光伏系统设计基础071217(1).doc

本文由飞轩儿贡献 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。 21SPV光伏社区系列资料 光伏系统设计基础-太阳能电池组件 BY : 21SPV Team Mail: Date:Dec.17.2007 BBS.21SPV.COM 21SPV光伏社区 前言 最近抽时间整理这份资料,希望这份资料对刚入光伏业的朋友有所帮助!这份资 料并没有想像中那么完美,说这些,只是希望请大家能理解我,如果有错误或不完善的 地方,请到我的个人空间上客气的提出,让我们一起来维护这份资料.这次共享的是 pdf文档,只起抛砖引玉的作用;有意一起维护这份资料的朋友,可以向我索取PPT文 档,修改好后,统一提交共享,让业内朋友共同进步!当您把修改好的文件传给我 时,请注上您的信息(网名也行),以便下次更新时能见到您的信息,最后希望有更 多的朋友加入我们的团队! 空间地址:,Email:. 本资料主要为系统设计准备,对于物理原理作只作简单介绍. 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 2 我的的团队 21SPV光伏社区 我们的团队(下次更新时,希望您已经加入我们的团队!) CeeTech 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 3 内容 21SPV光伏社区 内容 系统主要组成部件介绍 光伏电池组件 控制器 逆变器 光伏储能 光伏光源 光伏系统设计 太阳辐射原理 光伏系统分类 系统容量设计 安装与维护 光伏系统应用 照明 独立 并网 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 4 内容 系统主要部件介绍 光伏电池组件 21SPV光伏社区 系统主要组成部件介绍 光伏电池组件 电池分类 半导体基础知识 光伏电池工作原理 组件结构及基本特性 光伏电池: 太阳能电池,通常称为光伏电池,他是通过光伏效应直接把光能转化成电能的装置.太阳光 照在半导体p-n结上,形成新的空穴电子对.在p-n结电场的作用下,空穴由n区流向p区,电子由p 区流向n区,接通电路后就形成电流. 目前主要的太阳能电池是硅太阳能电池.用的硅是提纯硅,其纯度为11个9,比半导体或 者说芯片硅片只少两个9;又因为提纯硅结晶后里头的成分不同,分为多晶硅和单晶硅;目前, 单晶硅太阳能电池的光电转换率为15%左右,最高达到了24%,使用寿命一般可达15年,最高达 25年,比转换率仅12% 左右的多晶硅太阳能电池的综合性能价格比高. 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 5 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 电池分类 21SPV光伏社区 光伏电池分类 异质结太阳能电池 同质结太阳能电池 肖特基结太阳能电池 按结构分类 复合结太阳能电池 分光结太阳能电池 刚性衬底 液结太阳能电池 平板太阳能电池 光伏传感器 按用途分类 地面太阳电池 柔性衬底 空间太阳电池 柔性衬底 刚性衬底 按使用状态分类 聚光太阳能电池 分光太阳能电池 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 6 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 电池分类 21SPV光伏社区 光伏电池分类 单晶体硅太阳电池 多晶体硅太阳电池 晶体硅太阳电池 带状硅太阳电池 球状多晶硅太阳电池 硅薄膜太阳电池 非晶体硅太阳电池 微晶体硅薄膜太阳电池 多晶体硅薄膜太阳电池 按基体材料分类 晒光电池 纳米晶体硅薄膜太阳电池 硫化镉太阳电池 硒铟铜太阳电池 化合物太阳能电池 燃料敏化太阳能电池 有机薄膜太阳能电池 碲化镉太阳电池 砷化镓太阳电池 磷化铟太阳电池 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 7 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 电池分类 21SPV光伏社区 太阳能电池分类 电池分类标准不同,可分的种类也很多,介于本教程是为太阳能系统设计所整理的教 程,所以目前只简单介绍主流商用太阳能电池,至于其他以后视情况再更新. 目前商用的太阳能电池主要有以下几种类型:单晶硅电池,多晶硅电池,非晶硅电 池. 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 8 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 电池分类 21SPV光伏社区 单晶硅太阳能电池 单晶硅光伏电池是最早发展起来的,主要用单晶硅片来制造.与其他种类的电池相 比,单晶硅电池的转换效率最高.作为原料的高纯单晶硅片多是从电子工业半导体器件加 工中退出的产品,以往在时常上可大量以较便宜的价格得到,因此单晶硅电池能够以相对 较有利的成本来生产. 单晶硅电池 的基本结构多为N+/P型,多以P型单晶硅片为基片,其电阻率范围一般为 13/cm,厚度一般为200300um.转换效率一般很容易做到15%以上. 单晶硅电池制作过程首先是表面绒面结构的制作,其次与多晶硅不同的是所用减反膜 主要为SiO2或TiO2薄膜.制备SiO2或TiO2薄膜通常采用热氧化或常压化学气相沉积工艺. 单晶硅电池的光学,电学和力学性能均匀一致,电池的颜色多为黑色或深色,在实验 室实现的效率达到24.7%. 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 9 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 电池分类 21SPV光伏社区 多晶硅太阳能电池 多晶硅是单质硅的一种形态.熔融的单质硅在过冷条件下凝固时,硅原子以金刚石晶 格形态排列成许多晶核,如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则这些晶粒结合起来,就结晶 成多晶硅. 多晶硅电池不不需要拉成单晶,而是熔化后浇铸成正方形的硅锭,然后像加工单晶硅 一样切成薄片和进行类似的电池加工.从其表面很容易辨认,归片是有大量不同大小结晶 区域组成.在正样结晶区域(晶粒)里的光电转换机理等同于单晶硅.由于硅片有多个不 同大小,不同取向的晶粒组成,在晶粒界面处光电转换易受到干扰,因而多晶硅的转换效 率相对比较低,同时,多晶硅的光学,电学和力学性能一致性不如单晶硅电池. 商业化电池的效率多为1315%,主要特点是多晶硅多为方片,在制作电池组件时有 最高的填充率.由于多晶硅的工艺简单,成本低,可大规模生产. 多晶硅电池主要用于光伏电站建设,作为光伏建筑材料,如光伏幕墙或屋顶光伏系 统.多晶结构在阳光作用下,由于不同晶面散射强度不同,可呈现不同色彩.此外通过控 制氮化硅减反射薄膜的厚度,可使电池具备各种颜色,如金色,绿色,因而多晶硅电池具 有良好的装饰效果. 多晶硅电池的实验室最高效率达20.3% 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 10 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 电池分类 21SPV光伏社区 非晶硅太阳能电池 非晶硅电池的基本结构为N-I-P型,主要用PECVD工艺沉积在具有SnO2的导电玻 璃而成.现在也有发展为2个P-N结甚至3个P-N结的非晶硅电池,基片采用导电玻璃 甚至不锈钢作为衬底材料.商品化的非晶硅电池产品稳定的效率多在5%7%左右. 非晶硅电池的最大特点是材料厚度在微米级.非晶硅为准直接带隙半导体,吸收 系数大,可接身大量高纯硅材料.制作过程采用化学相沉积,原材料为硅烷,硼烷和 磷烷等.制作过程需要真空条件进行.现在非晶硅电池基本独占手表,计算器,玩具 大呢感市场.此外作为半透明光伏组件也可用于门窗或天窗. 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 11 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 半导体基础知识 21SPV光伏社区 半导体基础知识 自然界的物质按其存在的形式分为气态,液态,固态.固态按照其质点(原子,离子,分子)排 列规则的不同,可分为晶体和非晶体.具有确定熔点的固态物质称晶体;没有确定的熔点,即加 热时在某一温度范围内逐渐软化的固态物质称非晶体. 所有晶体都是由原子,分子,离子或这些粒子集团在空间按一定规则排列而成的,这种对称的, 有规则的排列叫晶体的点阵或晶体格子,简称晶格. 从头到尾都按照同一规律排列的晶体是单晶体;整个晶体由多个同样成分,同样晶体结构的小晶 体组成的晶体是多晶体.在多晶体中,每个小晶体中的质子排列顺序的位向不同. 光伏效应,指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象.它首 先是由光子(光波)转化为电子,光能量转化为电能量的过程;其次,是形成电压过程.有了电 压,就像筑高了大坝,如果两者之间连通,就会形成电流的回路. 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 12 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 半导体基础知识 21SPV光伏社区 半导体PN结 在一块半导体晶体内,P型和N型紧接在一起时,将他们交界处称为PN结.由于交界 处存在电子和空穴的浓度差,N型区中的多数载流子电子要向P型区扩散,P型区中的 多数载流子空穴要向N型区域扩散.如图a. 扩散后如图b,在交界面的N区一侧留下带正电荷的区域;在P区一侧留下带负电荷的 区域,这样,就在N区和P区交界处形成一个很薄的区域,称空间电荷区,又称PN结 由于内建电场的存在,在空间电荷区内将形成载流子的漂移运动,使电子从P区拉回 N区,空穴有N区拉向P区,起方向与扩散运动的方向相反.开始时扩散运动占优势, 但随着内建电场的增强,漂移运动也加剧,最后两者达到动态平衡. 空穴扩散方向 电子扩散方向 内建电场方向 N区 P区 (a)形成P-N结前载流子的扩散过程 N区 空间电荷区 P区 (b)空间电荷和内建电场 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 13 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 半导体基础知识 21SPV光伏社区 载流子的产生与复合 导体,半导体中电流的载体称为载流子.在半导体中载流子包括导带中的电子和价带中的空穴. 半导体的导电性能与载流子的数目有关,单位体积的载流子数目叫做载流子浓度.半导体的载流 子浓度随其中杂质的含量和外界条件(如加热,光照等)而显著变化 由于晶格的热运动,电子不断从价带被激发到导带,形成一对电子和空穴,这就是载流子产生的 过程.在不存在外电场时,由于电子和空穴在晶格中的运动是没有规则的,所以在运动中电子和 空穴常常碰在一起,即电子跳到空穴的位置上把空穴填补掉,这时电子和空穴就消失了.这种半 导体中的电子和空穴在运动中相遇而造成的消失并释放出多余的能量的现象,称为载流子复合. 在一定的温度下,半导体内不短产生电子和空穴,电子和空穴不断复合,如果没有外表的光和电 的影响,那么单位时间内产生和复合的电子与空穴即达到动态平衡,称平衡载流子.这种半导体 的总载流子浓度保持不变的状态,称为热平衡状态.在这种情况下,电子浓度和空穴浓度的乘积 等于本征半导体载流子浓度.对于每种材料,本征半导体载流子浓度取决于温度,只要温度一 定,则电子浓度和空穴浓度的乘积即是一个与掺杂无关的常数. 在外界因素的作用下,例如N型硅受到光照时,价带中的电子吸收光子能量跳入导带(这种电子 称光生电子),在价带中留下等量空穴(这一现象称为光激发),电子和空穴的产生率大于复合 率.这种由于外界条件的改变而使半导体产生非平衡载流子或过剩载流子.这种由于外界条件的 改变而使半导体产生非平衡载流子的过程,称为载流子注入.载流子的注入方法有多种,用适当 波长的光照射半导体使之产生非平衡载流子,叫光注入. 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 14 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 半导体基础知识 21SPV光伏社区 载流子的输运 电子和空穴发生的净位移,叫载流子的输运.载流子有漂移运动和扩散运动两种输运 方式 漂移运动,半导体在外加电场的作用下,在载流子的热运动上将叠加一个附加的速 度,称为漂移速度.对于电子,漂移速度与电场反向;对于空穴,漂移速度与电场同 向.这样 ,电子和空穴就有一个净位移,而形成电流. 扩散运动,由微粒的热运动而产生的物质迁移现象称扩散.扩散在气相,液相和固相 物内部均可发生,也可以放生在不同的物质之间.在同一相物质内的扩散主要是由密 度差引起的,粒子从浓度高处往浓度低处扩散,直到各部分相同为止.浓度差越大, 微粒质量越小,温度越高,扩散的速度就越快.半导体中的载流子因浓度不均匀而引 起的从浓度高处向浓度低处的迁移运动,称扩散运动. 扩散运动和漂移运动不同,他不是有电场力的作用产生的,而是在半导体载流子浓度 不均匀的情况下载流子无规则的热运动的自然结果. 2007-12-17 BBS.21SPV.COM PhotovoltaicIs Our Passion ! 15 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 工作原理 21SPV光伏社区 光伏电池原理 当有适当波长的光照射到这个pn结太阳能电池上后,由于光伏效应而在势垒区两边产生电动势. 因而光伏效应是半导体电池实现光电转换的理论基础,也是某些光电器件赖以工作的最重要的物 理效应. 如图所示,当光照到光伏电池上时,在内部产生电子-空穴对,在半导体内部P-N结附近生成的载 流子没有被复合而能够到达空间电荷区,受内电场的吸引,电子流入N区,空穴流入P区,结果 使N区存储了过剩的电子,P区有过剩的空穴.它们在PN结附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 的薄层就产生了电动势.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,这个电流称为短路电流(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,在PN电极之间产生电位差VOC,可以测得这个值,并称之为开路电压.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,并由此可以决定VOC 的值. 一般晶体硅电池来说,开路电压的典型数值为0.50.6V 光 负极 N PN结 P 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 正极 16 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 工作原理 21SPV光伏社区 等效电路 IL为光生电流.其值正比于光照,与温度成正比,正比于面积.1cm2光伏电池的IL值均为 1630mA. IBK为暗电流,无光照情况下,有外电压作用下PN结内流过的单向电流.他的大小反应出在的当前 温度下,光伏电池PN结自身所能产生的总扩散电流的变化情况. I为负载电流 V为电池的开路电压,与光照成正比,与温度成反比,与电池面积无关.一般测试条件为:光照 1KW/m2,输出开路.温度每上升1度,开路电压约下降23mv.电池开路电压一般为0.50.6V. RS为串联电阻,一般小于1欧.他主要由电池的体电阻,表面电阻,电极导体电阻,电极与硅表 面间接电阻和金属导体等组成,相当于电池内阻 Rsh为旁路电阻.一般为几千欧姆.他主要是由电池表面污蚀和半导体晶体缺陷引起的漏电流所对 应的PN结和电池边缘漏电阻. RL为负载电阻 另外,由于光伏电池非高频源,固可以忽略不计 光伏电池 RS RSh I ISh V RL I IL Ibk V RL IL Ibk (a)不考虑串并联电阻 (b)考虑串并联电阻 Photovoltaic Is Our Passion ! 2007-12-17 BBS.21SPV.COM 17 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 工作原理 21SPV光伏社区 光伏电池的参数 标准测试条件:温度:25,光谱分布:AM1.5,光照:1KW/M2 ISC短路电流,电池正负极短路状态时流过的电流. PM最大输出功率,最大输出工作电压VPMX最大输出工作电流IPM VOC开路电压,正负极开路状态下的电压 VPM最大输出工作电压,输出最大功率时的工作电压 IPM最大输出工作电流,输出最大功率时的工作电流 填充因子:FF=VMIM/VOCISC 转换效率:n=VMIM/P=FF ISC VOC/P(P为太阳辐射功率) 光伏电池 RS RSh I ISh V RL IL Ibk (b)考虑串并联电阻 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 18 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 工作原理 21SPV光伏社区 太阳能电池主要影响因数 温度:其表面温度变高,效率下降,呈现负的温度特性.输出电流随温度增大而增 大,而输出电压随温度增大会急剧下降,综合是效率随温度增加下降. 光照强度:随着光照强度的增大输出功率增大. 光谱:在单色光照射下,功率和入射光的波长或频率有关,在非单色情况下,功率与 其光谱特性有关.光谱对非晶硅电池的影响比晶体硅电池更大 负载阻抗:通常,太阳能电池输出电压取决于负载工作电压和功率大小以及蓄电池标 称电压等因素.在成本允许下可以考虑采用最大功率跟踪技术. 阴影:太阳电池会因为阴影遮挡等造成不均匀照射,使输出功率下降.对于非聚光系 统的电池来讲,在非均匀照射情况下,可以用式子:G=(Au/Ac)Gu+(Ash/Ac)Gsh这里的 Ac是电池的总面积;Au (Ash)是未遮挡的部分;Gu(Gsh)是未遮挡部分的辐照强度. 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 19 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 组件结构与特性 21SPV光伏社区 太阳能电池组件结构(晶体硅电池) 常规的太阳能电池组件结构形式有:平板式组件,玻璃壳体式,底盒式,全胶密封式, 还有双面钢化玻璃封装式 平板式组件的截面,如图所示 铝框 钢化玻璃 互连条 EVA N P 硅胶 TPT 接线盒 电池片 平板式组件 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 20 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 组件结构与特性 21SPV光伏社区 太阳能电池组件示意图 玻璃壳式,底盒式,全胶密封示意图 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 21 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 组件结构与特性 21SPV光伏社区 太阳能电池的伏安特性 设计时具体参数请参照组件厂商的DataSheet 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 22 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 组件结构与特性 21SPV光伏社区 太阳能电池的辐射特性 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 23 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 组件结构与特性 21SPV光伏社区 太阳能电池的温度特性 2007-12-17 BBS.21SPV.COM Photovoltaic Is Our Passion ! 24 内容 系统主要部件介绍 光伏电池 组件结构与特性 21SPV光伏社区 热斑效应 组件在阳光照射下出现局部发热点的现象叫热斑效应,这种现象一般在单个电池上发 生.组件中某部分电池单元上因