新能源技术太阳能樊

1、第第2章章太阳能发电太阳能发电2.1 太阳的辐射及太阳能利用太阳的辐射及太阳能利用 2.2 光伏发电光伏发电2.3 太阳能热发电太阳能热发电2.4 太阳能制冷和空调太阳能制冷和空调本章主要内容本章主要内容2.2.1 2.2.1 光伏发电原理与太阳能电池光伏发电原理与太阳能电池 光伏发电光伏发电 根据根据光生伏特效应光生伏特效应原理，利用原理，利用太阳能电池太阳能电池将太阳光将太阳光直接转化为电能。直接转化为电能。伏特伏特原电池原理原电池原理：将铜、锌两金属：将铜、锌两金属电极一同浸入稀电极一同浸入稀H H2 2SOSO4 4时，由于时，由于锌比铜活泼，容易失去电子，锌比铜活泼，容易失去电子，锌

2、被氧化成锌被氧化成ZnZn2+2+进入溶液，电进入溶液，电子由锌片通过导线流向铜片，子由锌片通过导线流向铜片，溶液中的溶液中的H H+ +从铜片获得电子，从铜片获得电子，被还原成氢原子，氢原子结合被还原成氢原子，氢原子结合成氢分子从铜片上放出。两极成氢分子从铜片上放出。两极发生如下反应：发生如下反应：负极：负极：Zn-2e=ZnZn-2e=Zn2+2+正极：正极：2H2H+ +2e=H+2e=H2 2 光伏效应光伏效应 18391839年法国物理学家年法国物理学家A.E Becqurel（贝克勒尔）意外（贝克勒尔）意外发现，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池在光照下会发现，用两片金属浸入溶液构成

3、的伏打电池在光照下会产生额外的电动势，他将这种现象称为产生额外的电动势，他将这种现象称为“光生伏打效光生伏打效应应”( (Photovoltaic effect) )，简称，简称“光伏效应光伏效应”。 1876 1876年亚当斯等人在金属和硒片上发现固态光伏效年亚当斯等人在金属和硒片上发现固态光伏效 应；应； 光伏效应：指光照使不均匀半导体或半导体与金属结光伏效应：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。合的不同部位之间产生电位差的现象。 光电效应光电效应 18871887年，由年，由HeinrichHeinrich HertzHertz在实验上发现了光电效应。

4、在实验上发现了光电效应。 19051905年，爱因斯坦采用了光量子的概念，从理论上成年，爱因斯坦采用了光量子的概念，从理论上成 功地解释了这一现象。当时的光电效应是描述光子入射到功地解释了这一现象。当时的光电效应是描述光子入射到 金属表面，金属内的电子吸收足够的光子能量而离开金金属表面，金属内的电子吸收足够的光子能量而离开金 属，成为真空中的自由电子。属，成为真空中的自由电子。 爱因斯坦光子假说：一束光就是一束以光速运动的粒爱因斯坦光子假说：一束光就是一束以光速运动的粒 子流，这些粒子称为光子；频率为子流，这些粒子称为光子；频率为 的光的每一光子所具的光的每一光子所具 有的能量为有的能量为h

5、h ，它不能再分割，而只能整个地被吸收或，它不能再分割，而只能整个地被吸收或 产生出来。产生出来。 G光光2m1h= A+mv2KBH H：普朗克常数：普朗克常数 ：光的频率：光的频率B：阳极：阳极K：阴极：阴极G：电流计：电流计A：逸出功：逸出功m: 电子的质量电子的质量Vm: 电子的平均速度电子的平均速度半导体材料半导体材料本征半导体本征半导体N N型半导体型半导体P P型半导体型半导体PNPN结结在外电场作用下在外电场作用下光伏电池原理光伏电池原理1.1.表面反射表面反射2.2.产生后又复合产生后又复合3.3.可以被可以被PNPN结分离结分离4.4.产生后又复合产生后又复合5.5.被电池

6、吸收被电池吸收6.6.穿过电池穿过电池+太阳能电池太阳能电池 半导体材料厚度约半导体材料厚度约0.35mm0.35mm，分为正电荷区和负，分为正电荷区和负电荷区电荷区, ,中间是中间是PNPN结。当受结。当受到光照射时到光照射时, ,电子吸收光子电子吸收光子产生自由电子产生自由电子空穴对空穴对, ,并并在内部扩散在内部扩散, ,结果自由电子结果自由电子被被PNPN结扫向结扫向N N区区, ,空穴被扫向空穴被扫向P P区区, ,电池两端产生电压电池两端产生电压, ,接接通外电路后就会产生电流通外电路后就会产生电流, ,向外输出电能。向外输出电能。0IUexpkTLphDocDIIqIIA等效电路

7、等效电路太阳能电池伏安特性太阳能电池伏安特性I Im m 最大工作电流最大工作电流U Um m 最大工作电压最大工作电压P Pm m 最大输出功率最大输出功率短路电流短路电流 I Iscsc 外部短路时电池输出的最外部短路时电池输出的最 大电流，一般大电流，一般I Iscsc=16=16 30mA/cm30mA/cm2 2。开路电压开路电压 U Uococ 在在100mW/cm100mW/cm2 2的光源照射的光源照射 下，两端开路时的输出电下，两端开路时的输出电 压。一般单晶硅的的开路压。一般单晶硅的的开路 电压为电压为450450600mV600mV，最高，最高 可达可达690mV690m

8、V。光电转换效率光电转换效率等于最大输出功率与入射光的功率之比。目前硅太阳能电等于最大输出功率与入射光的功率之比。目前硅太阳能电池的理论转换效率为池的理论转换效率为33%33%，实际为，实际为121215%15%，高效单晶硅为，高效单晶硅为181820%20%。太阳能电池的输出特性太阳能电池的输出特性PVPV电池的输出功率为其输出电压和电流的乘积。电池的输出功率为其输出电压和电流的乘积。 当输出电压处于当输出电压处于i-vi-v曲线的转折点时，曲线的转折点时，输出功率达到最大。输出功率达到最大。 PV PV电池的电路应工作于靠近电池的电路应工作于靠近i-vi-v曲线的曲线的转折点的左边转折点的

9、左边。 光谱响应光谱响应 各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到太阳电各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到太阳电池上，将产生不同的短路电流，按波长的分布求得其对应池上，将产生不同的短路电流，按波长的分布求得其对应的短路电流变化曲线称为的短路电流变化曲线称为太阳电池的绝对光谱响应太阳电池的绝对光谱响应。 每一波长以一定等量的辐射光能或等光子数入射到太每一波长以一定等量的辐射光能或等光子数入射到太阳电池上，所产生的短路电流与其中最大短路电流比较，阳电池上，所产生的短路电流与其中最大短路电流比较，按波长的分布求得其比值变化曲线称为按波长的分布求得其比值变化曲线称为太阳电池的相对光太阳电池的相对

10、光谱响应谱响应。 无论是绝对还是相对光谱响应，光谱响应曲线峰值越无论是绝对还是相对光谱响应，光谱响应曲线峰值越高，越平坦，对应电池的短路电流就越大，效率也越高。高，越平坦，对应电池的短路电流就越大，效率也越高。 组件及方阵组件及方阵 电池片电池片 太阳能电池的最基本单元，厚度约太阳能电池的最基本单元，厚度约200 200 ，尺寸尺寸100100225cm225cm2 2，输出电压约，输出电压约0.5V0.5V，功率，功率1 13W3W。电池组件电池组件 由多个电池片串联而成的最小实用单元，输由多个电池片串联而成的最小实用单元，输出电压出电压17.5V17.5V左右，功率左右，功率4040200

11、W200W。m组件及方阵组件及方阵 太阳能电池板太阳能电池板 由多个电池组件经串、并联而成的较大功率单元，输出由多个电池组件经串、并联而成的较大功率单元，输出电压满足蓄电池组的要求，具有独立连接电缆。电压满足蓄电池组的要求，具有独立连接电缆。太阳能电池方阵太阳能电池方阵 将若干太阳能电池板组装在一起以满足负载功率的要求。将若干太阳能电池板组装在一起以满足负载功率的要求。组件性能及影响因素组件性能及影响因素 负载阻抗的影响负载阻抗的影响 与一般电源不与一般电源不同，组件具有恒流同，组件具有恒流源特性，输出电流源特性，输出电流不随负载变化，输不随负载变化，输出电压随负载电阻出电压随负载电阻增大而增

12、大，当负增大而增大，当负载电阻载电阻=R=RM M时，输出时，输出最大功率。最大功率。组件性能及影响因素组件性能及影响因素 辐照度的影响辐照度的影响 输出功率与辐输出功率与辐照度成正比，随辐照度成正比，随辐照度减小曲线下移照度减小曲线下移并保持相似的形状；并保持相似的形状；电压不受辐照度影电压不受辐照度影响。响。组件性能及影响因素组件性能及影响因素 电池温度的影响电池温度的影响 电池工作温度电池工作温度上升，曲线左移，上升，曲线左移，电压降低，输出功电压降低，输出功率减小，效率降低。率减小，效率降低。组件性能及影响因素组件性能及影响因素 阴影的影响阴影的影响 由于组件是由由于组件是由多个电池片

13、串成的，多个电池片串成的，阴影部分成为组件阴影部分成为组件的负载（热斑效的负载（热斑效应），因而会使整应），因而会使整个组件功率降低。个组件功率降低。当一个电池片被遮当一个电池片被遮挡时可使组件功率挡时可使组件功率降低降低75%75%。电池板的连接电池板的连接 一般应选用特性完全相一般应选用特性完全相同的电池板进行串并联，此同的电池板进行串并联，此时串联后电流不变电压相加，时串联后电流不变电压相加，而并联后电压不变电流相加。而并联后电压不变电流相加。 当电池板的特性不一致当电池板的特性不一致时不再符合上述规律。时不再符合上述规律。 串联后电压增加，总电串联后电压增加，总电流略比低电流高。流略比

14、低电流高。 并联后电流增加，总电并联后电流增加，总电压为两者的平均值。压为两者的平均值。 阻塞二极管（屏蔽二极管或阻塞二极管（屏蔽二极管或防反充二极管）防反充二极管） 置于电池板与蓄电池之间的置于电池板与蓄电池之间的正性电路上，防止夜间或阴正性电路上，防止夜间或阴天蓄电池流回到方阵。天蓄电池流回到方阵。 旁路二极管旁路二极管 旁路掉出现损坏或阴影的组旁路掉出现损坏或阴影的组件。件。 隔离二极管隔离二极管 在电压较高的方阵中隔离出在电压较高的方阵中隔离出现故障的支路，同时也起阻现故障的支路，同时也起阻塞二极管的作用。塞二极管的作用。太阳能电池种类太阳能电池种类 1. 单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能

15、电池 最早发展起来的，也是目前工程应用中转换效率最最早发展起来的，也是目前工程应用中转换效率最高的电池，已经研究出转换效率高达高的电池，已经研究出转换效率高达20%的超薄单晶体的超薄单晶体太阳电池。性能稳定，成本较高，主要应用于光伏电站，太阳电池。性能稳定，成本较高，主要应用于光伏电站，特别是通信电站，以及航空器电源。特别是通信电站，以及航空器电源。2. 多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池 生产工艺简单，可大规模生产。商业化的多晶硅太生产工艺简单，可大规模生产。商业化的多晶硅太阳电池转换效率多为阳电池转换效率多为13%15%。性能稳定，成本较低，。性能稳定，成本较低，主要用于光伏电站，或作为光伏

16、建筑材料。主要用于光伏电站，或作为光伏建筑材料。 3. 非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池 非晶硅材料吸光性强，厚度微米级，可大量节省高非晶硅材料吸光性强，厚度微米级，可大量节省高纯硅材料。商业化的非晶硅电池产品的稳定转换效率多纯硅材料。商业化的非晶硅电池产品的稳定转换效率多为为5%7%。非晶硅主要应用于消费市场，如手表、计算。非晶硅主要应用于消费市场，如手表、计算器和玩具等，也作为半透明光伏组件用于门窗或天窗等器和玩具等，也作为半透明光伏组件用于门窗或天窗等建筑材料。建筑材料。 2.2.2 太阳能光伏发电太阳能光伏发电系统及其应用系统及其应用光伏发电系统的形式主要有光伏发电系统的形式主要有两种

17、：两种：（1 1）独立光伏发电系统）独立光伏发电系统（2 2）并网光伏发电系统）并网光伏发电系统1 1、光伏阵列、光伏阵列2 2、光伏控制器、光伏控制器3 3、蓄电池组、蓄电池组4 4、逆变器、逆变器5 5、监控系统、监控系统6 6、负载、负载独立系统主要组成部分独立系统主要组成部分光伏控制器光伏控制器实现光伏阵列的最大功率输出，并对蓄电池实现光伏阵列的最大功率输出，并对蓄电池组进行充放电控制，实现对蓄电池组的过充和过放的保护，组进行充放电控制，实现对蓄电池组的过充和过放的保护，对蓄电池进行温度补偿，并监视蓄电池组的电压和启动相关对蓄电池进行温度补偿，并监视蓄电池组的电压和启动相关辅助控制。辅

18、助控制。 蓄电池组蓄电池组是独立光伏系统中的电能储存单元，可以通过是独立光伏系统中的电能储存单元，可以通过单节蓄电池的串、并联组成整个电池组，太阳能电池产生的单节蓄电池的串、并联组成整个电池组，太阳能电池产生的直流电通过光伏控制器进入蓄电池储存。电池的特性影响着直流电通过光伏控制器进入蓄电池储存。电池的特性影响着系统的工作效率和特性，其容量的选择受负载功率和连续无系统的工作效率和特性，其容量的选择受负载功率和连续无日照时间而定。日照时间而定。监控系统监控系统是监视整个系统的运行状态，设备的各个参数，是监视整个系统的运行状态，设备的各个参数，记录系统的发电量、环境等数据，并对故障进行报警。记录系

19、统的发电量、环境等数据，并对故障进行报警。1 1、光伏阵列、光伏阵列2 2、并网逆变器、并网逆变器3 3、公共电网、公共电网4 4、监控系统、监控系统并网系统主要组成部分并网系统主要组成部分 在并网式光伏发电系统中，在并网式光伏发电系统中，逆变器逆变器起着如下作用：起着如下作用：实现高质量的电能转换实现高质量的电能转换实现系统的安全保护要求，如输出过载保护、输出短路保实现系统的安全保护要求，如输出过载保护、输出短路保护、直流过压保护、交流过压和欠压保护、孤岛保护等护、直流过压保护、交流过压和欠压保护、孤岛保护等最大功率点跟踪最大功率点跟踪太阳能光伏发电的应用太阳能光伏发电的应用太空飞行器太空飞

20、行器-飞船、人造卫星等的太阳能帆板飞船、人造卫星等的太阳能帆板由瑞士主导研制的世界最大太阳能飞机由瑞士主导研制的世界最大太阳能飞机“太阳驱动太阳驱动”完成完成了首次连续了首次连续2626小时试验飞行。小时试验飞行。 太阳方舟太阳方舟 全长全长315m315m，最高位置（两边）高，最高位置（两边）高37.137.1米，中央米，中央高高31.6m31.6m，底部宽，底部宽13.7m13.7m，顶部宽，顶部宽4.3m4.3m，重量，重量3000t3000t。最大功率。最大功率630kW630kW，年发电量，年发电量5353万万kWhkWh，预计每年可以减排，预计每年可以减排9595吨。吨。太阳电池组

21、件可作为太阳电池组件可作为遮阳挡雨部件遮阳挡雨部件德国，光伏幕墙德国，光伏幕墙德国，装饰性光伏候车德国，装饰性光伏候车棚棚意大利，太阳电池也可作为外墙装饰品意大利，太阳电池也可作为外墙装饰品光伏发电站光伏发电站光伏发电的优缺点光伏发电的优缺点 优点：优点： 结构简单，体积轻小，如结构简单，体积轻小，如404050W50W的组件，体积的组件，体积 4504509859854.5mm4.5mm，7.5kg7.5kg； 清洁安全无噪声；清洁安全无噪声； 太阳光无须运输无处不有；太阳光无须运输无处不有； 易安装易运输，建设周期短；易安装易运输，建设周期短； 运行维护简单。运行维护简单。缺点：缺点： 能

22、量分散占地面积大；能量分散占地面积大； 成本高，是常规发电的成本高，是常规发电的6-206-20倍；倍； 间歇性大需配备蓄电池，适合小范围应用，难以形成大间歇性大需配备蓄电池，适合小范围应用，难以形成大 规模的动力电站。规模的动力电站。光伏发电的发展过程和趋势光伏发电的发展过程和趋势 18391839年贝克勒尔发现光伏效应；年贝克勒尔发现光伏效应；18761876年亚当斯在硒片上发现固态光伏效应；年亚当斯在硒片上发现固态光伏效应；19311931年布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电解液，在阳光年布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电解液，在阳光下启动了一个电动机。下启动了一个电动机。19321932年制成第一块年制成第一块“硫化镉硫化镉”太阳电池；太阳电池；19411941年奥尔在硅上发现光伏效应；年奥尔在硅上发现光伏效应；19541954年美国科学家恰