光伏发电技术3.2太阳能光伏电池

1、 3.1.3 光伏效应 太阳能电池就是一个大面积的p-n结。 当太阳电池受到光照时，根据光量子理论，只 要照射光的能量E=h=hc/Eg（ Eg为禁带宽 度，禁带宽度越大，可供利用的太阳能就越少。 硅材料Eg=1.12eV），则照射在n区、空间电荷 区、p区被吸收，将价带电子激发到导带，分别 产生电子-空穴对。 由于入射强度从表面到太阳电池体内呈指数衰 减，在各处产生的光生载流子的数量有差别， 沿光强衰减方向将形成光生载流子的浓度梯度， 从而产生载流子的扩散运动。 n区 产生的光生载流子到达p-n结靠近n侧边界时， 由于内建电场的方向是从n区指向p区，静电力 立即将光生空穴拉到p区，光生电子阻

2、留在n区。 p区 产生的光生载流子到达p-n结靠近p侧边界时， 静电力立即将光生电子拉到n区，光生空穴阻 留在p区。 空间电荷区 空间电荷区中产生的光生电子-空穴对自然被 内建电场分别拉向n区和p区。 结果 p-n结及两边产生的光生载流子就被内建电场所 分离，在p区聚集光生空穴，在n区聚集光生电子， 使p区带正电，n区带负电，在p-n结两边产生光 生电动势。 光生伏特效应 上述过程通常称作光生伏特效应或光伏效应。 光生电动势的电场方向和p-n结内建电场的方向 相反。 3.1.4 太阳能电池的结构和技术参数 (1)太阳能电池的结构 最简单的太阳能电池是由p-n结构成的，其上 表面有栅线形状的上电

3、极，背面为背电极， 在太阳能电池表面还镀有一层减反膜。 （2）太阳能电池的技术参数 a.伏安特性曲线 在一定的太阳辐照度和温度下，当负载R从0（即 短路）变到（即开路）时，负载R两端的电压U 和电流I之间的关系曲线，即为太阳电池的伏安 特性曲线。 习惯称I-V曲线。 b.开路电压 受光照的太阳能电池处于开路状态，光生载流子 只能累积于p-n结两侧产生光生电动势，这时在 太阳能电池两端测得的电势差叫做开路电压，也 就是伏安特性曲线与横坐标的交点所对应的电压 ，通常用符号Uoc表示。Uoc与太阳电池的面积无 关。 c.短路电流 太阳电池在端电压为零时的输出电流，也就是伏 安特性曲线与纵坐标的交点所

4、对应的电流，通常 用Isc来表示。 太阳电池的Isc与太阳电池的面积有关，面积越 大， Isc越大。 d.最大功率点 在一定的太阳辐照度和工作温度的条件下，伏安 特性曲线上的任何一点都是工作点，与工作点对 应的横坐标是电压，纵坐标是电流。电压和电流 的乘积即为输出功率。调节负载R到某一值Rm时， 在曲线上得到一点M，对应的工作电流Im和工作电 压Um的乘积为最大，即 Pm=ImUm=Pmax 则称M点为该太阳电池的最佳工作点（或最大功率 点）， Im为最佳工作电流 Um为最佳工作电压 Pm为最大输出功率 e.填充因子 表征太阳电池性能优劣的一个重要参数，定义 为太阳电池的最大功率与开路电压和短

5、路电流 的乘积之比。 FF=Pm/(UocIsc)=UmIm/(UocIsc) f.转换效率 太阳电池接受光照的最大功率与入射到该电池 上的全部辐射功率的百分比称为太阳电池的转 换效率。 =Pm/Pin= UmIm/(AtPin) At为包括栅线面积在内的太阳电池总面积 Pin为单位面积入射光的功率 3.2 太阳电池 晶体硅太阳电池 单晶硅太阳电池 多晶硅太 阳电池 薄膜太阳电池 非晶硅太阳电池 聚光太阳电池 光伏系统是将太阳电池在光照时发出的电 能，供给负载使用。需要多种部件协调配 合才能组成完整的光伏系统，太阳电池方 阵是最主要的部件，此外，还需要一系列 配套部件才能正常工作，主要包括：储

6、能 设备；防反充及旁路二极管；交、直流断 路器，变压器及保护开关；计量仪表及记 录显示设备；连接电缆、套管及汇流箱； 框架、支持结构及紧固件；接地及防雷装 置。 7.1 太阳电池方阵 一般情况下，单独一块太阳电池组件，无法满 足负载电压或功率的要求，需要将若干太阳电 池组件通过串、并联组成太阳电池方阵，才能 正常工作。 （1）太阳电池方阵：由若干个太阳电池组件 ，在机械和电气上按一定方式组装在一起，并 且有固定的支撑结构而构成的直流发电单元。 （2）太阳电池组件的连接 要根据系统电压及电流的要求来决定串并联 的方式。应将最佳工作电流相近的组件串联在 一起。 若组成方阵的所有电池组件性能参数差别

7、较大，会造 成各串联电池组件的工作电流受限于其中电流最小的 组件，各并联电池组件的工作电压也会被其中电压最 低的电池组件限制，因此方阵的总效率就会低于所有 单个组件的效率之和。 在串并联数目较多时，最好采用混合式连接法。 （3）热斑效应 当树叶、鸟粪等杂物落在太阳电池上时，单独被遮挡 的太阳电池不但不能发电，而且电阻会明显增加，并 且串联连接回路的全部电压都加在这个电池单元上， 电流流过高电阻的单元就会使其发热，特别是在强烈 日光下，温度会急剧升高，于是该单元电池甚至整个 太阳能电池组件都被损坏（出现烧坏的暗斑），这就 是所谓的热斑效应（又称为热岛效应）。 7.2 二极管 在太阳电池方阵中，二

8、极管是很重要的元器件， 常用的二极管有以下两类。 1.防反充（阻塞）二极管 在储能蓄电池或逆变器与太阳电池方阵之间，要串 联一个阻塞二极管，使太阳电池相当于一个具有p-n 结的二极管，以防止夜间或阴雨天太阳电池方阵工 作电压低于其供电的直流母线电压时，蓄电池反过 来向太阳电池方阵倒送电，因而消耗能量和导致方 阵发热。 它串联在太阳电池方阵的电路中，起单向导通的作 用。 阻塞二极管存在导通管压降，串联在电路中运行时 要消耗一定的功率。硅整流二极管管压降为0.6- 0.8V，大容量的可达1-2V，肖特基二极管0.2-0.3V 2.旁路二极管 在有较多太阳电池组件串联成太阳电池方阵时，需 要在 每个

9、太阳电池组件两端并联一个二极管。当 其中某个组件被阴影遮挡或出现故障而停止发电时 ，在二极管两端可以形成正向偏压，实现电流的旁 路，不至于影响其他正常组件的发电，同时也保护 太阳电池组件避免受到较高的正向偏压或由于“热 斑效应”发热而损坏。这类并联在组件两端的二极 管称为旁路二极管。 光伏方阵中常用的是硅整流二极管，为了防止旁路 二极管被击穿损坏，在选用型号时应注意其容量， 通常其耐压容量应能达到最大反向工作电压的两倍 ，电流容量也要达到预期最大运行电流的两倍。 7.3 储能装置 由于太阳能发电要受到气候条件的影响，发电量 与负载用电规律不符合，需要配备储能装置。太 阳能和风能都属于间隙性能源

10、，要成为全球的主 要能源，必须解决电网能量的储存问题。 7.3.1 主要储能技术 1.机械储能 机械储能是将电能转换为机械能，需要时再将机 械能转换成电能。目前实际应用的有以下几种： （1）抽水储能 （2) 飞轮储能 （1）抽水储能 需要配备上下游两个水库。在电网负荷低谷时段， 抽水储能设备工作在电动机状态，将下游水库的水 抽到上游水库，将电能转换成重力势能存储起来； 电网负荷高峰时，工作在发电机状态，释放上游水 库中的水来发电。 优点：技术成熟可靠，容量可以做得很大， 仅受水库库容限制 缺点：建造受地理条件限制，需要适合落差 的高低水库，往往远离负荷中心，抽水和发 电中有相当多的能量损失，实

11、际综合效率为 70-75%，储能密度较差，建设周期长，投资 大。 (2)飞轮储能 将能量以动能形式储存在高速旋转的飞轮中。整 个系统由高强度合金和复合材料的转子、高度轴 承、双馈电机、电力转换器和真空安全罩组成。 原理： 电能驱动飞轮高速旋转，电能转变成飞轮动 能存储，需要电能时，飞轮减速，电机作为 发电机运行，飞轮的加速和减速实现了充电 和放电。 优点：运行于真空度较高的环境中，没有摩 擦损耗、风阻小、寿命长、对环境没有影响 ，几乎不需要维护，适用于电网调频和电能 质量保障。 缺点：能量密度低，保证系统安全性方面的 费用很高，在小型场合还无法体现其优势， 目前主要用于蓄电池系统的补充，超大容

12、量 的飞轮储能技术尚不成熟。 （3）压缩空气储能 20世纪50年代提出的储能方法，系统由两个循 环构成：充气压缩循环和排气膨胀循环。 压缩时，双馈电机起电动机作用，利用电网负 荷低谷时的多余电力驱动压缩机，将高压空气 压入地下储气洞；在电网负荷高峰期，双馈电 机起发电机作用，储存压缩空气先经过回热器 预热，再使用燃料在燃烧室内燃烧，进入膨胀 系统做功发电。 缺点：受地形制约，对地质结构有特殊要求。 2.化学储能 化学储能是经过化学反应充电，将电能储存在电 池中，需要时再通过化学反应放电，输出电能。 (1)蓄电池 铅酸蓄电池：最古老最成熟的产品 目前，蓄电池储能系统主要用来提高电能质量。 （2）

13、钠硫电池 钠硫电池是美国福特公司于1967年首先发明 的，是一种以金属钠为负极、硫为正极（熔 融液态电极）、陶瓷管为电解质（固体）隔 膜的二次电池。在一定的工作度下，钠离子 透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应， 形成能量的释放和储存。 （3）液流电池 目前应用较多的主要是全钒液流储能电池，钒电池电 能以化学能的方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解 液中，通过外接泵把电解液压入电池堆体内，在机械 动力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回 路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜， 电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通 过双电极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中 的化学能转

14、换成电能。 这个可逆的反应过程 使钒电池顺利完成充 电、放电和再充电。 （4）钠/氯化镍电池 （5）锂离子电池 锂离子电池：是一种二次电池（充电电池），它 主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。 在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入 和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质 嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。 电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现 代高性能电池的代表。 锂系电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记 本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗称其 为锂电池，而真正的锂电池由于危险性大，很少 应用于日常电子产品。 3.电磁储能 （1）超导储能 （2）超级电

15、容器储能 （3）高能电容器储能 （1）超导储能 超导储能是利用超导体的电阻为零特性制成的储 存电能的装置，其不仅可以在超导体电感线圈内 无损耗地储存电能，还可以通过电力电子换流器 与外部系统快速交换有功和无功功率，用于提高 电力系统稳定性、改善供电品质。 将一个超导体圆环置于磁场中，降温至圆环材料 的临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆 环中便有感应电流产生，只要温度保持在临界温 度以下，电流便会持续下去。试验表明，这种电 流的衰减时间不低于10万年。显然这是一种理想 的储能装置，称为超导储能。 超导储能的优点很多，主要是功率大、质量轻、 体积小、损耗小、反应快等等，因此应用很广。 （2）超级电容器储能 超级电容器，又叫双电层电容器、电化学电容器 、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能 。它是一种电化学元件，但在其储能的过