光伏发电技术系列讲座1光伏发电原理及发展现状.doc

光伏发电技术系列讲座1光伏发电原理及发展现状.txt懂得放手的人找到轻松，懂得遗忘的人找到自由，懂得关怀的人找到幸福！女人的聪明在于能欣赏男人的聪明。生活是灯，工作是油，若要灯亮，就要加油！相爱时，飞到天边都觉得踏实，因为有你的牵挂；分手后，坐在家里都觉得失重，因为没有了方向。 本文由334hoy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。 技术讲座? 王宏华?光伏发电原理及发展现状 光伏发电技术系列讲座（） 光伏发电原理及发展现状 王宏华 （河海大学自动化工程系，江苏南京） 摘要：阐述了太阳能光伏发电系统的基本结构和工作原理，综述了国内外光伏发电技术的发 展现状及发展趋势。 关键词：太阳能；光伏电池；光伏阵列；光伏发电系统 中图分类号： 文献标志码： 文章编号：（） （ ） （ ， ， ，） ： ， ： ； ； ； 引言 众所周知，太阳能是一种用之不竭、储量巨大的清洁 一电流 可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万 桶石油燃烧的能量，太阳能开发与利用正逐步成为各 国政府重点发展的战略。热能和光能利用是太阳能应用 的两种重要形式。“光伏发电”是利用光伏电池的光伏效 应将太阳光的光能直接转换为电能的一种可再生、无污染 的发电方式，正在全球范围内迅猛发展，其不仅要替代部 分化石能源，而且未来将成为世界能源供应的主体，是世 界各国可再生能源发展的重点。本文阐述了太阳能光伏 发电系统的基本结构和工作原理，综述了国内外光伏发电 技术的发展现状及发展趋势。 ，区分别带正、负电，于是产生由区指向区的光生 图单晶硅光伏电池发电原理 荔晶 建电 切 光伏电池的原理及发展现状 年，法国的 发现了“光伏效 电动势；当外接负载后，则有电流从区流出，经负载从 区流入光伏电池。 图为光伏电池等效电路，其中，。为与光伏电池面 积、人射光辐照度成正比的光生电流（ 硅光伏电池 的，口值为 ）；，分别为结的正向电 流、漏电流；串联电阻尺。主要由电池体电阻、电极导体电 阻等组成（。一般 ）；旁漏电阻氏由硅片边缘不清 洁或体内缺陷所致（。一般为几）；为外接负载电 阻，。分别为光伏电池输出电压、电流；当负载开路 应”，即光照能使半导体材料内部的电荷分布状态发生变 化而产生电动势和电流。光伏电池是基于半导体结 接受太阳光照产生光伏效应，直接将光能转换成电能的能 量转换器。年，美国实验室的等发 明了单晶硅光伏电池，其原理如图所示。 图中，太阳光照射到光伏电池表面，其吸收具有一 定能量的光子，在内部产生处于非平衡状态的电子一空穴 对；在结内建电场的作用下，电子、空穴分别被驱向 ，区，从而在结附近形成与内建电场方向相反的光 生电场；光生电场抵消结内建电场后的多余部分使 （。）时，即为开路电压，其与环境温度成反 比、与电池面积无关（在 的光谱辐照度下，硅 光伏电池的虬一般为 ）。 与图对应的光伏电池解析模型为： 作者简介：王宏华（一），男，江苏泰州人，博士，现为河海大学教授、博士生导师。研究方向为新型交直流电力传动等。 ? 万方数据 ： ：机械制造与自动化 技术讲座? 王宏华?光伏发电原理及发展现状 ？毛 ，曲 图表明，一定的温度、照度下，光伏电池对应存在一 ） ， 一 个可能的最大功率输出运行点（一），但实际 口铲 ： 工作点则是光伏电池伏安特性与负载伏安特性的交点。 图（）中，给出了条不同阻值，也的电阻负载 伏安特性（），其与光伏电池伏安特性的 个交点，则为对应的个实际工作点，只有当负载 电阻。时光伏电池才运行在最大功率点，输出最 图光伏电池等效电路 大功率。（。厶。）。事实上，光伏电池的短路电流与 辐照度成正比，开路电压与温度成反比，辐照度增加、温 度降低将使其最大功率增加。“，故随着天气（辐照度、 温度）变化，应实时调整负载的伏安特性使其相交于光伏 电池伏安特性的最大功率输出点处，以实现“最大功率点 跟踪（）”。 自年实用光伏电池问世至今，晶体硅光伏电池 占了光伏电池总产量的以上，广泛应用的单晶硅光 伏电池光电转换效率已接近；多晶硅光伏电池的光 电转换效率虽较低，但其材料成本较低，可望成为主导产 品之一引。随着光伏产业的迅猛发展，具有半导体材 料消耗少、易批量生产、低成本、对弱光转化率高、易实现 光伏建筑一体化等优势的薄膜光伏电池成为第二代光伏 电池研发的重点，其中，年问世的非晶硅薄膜光伏电 池实验室效率已达旧；世纪年代兴起的铜铟 硒（）多晶薄膜光伏电池实验室效率已接近 。 进入世纪，以提高光电转换效率、降低成本为目标的第 三代光伏电池，如叠层、玻璃窗式、纳米光伏电池等研究方 兴未艾，。 ， 志（一） 沪面 （秒鲁（抖华笋 上式中，为。时的短路电流（）；为环境温度 （）；为参考温度（一般取 ）；为实际太阳光辐 照度（）；为温度系数（）；口功； ；，分别为二极管排放系数、反向电 流；。为表征半导体禁带宽度的常量（）。 实用中，为了满足负载需要的电压、电流，需将多个容 量较小的单体光伏电池串、并联成数瓦到数百瓦的光伏模 块（其输出电压一般在十几一几十），进一步可将多个 光伏模块串、并联成光伏阵列。图为在环境温度 （ ），太阳光辐照度 条件下某光 伏模块（其解析模型参数参见文献）的仿真输出特性。 光伏发电系统的结构和工作原理 离网型光伏发电系统 离网型光伏发电系统亦称为独立光伏发电系统，图 或 为其典型结构示意图。 图离网型光伏发电系统 图中的蓄电池是离网型光伏发电系统中必不可少 （）功率特性 的储能器件，光伏阵列受太阳光照发出的电能通过控制 器、变换器对蓄电池进行高效、快速充电；而蓄电 池储存的电能可通过放电器向直流负载馈电或经 图光伏电池输出特性 ，（）： 万方数据 ? 技术讲座? 王宏华?光伏发电原理及发展现状 年产量为 ，年则增至 变换向交流负载供电。控制器根据当前工况通过对 变换器控制调整光伏阵列等效负载的大小，实现 ；另一方面，控制器采用正弦波调制（）或空 间矢量脉宽调制（）技术对电压源型逆变 器进行控制以输出总谐波畸变率低、稳定可靠的交流电。 防反充二极管可防止蓄电池对光伏阵列放电，以避免反向 电流损坏光伏阵列。 离网型光伏发电系统主要应用于远离公共电网的无 电地区旧。或容量较小（一般不超过几百瓦）的户用光伏 系统。 “。近年 来，世界光伏产业以每年超过的速度递增，成为发展 速度最快的行业之一。到年底，全球光伏发电装机容 量累计达 万千瓦，当年新增装机约为万千瓦峥。 近年来，并网光伏发电的应用比例快速增长，已成为 光伏发电的主导市场。年，并网光伏系统比例仅为 ，而年则增加至左右。目前，光伏与建筑 相结合的分布式并网系统市场份额远大于大型联网光伏 电站；而大型联网光伏电站是可再生能源发电的重要发展 方向，其容量可达或级，所发电能可直接并入高 压电网川。据国际能源组织（）预测“：年世 界光伏发电的发电量占总发电量的，年则占总发 电量的。 我国对光伏电池的研究始于年。世纪年 代以前，光伏电池年产量一直低于 。进入世纪 并网型光伏发电系统 并网型光伏发电系统与公共电网相联接，其典型结构 示意图如图所示。 控制器 震 太阳光 以来，我国光伏产业的生产能力快速扩大，年光伏电 池年产量猛增至 ；年，成为世界最大的光伏电 交流 负载 直流 负载 池生产国，占世界总产量的；年产量达 ，仍居世界第一【。年，无锡尚德位居世界光 伏电池生产厂产量第。年，我国光伏发电装机容量 累计达万千瓦；年约为万千瓦；年则增为 万千瓦。目前，我国光伏发电系统主要为离网型，今后 将逐步向并网型光伏发电系统方向发展。据可再生能 源中长期规划，到年全国建成万个屋顶光伏发电 图并网型光伏发电系统（两级式） 图中，实现的前级变换控制与实现 逆变、并网控制的后级 控制独立，降低了后 级逆变器并网工作与光伏阵列输出功率的相互影响，在提 高太阳能利用率的同时，提高并网电流品质“。 并网型光伏发电系统具有太阳能利用率高、可省略蓄 电池储能环节、发电成本较独立型光伏发电显著降低等优 点，其是光伏发电技术发展的趋势，主要有大型联网光 伏电站和住宅联网型光伏系统两大类，其中，光伏系统与 建筑相结合（）的住宅屋顶联网型光伏系统已成为 光伏产业的一个热点。 并网型光伏发电系统的关键技术包括光伏阵列 、逆变、并网控制、并网保护及孤岛效应检 项目，总容量万千瓦。 综观世界光伏发电技术几十年来的发展历程，呈现出 如下发展趋势”。引：晶体硅光伏电池光电转换效率和生 产技术水平持续提高；随着晶体硅光伏电池的硅片厚度不 断降低，硅材料消耗不断减小，光伏电池生产成本大幅降 低；、非晶硅、等薄膜光伏电池已逐步进入市场，随 着薄膜光伏电池技术不断进步，薄膜光伏电池的市场份额 将快速增长；多晶硅薄膜光伏电池的光电转换效率不断接 近晶体硅光伏电池，成本远低于晶体硅光伏电池，发展前景 广阔；叠层、量子点、多能带、热光伏、多载流子光伏电池等 方兴未艾的新一代光伏电池将克服第一代硅光伏电池成本 高、第二代非晶硅等薄膜光伏电池光电转换效率低的局限， 且有原材料丰富、无毒等优点；光伏发电产业专用设备和仪 器制造技术不断进步，光伏电池生产规模及生产能力快速 测等“。 光伏发电技术的发展趋势 光伏发电技术研究始于年“光伏效应”的发现。 增长，光伏模块价格大幅降低；并网型光伏发电的应用比例 不断增加，逐步成为光伏发电的主流，光伏系统与建筑相 结合的太阳能建筑逐步进入商品化生产时期。 尽管与传统发电方式相比，目前光伏发电的成本仍偏 高，尚不具备大规模商业开发的条件，但以太阳能为主体 的新能源将成为世纪世界能源供应的主体，可以预测 随着光伏产业的快速发展，光伏发电的成本将不断下降并 逐步逼近传统发电成本的水平，从而成为具备竞争能力的 可再生能源“。 参考文献： 年，等开发出光电转换效率为的单晶 硅光伏电池，其为现代晶体硅光伏电池的雏形。目前，高 效晶体硅光伏电池和各类薄膜光伏电池是世界光伏产业 的热点之一。 在光伏发电技术开发之初的世纪年代，由于制 造成本高，光伏发电仅用于人造卫星、海岛灯塔等场所， 年全球光伏电池年产量仅几百千瓦旧。世纪 年代以来，随着光伏电池技术的不断进步、成本不断降低 （年，国际市场光伏模块的售价已降至美形 瓦；年，美国 公司薄膜光伏电池成本 为美元瓦），光伏产业迅猛发展，年全球光伏电池 赵争鸣，刘建政，孙晓瑛。等太阳能光伏发电及其应用 版北京：科学出版社， ：眦机械制造与自动化） 万方数据 ? ： 技术讲座? 王宏华?光伏发电原理及发展现状 技术，（）： 尹淞太阳能光伏发电主要技术与进展电力技术， （） 王长贵，王斯成太阳能光伏发电实用技术版北京： 化学工业出版社， 冯垛生，主编，宋金莲，赵慧，林珊，等编著太阳能发电原理 与应用版北京民邮电出版社， 蔡宣三太阳能光伏发电发展现状与趋势电力电子， （）： 殷志刚太阳能光伏发电材料的发展现状可再生能源， （）： 李畸勇基于模糊控制的最大功率点跟踪三相光伏发电系 统研究南京：河海大学博士学位论文， 赵玉文，吴达成，王斯成，等中国光伏产业发展研究报告 （）（上）太阳能。（）： 马胜红，李斌，陈东兵，等加速开拓国内光伏市场的可行性 分析太阳能，（） 马胜红，李斌，陈东兵，等加速开拓中国国内光伏市场的必 要性和紧迫性太阳能，（） 王乾坤，方彤世界太阳能光伏发电发展剖析国家电网 报 尹璐，赵争鸣光伏并网技术与市场现状与发展变 频器世界，（）： 刘道春太阳能光伏发电技术及其发展前景大众用电， （）： 杨萍薄膜太阳电池市场发展评析太阳能，（） 邓菊莲，崔海昱，王志刚，等第三代太阳电池技术太阳 能，（） 庾晋太阳能光伏发电存在的问题及促进措施光源与 照明，（）：禾 尹淞，郝继红我国太阳能光伏发电技术应用综述电力 收稿日期： 由五凶硒匹五出重五正山蛆上山工溘置皿岛正啦点乱墨山置置缸氐固置重五山置出置五置重溘上山置山 更 正 刊登在本刊年第期第页上的图应为： 佳 佳 径线 佳 线 径一致的中径线 瓣 （）单一中径与中径一致 （）单一中径偏向牙顶 （）单一中径偏向牙底 图三针法测量同一种螺纹单一中径三种情况的单针局部图 公式如最佳 一 巳 应为：最佳丽勃 （） 特此更正，并向作者表示歉意。 机械制造与自动化编辑部 万方数据 ， ，（）： ? 光伏发电技术系列讲座(1)光伏发电原理及发展现状 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 王宏华， WANG Hong-hua 河海大学,自动化工程系,江苏,南京,210098 机械制造与自动化 JIANGSU MACHINE BUILDING & AUTOMATION 2010，39(4) 0次 参考文献(17条) 1.赵争鸣.刘建政.孙晓瑛 太阳能光伏发电及其应用 2005 2.王长贵.王斯成 太阳能光伏发电实用技术 2009 3.冯垛生.宋金莲.赵慧.林珊 太阳能发电原理与应用 2007 4.蔡宣三 太阳能光伏发电发展现状与趋势 2007(2) 5.殷志刚 太阳能光伏发电材料的发展现状 2008(5) 6.王乾坤.方彤 世界太阳能光伏发电发展剖析 2010 7.尹璐.赵争鸣 光伏并网技术与市场-现状与发展 2008(10) 8.刘道春 太阳能光伏发电技术及其发展前景 2009(3) 9.庾晋 太阳能光伏发电存在的问题及促进措施 2010(1) 10.尹淞.郝继红 我国太阳能光伏发电技术应用综述 2009(3) 11.尹淞 太阳能光伏发电主要技术与进展 2009(10) 12.李畸勇 基于模糊控制的最大功率点跟踪三相光伏发电系统研究 2010 13.赵玉文.吴达成.王斯成 中国光伏产业发展研究报告,(2006-2007)(上) 2008(6) 14.马胜红.李斌.陈东兵.陈光明.孙李平.张亚彬.熊燕.刘鑫 加速开拓国内光伏市场的可行性分析 2009(12) 15.马胜红.李斌.陈东兵.陈光明.孙李平.张亚彬.熊燕.刘鑫 加速开拓中国国内光伏市场的必要性和紧迫性 2009(10) 16.杨萍 薄膜太阳电池市场发展评析 2009(11) 17.邓菊莲.崔海昱.王志刚.龙维绪 第三代太阳电池技术 2008(3) 相似文献(10条) 1.期刊论文 王文渊 太阳能供电系统光伏电池的合理配置 -通信电源技术2000(4) 叙述了通信用太阳能供电系统光伏电池的合理配置,对系统的可靠性和经济性的影响,并对多级分组投入和稳压变换式两种供电系统光伏电池配置的 特点进行了分析比较.通过两种稳定方式的太阳能供电系统光伏电池配置设计计算,阐述了稳压变换方式太阳能供电系统可以充分利用光辐射,减少光伏电 池配置,降低整体资金投入的优点. 2.期刊论文 朱继国.柴卫平.王华林 太阳能光伏电池及其气相沉积技术研究进展 -真空电子技术2008(3) 对太阳能光伏电池的发展现状进行了综述,重点论述了气相沉积技术及其在非晶硅、CIGS等薄膜太阳电池薄膜制备中的应用,并对气相沉积技术及太 阳能光伏电池的发展前景进行了展望. 3.期刊论文 陈观生.CHEN Guan-sheng 基于光伏电池和直流压缩机的太阳能冰箱可行性分析 -广东工业大学学报 2006,23(2) 通过对太阳能光伏电池、无刷直流电动压缩机的性能分析与比较,提出了太阳能光伏冰箱的构思,并在原理、可靠性、价格等方面与太阳能吸附冰箱 及常规家用冰箱进行了比较. 4.会议论文 刘颖绚.黄昆.刘璐.刘雅洲 太阳能光伏电池导电无铅涂锡合金铜带的研发及生产 2004 本文简述了一种新型的太阳能光伏产品太阳能光伏电池导电无铅涂锡合金铜带的研发及生产。产品技术的创新之处在于采用了涂层为无铅涂锡 合金配方、基体为铜和新工艺及其专利设备生产出具有龟纹从而无需焊膏焊接的涂锡铜带，提高了产品抗腐蚀、焊接性、导电性、使用寿命等性能，降 低了污染毒害问题。 5.学位论文 柴老大 聚合物太阳能光伏电池器件制备技术研究 2010 聚合物太阳能电池具有制造简单、低成本、可卷曲、可大面积制备等优点，在光伏电池领域有着广阔的应用前景。本文对太阳能电池的发展历史、 现状以及存在的问题进行了探讨，介绍了聚合物太阳能电池的相关理论。 为了获得比较高的能量转换效率，通常在实验中太阳能电池的单层结构中加入电极修饰层，即在阳极与活性层之间添加空穴传输层和在阴极与活性层之 间添加电子传输层。我们所采用的空穴传输层为PEDOT：PSS，电子传输层为LiF。通过实验，我们得到：空穴传输层厚度的不同直接影响着电池的能量转 换效率，在PEDOT：PSS 厚度为50nm 时的效果最好，能量转换效率达到1.12；电子传输层的有无对器件的能量转换效率影响明显，添加前后效率由 0.513增长到0.595。 采用一种新的阳极材料：银、铜、镍的复合金属网格阳极，利用旋涂法制成了活性层为P3HT (poly(3-hexylthiophene)：PCBM (6,6-phenylC61butyricacidmethylester)的柔性衬底聚合物太阳能电池。制备了5 种不同结构的柔性聚合物太阳能电池器件，将采用新型阳极材料的柔性衬底聚合物太 阳能电池与传统ITO（Indium tin oxide）阳极的柔性衬底聚合物太阳能电池进行对比，发现新型阳极材料所制成的器件性能得到大幅度的提高，其电池 器件在50mw/cm2 强度光照下，开路电压（Voc）为0.54V，短路电流密度（Jsc）为5.39mA/cm2，能量转换效率为2.060。 6.期刊论文 成志秀.王晓丽.CHENG Zhi-xiu.WANG Xiao-li 太阳能光伏电池综述 -信息记录材料2007,8(2) 近几年来,由于能源减少和环境污染的双重压力,使得光伏产业迅猛发展.详细叙述了薄膜光伏电池的发展历程、种类和光伏电池的制备工艺,以及薄 膜光伏电池产业发展的瓶颈问题,并对光伏产业进行了展望. 7.学位论文 张利 光伏电池特性研究 2008 太阳能是一种无污染且又取之不尽、用之不竭的绿色能源，其主要利用方式是太阳能光伏发电。光伏电池是太阳能发电的核心部分，对光伏电池输 出特性进行深入广泛的研究具有重要意义。在分析太阳能光伏发电的基本原理基础上，研究了太阳能电池的特性、照度特性和温度特性，推导出 光伏电池的等值电路，然后对光伏实验系统进行了相关的测试。最后对50WP多晶硅光伏电池在不同情况下的运行特性进行了实验研究，比较光伏电池在 不同倾角下、不同负载及不同气温条件下对太阳能光伏发电系统发电效率的影响，实验数据确定最佳方位角和倾斜角，并分析了阴影对光伏电池的影响 ，数据表明当阴影遮盖面积超过50后光伏电池输出功率降到原来的1。 8.期刊论文 杨静.刘石.陈焕倬.孙奉仲 空间站太阳能热动力系统和光伏电池的比较 -能源研究与利用2002(3) 文章对空间站太阳能热动力系统和光伏电池系统进行了分析比较,重点介绍了闭式Bragon循环的组成及其工作原理.太阳光伏电池技术成熟,有应用经 验,但其效率低,面积大,后期运行费用很高.太阳能热动力系统具有高效率,紧凑和可靠性好等优点,长期运行的费用低,是一种先进的太阳能电源方案,其 中闭式Brayton循环是技术上最有可能近期实现的电源. 9.会议论文 杜慧.林永君.张少伟 太阳能