（电力电子与电力传动专业论文）基于arm的便携式光伏阵列测试仪的研究.pdf

r e s e a r c ho n a p p a r a t u so fm e a s u r e m e n t i np h o t o v o l t a i c a r r a yb a s e d o na r m m i c r o c o m p u t e r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew o r l d se c o n o m ya n ds c a r c i t yo ft r a d i t i o n a le n e r g y s o u r c e s ，u t i l i z a t i o no fn e we n e r g ys o u r c e si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es i g n i f i c a n t ， e s p e c i a l l yt h es o l a re n e r g y t h u s ，m o r ea n dm o r es o l a re n e r g ys t a t i o n sa p p e a r ，f o rt h e s a k eo ft h es o l a ra r r a yc o n f i g u r a t i o nb e i n gp r o p e ra n du s i n ge n e r g ye f f i c i e n t l y , i ti s n e c e s s a r yt ot e s ta n da n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co fs o l a ra r r a y b a s i n go nf o r m e re x p e r i e n c e s ，t h i sd i s q u i s i t i o np u t sf o r w a r dat e s t m e t h o di n w h i c ht h ev o l t a g ea n dc u r r e n ts i g n a l sa r es a m p l e dc o n t i n u a l l yb yah i g h s p e e da d c o n v e r t o rd u r i n gc h a r g i n gc a p a c i t o rb ys o l a ra r r a y , t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i co fs o l a ra r r a y w i l lb ea n a l y s e d w h a tt h en o v e l p o i n t o ft h i ss y s t e mi st h a tav e r yp o p u l a re m b e d d e d m i c r o c o m p u t e ra r m i s a p p l i e di n t h i ss y s t e ma s t h ep r i m a r yp r o c e s sp a r t ，a n da c r e a t i v e c o n c e p t “p o r t a b l e i n s t r u m e n t ”i sh i g h l i g h t e d m o r e o v e r , m a n - m a c h i n e c o n v e r s a t i o nm a n n e ri so b v i o u s l yi n t u i t i o n i s t i ca n dc o n v e n i e n t t h ef o l l o w i n gt a s k sh a v eb e e nd o n e ： 1 d e s i g nt h ep r o p e rh a r d w a r ec i r c u i t sa n ds o f t w a r ea c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e s o fc h a r a c t e r i s t i cm e a s u r e 2 c h o o s eaf i tm a t h e m a t i cm o d e lo fs o l a ra r r a yt om a k et h ec u r v eo fp v - c h a r a c t e r i s t i cd i s p l a yo nl c ds c r e e n 3 p r o g r a m m e dt h em o n i t o rs o f t w a r ea n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fs o l a ra r r a yi s d e s c r i b e di ng r a p ha n dn u m b e r 4 e s t i m a t et h ep v - c h a r a c t e r i s t i ci na n yc o n d i t i o n sb yt h es o l a ra r r a yd a t a a c q u i r e di nc u r r e n tt e m p e r a t u r ea n ds u nl i g h ti n t e n s i t y t h ee x p e r i m e n t sa n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi sc o n v e n i e n c ea n do fh i g h p r e c i s i o n ，a n dc a ns h o wt h ec h a r a c t e r i s t i co fs o l a ra r r a yi nd i f f e r e n tw a y s k e y w o r d s ：s o l a ra r r a y , a r m ，f i e l dm e a s u r e m e n t ，p o r t a b l e - s p e c i a l i t y , p h o t o v o l t a i c c h a r a c t e r i s t i ce s t i m a t i o n ，a d ju s t a b l ea n dc o n t r o l l a b l e 图1 。1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 10 图2 1 1 图2 12 图2 13 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 插图清单 我国能源剩余资源结构图1 世界和中国主要常规能源储量预测3 世界能源发展趋势4 2 0 0 5 年世界各地光伏安装量所占比例4 2 0 0 5 年底我国光伏市场应用分布5 光伏效应原理简图9 太阳电池的基本结构示意图9 太阳电池等效电路1o 太阳电池伏安特性1 1 各种太阳电池的分光感度特性12 温度对太阳电池特性的影响13 不同温度下的p - u 曲线图13 白色荧光灯的不同照度时太阳电池的输出特性14 荧光灯下的照度特性1 4 太阳光下的照度特性：14 太阳电池单元、组件与阵列之间的关系1 6 太阳电池阵列的电路图1 6 太阳电池阵列的实际构成图1 7 p n 结的整流特性( 暗特性) 1 9 p n 结的明特性1 9 通常的太阳电池i v 特性曲线19 实际太阳电池等效电路2 0 电阻测量太阳电池阵列原理图2 3 太阳电池阵列测量原理图2 5 电容动态充电的v h 曲线2 6 太阳阵列特性测试系统结构框图2 6 数据采集控制单元结构图3 4 采样主电路3 5 嵌入式微处理器的最小系统3 5 1 电源系统的末级电路+ 4 0 后续系统前级电路的设计4 1 l p c 2 2 1 4 时钟电路4 1 阻窖式复位电路4 1 基于s p 7 0 8 s c n 的复位电路4 2 图4 9 图4 10 图4 1 1 图4 12 图4 13 图4 1 4 图4 15 图4 16 图4 17 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图6 1 图6 2 图6 3 j t a g 调试接口电路4 2 r s 2 3 2 电平转换电路4 3 m g l 2 8 6 4 点阵图形液晶模块原理框图4 4 独立式按键输入的键盘设计4 4 电压电流采样原理图4 5 电流，电压采样电路4 5 温度采样电路4 6 照度采样电路4 6 电池剩余电量采样电路4 7 系统主流程图4 8 1 0 u s 中断流程图5 0 温度和照度采样流程图5 1 测试系统通信处理流程5 2 p c 机系统通信处理流程5 2 液晶显示和键盘操作的流程图5 3 测试系统的样机5 4 一组实测特性曲线仿真图5 5 经数字滤波后的曲线仿真图5 5 表1 表2 表2 表4 表格清单 19 9 5 2 0 0 5 年各类太阳电池产量百分比( ) 5 太阳电池按材料分类表8 各类太阳电池的制造方法及研究状况一8 a r m 处理器模式表3 7 独创性声明 本人声明所旱交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得金g 坠工些太堂 或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明井表 示谢意。 学位论文作者签字： 弓串签字醐：1 年m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目墨工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金目巴王些厶堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者虢易书 签字日期：涧年f 月1 弓日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 刷谧轹厉组 乙t 签字日期：7 以年1 月f 徊 电话： 邮编： 致谢 时光如梭，两年多的研究生生活转眼即将结束，此刻我百感交集，在 能源所学习的这一段时间里，老师的关心和同学的帮助使我在学业上能够 取得不断的进步，也教会了我做人做事的方法和原则。在毕业论文即将完 成之际，我要对他们的关心和帮助表达我由衷地感谢! 首先我要感谢我的导师苏建徽教授。在两年多的学习、科研过程中， 苏老师一直为我提供丰富的实践机会和良好的实验条件，他知识渊博、治 学严谨、待人诚恳、诲人不倦，在学术和为人上成为了我无比尊敬和学习 的对象。在苏老师无微不至的关心和悉心指导下，我的课题研究得以顺利 进行，并取得了一定的成果。在后期论文的写作过程中苏老师也给予了很 大的帮助和关心。在此，我向他表示最真挚的感谢! 我还要感谢张国荣老师和茆美琴老师，正是由于他们的严格要求，我 才能在学习和研究上时刻不放松对自己的要求。为此，我要对他们表达我 最深的谢意! 此外，我还要感谢能源所的杜雪芳、汪海宁、杜燕、张健、 刘宁和陈林老师，他们对我的毕业论文的完成给予很多的帮助，尤其是杜 燕、张健和刘宁老师，对我的研究课题给予了很多的直接的帮助，使我受 益非浅。在此，对他们也表示衷心的感谢! 最后，我还要感谢能源所的研究生同学，他们是焦道海、彭凯、陶然、 张昭、董振利、洪波、赵春柳、许任重、李启明、宗桂林、张春风、李颖、 戴聿雯、茹心芹、陶彦辉、张颖媛等，他们在我的研究生的学习生活中， 也给予了我很多帮助，和他们一起相处的日子将成为我一生中宝贵的经验 和财富! 方玮 2 0 0 7 年12 月2 5 日 第一章绪论 能源与新材料、生物技术、信息技术一起构成了文明社会的四大支柱。能 源是推动社会发展和经济进步的主要物质基础，随着煤炭、石油和天然气等化 石燃料资源面临不可再生的消耗和生态环境保护的需要，新能源的开发将促进 世界能源结构的转变。 我国人口众多，人均能源资源占有量非常低，我国的能源资源储量不容乐 观。我国能源剩余可采总储量的结构如图1 1 所示：原煤占5 8 8 ，原油占3 4 ， 天然气占1 3 ，水能占3 6 5 。我国能源经济可开发剩余可采储量的资源保证 程度仅为1 2 9 7 年，其中：原煤仅为1 1 4 5 年，原油仅为2 0 1 年，天然气仅为 4 9 3 年。 原油 3 ，4 天然气 1 3 图1 1 我国能源剩余资源结构图 此外，我国的传统能源开发利用对于环境造成的污染非常严重。我国是世 界上少数几个能源结构以煤炭为主的国家之一，也是世界上最大的煤炭消费国。 2 0 0 0 年我国排放s 0 2 达到1 9 9 5 万吨，居世界第一位，其中9 0 是由燃煤排放的。 由于能源利用和其它污染大量排放环境污染物，造成全国有5 7 的城市颗粒物超 过国家限制值；有4 8 个城市的s 0 2 超过国家二级排放标准；有8 2 的城市出现 过酸雨，面积已达国土面积的3 0 ；s 0 2 和酸雨造成的经济损失已超过全国g d p 的2 。近年来，由于城市汽车大幅度增加，燃用汽油产生的汽车尾气已经成为 城市环境的重要污染源。 由上述分析可见，新能源和可再生能源的开发和利用将缓解人类紧张的资 源利用现状，也是保护人类赖以生存的地球生态环境的清洁能源，采用新能源 和可再生能源是保护生态环境、走经济社会可持续发展之路的重大措施哼1 。 1 1 、太阳能的性质和利用形式n 2 1 3 1 太阳能是人类最主要的可再生能源。太阳每年输出的总能量为3 7 5 x 1 0 2 6 w ， 到达地球的大约是其总能量的2 2 亿分之一，即有1 7 3 x 1 0 1 7 w 到达地球范围内， 其中辐射到地球陆地上的能量大约为8 5 x 1 0 1 6 w 。这个数量远大于人类目前消耗 的能量的总和，相当于1 7 x 1 0 1 8t 标准煤。 1 1 1 太阳能的性质 太阳的能量是如此巨大，可谓是“取之不尽，用之不竭”，但是太阳辐射能 的通量密度较低，太阳光通过大气层时会进一步衰减，还会受天气、昼夜以及 空气污染等因素的影响，因而太阳能对地球又呈间歇性质，时高时低，时有时 无。太阳能通量密度低要求太阳能利用装置有较大的集热面积；为了克服太阳 能供热的间歇性，系统中必须有储热装置，这些都使太阳能系统的初期投资变 得比较昂贵。综上所述，太阳能具有以下明显特点： ( 1 ) 总能量很大，但是太阳能通量密度较低； ( 2 ) 是可再生能源，但又具有间歇性； ( 3 ) 是无污染的清洁能源； ( 4 ) 太阳能本身是免费的，但是有效利用它的初期投资较高。 1 1 2 太阳能的利用形式 太阳能有直接太阳能和广义太阳能之分。所谓直接太阳能，就是指太阳直接 辐射能量。而广义太阳能，即由太阳辐射能所产生的其它自然能，例如水力、 风能、波浪能、海洋温差和生物质能等。这里的太阳能利用仅指直接太阳能， 其利用的基本方式可以分为如下四大类： ( 1 ) 光热利用 它的基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转化成热能 加以利用。目前使用最多的太阳辐射能收集装置，主要有平板型集热器、真空 管集热器和聚焦型集热器三种。通常根据所能达到的温度和用途的不同，而把 太阳能光热利用分为低温利用( 8 0 0 c ) 。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、 太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等，中温利用主要有太阳灶、太阳 能热发电聚光集热装置等，高温利用主要有高温太阳炉等。 ( 2 ) 太阳能发电 未来太阳能的大规模利用是用来发电。利用太阳能发电的方式有多种，目前 已实现并投入使用的主要有以下两种： 2 光一热一电转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳集热 器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。 前一过程为光热转换，后一过程为热一电转换。 光一电转换。其基本原理是利用光伏效应将太阳辐射能直接转换为电能， 它的基本装置是太阳能电池。太阳电池的应用范围很广，例如人造卫星、无人 气象站、通讯站、电视中继站、太阳钟、黑光灯、航标灯、铁路信号灯等。 ( 3 ) 光化利用和光生物利用 光化利用是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光一化学转换方式。而光 生物利用是通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质能的过程。目 前主要有速生植物、油料作物和巨型海藻等。 1 2 、太阳能发电现状和展望。 1 2 1 世界光伏产业及应用特点 随着世界物质经济的不断迅速发展，传统的化石能源资源日益枯竭，严重的 环境污染制约了世界经济的可持续发展。能源的需求有增无减，能源资源已成 为重要的战略物资。世界和中国主要常规能源储量预测如图1 2 所示。 2 2 5 口年 2 2 0 0 年 2 1 5 0 年 2 1 0 0 年 2 0 5 0 年 2 0 0 口年 囹世异囹中国 21 6 生 庄 1 u 0 1 t 鲴t i钷 昏眸豳一阌 约5 d 年 太陌能石油天然气攥铀 图1 2 世界和中国土要常规能源储量预测 然而太阳能利用和光伏发电是最有发展前景的可再生能源。世界各国竞相出 台发展可再生能源的扶持政策、法令、法规，大力促进以太阳能为主的新能源 和可再生能源产业的开发和利用。跨入新世纪后，我国也在新能源和可再生能 源的研究和使用方面给予了极大的重视和投入，从2 0 0 6 年1 月1 开始，我国可 再生能源法开始实施。 根据欧盟的预测：到2 0 3 0 年，太阳能发电将占总能耗1 0 以上，可再生能 源在总能源结构中占3 0 。到2 0 5 0 年，太阳能发电将占总能耗2 0 ，可再生能 源在总能源结构中占5 0 以上。世界能源发展趋势如图1 3 所示。 g e o t h e r m a i o t h e r r g s o t a r l h e r m a ( h e a to n l y ) p h o t o v o l t a i c a n d s o l a rt h e r m a e l e c t r i c 耐 w i n d b i o m a s s ( m o d e m ) b i o m a s s ( t 怕d ) h y d r o n u c l e a r n a t u r a ig a s c o a i o “ 图1 3 世界能源发展趋势 近年来世界光伏产业发展十分迅速，具体说有以下几个方面： l 、世界光伏电池产量快速增长，最近5 年的平均增长速度超过4 0 。2 0 0 5 年世界太阳电池产量达到16 5 0 m w ，比2 0 0 4 增加了3 8 。日本光伏电池产量再次 领先增长到7 6 2 m w ，增长率为2 7 ；欧洲产量增加4 8 ，达到4 6 4 i v l w ；美国增加 1 2 ，达到1 5 6 i v l w ；世界其它地区增加9 6 ，达到2 7 4 m w 。 2 、在光伏应用和安装方面，德日美依然是世界三个最大最主要的光伏应用 市场。2 0 0 5 年全球安装太阳电池组件1 4 6 0 m w ，比前一年增长了3 4 。德国安装 8 3 7 m w ，比前一年增长了5 3 ；占世界安装量的5 7 ：日本安装2 9 2 m w ，比前一年增 长了1 4 ，占世界安装量的2 0 ；美国安装1 0 2 m w ，占世界安装量的7 ；欧洲 其它地区安装8 8 m w ，占世界安装量的6 ；世界其它地区安装1 4 6 m w ，占世界安 装量的1 0 。图1 4 为2 0 0 5 年世界各地光伏安装量及所占比例示意图。 图1 42 0 0 5 年世界各地光伏安装_ 晕= 所i 吁比例 4 圈翻蕊 啜 融啜瞄臌嗽暖曩 3 、光伏建筑一体化及并网光伏发电前景广阔。以光伏集成建筑( b i p v ) 为 核心的光伏屋顶并网发电应用占据了目前绝对的光伏市场份额，尤其日本和德 国近几年光伏安装几乎全部是并网应用。 4 、晶体硅太阳电池继续保持领先地位，占据了9 0 以上的份额，其中多晶 硅太阳电池的份额为5 2 3 ，单晶硅为3 8 3 ，带硅片硅电池2 9 。预计今后 十年内晶体硅仍将占主导地位。表1 1 为1 9 9 5 2 0 0 5 年各类太阳电池的产量百 分比表。 表1 11 9 9 5 2 0 0 5 年各类太阳电池的产量百分比( ) 年度 种类 1 9 9 92 0 0 ( )2 0 012 0 0 22 0 0 32 0 0 4 单品硅 4 0 83 7 43 4 63 6 43 2 23 6 2 多晶硅 4 2 11 8 25 0 25 1 65 7 25 4 7 带硅片硅 4 1 4 35 64 64 43 3 非晶硅 1 2 39 68 96 44 54 4 锑化镉 0 50 30 50 71 11 1 铜钢化锡 0 20 20 20 20 60 4 1 2 2 我国光伏产业发展的现状和问题 近几年来太阳电池产量迅速增长乜8 1 。九十年代以后，随着成本的降低，太阳 电池开始向工业领域和农村电气化应用发展，市场稳步扩大，国家和地方政府 开始制订光伏计划。除硅原料外，已形成比较完整的产业链。光伏企业不断成 长壮大，资本不断进入。目前我国的光伏产业链除硅原料产量比较小外，从硅 片一电池一组件一应用都出现了一些龙头企业，并带动一大批中小企业的发展，原 先呈倒金字塔结构的产业链正在回复平衡。 然而，我国光伏产业的发展也存在着一些问题，比如，我国硅原料十分短缺， 9 0 以上要依赖从国外进口。此外，我国光伏市场发展缓慢，主要为边远地区的 应用。2 0 0 5 年，我国累计装机量约7 0 m w ，其中约有5 4 3 属于商业化的市场( 通 信工业应用和太阳能光伏产品) ，另外的4 5 7 n 属于需要政府和政策支持的市 场( 包括农村电气化和并网光伏发电) 。2 0 0 5 年底我国光伏市场应用分布如图 1 5 所示。 图1 52 0 0 5 年底我幽光伏市场应用分布 1 3 、本课题的特点和意义 太阳能电池( 本课题所涉及为光电材料的太阳能电池，后文不再赘述) 测试 作为太阳能电池研究开发的一个环节，至关重要，需要专业的测试系统来完成。 针对当前人们对太阳能电池材料的研究和开发，以及太阳能电池研究人员搭建 太阳能电池测试系统的耗时耗力，太阳能电池测试系统诞生了，并已在很多太 阳能电池材料研究、测试实验室广泛使用。 太阳电池阵列是由若干个太阳电池组件经过串、并联联结组合而成，因此其 发电量应该是单块太阳电池组件发电量的总和。但是太阳电池阵列的实际发电 量却往往大大低于理论设计要求，这是由于太阳能发电所受的影响因数较多。 就其内部原因，包括单块电池连接引起的联结组合效率损失，单块电池损坏造 成的电压不均衡等，而外界环境因素则包括阵列的高度、倾角、电池板的洁净 程度等。就是对于同一块太阳电池阵列来说，外界环境温度、日照强度、风速 等外界条件的变化，也均会引起光伏系统的发电量、系统效率等的变化。因而 对于任何光伏系统都只能在具体实践中根据安装的实际环境条件确定真正的发 电量和系统效率。所以需要对太阳电池阵列进行现场测量，通过测量结果及结 合安装环境的特点来分析、评价太阳电池阵列的设计。太阳电池阵列的现场测 试结果是分析和评价太阳电池阵列发电效率的重要依据之一幢5 。 本课题的研究目的是设计一种基于嵌入式系统的便携式太阳电池光伏阵列 测试设备，确定太阳电池阵列在不同日照强度、环境温度等外界条件下的工作 特性参数，为光伏电站的设计和评价提供可靠数据和指导。在本文中主要做了 以下几方面的工作： 1 根据太阳电池特性的测试原理，采用了电容充电动态测量方法； 2 完成了硬件电路和软件的设计、实现； 3 和p c 之间通过串行通信口实现通讯和数据的保存； 4 编写了相应的液晶g u i 应用软件和键盘处理程序，运用太阳电池的数 学模型，对测量值进行数据分析以及液晶显示。 6 第二章太阳能电池阵列的工作原理和基本构成 太阳电池是一种近年发展起来的新型电池。太阳电池是利用光电转换原理使 太阳的辐射能通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常 叫做“光生伏打效应 ，因此太阳电池又称为“光伏电池 。早期由于价格昂 贵，太阳电池主要应用于人造卫星等领域，7 0 年代由于石油危机，太阳能作为 替代能源而被关注，世界各国开始大力研究太阳电池。除了结晶硅太阳电池、 非晶硅太阳电池外，还出现了各种化合物半导体太阳电池，以及由两种太阳电 池构成的层积型太阳电池等新型太阳电池。 由于太阳电池可以将太阳的光能直接转换成电能，具有无复杂部件、无可动 部分、无噪音等优点，因此，使用太阳电池的太阳能光伏发电是太阳能利用较 为理想的方式之一。太阳电池作为将太阳能直接转换成电能的关键部件，经过 多年的研究和技术开发，目前价格大大下降、性能也得以提高，已经达到了应 用普及的阶段。 2 1 、太阳龟池1 2 1 1 太阳电池的特点和种类 太阳能发电所使用的能源是太阳能，而由半导体器件构成的太阳电池是太阳 能发电的重要部件，其具有以下特点： l 、无公害，由于太阳能的无污染性和永久性，太阳电池利用其进行发电极 其具有经济性和生态环境意义； 2 、有太阳的地方就可以发电，因此使用方便，通常的火力、水力发电方式， 发电站一般远离负荷，需要输电，这个过程中的经济和人力投入以及能量损失 都十分巨大，而太阳电池可以设置在负荷所在地，就近为负荷提供电力； 3 、由于太阳电池没有可动部分，因此寿命长，此外，发电时无噪音，管理 和维护工作都十分简单方便； 4 、太阳电池直接将太阳辐射能转换为电能，不会产生废气、废水及各种有 害物质； 5 、太阳电池所产生的电是直流电，并且没有蓄电功能： 6 、入射能量稀薄； 7 7 、目前发电成本较高。 太阳电池是一种利用光生伏打效应把光能转变为电能的器件，又叫光伏器 件。太阳电池多为半导体材料制造，发展至今，已经种类繁多，形式各样。表 2 1 是太阳电池依据所用材料的分类。 表2 1 太阳电池按材料分类表 太阳电池的生产对材料的要求比较严格，它要求半导体材料的禁带不能太 宽，要有较高的光电转换效率，材料本身对环境不会造成污染，便于工业化生 产且性能稳定。图2 2 所示为各类太阳能电池的制造方法及研究状况表。 表2 2 各类太阳能电池的制造方法及研究状况 种类材料单电池效率模块效率主要制造办法优点缺点 表面结构化 效率最高 工艺繁琐 单晶硅 1 5 ，2 4 1 3 ，2 0 发射区钝化 分区掺杂 技术成熟成本高 硅系太 化学气相沉积无效率衰 阳能电 多晶硅 1 0 1 7 1 0 1 5 法液相外延退问题效率低于 法溅射沉积成本远低单晶硅 池 法于单晶硅 反应溅射法 成本较低 稳定性不 非晶硅 8 1 3 5 1 0 p e c v d 法转换效率 i p ( 嗽较高 同 效率较高 砷化镓 1 9 3 2 2 3 3 0 m o v p e 和l p e 技威撒单原材料镉 多元化 术 晶硅低 有剧毒 合物薄碲化镉 1 0 1 5 7 1 0 9 6 易于规模 膜太阳 价格低廉 原材料来 能电池真空蒸镀法和 铜铟硒 1 0 1 2 8 - - 1 0 9 6 性能良好 源比较有 硒化法 工艺简单限 纳米晶化学太阳能 溶胶凝咬法 成本低廉 电池 8 1 1 懈 水热反应工艺简单 溅刺祛性能稳定 聚合物多层修饰电易制作 寿命短 极型太阳能电池 3 8 处于研发当中材料广泛 成蒯氐 8 2 1 2 太阳电池的发电原理及构造川坩“ 太阳能电池是利用半导体材料的光伏效应制成的，当光照射到p n 结上时，产 生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子由于受到内建电场的吸引， 电子流入n 区，空穴流入p 区，结果使得n 区储存过剩的电子，p 区则存在过剩的 空穴。这些过剩的电子和空穴在p n 结附近形成与内建电场相反的光生电场。光 生电场除了抵消势垒电场的作用外，还使得p 区带正电，n 区带负电，这样在n 区 和p 区之间的薄层就产生电动势。这种“由光生电”的效应称为“光伏效应”。 “光伏效应”的原理简图和太阳电池的基本结构示意图见图2 1 和图2 2 。 n 型 p 型 图2 1 光伏效应原理简图 s u n l i g h t o c o v e rg l a s s a n t i t e f l e c t i v ec o a t i n g c o n t a c tg r i d 囝n ，t y p es l p ，t y p e 霪| ob 穗露kc o n t a c t 图2 2 太阳电池的基本结构示意图 2 1 3 太阳电池的特性阳2 踟 太阳电池的特性一般包括太阳电池的输入输出特性、分光感度特性、照度特 性以及温度特性。 a 、太阳电池的输入输出特性 9 当太阳光( 或其它光) 照射到太阳电池上时，电池吸收光能，产生光生电子一 空穴对。在电池的内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，光电池的两端出 现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内 建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载中就有“光生电流”流过，从而获 得功率输出。 当受照明的太阳电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建立起 端电压，这时太阳电池的工作情况可用图2 3 所示的等效电路来描述。 r 曩 图2 3 太阳电池等效电路 图中把太阳电池看成能稳定地产生光电流，的电流源( 只要光源稳定) ，与 之并联的有一个处于正偏压下的二极管及一个并联电阻r 幽( 也称跨接电阻) 。 显然，二极管的正向电流厶和旁路电流乙都要靠t 提供，剩余的光电流经过一 个串联电阻r 。流出太阳电池而进入负载r ：。对于实际的太阳电池，应当把它看 成由很多个具有这种等效电路结构的电池单元并联而成。 根据s h o c k l o y 的扩散理论，二极管正向电流j d 可由下式计算： f ，业、 l = s o f e k t 一1l 式中厶是反向饱和电流( 暗电流) l o = q 圪坼口+ p 。j a 当p - n 结处于日照之下时( ，为光电流) ，负载电流为： i = 1 l 一1 一is h = t 一厶q ( v - l r s ) a t _ _ 1 一掣 式中： q = 电子电荷( 1 6 x 1 0 。1 9 库仑) 7 圪= 载流子的运动速度； n 。= 载流子的浓度( p 型导体的电子) ； l o p 。= 载流子的浓度( n 型导体的电子) ； a = p - n 结平面面积； k = 玻耳兹曼常数； t = 绝对温度； 太阳电池不同于一般电源，既不能简化为稳压源或恒流源，也不能作为无穷 大电网向负载提供任意大的功率，它是一种非线形直流电源。太阳电池被照射 时在负载尺：上的输出功率p 为： p = i 矿= 1 2r 上 尸= ，y = ll 一厶( e q ( v - i r s ) k t _ _ 1 ) 一三鱼掣l y = 卜厶( e q ( v - 1 r s ) k t _ 1 ) 一掣卜 当负载r ，从零变到无穷大时，即可画出如图2 4 所示的太阳电池负载特性曲 线( 在恒定照度、恒定太阳电池温度下) 。曲线上的任意一点都称为工作点，工 作点与原点的联线称为负载线，负载线的斜率的倒数即等于尺，与工作点对应 的横、纵坐标即为工作电压和工作电流。 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 。5 0 0 6 0 0 u v 图2 4 太阳电池伏安特性 根据特性曲线可以定义太阳电池的几个重要技术参数： a 当u = o 时可得最大电流，亦称短路电流，彬( ”s h o r tc i r c u i tc u r r e n t ”) ： b 当i = o 时可得最大电压，亦称开路电压【，( o p e nc i r c u i tv o l t a g e ”) ； c 由阵列按特性曲线上任一点所给出功率p = u i ，它的大小沿特性曲线 而变化，一在最大功率点处u = u m ，1 = i m ，此时可得最大功率只= u 。i m ，特 性曲线上其它点的功率取值介于0 一巴之间； 胀 撇 姗 m 舢 d 太阳电池效率是按太阳电池的输出功率p 与投射到太阳电池表面上的日 照功率g 之比来定义，其值取决于工作点。通常以最大功率点的效率作为太阳电 池效率。 即tpr ， r = r u e p = 詈= 麓 其中，彳，为太阳电池总面积，圪为单位面积入射光功率。 美国最早算出硅太阳电池的理论效率为2 1 7 ，现在的理论效率已达至i j 2 5 。 在估计太阳电池的理论效率时，必须把从入射光能到输出电能之间所可能发生 的损耗都计算在内。包括光的反射损失、光的透射损失、与材料工艺有关的损 耗、电阻的串并联损失等等。 b 、太阳电池的分光感度特性 对于太阳电池来说，不同的光照射时所产生的电能是不同的。例如，红色的 光转换生成的电能与蓝色的光所产生的电能是不一样的。一般用光的颜色( 波 长) 与所转换生成电能的关系，即用分光感度特性来表示。 趔 莨 罂 趟 磐 越 镇 米 求 型 0 40 6 0 81 01 2 波长( n ) 图2 5 各种太阳电池的分光感度特性 太阳电池的分光感度特性如图2 5 所示，由图可见，不同的太阳电池对于光 的感度是不一样的，在使用太阳电池时特别重要。 c 、温度对伏安特性的影响 太阳电池的伏安特性不仅受日照强度的影响，而且还受太阳电池本身温度的 影响。在同一日照强度下，温度不同时太阳电池阵列伏安特性曲线如图2 6 所示。 图中标出点为不同温度下太阳电池阵列的最大功率点。温度对伏安特性的影 响是较大的，反映在可输出的最大功率上，太阳电池具有负的温度系数，即在 1 2 某一温度范围内，太阳电池温度越高，它所能输出的最大功率越小，功率也就 越低。 1 0 0 2 0 0 j w4 0 0 j 0 06 0 0u v 图2 6 温度对太阳电池特性的影响 所以，如果要标定某一太阳电池的效率，必须同时给出其相应的温度。图2 6 是太阳电池在日照强度为1 0 0 0 w m 2 ，温度变化范围在2 0 7 0 c 时效率的变化 情况。可以用下式近似地予以表达： r = r o 【1 一口( r 一瓦) 】 其中： 口= o 0 0 4 9 编2 0 1 t 0 2 0 c 对于这一例子中的太阳电池，当温度升高1 时，其效率降低约5 ，这也是 一个典型的数量级。由此可以看出，温度对太阳电池的影响是不容忽视的。图 2 7 表示相同日照强度不同温度下，太阳电池的输出功率与电压的关系曲线图。 显而易见，相同输出电压不同温度下，太阳电池的输出功率大小各不相同。 1 0 0 ，2 0 0 3 0 0 4 0 05 0 06 0 0u 图2 7 不同温度下的p u 曲线图 温度每升高1 ，损失率约为0 3 5 - 0 4 5 0 ，也就是说，在2 0 c i 作的硅电池 的输出功率比在7 0 c - v 作时高2 0 。 姒 渤 m 册 肿 肿 ， z z l 5 o d o 0 o 加 肋 舢 伽 毒 白色荧光灯照度( i x ) 图2 9 荧光灯下的照度特性 由图可知： 图2 1 0 太_ 阳光下的照度特性 k霎竺守流k与照度成正比；9 开路电压随照度的蒜赢慢的 j 4 ，单 ( 短 3 、最大出力几乎与照度成比例地增加。 另外，曲线因子f f 几乎不受照度的影响，基本保持一定。太阳光下的照度 特性如图2 1 0 所示。可见，由于光的强度不同，太阳电池的出力也不同。 2 2 、太阳电池单元、组件及阵列n 订母幻 2 2 1 太阳电池单元和太阳电池组件 太阳电池单元( s o l a rc e l l ) 是太阳电池的最小单元，它是由l o c m 角( 1 2 5 c m 角或1 5 c m 角) 等大小的硅等半导体结晶的薄片构成的元件。一枚太阳电池单 元的出力电压约0 5 v 左右，太阳电池实际使用时，电压需满足少则十几伏多则 几百伏的要求，需要就地将大量的电池单元连接起来，这样极为不便。 另外，由于太阳电池在户外使用，存在如温度、湿度、盐分、强风以及冰雹 等环境因素的影响，因此必须保护太阳电池单元，使太阳电池长期发挥其发电 功能。 为了解决太阳电池单元在使用中的问题，一般将几十枚太阳电池单元串、并 联连接，然后封装在耐气候的箱中而构成，称之为太阳电池组件( s o l a rc e l l m o d u l e ) 。太阳电池组件的构造方法多种多样，一般要考虑以下的问题： 1 、为了防止太阳电池的通电部分被腐蚀，保证其稳定性和可靠性，必须使 太阳电池具有较好的耐气候特性； 2 、为了防止由于漏电引起的发电性能降低，必须消除其对外围设备以及人 体的不良影响； 3 、防止由于强风、冰雹等气象因素对组件造成的损伤； 4 、除了应避免太阳电池在搬运、安装过程中的损伤之外，还必须使电气配 线比较容易； 5 、使太阳电池更加美观； 6 、增加保护功能，以防止由于组件的损伤、破损等引起的系统的电气故障。 2 2 2 太阳电池阵列 对太阳电池组件进行必要的组合，然后安装在房顶等处而构成的太阳电池全 体称为太阳电池阵列( s o l a ra r r a y ) 。太阳电池阵列由多枚太阳电池组件经串、 并联而成的组件群以及支持这些组件群的台架构成。图2 1 1 为太阳电池单元、 太阳电池组件以及太阳电池阵列之间的关系。 太阳电池阵列由多枚太阳电池组件根据所需的直流电压以及出力进行串联、 并联而成，一般用金属构件将太阳电池组件固定在屋顶等处。太阳电池阵列的 面积，如设置3 k w 的太阳能光伏系统一般需要约3 0m 2 的屋顶面积。当然，使用 功率较大的太阳电池组件时，所需太阳电池阵列的面积会减小。 1 5 图2 1 1 太阳电池单元、组件与阵列之间的关系 太阳能光伏系统的容量用标准条件下的太阳电池阵列的出力来表示。由于太 阳能光伏系统的出力受日照强度、温度的影响，为了统一标准，一般用日照强 度为lk w m 2 ，温度为2 5 c 的所谓标准条件时的最大出力作为标准太阳电池阵 列的出力。 2 2 3 太阳电池阵列的电路构成 太阳电池阵列的电路图如图2 1 2 所示，由太阳电池组件构成的纵列组件 ( s t r i n g ) 、逆流防止元件( 二极管) q 、旁路元件( 二极管) d 。以及端子箱 体等结构。纵列组件是根据所需输出电压将太阳电池组件串联而成的电路。各 纵列组件经