形及电子统计规律的变化，所有方程中的 Nd 和 Na 都应以（Nd）eff 和（Na）eff 代替。如图 3.9。图 3.9 高掺杂效应。随掺杂浓度增加有效掺杂浓度饱和，甚至会下降 目前，在 Si 太阳电池中，掺杂浓度大约为 10

44、cm-，在直接带隙材料制做的太阳电池 17 3，19 3，中约为 10 cm-为了减小串联电阻，前扩散区的掺杂浓度经常高于 10 cm-因此重掺 杂效应在扩散区是较为重要的。（6）串联电阻:在任何一个实际的太阳电池中，都存在着串联电阻，其来源可以是引线、金属接触栅或电池体电阻。不过通常情况下，串联电阻主要来自薄扩散层。PN 结收集的 电流必须经过表面薄层再流入最靠近的金属导线，这就是一条存在电阻的路线，显然通 过金属线的密布可以使串联电阻减小。一定的串联电阻 RS 的影响是改变 IV 曲线的位 置。（7）金属栅线和光反射:在前表面上的金属栅线不能透过阳光。为了使 ISC 最大，金属栅线 占有的

45、面积应最小。为了使 RS 小，一般是使金属栅线做成又密又细的形状。因为有太阳 光反射的存在，不是全部光线都能进入 Si 中。裸 Si 表面的反射率约为 40%。使用减反 射膜可有效降低反射率。对于垂直地投射到电池上的单波长的光，用一种厚为 1/4 波长、折射率等于 n（n 为 Si 的折射率）的涂层能使反射率降为零。对含多波长的太阳光，采用多层涂层能得到更好的效果。16 3 26 第三章 太阳电池、组件 3.5 硅太阳电池常规工艺 3.5.1 硅太阳电池的基本工艺 目前，地面用太阳电池所用材料多为硅材料，根据原子键合状态不同，大概可以分为晶体硅，薄膜硅，下面将有详细的分析。各种硅材料及其相关特

46、征参数 名称 符号 晶粒尺寸 生长工艺 单晶硅 Sc-Si 10cm Czochralski(CZ)float zone(FZ)Cast,sheet,ribbon 多晶硅 Mc-Si 1mm-10cm 薄多晶硅 Pc-Si 1m-1mm CVD 微晶硅薄膜 c-Si 200KHz)逆变器。由于高性能半导体开关管的出现，逆变器的频率大大提高，因此而大大减少了变压器的体积 并减少了铜损和铁损，提高了逆变的效率，另外高频逆变器控制速度快，精度高，对保护信 号的反应也比较快，增加了系统的可靠性。4.4.6.3 DC/AC 转换效率 对太阳能光伏发电系统而言，逆变器的 DC/AC 转换效率十分重要。通常

47、逆变器的效率 在 70%-90%，优质逆变器可以达 90%-96%。应当注意的是逆变的效率往往随负载率而变。往往在负载率低于 20%和高于 80%时，DC/AC 转换效率要低一点。也有的逆变器在低负载 时效率不高，而在负荷率超过 30%以后，DC/AC 效率一直保持在较高水平上。特别值得注意的是，测定非正弦波和非 50Hz 逆变器效率时，不能简单地用测 50Hz 正 弦波的通用仪表来测量，必须用专用的方法和其他标定过的专用仪表来测定。4.4.6.4 工作温度 52 光伏发电部件介绍 逆变器功率器件的工作温度直接影响到逆变器的输出电压、波形、频率、相位等许多 重要特性。而工作温度又与环境温度、工

48、作所在地的海拔、潮湿度以及工作状态有关。逆变 器要满足极热和极冷地区的使用时，其工作温度要预先设计。4.4.6.5 工作环境 对于高频高压型逆变器，其工作特性与工作环境，工作状态有关。在高海拔地区，空 气稀薄，容易出现电路极间放电或有局部能量，影响工作。在高湿度地区则易结露，造成局 部短路。因而对每一种逆变器，都要规定其适用的工作环境。4.4.6.6 电磁干扰和噪声 逆变器中的开关电路既容易产生电磁干扰，容易在劣质的铁心变压器上因振动而产生 噪音。因而在设计和制造中都必须控制电磁干扰和噪音的指标，使之满足有关标准及用户的 要求。4.4.6.7 过载能力 在某些电视机、电动机等负载启动时，其瞬时

49、功率可以为正常工作时功率的 36 倍。因而要求逆变器有瞬时过载能力，也称峰值系数。另外在特殊情况下，会有一些额外负载增 加。这就要求逆变器有一定的额定过载能力。在设计光伏系统时要留有余地。4.4.6.8 其它 逆变器的其他指标如输入输出额定电压、电流的范围及精度要求、功率因素、额定输 出功率、连续无故障时间、是否可以与几个逆变器同时并联运行的特性等等，也都是评价和 选用逆变器的指标，需要认真考察。4.4.7 逆变器实例介绍 美国 ASTROPOWER 生产 XP 系列逆变器（A）是适合在海洋环境中工作的逆变器，表面、底座和固定部件是由氧化铝粉末涂层及 不锈钢构成，内部的控制电路板是由抗腐蚀的材

50、料构成，（B）适合于陆地、军事和航天等应用的逆变器，可移动性强，重量轻，100 伏直流,120 有 伏直流,or 230 伏直流频率为 50Hz,60Hz or 400Hz 输出。（A）（B）53 第 5 章 独立光伏系统的设计、安装、维修 第 5 章 独立光伏电站（集中供电）及用户光伏系统（分散供电）的设计，安装及维修 独立光伏电站是独立光伏系统中规模较大的应用。它的主要特点就是集中供电，如在一 个十几户的村庄就可建立光伏电站来利用太阳能，当然这是在该村庄地理位置较偏远，无法 直接利用电网电能的情况下所能采用的方法。用这种方式供电便于统一管理和维护。而户用 系统是采用分散供电的方式提供电能，