应用光伏学---完整版

第一章第一章 太阳光的特性太阳光的特性 1 波粒二象性 波粒二象性 1905 年 爱因斯坦阐释了光电效应 他指出了光是由不连续的粒子或者能量组成的 既是粒 子又是波 光同时具有这两种对立而互补的性质 E hf hc 这就是波粒二象性 2 黑体辐射黑体辐射 黑体对于辐射来说是一个理想的吸收体或发射体 当它被加热后 开始发光 也就是说 开始发 出电磁辐射 例如 金属温度越高 发射的光的波长越短 发光的颜色由最初的红色逐渐变为白色 3 AM0 从本质上来说是不变的 将它的功率密度在整个光谱范围积分的总和 称作太阳常数太阳常数 它的公认值是 1 3661kw m2 4 太阳光到达地球表面时 穿过大气层的太阳光被减少了太阳光到达地球表面时 穿过大气层的太阳光被减少了 30 其影响因素有其影响因素有 1 大气中分子的瑞利散射 对短波长光而言更为明显 2 烟雾和尘埃粒子的散射 3 大气中气体的吸收 如氧气 水蒸气和二氧化碳 5 由于大部分的有效散射发生在短波长范围里 漫射辐射在自然光谱的蓝端区域起主导作用 因此天空呈现蓝因此天空呈现蓝 色色 6 人类的活动增加了大气中 人造气体人造气体 的排放 这些气体吸收波长的范围是在 7 13 微米微米 特别是二氧化碳 甲烷 臭氧 氮氧化合物和氯氟碳化物 CFC 等 这些气体阻碍了能量的正常逃逸 并且被广泛二位是造成造成 地表平均温度升高的原因地表平均温度升高的原因 7 日照数据和估算有三个基本的问题日照数据和估算有三个基本的问题 1 利用测量所得到的数据来计算给定地点水平面上的全局辐射 2 利 用全局辐射的数值来估算水平面上的直射成分和漫射成分 3 利用水平面上的直射成分与漫射成分数据来估 算倾斜平面的相应数据 8 在水平面上的陆地全局辐射数据 在水平面上的陆地全局辐射数据 1 峰值日照小时数据 每月的日平均日照水平通常用 峰值日照小时数 来表示 其概念是说全天所接收到的太阳辐射 早晨时候为低强度 在正午的时候达到峰值 午后又逐渐降低 2 日照小时数据 描述了在一个给定的时间段中 每天超过约为 210w m2 辐射强度的日照小时数 3 典型气象年 TMY 数据 日照数据有时以 典型气象年 数据的形式呈现 这是一个综合了各个月份数据的全年数据 每个月份的数据是从历史记录中所选取的代表该 月的 典型的 气象数据 4 人造卫星云图的数据 用来非常准确的计算晴天和阴天的百分比等 5 基于卫 星数据的日照数据 9 全局辐射与漫射成分的估算方法全局辐射与漫射成分的估算方法 1 晴朗指数 用月平均晴朗指数来估算日光中漫射成分的占比 是日间陆 地全局辐射与日间地外全局辐射两者间的月平均比值 2 Telecom 模型 如果直射和漫射日照成分不能分别确 定 对于两者的一个合理的近似可以通过将总月间全局日照 和根据大致的晴朗与阴云的天数通过理论计算得 出的总日照相等同而得出 第二章第二章 半导体与半导体与 pn 结结 1 1839 年 贝克勒贝克勒尔发现了某些材料在被曝光时产生电流的现象产生电流的现象 这就是现在我们所称的光伏效应光伏效应 是光伏器 件或者太阳能电池运作的基础 2 半导体材料的电学特性通常可以采用两种模型两种模型来解释 分别是化学键模型化学键模型和能带模型能带模型 3 化学键模型下材料的两种导电过程化学键模型下材料的两种导电过程 1 电子从被破坏掉的共价键中释放出来自由运动 2 电子也能够从相邻 的共价键中移动到由被破坏的共价键所产生的空穴里 而那个相邻的共价键便遭到破坏 如此就能使得遭破坏 的共价键或称空穴得以传播 如同这些空穴具有正电荷一般 4 能带模型根据价带和导带间的能级来描述半导体的运作特性 电子在共价键中的能量对应于其在价带的能量 电子在导带中是自由运动的 带隙的能量差反应了使电子脱离价带跃迁到导带所需的最小能量 只有电子进入 导带才能产生电流 同时空穴在价带以相反于电子的方向运动 产生电流 这个模型被称为能带模型能带模型 5 半导体的种类半导体的种类 用来制造太阳能电池的硅和其他材料的半导体通常有单晶体 mc 多晶体 pc 多晶体 微晶 体和无定形晶体 微晶体的晶粒小于 1 m pc 多晶体的晶粒小于 1mm mc 多晶体的晶粒小于 10cm 6 非晶硅非晶硅 在原子结构上没有长距离的有序排列 导致在材料的某些区域含有未饱和键或悬挂键 这些又导致 了在禁带中的额外能级 因而无法对纯的半导体进行掺杂 或者在太阳能电池的构造中获得较好的电流 7 光的吸收光的吸收 当光照射到半导体材料时 拥有比禁带宽还小的能量的光子与半导体间的相互作用极弱 于是顺 利地穿透半导体 就好像半导体是透明的一样 然而 能量比带隙能量大的光子会与形成共价键的电子相作用 用它们自身所具有的能量去破坏共价键 形成可以自由流动的电子 空穴对 8 复合复合 在没有外界能量来源的情况下 电子和空穴会无规则运动直到他们相遇并复合 任何在表面或者内部 的缺陷 杂质都会促进复合的产生 9 材料的载流子寿命材料的载流子寿命可以定义为电子空穴对从产生到复合的平均存在时间 对于硅 典型的载流子寿命约是 1 微妙 第三章第三章 太阳能电池的特性太阳能电池的特性 1 太阳能电池电力输出的电力输出的两个主要两个主要制约参数制约参数为 1 短路电流 当电压为 0 时 电池输出的最大电流 在理想情 况下如果 V 0 Isc Il Isc 与所接收光的光照强度成正比 2 开路电压 当电流为 0 时 电池输出的最大电压 开路电压随辐射强度的增加呈对数方式增长 这个特性使得太阳能电池特别适用于为蓄电池充电 2 填充因子填充因子是衡量电池 P N 结的质量以及串联电阻的参数 3 光谱响应 光谱响应 当单个光子的能量比构成电池的半导体材料的禁带宽度大时 太阳能电池就会吸收和这个光子并 产生一个电子空穴对 在这种情况下 太阳能电池对入射光的光子产生响应 光子能量超出禁带宽度的部分迅 速以热量形式散失 4 太阳能电池的量子效率 太阳能电池的量子效率 QE 假设照射到太阳能电池上的光子在电池内部产生电子空穴对 最终这些载 流子对太阳能电池输出电流产生贡献的概率 5 太阳能电池的工作温度太阳能电池的工作温度是由环境温度 封装电池的组件的特性 照射在组件上的日光强度以及其他一些变量 比如风速等因素决定的 6 对于硅太阳电池于硅太阳电池来说 温度的上升的主要影响温度的上升的主要影响是开路电压和填充因子的下降 因而导致了输出电功率的下降 7 太阳能电池通常伴随着有寄生串联电阻寄生串联电阻和分流电阻分流电阻 两种寄生电阻都会导致 降低 串联电阻主要来源于串联电阻主要来源于 半导体材料的体电阻 金属接触与互联 载流子在顶部扩散层的运输 以及金属和半导体材料之间的接触电阻 分流电阻分流电阻是由于 pn 结的非理想性和结附近的杂质造成的 它引起结的局部短路 尤其是在电池边缘 第四章第四章 太阳能电池特性和设计太阳能电池特性和设计 1 光伏系统发电的成本取决于光伏系统发电的成本取决于其初期成本 使用寿命 运行成本 电能输出量 以及贷款的费用 目前的货币 价值在日后的贴现率 2 太阳能电池光学损失的减少方法 太阳能电池光学损失的减少方法 1 将电池表面顶层的电极面积减少到最小 2 在电池表面使用减反射膜 为了将反射进一步最小化 可以将减反射膜的折射率设计为膜两边材料 3 通过表面制绒也可以减少反射 晶 体硅表面通过沿着晶面的腐蚀而被均匀的绒化 如果晶体硅的表面是按照内在原子的排列规律适当地排列而成 表面就会形成金字塔结构 绒化的或粗糙化的表面的另外的一个好处是光按照斯涅尔定律倾斜的耦合进硅体中 4 电池背表面的高反射减少了电池背电极的吸收 使到达背表面的光线被弹回 再度进入电池而有可能被吸 收 如果背面反射体能够完全随机式地打乱反射光的方向 光线可能会因为电池内部的全反射而被捕获在电池 内 P35 3 太阳能电池对更大波长辐射的转换效率 或者红光响应 太阳能电池对更大波长辐射的转换效率 或者红光响应 可以通过增加电池 背电场 BSF 的方式来改 善 也就是降低背表面的复合速率 4 复合能够通过以下几种机理发生复合能够通过以下几种机理发生 1 辐射复合 吸收的反过程 电子从高能态返回到较低能态 同时释放 光能 2 俄歇复合 碰撞电离的反过程 电子和空穴复合释放出多余的能量 这些多余的能量被另一个电子 吸收 随后 这个吸收了多余能量的电子驰豫返回原先的能态并释放出声子 俄歇复合在掺杂较重的材料中尤 其显著 3 通过陷阱复合 当半导体中的杂志或表面的界面陷阱在禁带间隙中产生允许的能级时 这个复合 就能发生 电子分成两个阶段完成与空穴的复合 首先电子跃迁到缺陷能级 然后再跃迁到价带 5 要收集太阳电池产生的电流 金属顶电极是必需的要收集太阳电池产生的电流 金属顶电极是必需的 主栅线和外部导线直接相连主栅线和外部导线直接相连 而副栅线是更细小的金属副栅线是更细小的金属 化区域 用来收集电流传输给主栅线化区域 用来收集电流传输给主栅线 顶电极的设计目标是通过优化电流收集来减少由于内部电阻和电池遮蔽 而产生的损失 6 除了横向电流损失 主栅线和副栅线也是导致多种损失的原因除了横向电流损失 主栅线和副栅线也是导致多种损失的原因 这些损失包括遮光损失 电阻损失 也称欧 姆电阻损失 以及接触电阻损失 7 电池设计时 大体上可认为 电池设计时 大体上可认为 1 当主栅线电阻损失等于其遮光损失时 主栅线宽度最佳 2 渐缩的主栅线 比宽度恒定的主栅线所引起的损失小 3 单元电池的尺寸 副栅线宽度以及副栅线的间距越小 引起的损失 就越小 P39 8 为了制作更为高效的硅太阳能电池 在实验室制造环境下使用的一些技术和设计包括为了制作更为高效的硅太阳能电池 在实验室制造环境下使用的一些技术和设计包括 P40 1 轻扩散的磷 发射区 这是为了减少复合损失 并避免电池表面产生死层 2 间隔紧密的金属栅线 这是为了使发射区横 向电阻引起的功率损失最小化 3 极细的金属栅线 宽度一般小于 20 微米 其目的是尽可能的减少遮光损失 4 抛光或研磨的表面 从而可以通过光刻的方法形成顶电极栅线的图案 5 小面积器件和良好的金属传导性 可以将金属栅线的电阻减到最小 6 减小电极的面积 以及重掺杂位于电极下方的硅表面 使复合率尽可能 降低 7 使用贵金属的金属化方案 如钛 钯 银 从而获得极低的接触电阻 8 有效的背面钝化 以减小复 合 9 减反射膜的使用 这能使表面反射从 30 减小到远低于 10 以下 9 出于减少处理步骤以及降低成本的考虑 以下技术通常不会在工业生产中使用 出于减少处理步骤以及降低成本的考虑 以下技术通常不会在工业生产中使用 光刻工艺 钛 钯 银蒸发接 触 双层减反射膜 小面积器件 抛光或研磨硅片的使用 10 为了确保产品可以商业化 工业生产要求为了确保产品可以商业化 工业生产要求 P40 廉价的材料和加工过程 简易的技术和工艺 高产量 大 面积器件 较大的金属接触面积 和绒化表面相兼容的工艺 11 典型的大规模生产商业太阳能电池制造步骤如下 典型的大规模生产商业太阳能电池制造步骤如下 1 通过表面制绒形成金字塔 通过使被金字塔表面反射 的光线 在逃离电池表面之前至少撞击另一个金字塔表面一次 使入射光反射率大约 33 减小到 11 2 上 表面磷扩散 以提供一层既薄而又重掺杂的 型层 通过丝网印刷在电池背面覆盖铝浆或银铝浆 然后烧 结形成背电场和背金属电极 化学清洗 丝网印刷并烧结正面银电极 6 边缘结隔绝 以切断正面 电极和背面电极之间的传导路径 12 相对于传统电池的制造工艺 激光刻槽相对于传统电池的制造工艺 激光刻槽 埋栅太阳能电池 埋栅太阳能电池 BCSC 具有以下优势 具有以下优势 P41 1 高电极纵横比 接触电极的厚度 宽比例较大 2 极细的顶电极栅线 20 微米 3 在大面积器件上的遮光损失从丝网印 刷电池的 10 15 减小到 2 3 4 由于低金属电阻和接触电阻损失 填充因子极佳 5 刻槽的宽度不变 通过增加它的深度来增加金属的横截面积 而不增加遮光面积 6 能够在无性能损失的前提下增大器件尺寸 7 不需要光刻 减反射膜 抛光或研磨的表面或钛 钯 银等昂贵的镀金材料 8 非常简单的生产过程 9 由此类电池发电的成本显著低于标准丝网印刷电池 10 高达 20 的大面积太阳能电池效率和高达 18 的组 件效率已经被证实 而使用丝网印刷技术制造的电池效率分别只能达到 14 和 11 13 它被作为它被作为聚光太阳能电池聚光太阳能电池使用时还有额外的优势 使用时还有额外的优势 P41 1 在较低成本的多晶或者单晶材料衬底上可以达 到更高的效率 2 可以是用成本更低的镍 铜镀金 3 自对准 的工艺流程 4 仅在刻槽区域采取更深的 扩散掺杂 有效的避免了金属与发射区的直接接触 同时确保了发射区的低掺杂浓度 因而更为高效 5 通 过使用轻掺杂的发射区来避免上表面死层的产生 从而显著改善电池对于短波光的响应 6 大面积的镀金槽 壁和重掺杂的接触区域减小了接触电阻 14 激光刻槽激光刻槽 埋栅太阳能电池 埋栅太阳能电池 BCSC 的制造工艺流程 的制造工艺流程 P42 1 表面制绒 2 表面磷扩散和氧化 3 激 光刻槽 4 化学清洗 5 槽壁磷重扩散 6 背表面铝金属化和烧结 7 顶电极 背电极同时进行无电镀 镍 铜 银 8 边缘结隔绝 第五章第五章 光伏电池的互联和组件的装配光伏电池的互联和组件的装配 1 单个的单晶硅单个的单晶硅电池所能得到的最大电压只有 600mV 电池一般被串联在一起以获得所期望的电压 一般 36 个电池串联在一起形成一个额定电压为 12V 的充电系统 在峰值日照情况下 100mW m2 一个电池的最大最大 电流电流越大约是 30mA cm2 电池因此并联在一起以获得预期的电流 P44 2 在实际情况中 所有电池都具有不同的特性 输出最小的电池限制了整个组件的总输出 组件中电池的最大 输出的总和与组件实际达到的最大输出之间的差别就是失谐损耗失谐损耗 3 存在于组件里的失谐电流失谐电流可导致某些电池在产生能量而某些电池在消耗能量 最坏的情况是 当组件或者组 件串被短路短路时 所有好电池的输出都会消耗在坏电池上 4 能量在坏电池上的消耗导致电池 P N 结的局部击穿 再很小的区域会产生很大的能量消耗 导致了局部过热 或者称为 热点热点 从而会导致电池电池或玻璃开裂 焊料熔化玻璃开裂 焊料熔化等破坏性的结果 P46 5 对于热点问题和失谐电流对于热点问题和失谐电流 一个解决办法解决办法是在原电路基础上加装旁路二极管 通常情况下 例如光线不被遮 挡时 每个二极管出于反偏压 每个电池都在产生电能 当一个电池背遮挡时会停止产生电能 成为一个高阻 值电阻 同时其他电池促使其反偏压 导致连接电池两端的二极管导通 原本流过被遮挡的电池的电流被二极 管分流 对于硅太阳电池 一个旁路二极管最多连接 10 15 个电池个电池 因此对于通常的 36 电池片组件 至少需 要 3 个旁路二极管个旁路二极管以保证不被热点所损坏 P47 6 对于并联组件并联组件 当使用旁路二极管时会发生热失控热失控 一串电池的旁路二极管比其余的热 承载了很大一部 分电流 因此导致更热 因此应当选用能够承受组件合并所产生的并联电流的二极管并联电流的二极管 合格的二极管应当能够 承受受其保护组件的 2 倍的开路电压倍的开路电压或者 1 3 倍的短路电流倍的短路电流的工作条件 7 阻塞二极管的作用阻塞二极管的作用是保证电流只会从组件里流出 8 组件符合以下要求组件符合以下要求 就达到了质量标准质量标准 1 没有明显的肉眼能够看到的缺陷 2 在 情况下 经过单 个测试后的最大输出功率的降格小于 在所有测试程序之后的最大输出功率的降格小于 通过绝 缘性测试和高电压测试 样品不存在任何明显的断路或接地故障 P48 组件的抗候性 抗候性 组件必须能够经受像灰尘 盐 沙子 风 雪 雨 冰雹 鸟 湿气的冷凝和蒸发 大气气 体的污染物 每日和季节温度的变化 以及能在长时间紫外光照射下保持性能 10 组件的顶部盖板顶部盖板必须具有并且保持对于 350 1200nm 波段太阳关的良好的透过率透过率 它必须具有好的抗冲击抗冲击 能力能力 具有坚硬光滑 平坦 耐磨 以及能利用风雨或喷洒的水坚硬光滑 平坦 耐磨 以及能利用风雨或喷洒的水进行自我清洁的抗污表面抗污表面 回火过的低铁含量 卷制玻璃是当前作为顶层表面的最佳选择 因为它相对便宜 坚固 稳定 具有高透光率 密封性和良好的自 清洁能力 低铁玻璃可以让透过率达到 91 11 大部分长时间湿气的渗入是组件失效的原因大部分长时间湿气的渗入是组件失效的原因 水蒸气在电池板或者电路上的冷凝会导致短路或者腐蚀 因 此密封组件必须对气体 蒸汽或液体有很强的抵御性 通常的封装材料封装材料是乙烯 醋酸乙烯共聚物 特 氟纶和铸件树脂 EVA 被普遍应用于标准组件 通常在真空室中处理 特氟纶用于小型特殊组件上 它的前 面不再需要覆盖玻璃 树脂封装有时被用在大型组件上 12 对于晶体硅材料晶体硅材料 尤其需要组件尽可能的在较低的温度运行在较低的温度运行 这是因为因为 1 在低温下电池的输出会增多 2 热循环和热应力将会减少 3 温度每升高 10 摄氏度 降格速率会增长大约 1 倍 P49 13 对于不同的封装类型 具有截然不同的热特性 制造者利用这点制造出不同的产品来满足不同的市场需求 一个典型制造商可能提供以下一些特性不同的组件一个典型制造商可能提供以下一些特性不同的组件 海洋组件 注塑成型组件 袖珍型组件 层压式组件 光 伏屋顶瓦片 建筑一体化薄板 14 额定电池工作温度 额定电池工作温度 NOCT 的定义为 当组件中电池处于开路状态 并在以下具有代表性的情况下所达 到的温度 电池表面光照强度 800W m2 空气温度 20 摄氏度 风速 1m s 支架结构 后背面打开 P50 15 需要安装接地泄露安全装置的情况 需要安装接地泄露安全装置的情况 1 阵列 Voc 50 无须安装 50V Voc120V 除了上述措施以外 需要为浮置的 绝缘的阵列安装一个绝缘监视器 16 组件的操作寿命组件的操作寿命是 主要是由封装的耐久性封装的耐久性决定的 实际应用表明 在 20 到 30 年预期寿命之后 太阳能 组件就会以不同的形式降格或者失效 典型的性能损耗范围每年在 1 2 17 每年运行时有各种降格所引起的预期输出减少量 每年运行时有各种降格所引起的预期输出减少量 P52 1 前表面污损 随着前表面灰尘的积累会降低组件的性能 组件的玻璃表面通过风雨的洗刷实现自我清洁 而将这些损失保持在 10 以下 然而对于其他材料的表面而言这个损失的百分比可能更高 2 电池的降格 组件中逐渐的降格主要是由以下因素引起的 1 由于金属接触附着力的降低或腐蚀引起的 Rs变大 2 由于金属迁移透过 PN 结导致 Rsh减少 3 抗反射涂层的老化 4 电池中活跃的 P 型材料硼形成硼氧化合物而造成衰减 3 组件的光学老化 封装材料的变色可导致性能逐渐下降 4 电池短路 短路容易在电池互联的地方出现 对薄膜电池这是个比较常见的问题 5 电池断路 这是个比较常见的问题 尽管多余的连接点和互联的主栅线能通常确保电池正常地运行 电池 的破裂可以导致断路 导致电池破裂的原因 导致电池破裂的原因 1 热应力 2 冰雹或碎石 3 在生产或装配过程中造成的 隐形裂痕 一般在生产检 验时无法发觉 但是之后就会出现 6 互联的断路和寄生串联电阻 由于循环热应力和风力负荷会导致连接件的疲劳 从而导致互联电路的断路 故障 寄生串联电阻会随时间的推移而逐渐增大 7 组件的断路和寄生串联电阻 断路故障和老化的影响也会在组件结构中出现 最典型的是在总电线和接线 盒中发生 8 组件电路短路 虽然所有组件在出售前都会经过测试 然而生产缺陷通常可能引起组件短路 9 组件玻璃破损 顶部玻璃损坏可能出现的原因有人为故意破坏 热应力 安装操作不当 风或冰雹的影响 10 组件脱层 一般由于较低的焊点强度 潮湿和光热老化等环境问题 或者因为受热和潮湿产生的膨胀不等 而引起的 11 热点故障 失谐的 破裂的或被遮挡的电池能导致热点故障 12 旁路二极管故障 用于克服电池失谐问题的旁路二极管 也有可能产生故障 通常由于过热或规格不符造 成的 13 封装材料的失效 紫外线的吸收剂和其他密封稳定剂能保证封装材料具有更长的寿命 随着流失和扩散 这些成分会逐渐耗尽 一旦浓度低于某个临界水平 封装材料会快速的降解 特别是 EVA 层颜色的变深 伴 随着乙酸的形成 会导致某些太阳能阵列输出功率的逐渐减小 特别是对于聚光系统 1 独立光伏系统的应用 独立光伏系统的应用 P57 1 航天应用 如人造卫星和空间站 2 导航设备和报警装置 信号灯塔 3 无线电通信 如微波中继站 边远地区的无线电话 紧急呼叫电话 4 铁路公路信号灯 5 阴极保护 如管道线路的防锈 6 10mW 以下的电动消费产品 如计算器和钟表 7 蓄电池充电 照明 汽车的电力系统 8 教育 社会公益用电 如电视在发展中国家 9 冷藏设备 边远地区的药物和疫苗的储存 10 水泵 生活和灌溉的水供应 11 净化水 12 太阳能车 高尔夫球车 太阳能汽车 13 照明 广告牌 安全照明 紧急报警灯 14 远程监控 如气象 污染 高速公路检测 水位高度 水质 15 远程测量供电 16 气体流速测量 17 直接驱动用电设备 如鼓风机 玩具 18 电网 19 远程电动门 20 边远村庄的供电 混合动力系统 21 并网发电时民用和商用电力的供应 22 太阳能发电站 2 每个单体 丝网印刷 太阳能电池的性能 每个单体 丝网印刷 太阳能电池的性能 P59 1 开路电压 Voc 600mV 25 2 短路电流 Isc 3 0A 3 填充因子 FF 75 4 最大功率电压 Vmp 500mV 25 5 最大功率电流 Imp 2 7A 6 电池面积 100 2 因此 因此 36 片电池串联得到 片电池串联得到 1 开路电压 Voc 21 6V 25 2 短路电流 Isc 3 0A 3 填充因子 FF 75 4 最大功率电压 Vmp 18V 25 5 最大功率电流 Imp 2 7A 3 封装到组件中的电池比未经封装的电池平均效率要低的原因 封装到组件中的电池比未经封装的电池平均效率要低的原因 P59 1 玻璃的表面反射 2 电池与密封材料之间界面的反射 3 电池之间的失谐损失 4 互连阻抗损失 4 为一个为一个 12V 的铅酸蓄电池充电 需要使用的铅酸蓄电池充电 需要使用 Vmp 18V 的组件的原因 的组件的原因 P59 1 当太阳能电池工作温度升到 60 时 电压损失约 2 8V 2 通过阻塞二极管时电压下降 0 6V 3 通过稳压器时通常电压下降 1 0V 4 光照强度不足的情况下电压也会下降 5 要使蓄电池完全充足电 需要 14 0 14 5V 的电压 5 太阳能电池的使用寿命主要取决于 太阳能电池的使用寿命主要取决于 封装质量封装质量 尤其指防潮保护 尤其指防潮保护 P60 6 蓄电池的种类 蓄电池的种类 P60 铅酸 镍镉 镍氢 铅酸 镍镉 镍氢 充电式碱性 锂离子 锂高分子和和氧化还原蓄电池 蓄电池 其他电池技术其他电池技术 如溴化锌 氯化锌 镁 锂 硫化钠 镍氢等 7 蓄电池的应用 蓄电池的应用 P60 1 维持系统运用 如水泵系统 2 周期性短期存储 以便更有效地分配电力 如以 24 小时为一循环 3 为保证系统能够度过低日照低日照月份而进行进行长期存储 8 蓄电池的要求 蓄电池的要求 对必须长期运行的蓄电池系统来说 蓄电池主要满足以下特征 蓄电池主要满足以下特征 寿命长 较长的负载周期和 较低的漏电量 比较高的充电效率 低价格 低维护 9 蓄电池的效率 蓄电池的效率 P61 1 电量效率 通常在恒定放电率下测量 是指和充入电量相比较 所能够从蓄电池取回的电量比例 漏电会 影响电量效率 2 电压效率 也是在恒定放电率状态下测量 电压效率指的是将一个电荷充入蓄电池所需的能量 与将该电 荷释放所获得的能量之比 3 能量效率 电量效率和电压效率的乘积 10 独力光伏系统的平均工作效率为独力光伏系统的平均工作效率为 80 85 冬天升高至 冬天升高至 90 95 的原因 的原因 P61 当蓄电池处于更低充电状态 85 90 时具有更高的电量效率 大多数电荷直接进入负载 而非蓄电池 实验已经获得过 95 的电量效率 11 蓄电池的额定功率 电流 蓄电池的额定功率 电流 充放电的最大速率 单位 安培 A 12 蓄电池容量 蓄电池容量 在蓄电池电压不低于某指定值的情况下 蓄电池所释放的最大能量 单位 千瓦 时 KW h 或安培 时 Ah 铅酸蓄电池 放电率一般为 10h 光伏系统配套蓄电池的放电率一般被设为 300h 20 13 蓄电池的放电深度 蓄电池的放电深度 DOD 指从蓄电池取出电量占额定容量的百分率 浅循环蓄电池的放电深度不应超 过 25 深循环蓄电池则可释放 80 的电量 设计时必须调好电池的循环深度和容量之间的关系 P61 14 铅酸蓄电池的类型 铅酸蓄电池的类型 深 浅 循环 胶化蓄电池 受控和液体电解液蓄电池 密封和开放式蓄电池等 密密 封式封式 阀控铅酸 蓄电池蓄电池 不可以补充电解液 15 极板材料 极板材料 铅酸蓄电池的铅酸蓄电池的极板类型 极板类型 P62 1 纯铅极板 因纯铅极板柔软而又容易损坏 操作时必须非常小心 但它有底漏电率和较长的使用寿命等优 势 2 添加钙的铅极板 铅钙极板 强度会有显著提高 它的价格也较纯铅蓄电池更低 但这种极板的蓄电池不 适合反复深度放电 而且寿命更短一些 被广泛地应用于阀控铅酸蓄电池中 3 为增加强度和降低电阻率 锑也常被加进铅极板 铅锑蓄电池通常应用于汽车工业 实际上 它们比纯铅 或铅钙蓄电池更便宜 但寿命较短 而且漏电问题更严重 16 硫酸化 硫酸化 光伏系统的蓄电池通常被用于恒定电压模式 浅循环模式 或循环模式 在冬天 很多光伏系统 中的蓄电池会长期处于低充电状态 这会带来不少问题 如长期的充电量底下会使极板上生成硫酸铅晶体 导 致蓄电池的效率和容量降低 这种现象被称之硫酸化硫酸化 P62 17 为了控制过充电为了控制过充电 每个电池的电压通常会用稳压器限制在 2 35V 这样蓄电池的电压最大值也就被限制在大 约 14V 的位置 18 铅酸蓄电池效率 铅酸蓄电池效率 P63 电量效率 85 电压效率 85 能量效率 72 19 镍镉蓄电池的优点镍镉蓄电池的优点 P63 1 可过量充电 2 能够充分放电 从而避免设计时预留额外电容的需要 3 更耐用 4 低温工作也有极佳的性能 即使冻结也不会损坏电池 5 低内阻 6 更高的充电速率 7 放电过程中电压恒定 8 寿命更长 9 维护要求低 10 不使用时漏电率低 20 镍镉蓄电池的缺点镍镉蓄电池的缺点 P64 1 较一般的铅酸蓄电池贵 2 3 倍 2 充电蓄能效率更低 60 70 3 需充分放电以控制记忆效应 以及记忆效应所导致的无法完全放电的问题 4 放电速度比较慢 21 镍氢蓄电池镍氢蓄电池 通过从金属化合物中吸出和放出氢来完成充放电过程 电解液里含有 KOH 水溶液 它大多数 被电极和分离层吸收 电压 1 2V 效率达 80 90 最大功率略低 并受记忆效应影响更少 但价格昂贵 22 可充电碱性锰蓄电池可充电碱性锰蓄电池 P64 属于密封型蓄电池 额定电压 1 5V 相对其他类型蓄电池更环保 适用于 小型蓄电系统 但内阻较高 过度放电会影响其使用寿命 23 锂离子和锂聚合物蓄电池锂离子和锂聚合物蓄电池 P64 属于密封型蓄电池 通常用于便携设备 如电脑 相机 PDA 手机等 额定电压 3 6V 采用有机溶液有机溶液作为电解液溶液 使用时需要注意安全 防止过充电 过放电 过流 短路 高温等 24 氧化还原蓄电池氧化还原蓄电池 P65 用液态电解液通过可逆反应来充电和放电 当溶液在蓄电池中流动时 互相分离 的两种活性材料溶液之间的离子交换是通过离子选择膜进行的 电解液独立于电池存放 以避免漏电 它们有 较长的循环周期 更高的能量密度 而且能够完全放电 氧化还原蓄电池氧化还原蓄电池的容量容量与活性材料的存量相关 额定额定 功率功率与蓄电池的反应室大小有关 25 氧化还原蓄电池的效率 氧化还原蓄电池的效率 如 钒氧化还原电池 如 钒氧化还原电池 电量效率 97 电压效率 92 能量效率 87 26 超级电容超级电容 P65 这种静电储存装置在电极之间使用了离子透导薄膜 而非双电极 优点优点 长循环寿命 低内阻 适用于高功率系统 而且其蓄电量与电压直接关联 容易估算 27 阻塞二极管阻塞二极管 可以避免光伏系统中的蓄电池短路 同时防止在没有光照的时候蓄电池通过太阳能电池漏电 28 二极管限压器二极管限压器 可以用来保证蓄电池不会给负载提供过多的电压 29 蓄电池蓄电池稳压器稳压器 充电控制器 充电控制器 避免蓄电池的放电不足和过充 30 稳压器稳压器的主要的主要技术参数技术参数 P65 高压开路电压 VR 即最大工作电压 2 滞后电压 VRHVRH 定义为高压开路电压与断开后恢复充电电压 之差 3 低压开路电压 LVDLVD 电压低于这个值时系统会自动断开 进而也限定了最大放电深度和电池可用 容量 4 开路滞后电压 LVDHLVDH 是低压开路电压与断开后重新导通时的电压值之差 注 注 高压开路电压 与滞后电压之间的电位差电位差称为 VRRVRR LVDLVD 被用来防止过度放电 过度放电 低压开路电压与开路滞后电压被统称为低低 压重连接电压 压重连接电压 31 31 防止蓄电池过充的基本充电调节方法有两种 防止蓄电池过充的基本充电调节方法有两种 P66 1 中断调节 充电控制器相当于一个开关 在充电 时可以将太阳能板生成的电流导入蓄电池内 当达到最大设定电压时 控制器制造一个开路或短路来切断充电 电流 2 恒压调节 和中断调节类似 在达到最大工作电压之前充电电流会流入蓄电池 不同的是 在接近 最大工作电压时充电电流会逐渐减小 以保证蓄电池能够收集到全部电流 32 32 并联调节器 稳压器 并联调节器 稳压器 用一个固态元器件来消耗多余的能量 这样就能将蓄电池的电压限定在设置的范 围内 33 33 串联调节器 串联调节器 当达到一定预调节电压时 串联调节器被用来控制组件电流 34 34 脉冲控制器 脉冲控制器 P67 通过调节电流脉冲周期来控制电路 即适用于并联也适用于串联 35 35 次级组件开关排布 次级组件开关排布 是中端调节机制的改良方案 特点是工作时不需要关闭全部太阳能电池 而是根据需 要连接或切断次级阵列 3636 自我调节系统 自我调节系统 不需要调节器来控制其运行 而是将光伏组件直接连接到蓄电池 并且依靠太阳能板的自 我调节特性进行调节 37 37 最大功率点跟踪器 最大功率点跟踪器 P68P68 可以将太阳能板的输出电压从其瞬时最大功率点 调整为符合系统充电要求的电 压 38 38 最大功率点跟踪器的优点 最大功率点跟踪器的优点 P68P68 1 减少组件与蓄电池之间电路上的电压损失 2 降低每个组件对电池数 量变化的灵敏度 如可采用具有较少数量较大面积电池的组件 3 可以使用较为复杂的充电电流电流波形 39 39 防止蓄电池过度放电 防止蓄电池过度放电 为防止蓄电池过度放电 我们要求电路在电压达到低压开路电压点处断开 过后又 会在低压重连接点处导通 40 40 冰冻保护 冰冻保护 蓄电池电解液的冰点取决于它的浓度 而浓度又与充电状态有关 在寒冷条件下 需要将负载 断开设置点提高以防止冰冻 41 41 逆变器的分类 逆变器的分类 P68 轻型逆变器 提供 100 10000W 的连续输出 有的可进行频率控制 主要用于电脑 电视等小型用电器 中型逆变器 能连续输出 500 20000W 的功率 一些带有 负载需求开关 随负载的变化自动闭合或切断 装置 3 大型逆变器 以 10000 60000W 的功率作连续输出 适用于启动功率为 3000 200 000W 的交流感应电动机 42 42 逆变器逆变器的另外两个选择标准两个选择标准是输出波形和待机能耗 P69 43 43 在独立光伏系统中 对逆变器的要求如下 在独立光伏系统中 对逆变器的要求如下 P691 1 可承载的输入电压范围较大 2 电压波形近似于正弦波 3 输出电压以及频率误差笑 4 低负载工作时保持高效率 10 负载时效率最好达到 90 以上 5 能够承 受瞬时过载 6 在电抗性负载下能够良好运转 7 适用于设置了半波整流的负载 8 不易短路 44 44 系统平衡器件系统平衡器件 蓄电池 整流器 逆变器等和其他系统配件被统称之 45 45 系统平衡器件包括 系统平衡器件包括 布线系统 安装支架 护盖 46 46 过流保护 过流保护 设计原则 设计原则 P70P70 布线时应使用高熔断电阻丝或适合的断路器来将电流限制在电路中任意一点 的导电瓶颈以下 以避免过载或短路 47 47 连接器减少问题的措施可以考虑以下几点 连接器减少问题的措施可以考虑以下几点 1 确保连接器与电线规格相匹配 2 环形连接器比铲形连接 器更不易脱落 应优先使用 3 剥去电线末端约 1cm 长的绝缘层 如必要 使用溶剂清理 然后用卷边工具 将连接器与导线想连接 4 子系统间的接点应在末端接头处使用绝缘带固定 并放在防雨盒中 5 仔细检查 电线是否有接触到不同电位金属而可能发生短路的地方 6 确保接口和刀口处有绝缘保护 7 安装完毕 再 次检查所有连接 8 蓄电池电线接口处应该被卷边处理 48 48 雷电防护包括 雷电防护包括 P71 箝位电路 金属氧化物变阻器 断路器 瞬时吸收齐纳二极管等 49 49 电子设备不能直接固定在蓄电池上面 其理由主要有 电子设备不能直接固定在蓄电池上面 其理由主要有 P72 P72 1 酸性蒸汽可能会破坏设备 2 设备可能产 生电火花 3 电路维护时 工具可能会掉落在电池上 导致短路和打火 50 50 常用的支架常用的支架 结构材料包括 结构材料包括 P73P73 1 铝 轻便 坚固 耐腐蚀 易于切割 与大多数光伏组件框架材质相 同 不易焊接 2 角铁 易于切割 如果未电镀会快速腐蚀 易于焊接 3 不锈钢 耐久性极强 造价高昂 不易切割 不易焊接 适用于盐雾坏境 4 廉价 易于切割 需要作防腐处理 不适合潮湿坏境 51 51 常用的组件支架方式 常用的组件支架方式 1 固定支架安装式 在北半球面南安放 在南半球则面北 2 换季调整式 随着一 年中正午太阳高度的变化 我们可以每月或者每季手动调整太阳能板的仰角 这种方法既可以增加系统的能量 输出 又不会显著提高其造价 3 单轴追踪式 随着太阳的东升西落 安装单轴追踪器的太阳能板可以沿垂 直轴每小时作自动调整 4 双轴追踪式 沿南北和东西两个轴向对太阳金星追踪可进一步增加光伏系统的能量 输出 5 聚光发电式 聚光发电是用光学透镜和反射镜将阳光聚焦在一个更小面积的高效率太阳能电池 第七章 独立光伏系统设计第七章 独立光伏系统设计 1 1 独立光伏系统设计独立光伏系统设计核心核心在于根据根据特定负载的需求来选择适合的配件 除了负载的特征 需要也考虑组件成本组件成本 及工作效率工作效率 2 2 根据不同的情况 主要的设计准则包括根据不同的情况 主要的设计准则包括 P78 1 最低寿命周期成本 2 允许负载和阳光辐照量的波动 3 设计的模块化和灵活性 4 维护和修理的简易程度 输出电能的品质 5 可靠性 6 社会因素 3 3 系统的利用率 系统的利用率 A A 系统能够满足负载需求的时间所占其总运行时间的比例 4 4 影响光伏系统利用率的原因 影响光伏系统利用率的原因 天气 故障 系统维护和负载用电超标等 5 5 混合系统 混合系统 P79 该系统可满足大部分电力负载的需求 并使用柴油或汽油发电机作为备用 这样的设计 大大提高了系统的利用率 提高了系统的利用率 降低蓄电池的所需容量 也相应地减少了系统中光伏组件的数量 优点优点 稳定 节 能 经济划算 6 6 光伏系统的简易设计方法 光伏系统的简易设计方法 P80P80 1 确定负载 系统的额定电压 负载所允许的电压浮动范围 平均每天的负载量 全年的大体负载 数据 2 选择蓄电池容量 一般要求需要电池存储满足 15 天的用电量 3 倾斜角的初步估算 先测量出安装位置的地理位置 然后按照该位置安装电池板的倾斜角度 4 辐照量 利用已有的辐照量数据估算出投射在倾斜面的辐照量 5 对太阳电池容量的初步估算 一般要选择安装总峰值电流 即在 1KW 每平方米日光照射下 为平均负载 的五倍的太阳能板的容量 之所以选择是因为因为 a a 夜间没有阳光无法发电 b b 早上 傍晚以及多云天气光强 减弱 c c 蓄电池存在充电效率限制 d d 蓄电池有漏电问题 e e 灰尘会影响光线射入 此外要注意倾斜角和鸟 类粪便对太阳电池的影响 6 优化太阳能板的倾角 保持组件发电容量不变 略微调整倾斜角度并重复上述过程 直至蓄电池的放电 深度降至最小值为止 7 优化光伏组件容量 利用最优倾角 结合对蓄电池的放电深度的测量 不断优化太阳能板的发电容量 8 总结整个设计 此方法的局限性 局限性 首首先需要设计一个确定蓄电池容量的办法 来配套次方法的使用 还必须考虑光伏组件和蓄电池双重成本间的变化关系 这种技术只能在光直射和漫射数据已知的前提下有 效 方法中的迭代计算测试需使用计算机 7 7 负载流失概率 负载流失概率 LOLPLOLP 在任何时间点 光伏系统 含蓄电池等 不能满足负载需求的概率 即即 LOLP 1 ALOLP 1 A P81P81 8 8 铅酸蓄电池的使用寿命 铅酸蓄电池的使用寿命 CLCL CL CL 89 59 194 29T89 59 194 29T e e 1 75DOD 1 75DOD T 蓄电池温度 DOD 蓄电池放电深度 蓄电池蓄电池的使用寿命使用寿命与温度及放电深度有关 P82 9 9 澳大利亚标准澳大利亚标准 AS4509 2 AS4509 2 太阳能系统的设计步骤包括 太阳能系统的设计步骤包括 P82P82 1 对整个系统中的直流和交流电的需求量 及季节变化做出估算 2 如果没有详细的全年气象数据 那么就根据实际情况 即及日照数据的准确性 该项目的重要性 将算出 负载值提高 30 到 100 3 根据实地勘测或已知数据为该地点作出能量资源评估 4 通过比较日照能量与负载的比值变化 来确定最优 最差月份 5 系统布局设计 需要考虑各种能源方案 有时还要加装发电机 发电机可以在不牺牲系统利用率的前提 下减少所需的太阳能板和蓄电池的数量 6 选择系统部件 需要保证蓄电池能在两周内充满 并且能够放气充电 第 8 章 光伏的特殊应用 1 1 辐射硬度 辐射硬度 在空间应用中使用的太阳能电池不受地球磁场以及大气层的保护 它的寿命受到宇宙射线以及高 能粒子的影响只能达到七年左右 太阳能电池的这种抵抗轰击所造成的衰减的能力被称之 P85 8 28 2 空间应用空间应用 8 38 3 海洋航行辅助海洋航行辅助 8 48 4 无线电通信无线电通信 2 2 海洋航行辅助海洋航行辅助 通常一个系统包括 通常一个系统包括 1 10 100W 的太阳能电池 2 低维护费用的蓄电池以及放置蓄电池 的耐候性很好的保护盒 3 电压校准仪或自校准仪 4 军用标准的定时器以及电动机控制电路 5 满足军 用标准直流电动机的自动灯调节器 3 3 系统的抗候构件有以下几部分 系统的抗候构件有以下几部分 1 用于装电池的防风雨以及抗盐雾的电池盒以及光伏组件封装系统 2 防 水抗盐雾的电缆线 3 透镜以及电路防护盒的密封构件 4 用于防止鸟类栖息的长钉 可以保持光透镜和光 伏组件表面不受鸟类污染 P86 4 4 无线电通信无线电通信的中继站中继站是由光伏电池供电的 适合在荒芜地区 无法架设电网的地区安装使用 5 5 无线电通信包括 无线电通信包括 便携式光伏电源 无线电话服务 手机网络 光纤网络等 6 6 无线电话服务包括 无线电话服务包括 P87 1 光伏组件 一个或两个标准组件 通常使用杆子支撑 2 一个 12V 蓄电池 3 信号发送电路和一根天线 7 7 阴极保护 阴极保护 包括包括使用电流来抵消大自然的电化学腐蚀 土壤中的水或酸 作为电解液 将电子传输给金属结 构件 作为阳极 从而将其氧化或腐蚀 通过应用抵消电流 可以使金属结构件成为阴极 从而达到防止腐 蚀的目的 与此类似的方法是方法是采用牺牲阳极的方法来保护金属结构 P88 8 8 系统尺寸 系统尺寸 在设计太阳能阴极保护系统时 需考虑哪些方面 1 负载的总电流等于金属 阳极 和周围电 解液的最大短路电流 2 电流的大小有暴露的金属的面积的大小决定 3 阴极保护电路的电阻决定了所需要的电压 9 9 电路电阻的测试因哪些因素而变得复杂 电路电阻的测试因哪些因素而变得复杂 管道的电容 金属的电化学极化 消除时间通常为 16 18h 地 床电阻 P89 10 10 控制器 控制器 控制器控制器是阴极保护电路阴极保护电路的核心核心部分 它用来调整电流以适应参考电压从而使金属结构保持恒定 11 11 电源供应系统电源供应系统 P89 1 过去的阴极保护系统 在电网覆盖的区域 阴极保护线路通过直接使用电网的电 能进行 在边远山区用柴油或天然气发电机进行发电来对阴极保护电路提供电源 2 现代的阴极保护系 统 现在认为光伏系统对电路进行能源供应是非常可靠和经济的 以前的光伏系统用在小型管路和存储罐中 随着成本的降低 现在越来越广泛的使用在大型输送管路和井头的阴极保护上 3 未来的阴极保护系统 随 光伏系统成本的下降及金属镀层质量的提高 光伏供电阴极保护系统的市场将越来越好 最终就是产生低载荷 高完整性因子 更加经济的光伏发电阴极保护系统 一个典型的小型系统包括 一个典型的小型系统包括 一个一个 60W60W 的光伏板 一个的光伏板 一个 12V12V 的的 90Ah90Ah 蓄电池 一个串联充电调节器 一个闭环电流控制器 在地下使用铜蓄电池 一个串联充电调节器 一个闭环电流控制器 在地下使用铜 硫酸铜作为阳极进行保护 硫酸铜作为阳极进行保护 12 12 水泵水泵 P91 无论是手动还是大型水力发电在光伏发电系统中发展很快 光伏发电系统具有光伏发电系统具有一些比风力 和柴油系统发电系统更好的优势 更好的优势 包括包括 低维护性 清洁 便于安装 高可靠性 长寿命 无需操作 可根 据满足各样发电需求 对于光伏水泵系统光伏水泵系统的普及来说 最大的不利因素是最大的不利因素是初期的高成本投入 太阳辐照度 的不均匀 太阳能的分散性 以及工业化光伏水泵系统的设计经验不足和系统构件开发的不成熟 13 13 安装光伏水泵必须遵守几点 安装光伏水泵必须遵守几点 系统的结构 系统的元件类型以及他们的尺寸都受到水资源的容量 水资源 的补给量 每天所需水的体积 太阳的有效辐照时间 抽水速率 静态水平面高度 下降水平 流出