光伏发电系统的组成原理和应用案例

1、光伏发电系统的组成原理和应用案例目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4第1章绪论31.1背景31.2光伏发电的发展31.2.1国外光伏发电产业的现状31.2.2我国光伏产业的发展51.3光伏发电的趋势7 HYPERLINK l bookmark6第2章光伏系统82.1光伏系统的组成和原理82.2系统的分类和介绍92.2.1小型太阳能供电系统92.2.2简单直流系统102.2.3大型太阳能供电系统102.2.4交、直流供电系统112.2.5并网系统112.2.6混合供电系统122.2.7并网混合供电系统13 HYPERLINK l bookmark8第3章太阳

2、能电池143.1工作原理143.2薄膜太阳能电池的分类143.3非晶硅薄膜太阳能电池173.4非晶硅太阳能电池的发展现状183.4.1大规模的成本发电站183.4.2与建筑相配合，建造太阳能房183.4.3国内外非晶硅太阳能电池的生产现状及存在的问题193.4.4非晶矽薄膜太阳能电池的制造20 HYPERLINK l bookmark10第4章逆变器234.1光伏逆变器的分类及工作原理234.2光伏逆变器的功能234.3逆变器的选择24 HYPERLINK l bookmark12第5章蓄电池和光伏方阵275.1蓄电池的设计275.2光伏组件设计31 HYPERLINK l bookmark1

3、4第6章应用案例及总结366.1天和家/43kWp屋顶并网光伏发电系统设计366.1.1项目简介366.1.2光伏发电系统运行方式的选择366.1.3系统设计376.1.4防雷设计426.1.5电缆选择436.1.6支架设计436.1.7监控系统设计436.2总结44第1章绪论1.1背景随着全球工业化进程的逐步展开，世界各国对能源的需求急剧膨胀，而煤炭、石油和天然气三大化石能源日渐枯竭，全球将再一次面临能源危机。在中国，按目前的石油消耗速度，中国的现有能源储量至多可以使用50年。根据专家预测，到2020年，中国石油消费量将突破4亿吨，其中一半以上将依赖进口，天然气的需求量将达到200亿立方米。

4、同时，大量使用化石能源会对生态环境造成严重的破坏。根据相关资料显示，目前人类使用化石燃料己经为人类生存环境带来了严重的后果，由于大量使用化石能源，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，己经造成极为严重的大气污染，同时使得地球表面气温逐年升高;近若干年來全球CO?排放量迅速增长，如果不加控制，温室效应将使南、北两极的冰山融化，这可能会使海平面上升儿米，四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁。能源、环境与发展己成为当今世界急待解决的问题，因此开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展是人类必须釆取的措施。虽然目前人类可利用的太阳能、风能、地热能、水能等能源形式都是无污染能源，但从能源的稳定性

5、、数量、利用条件等诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想的绿色能源。全球能源专家们认定，太阳能将成为21世纪最重要的能源之一。自20世纪50年代太阳能电池的空间应用到如今的太阳能光伏集成建筑，世界光伏产业己经走过了近半个世纪的历史。由于太阳能资源分布相对广泛、蕴藏丰富，光伏发电系统具有清洁、安全、寿命长以及维护量小等诸多优点，光伏发电被认为将是21世纪最重要、最具活力的新能源。在世界各国尤其是美、日、徳等发达国家先后发起的大规模国家光伏发展计划和太阳能屋顶计划的刺激和推动下，光伏产业近几年保持着年均30%以上的高速增长。其中，以光伏集成建筑为核心的光伏并网发电市场己经超过独立光伏应

6、用，近几年的增长速度都在40%以上，成为世界光伏产业的最主要发动机。并网光伏发电经成为光伏发电领域研究和发展的最新亮点。1.2光伏发电的发展12.1国外光伏发电产业的现状化石能源资源的有限性和环境保护压力的增加，使世界上许多国家加强了对绿色能源和可再生能源技术发展的大力支持。技术方面，经过儿十年的发展，澳大利亚新南威尔士人研制的单品硅光伏电池效率己达23.7%,多品硅电池效率突破19.8%。同时，研究人员正在探索用切薄硅片、扩大平面面积或者使用聚光的方法，力争把硅片的成本降低到0.8美元/WP。据预测，在今后1520年间利用这儿种方法有望把硅片的成本降低到0.5美元/WP,这样，光伏系统的价格

7、可以降低到接近3美元/WP。薄膜电池是在廉价衬底上釆用低温设备技术沉积半导体薄膜的光伏器件，材料与器件设备同时完成，工艺技术简单，便于大面积连续化生产；设备能耗低，缩短了回收期。太阳能电池实现薄膜化，大大节省了昂贵的半导体材料，具有大幅度降低成本的潜力，是当前国际上研究开发的主要方向。除了光伏电池以外，当前国际上最新的研发热点主要集中在低成本、高效率、高稳定性的光伏逆变器件和光伏建筑集成应用系统等方面，专用逆变设备和相关系统的最佳配置涉及到多项技术。美国、徳国、荷兰、日本、澳大利亚等国家在光伏屋顶计划的激励下，许多企业和研究机构成功地推出了多种不同的高性能逆变器。产业化方面，光伏发电发展的初期

8、主要是依靠各国政府在政策及资金方面的大力支持，现在己逐步商业化，进入了一个新的发展阶段。光伏发电的市场前景吸引了一批国际知需企业或企业财团介入光伏电池制造业。这些大公司的介入,使产业化进程大大加快。预计今后10年，光伏组件的生产将以每年增长20%-30%其至更高的递增速度发展，到2010年将可能达到4600MW/年的生产量，总装机容量将可能达到18GW。国际光伏产业在过去10年中的平均年增长率为20%,1998年世界太阳能电池组件生产量为155MW,2000年增长到288MW,2002年达到540MW。截止到2006年底，世界光伏发电累计总装机容量达到了1300MW。目前全球太阳能光伏电池产业

9、的销售收入超过20亿美元。预计到2050年左右，太阳能光伏发电将达到世界总发电量10%20%,成为人类的基本能源之一。同时，世界光伏市场发生了很大变化，开始由主要为边远农村地区和通信设备、气象台站、航标等特殊应用领域解决供电问题，逐步向并网发电和与建筑相结合的常规供电方向及商业化应用方向发展。从上世纪70年代起，许多国家掀起了太阳能光伏发电热潮，美国、日本、欧盟、印度等国家纷纷制定雄心勃勃的中长期发展规划推动光伏技术和光伏产业的发展，推动这一新能源产业的发展。目前，世界光伏产业正以31.2%的平均年增长率高速发展，是全球增长率最高的产业，己成为当今世界最受关注、增长幅度最快的能源产业之一。自上

10、个世纪90年代以來，国外发达国家掀起了发展“屋顶光伏发电系统”的研发高潮，屋顶光伏发电系统不单独占地，将太阳电池安装在现成的屋顶上，非常适应太阳能能量密度较低的特点，而且其灵活性和经济性都大大优于大型光伏并网发电，有利于普及，有利于战备和能源安全，所以受到了各国的重视。1993年，徳国首先开始实施由政府补贴支持的“2000个光伏屋项计划”，同时制定了“可再生能源电力供应法”，极大地刺激了光伏发电市场。日本在光伏发电与建筑相结合的市场方面己经做出了十几年的努力，预计到2010年光伏屋顶发电系统总容量达到7600MW。日本光伏屋顶发电系统的特点是：太阳电池组件和房屋建筑材料形成一体，如“太阳电池瓦

11、”和“太阳电池玻璃幕墙”等，这样太阳电池就可以很容易地被安装在建筑物上，也很容易被建筑公司所接受。1997年6月，美国前总统克林顿宣布实施“百万个太阳能屋顶计划”，计划到2010年安装100万套太阳能屋顶。许多其他发达国家也都有类似的光伏屋项发电项目或计划，如荷兰、瑞士、芬兰、奥地利、英国、加拿大等。属于发展中国家的印度也在1997年12月宣布到2020年将建成，50万套太阳能屋顶发电系统。新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源。在新世纪中，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。据资料预测显示，到2010年，

12、全世界光伏产业将累计达到14-15GW,这表明世界光伏产业发展有着巨大的发展空间。总之，从能源利用的国际发展趋势來看，光伏发电最终将以替代能源的角色进入电力市场。预计到2030年，光伏发电在世界的总发电量中将占到5%20%。国外并网型逆变器己经是种比较成熟的市场产品，例如在欧洲光伏专用逆变器市场中就有SMA,西门了等众多的公司具有市场化的产品，其中SMA在欧洲市场中占有的50%份额。除欧洲外，美国、加拿大、澳大利亚、新西兰以及亚洲的日本在并网型逆变器方面也都己经产品化。综上所述，目前国外光伏并网逆变器产品的研发主要集中在最大功率跟踪和逆变环节集成的单级能量变换上，功率主要为儿白瓦到五千瓦的范围

13、，控制电路主要采用数字控制，注重系统的安全性、可靠性和扩展性，均具有各种完善的保护电路。1.2.2我国光伏产业的发展技术方面，经过十多年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池技术不断进步，与发达国家相比有差距，但差距在不断缩小。光伏电池转换效率不断提高，目前单晶硅电池实验室效率达20%,批量生产效率为14%,多晶硅实验室效率为12%。在2000年之后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生产，其效率与发达国家相比，差距在不断缩小。产业化方面，2000年以后，我国光伏产业进入快速发展期，但整体发展水平仍然落后于国际先进水平，参与国际竞争有一定的难度。2003年国内光伏电池的生产能力约

14、20MW,但光伏组件的封装能力约50MW,远大于光伏电池的生产能力。虽然到2002年底，我国己有近20MW的光伏电池生产能力，但实际生产量仅为4MW左右，占世界光伏电池实际生产量的1%左右。在2002-2003年国家实施的总装机容量20MW的“光明工程”项目中，国内生产的光伏电池的应用量不足10%,错过了这一市场时机。近期内我国光伏发电市场仍将是为无电地区供电为主，有一定的市场潜力，但也有局限性。2001年及以前，我国光伏产品的年销售量均保持在3-4MW,其中单品硅产品占80%,非单品硅产品占20%。2005年，光明工程项目使市场年销售量猛增到20MW,光伏系统保有量达到40MW左右。从市场份

15、额上石，光伏发电在2000年前的主要应用领域是：通讯行业占40%50%,农村电气化行业（主要包括户用光伏系统和乡村级光伏发电）占40%左右，其它领域占10%左右。但2007年当年农村电气化领域的市场份额占到85%以上。目前，国内光电池硅片的生产能力己达4.5M瓦，在西藏7个无水无电县中己全部建成了光伏发电，其中功率最大的lOOKWo我国的光伏并网发电的关键技术和设备主要依靠进口，国内光伏系统主要采用单位功率因素并网，不具备电能质量控制功能。因此，研究具有电能质量调节功能的光伏并网系统的研究具有重要意义，其研究主要放在逆变器的控制方法上,相同的拓扑电路，采用不同的控制方法能够产生不同的控制效果。

16、对逆变器建立模型并进行分析，釆用先进的控制策略对于改善光伏并网系统的性能是必不可少的。同时釆用先进的控制算法是提高逆变器效率的方法之一。综上所述，我国的光伏市场和光伏企业面临严峻的挑战，如果把我国光伏产业的发展放到国际光伏发展的大环境中考虑，世界光伏产业每年以31%的速度发展，而我国的光伏产业每年只有15%的增长率，光伏企业的发展靠市场，光伏市场的发展靠政策。光伏发电成本高，无法与常规能源竞争，所以更需要政府制定强有力的法规和政策支持以驱动我国光伏产业的商业化发展。然而，我国的光伏企业虽然弱小，但经过努力己经有了一定的基础，当前，对光伏企业的发展來说机遇和挑战并存。另外，我国的太阳能资源非常丰

17、富，据统计，太阳能年辐照总量大于502万千焦/平方米，年日照时数在2200小时以上的地区约占国土面积的2/3以上。我国1996-2010年新能源和可再生能源发展纲要中明确指出，要按社会主义市场经济的要求，加快新能源和可再生能源的发展和产业化的建设，并且将可再生能源的发展计划纳入了我国的“十五”能源规划，要求采取措施调整能源结构，提高清洁能源在能源消费中所占的比重，要求通过技术进步來推动可再生能源事业的发展，鼓励发展利用太阳能；鼓励改造传统能源利用技术，提高能源利用效率，降低污染排放，并给予税收优惠等支持政策。综上可知，在我国，光伏发电产业的发展前景是辉煌的；一方面，我国现在还有很多人生活在无电

18、、缺电的西部边远地区，解决这些地区的用电问题，很大程度上依赖于太阳能及其它新能源的大规模应用；另一方面，在东部沿海经济比较发达的地区，利用太阳能发电作为补充或替代能源乂将会给我国光伏产业的发展提供一个新的发展空间。1.3光伏发电的趋势随着电力电子元器件的发展、数字信号处理技术的应用以及先进的控制方法的提出，电力电子能量变换发生了巨大的变化。首先，元器件正向着低导通损耗、快速化、智能化、封装合理化等儿个方向发展。低导通损耗将有助于并网型逆变器系统提高效率；减少发热；快速化将减小开关应力；智能化将有助于提高系统可靠性；封装的改进将减少寄生参数、有效散热、保持高机械强度。其次，数字信号处理技术的应用

19、有助于减少并网逆变器输出的直流成分；提高开关频率；减小滤波器体积；改善输出波形；快速响应电网瞬态变化。最后，先进的控制方法将有助于改善输出波形质量，从而减小滤波环节的体积；提高系统的动态响应性能。因此，并网型逆变器的发展必将沿着数字化、高频化的方向进行。第2章光伏系统2.1光伏系统的组成和原理光伏系统由以下三部分组成：太阳电池组件；充、放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备和蓄电池或其他蓄能和辅助发电设备。太阳能光伏发电的基本原理就是在太阳光的照射下，将太阳电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在

20、控制器的控制下给直流负载供电，对于含交流负载的光伏系统而言，还需要增加逆变器将直流电变成交流电。光伏系统的规模和应用形式各异，如系统规模跨度很大，小到0.32W的太阳能庭院灯，大到MW级的太阳能光伏电站。其应用形式也多种多样，在家用、交通、通信、空间应用等诸多领域都能得到广泛的应用。尽管光伏系统规模大小不一，但其组成结构和工作原理基本相同。图21是一个典型的供应直流负载的光伏系统示意图。其中包含了光伏系统中的几个主要部件：光伏组件方阵：由太阳电池组件（或光伏电池组件）按照系统需求串、并联而成，在太阳能的照射下将太阳能转换成电能输出，它是太阳能光伏系统的核心组件。蓄电池：将太阳电池组件产生的电能

21、储存起來，当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳电池组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏系统的储能部件。目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统，通常釆用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。控制器：它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。随着太阳能光伏产业的发展，控制器的功能越來越强大，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势，如AES公司的SPP和SMD系列的控制器就集成了上述三种功能。逆变器：在太阳能光伏供电系统中，如果含有交流

22、负载，那么就要是用逆变器设备，将太阳能电池产生的直流或蓄电池产生的直流转换成负载需求的交流电。2方彗養电池图2-1直流负载的太阳能光伏系统2.2系统的分类和介绍般将光伏系统分为独立系统、并网系统和混合系统。如果根据光伏系统的应用形式、应用规模和负载的类型，对光伏供电系统进行比较细致的划分，可将光伏系统分为如下六种类型：小型太阳能供电系统(SmallDC):简单直流系统(SimpleDC)；大型太阳能供电系统(LargeDC)；交流、直流供电系统(AC/DC)；并网系统(UtilityGiidConnect):混合供电系统(Hybrid)；并网混合系统。下面就每种系统的工作原理和特点进行说明。D

23、CSmailDC图2二小型太阳能供电系统SimpiefDC图简单直流系统2.2.1小型太阳能供电系统该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。其主要用途是一般的户用系统，负载为各种民用的直流产品以及相关的娱乐设备。如在我国西北边远地区就大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流节能灯、收录机和电视机等，用來解决无电地区家庭的基本照明问题。图24简单的直流光伏水泵系统2.2.2简单直流系统该系统的特点是系统负载为直流负载而且对负载的使用时间没有特别的要求，负载主要是在白天使用，所以系统中没有使用蓄电池，也不需要使用控制器。系统结构简单，直接使用太阳能太阳

24、电池组件给负载供电，省去了能量在蓄电池中的储存和释放过程所造成的损失，以及控制器中的能量损失，提高了太阳能的利用效率。其常用于光伏水泵系统、一些白天临时设备用电和旅游设施中。图44显示的就是一个简单直流的光伏水泵系统。这种系统在发展中国家的无纯净自来水供饮地区得到了广泛的应用，产生了良好的社会效益。2.2.3大型太阳能供电系统与上述两种光伏系统相比，这种光伏系统仍适用于直流电源系统，但是这种太阳能光伏系统的负载功率较大，为了保证可靠地给负载提供稳定的电力供应,其相应的系统规模也较大，需要配备较大的太阳能太阳电池组件阵列和较大的蓄电池组，常应用于通信、遥测、监测设备电源，农村的集中供电站，航标灯

25、塔、路灯等领域。我国在西部地区实施的“光明工程”中，一些无电地区建设的部分乡村光伏电站就是采用这种形式；中国移动和中国联通公司在偏僻无电网地区建设的通信基站也釆用了这种光伏系统供电。DCKVAmVvnIOtqoDC图2-6交、直流供电系统图2-5人型太阳能供电系统2.2.4交、直流供电系统与上述的三种太阳能光伏系统不同的是，这种光伏系统能够同时为直流和交流负载提供电力，在系统结构上比上述三种系统多了逆变器，用于将直流电转换为交流电以满足交流负载的需求。通常这种系统的负载耗电量也比较大，从而系统的规模也较大。在一些同时具有交流和直流负载的通信基站和其它一些含有交、直流负载的光伏电站中得到应用。2

26、.2.5并网系统这种光伏系统最大的特点就是太阳电池组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网，并网系统中光伏方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚，太阳电池组件没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用光伏方阵所发的电力从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本。但是系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压、频率等电性能指标的要求。因为逆变器效率的问题，还是会有部分的能量损失。这种系统通常能够并行使用市电和太

27、阳能太阳电池组件阵列作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率。而且并网光伏系统可以对公用电网起到调峰作用。但并网光伏供电系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，如谐波污染，孤岛效应等。PUMAttMMvumityGridConnecf图2-7并网供电系统图2-8混合供电系统2.2.6混合供电系统这种太阳能光伏系统中除了使用太阳能太阳电池组件阵列之外，还使用了燃油发电机作为备用电源。使用混合供电系统的目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。比方说，上述几种独立光伏系统的优点是维护少,缺点是能量输出依赖于天气，不稳定。综合使用柴油发电机

28、和太阳电池组件的混合供电系统与单一能源的独立系统相比所提供的能源对天气的依赖性要小，它的优点是：使用混合供电系统可以达到可再生能源的更好利用。因为可再生能源是变化的，不稳定的，所以系统必须按照能量产生最少的时期进行设计。由于系统是按照最差的情况进行设计，所以在其他的时间，系统的容量过大。在太阳辐照最高峰时期产生的多余能量没法使用而白白浪费了。整个独立系统的性能就因此而降低。如果最差月份的情况和其他月份差别很大，有可能导致浪费的能量等于其至超过设计负载的需求。具有较高的系统实用性。在独立系统中因为可再生能源的变化和不稳定会导致系统出现供电不能满足负载需求的情况，也就是存在负载缺电情况，使用混合系

29、统则会大大地降低负载缺电率。和单用柴油发电机的系统相比，具有较少的维护和使用较少的燃料。较高的燃油效率。在低负荷的情况下，柴油机的燃油利用率很低，会造成燃油的浪费。在混合系统中可以进行综合控制使得柴油机在额定功率附近工作，从而提高燃油效率。负载匹配更佳。使用混合系统之后，因为柴油发电机可以即时提供较大的功率，所以混合系统可以适用于范围更加广泛的负载系统，例如可以使用较大的交流负载，冲击载荷等。还可以更好的匹配负载和系统的发电，只要在负载的高峰时期打开备用能源即可简单的办到。有时候，负载的大小决定了需要使用混合系统，大的负载需要很大的电流和很高的电压。如果只是使用太阳能成本就会很高。但混合系统也

30、有其自身的缺点：控制比较复杂。因为使用了多种能源，所以系统需要监控每种能源的工作情况，处理各个子能源系统之间的相互影响、协调整个系统的运作，这样就导致其控制系统比独立系统复杂，现在多使用微处理芯片进行系统管理。初期工程较大。混合系统的设计，安装，施工工程都比独立工程要大。比独立系统需要更多的维护。油机的使用需要很多的维护工作，比如更换机油滤清器，燃油滤清器，火花塞等，还需要给油箱添加燃油等。污染和噪音。因为混合系统中使用了柴油机，这样就不可避免地产生噪音和污染。很多在偏远无电地区的通信电源和民航导航设备电源，因为对电源的要求很高，都釆用混合系统供电，以求达到最好的性价比。2.2.7并网混合供电

31、系统随着太阳能光伏产业的发展，出现了可以综合利用太阳能光伏阵列、市电和备用油机的并网混合供电系统。这种系统通常是控制器和逆变器集成一体化，使用电脑芯片全面控制整个系统的运行，综合利用各种能源，达到最佳的工作状态，并可以配备使用蓄电池。进一步提高系统的负载供电保障率，例如AES的SMD逆变器系统。该系统可以为本地负载提供合格的电源，并可以作为一个在线UPS（不间断电源）工作。它可向电网供电，也可从电网获得电力，是个双向逆变/控制器。系统工作方式是将市电和光伏电源并行工作，对于本地负载而言，如果太阳电池组件产生的电能足够负载使用，它将直接使用太阳电池组件产生的电能供给负载的需求。如果太阳电池组件产

32、生的电能超过即时负载的需求还能将多余的电能返回给电网；如果太阳电池组件产生的电能不够用，则将自动启用市电，使用市电供给本地负载的需求；而且，当本地负载功耗小于SMD逆变器额定市电容量的60%时，市电就会自动给蓄电池充电，保证蓄电池长期处于浮充状态；如果市电产生故障，即市电停电或者市电的供电品质不合格，系统就会自动断开市电，转成独立工作模式，由蓄电池和逆变器提供负载所需的交流电能。一旦市电恢复正常，即电压和频率都恢复到正常状态以内，系统就会断开蓄电池，改为并网模式工作，由市电供电。有的并网混合供电系统中还可以将系统监控、控制和数据釆集功能集成到控制芯片中。第3章太阳能电池电池行业是21世纪的朝阳

33、行业，发展前景十分广阔。在电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是太阳能电池，太阳能电池的研究与开发越來越受到世界各国的广泛重视3.1工作原理太阳电池是一种具有光生伏打效应的半导体器件（简称“光伏器件”），它直接将太阳光转换成直流电，是光伏发电的最基本单元。太阳电池由两层半导体材料组成，其厚度大约为1/100英寸，形成两个区域：一个正荷电区，一个负荷电区。负区位于电池的上层，在这一层强迫渗透磷并与硅粘在一起。正区置于电池表层的下面，正负界而区域称为pn结。制造电池时pm结被赋子了恒定的特性。当阳光投射到太阳电池内保持松散状态的电子时，这时靠近pm结的电子朝向电池的表层流动。金属线将光伏组件

34、里每个电池的前面与下一个电池的背面相连，这样使电流通过许多pm结，建立起所有电池的串联电压。在每个电池pm结处的电压增加大约0.5V的电动势，这个电池电压与电池的尺寸无关。电流受电池面积和日照强度的影响，较大面积的电池能够产生较强的电流。3.2薄膜太阳能电池的分类硅太阳能电池由于成本原因，最初只能用于空间，随着技术发展和工艺成熟,应用也逐步扩大。面对今天的能源供应状况和日益严重的环境污染，以至危及人类自身生存的现实，开发新能源和可再生能源的理念己被世界各国广泛接受。大力发展薄膜型太阳能电池不失为当前最明智的选择。薄膜太阳能电池有：非晶硅薄膜太阳能电池、微（多）晶硅薄膜太阳能电池、铜锢硒薄膜太阳

35、能电池、铜锢稼硒薄膜太阳能电池、硏化隔薄膜太阳能电池、染料敏化薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池和其他。随着科技的不断进步，人们对新能源的需求越來越迫切，太能能电池得到了迅速的发展。图31和图32所示分别为太阳能电池的市场需求情况和太阳能电池效率的发展情况。各類太陽能電池市佔比20012005年各類太陽能電池產量Amorphous5ifcjnCadwiumIdtnir8-SyCz9lo?PrometheusInsrinneQ0068)bttMinrFh：P*MCMonocvv%oNreHitHiteCqctIndiumwlmidrSo融NITRI-IEK(20073)技術極日本其他地區（RoW

36、合計百分比矽MonociyMallineFla*Plate5S17914911II4S628%多晶K*Ml:：c：ytilliiieFktPlate23495277196刃】56%RiblxinSilxottL2HJlIA-SiClKZSiHce)1221227%/I5t108祕4522961.652Wta-Si233666T1Cdlc2012322%CKC1GS355W十IC20G10S6为154犷2M21.760責-2叩3年各皴型丈陽能电违於各區域山塢的应请空:MW:Prcm曲用岭i.rniM吐kuqm勺讥沁、item：rvttiER20C65R3iWS各瞬产仙產分怖址*瞬图31太阳能电池

37、市场情况40(空)A9UOPELU363228242016128401975198019851990199520002005图32太阳能电池效率演进非晶硅薄膜太阳能电池:是發展最完整的薄膜式太陽能電池。其結構通常為p-i-n（或nip）偶及型式，p層跟11層主要座為建立內部電場，I層則由非晶系矽構成。非晶矽的優點在於對於可見光譜的吸光能力很強，而且利用濺鍍或是化學氣相沉積方式生成薄膜的生產方式成熟且成本低廉材料成本相對於其他化合物半導聘材料也便宜許多；不過缺點則有轉換效率低（約57%）,以及會產生嚴重的光劣化現象的問題，因此無法打入太陽能發電市場，而多應用於小功率的消費性電子產品市場。不過在新

38、一代的非晶矽多接面太陽能電池（MultijuctionCell）經能夠大幅改善純非晶矽太陽電池的缺點，轉換效率可提升到68%,使用壽命也獲得提昇。未來在具有成本低廉的優勢之下，仍將是未來薄膜太陽能電池的主流之一。微（多）晶硅薄膜太阳能电池：微晶矽其實是非晶矽的改良材料，其結構介於非晶矽和晶鵲矽之間，主要是在非晶體結構中具有微小的晶鵲粒子，因此同時具有非晶矽容易薄膜化，製程便宜的特性，以及晶體矽吸收光譜廣，且不易出現光劣化效應的優點，轉換效率也較高。目前己有將aSi和ncSi疊層後製成的薄膜太陽能電池商品（由日本Sanyo研發成功），可鍍膜在一般窗戶玻璃上，透光的同時仍可發電，因此業界廣泛看好將

39、是未來非晶矽材料薄膜太陽電池的的發展主流。铜锢硒薄膜太阳能电池：CIGS（CopperliidiuniGalliumDiselemde）都屬於化合物半導鹘。這兩種材料的吸光（光譜）範圍很廣，而且穩定性也相當好。轉換效率方面，若是利用聚光裝置的輔助，目前轉換效率己經可達30%,標準環境測試下最高也已經可達到19.5%,足以媲美單晶矽太陽電池的最佳轉換效率。在大面積製程上，採用軟性塑膠基板的最佳轉換效率也己經達到14.1%。由於穩定性和轉換效率都己經相當優異因此被視為是未來最有發展潛力的薄膜太陽能電池種類之一。硏化隔薄膜太阳能电池：CdTe同樣屬於化合物半導體，電池轉換效率也不差：若使用耐高溫60

40、0度C）的硼玻璃作為基板轉換效率可達16%,而使用不耐高溫但是成本較低的銷玻璃做基板也可達到12%的轉換效率，轉換效率遠優於非晶矽材料。此外，CdTe是二元化合物，在薄膜製程上遠較CIS或CIGS容易控制，再加上可應用多種快速成膜技術（如蒸鍍法），模組化生產容易，因此容易應用於大面積建材，目前己經有商業化產品在市場行銷，轉換效率約11%。不過，雖然CdTe技術有以上優點，但是因為编己經是各國管制的高污染性重金屬，因此此種材料技術未來發展前景仍有陰影存在。染料敏化薄膜太阳能电池；染料敏化感染料電池是太陽能電池中相當新穎的技術，產品是由透明導電基板、二氧化钛EO2）奈米微粒薄膜、染料（光敏化劑）、

41、電解質和rro電極所組成。此種太陽能電池的優點在於二氧化欽和染料的材料成本都相對便宜，乂可以利用印刷的方法大量製造，基板材料也可更多元化。不過目前主要缺點一是在於轉換效率仍然相當低（平均約在78%,實驗室產品可達10%）,且在UV照射和高熱下會出現嚴重的光劣化現象，二是在於封裝過程較為困難（主要是因為其中的電解質的影響），因此目前仍然是以實驗室產品為主。然而，基於其低廉成本以及廣泛應用層面的吸引力，多家實驗機構仍然在積極進行技術的突破。有机薄膜太阳能电池：有機導電高分子太陽能電池是直接利用有機高分子半導體薄膜（通常厚度約為10011111）作為感光和發電材料。此種技術共有兩大優點，一在於薄膜製

42、程容易（可用噴墨、浸泡塗佈等方式），而且可利用化學合成技術改變分子結構，以提昇效率，另一優點是採用軟性塑膠作為基板材料，因此質輕，且具有高度的可撓性。目前市面上己經有多家公司推出產品，應用在可攜式電子產品如NE、PDA的戶外充電上面，市場領導者則是美國Konarka公司。不過，由於轉換效率過低（約45%）的最大缺貼因此此種太陽能電池的未來發展市場應該是結合電子產品的整合性應用，而非大規模的太陽能發電。3.3非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池由Carlson和Wnmski在20世纪70年代中期开发成功，80年代其生产曾达到高潮，约占全球太阳能电池总量的20%左右，但由于非晶硅太阳能电池转化

43、效率低于晶体硅太阳能电池，而且非晶硅太阳能电池存在光致衰减效应的缺点：光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，其发展速度逐步放缓。目前非晶硅薄膜太阳能电池产量占全球太阳能电池总量的10%左右。但由于晶体硅的短缺及价格上涨将是长期存在的事实，即使晶体硅瓶颈突破，能源节省优势仍然能保障非晶硅太阳能电池的生存空间。非晶硅薄膜太阳能电池的优点：低成本：单结晶硅太阳电池的厚度0.5unio主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷，这种气体，化学工业可大量供应，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太阳能电池的原材料本约RMB3.5-4（效率高于6%）且晶体硅太阳电池的基本厚度为240-270U111,相差200多

44、倍，大规模生产需极大量的半导体级，仅硅片的成本就占整个太阳电池成本的65-70%,在中国1瓦晶体硅太阳电池的硅材料成本己上升到RMB22以上。从原材料供应角度分析，人类大规模使用阳光发电，最终的选择只能是非晶硅太阳电池及其它薄膜太阳电池，别无它法。能量返回周期短：转换效率为6%的非晶硅太阳电池，其生产用电约1.9度电/瓦，由它发电后返回的时间约为1.52年，这是晶硅太阳电池无法比拟的。大面积自动化生产：目前，世界上最大的非晶硅太阳电池是SwitzlandUnaxis的KAI-1200PECVD设备生产的1100mm*125Omni单结晶非晶硅太阳电池，起初是效率高于9%。其稳定输出功率接近80

45、W/片。商品晶体硅太阳电池还是以156mm*156mm和125mm*125mm为主。短波响应优于晶体硅太阳电池：上海尤力卡公司曾在中国甘肃省酒泉市安装一套6500瓦非晶硅太阳能电站，其每T瓦发电量为1300KW11,而晶体硅太阳电池每T瓦的年发电量约为1100-1200KW11O非晶硅太阳电池显示出其极大的使用优势。非晶硅太阳能电池存在的问题：效率较低：单晶硅太阳能电池，单体效率为14%17%（AMO）,而柔性基体非晶硅太阳电池组件（约1000平方厘米）的效率为10-12%,还存在一定差距。相同的输出电量所需太阳能电池面积增加，对于对太阳能电池占地面积要求不高的场合尤其适用，如农村和西部地区。

46、我国目前尚有约28000个村庄、7OO7J户、大约30007J农村人口还没有用上电，60%的有电县严重缺电；光致衰减效应也可在电量输出中加以考虑，我们认为以上缺点己不成为其发展的障碍，非晶硅太阳能电池已迎來新的发展机遇。稳定性问题：非晶硅太阳能电池的光致衰减，所谓的WS效应，是影响其大规模生产的重要因素。目前，柔性基体非晶硅太阳能电池稳定效率己超过10%,己具备作为空间能源的基本条件。成本问题：非晶硅太阳能电池投资额是晶体硅太阳能电池的5倍左右，因此项目投资有一定的资金壁垒。且，成本回收周期较长，昂贵的设备折旧率是大额回报率的一大瓶颈。3.4非晶硅太阳能电池的发展现状3.4.1大规模的成本发电

47、站1996年美国APS公司在美国加州建了一个400瓦的非晶硅电站，引起光伏产业振动。Mass公司（欧洲第三大太阳能系统公司）去年从中国进口约5MWp的非晶硅太阳能电池。日本CANECA公司年产25MWp的非晶硅太阳能电池大部分输往欧洲建大型发电站（约每座500KWp-1000KWp）o徳国RWESCHOOTT公司也具有30MWp年产量，全部用于建大规模太阳能电站。3.4.2与建筑相配合，建造太阳能房非晶硅太阳能电池可以制成半透明的，如作为建筑的一部分，白天既能发电乂能使部分光线透过玻璃进入室内，为室内提供十分柔和的照明（紫外线被滤掉）能挡风雨，乂能发电;美国，欧洲和日本的太阳能电池厂家己生产这

48、种非晶硅瓦。如下图所示为光伏建筑一体化。343国内外非晶硅太阳能电池的生产现状及存在的问题如下表所示为世界主要的非晶硅太阳能电池的生产厂家MWp生产品种日本kaneka25910*910nun电池组件，玻璃衬底徳国RWESchottsolar30最大组件100+605mm,玻璃衬底日本三菱电机10玻璃衬底非晶太阳电池日本富士通10聚合物为衬底柔性非晶太阳电池日本TDK5不锈钢为衬底，效率高于8%日本三洋太阳能5聚酰亚胺为衬底，效率高于8.5%美国ECD15研究单位美国联合太阳能25不锈钢，聚酰亚胺为衬底，效率高于10%英国hitersolar5305*915111玻璃衬底，效率大于7%徳国Es

49、ole明年投产，约40MWp生产线目前国内己有的非晶硅太阳能电池生产线如下表所示:序号单位名称产能备注1天津津能5MWp2哈尔滨克罗拉太阳能1MWp3深圳拓日14深圳创益15深圳日月潭1北京世华筹建中7泉州筹建中存在的问题：产量少；效率低；稳定性差；面积小；外观不均匀。3.4.4非晶矽薄膜太阳能电池的制造如下图33所示为非晶矽薄膜太阳能电池的构造Glass/TCO/p-SiC/bSi/n-Si/metalTCO/p-SiC/i-Si/n-Si/metal/IL/SUSLightUght图33非晶矽薄膜太阳能电池的构造如下图所示为非晶矽薄膜太阳能电池的制作流程:图34非晶矽薄膜太阳能电池制作流程

50、ProcessManirfachjringAmorphousSolarCell(GlassSubstrate)adiKlJt*勺patfrmhiQNtoLtrcxie80%。应具有良好的过电流保护与短路保护功能。光伏发电系统正常运行过程中，因负载故障、人员误操作及外界干扰等原因而引起的供电系统过电流或短路，是完全可能的。逆变器对外电路的过电电流及短路现象最为敏感，是光伏发电系统中的薄弱环节。因此，在选用逆变器时，必须要求具备有良好的对过电流及短路的自我保护功能。维护方便。高质量的逆变器在运行若干年后，因元器件失效而出现故障，应属于正常现象。除生产厂家需有良好的售后服务系统外，还要求生产厂家在逆

51、变器生产工艺、结构及元器件选型方面具有良好的可维护性。例如，损坏元器件有充足的备件或容易买到，元器件的互换性好；在工艺结构上，元器件容易拆装，更换方便。这样，即使逆变器出现故障，也可迅速恢复正常。第5章蓄电池和光伏方阵5.1蓄电池的设计蓄电池的设计思想是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以正常工作。我们可以设想蓄电池是充满电的，在光照度低于平均值的情况下，太阳电池组件产生的电能不能完全填满由于负载从蓄电池中消耗能量而产生的空缺，这样在第一天结束的时候，蓄电池就会处于未充满状态。如果第二天光照度仍然低于平均值，蓄电池就仍然要放电以供给负载的需要，蓄电池的荷电状态继续下降。也许接下来的第

52、三天第四天会有同样的情况发生。但是为了避免蓄电池的损坏，这样的放电过程只能够允许持续一定的时间，直到蓄电池的荷电状态到达指定的危险值。为了量化评估这种太阳光照连续低于平均值的情况，在进行蓄电池设计时，我们需要引入一个不可缺少的参数：自给天数，即系统在没有任何外來能源的情况下负载仍能正常工作的天数。这个参数让系统设计者能够选择所需使用的蓄电池容量大小。一般來讲，自给天数的确定与两个因素有关：负载对电源的要求程度；光伏系统安装地点的气象条件即最大连续阴雨天数。通常可以将光伏系统安装地点的最大连续阴雨天数作为系统设计中使用的自给天数，但还要综合考虑负载对电源的要求。对于负载对电源要求不是很严格的光伏

53、应用，我们在设计中通常取自给天数为35天。对于负载要求很严格的光伏应用系统，我们在设计中通常取自给天数为714天。所谓负载要求不严格的系统通常是指用户可以稍微调节一下负载需求从而适应恶劣天气带來的不便，而严格系统指的是用电负载比较重要，例如常用于通信，导航或者重要的健康设施如医院、诊所等。此外还要考虑光伏系统的安装地点，如果在很偏远的地区，必须设计较大的蓄电池容量，因为维护人员要到达现场需要花费很长时间。光伏系统中使用的蓄电池有線氢、银镉电池和铅酸蓄电池，但是在较大的系统中考虑到技术成熟性和成本等因素，通常使用铅酸蓄电池。在下面内容中涉及到的蓄电池没有特别说明指的都是铅酸蓄电池。蓄电池的设计包

54、括蓄电池容量的设计计算和蓄电池组的串并联设计。首先,给出计算蓄电池容量的基本方法。基本公式：第一步，将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到初步的蓄电池容量。第二步，将第一步得到的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度。因为不能让蓄电池在自给天数中完全放电，所以需要除以最大放电深度，得到所需要的蓄电池容量。最大放电深度的选择需要参考光伏系统中选择使用的蓄电池的性能参数，可以从蓄电池供应商得到详细的有关该蓄电池最大放电深度的资料。通常情况下，如果使用的是深循环型蓄电池，推荐使用80%放电深度（DOD）；如果使用的是浅循环蓄电池，推荐选用使用50%DOD。设计蓄电池容量的基本

55、公式见下:蓄电池容量=自给天数x日平均负载最大放电深度下面我们介绍确定蓄电池串并联的方法。每个蓄电池都有它的标称电压。为了达到负载工作的标称电压，我们将蓄电池串联起來给负载供电，需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。串联蓄电池数=自给夭负载标称电床数锻大放蒂电池标称电压(5-2)设计修正：以上给出的只是蓄电池容量的基本估算方法，在实际情况中还有很多性能参数会对蓄电池容量和使用寿命产生很大的影响。为了得到正确的蓄电池容量设计,上面的基本方程必须加以修正。对于蓄电池，蓄电池的容量不是一成不变的，蓄电池的容量与两个重要因素相关：蓄电池的放电率和环境温度。首先，我们考虑放电率对

56、蓄电池容量的影响。蓄电池的容量随着放电率的改变而改变，随着放电率的降低，蓄电池的容量会相应增加。这样就会对我们的容量设计产生影响。进行光伏系统设计时就要为所设计的系统选择在恰当的放电率下的蓄电池容量。通常，生产厂家提供的是蓄电池额定容量是10小时放电率下的蓄电池容量。但是在光伏系统中，因为蓄电池中存储的能量主要是为了自给天数中的负载需要，蓄电池放电率通常较慢，光伏供电系统中蓄电池典型的放电率为100200小时。在设计时我们要用到在蓄电池技术中常用的平均放电率的概念。光伏系统的平均放电率公式如下：平均放电率（小时）自给天数x负载工作时间最大放电深度(5-3)上式中的负载工作时间可以用下述方法估计

57、：对于只有单个负载的光伏系统,负载的工作时间就是实际负载平均每天工作的小时数：对于有多个不同负载的光伏系统，负载的工作时间可以使用加权平均负载工作时间，加权平均负载工作时间的计算方法如下：加权平均负载工作时间=工负载功率x负载工作时间工负载功率根据上面两式就可以计算出光伏系统的实际平均放电率，根据蓄电池生产商提供的该型号电池在不同放电速率下的蓄电池容量，就可以对蓄电池的容量进行修正。下面考虑温度对蓄电池容量的影响。蓄电池的容量会随着蓄电池温度的变化而变化，当蓄电池温度下降时，蓄电池的容量会下降。通常，铅酸蓄电池的容量是在25C时标定的。随着温度的降低,0C时的容量大约下降到额定容量的90%,而

58、在20C的时候大约下降到额定容量的80%,所以必须考虑蓄电池的环境温度对其容量的影响。如果光伏系统安装地点的气温很低，这就意味着按照额定容量设计的蓄电池容量在该地区的实际使用容量会降低，也就是无法满足系统负载的用电需求。在实际工作的情况下就会导致蓄电池的过放电，减少蓄电池的使用寿命，增加维护成本。这样，设计时需要的蓄电池容量就要比根据标准情况（25C）下蓄电池参数计算出來的容量要大，只有选择安装相对于25C时计算容量多的容量，才能够保证蓄电池在温度低于25C的情况下，还能完全提供所需的能量。图5-1蓄电池温度-放电率-容量曲线蓄电池生产商一般会提供相关的蓄电池温度容量修正曲线。在该曲线上可以查

59、到对应温度的蓄电池容量修正系数，除以蓄电池容量修正系数就能对上述的蓄电池容量初步计算结果加以修正。上面是一个典型的温度一放电率一容量变化曲线。因为低温的影响，在蓄电池容量设计上还必须要考虑的一个因素就是修正蓄电池的最大放电深度以防止蓄电池在低温下凝固失效，造成蓄电池的永久损坏。铅酸蓄电池中的电解液在低温下可能会凝固，随着蓄电池的放电，蓄电池中不断生成的水稀释电解液，导致蓄电池电解液的凝结点不断上升，直到纯水的0C。在寒冷的气候条件下，如果蓄电池放电过多，随着电解液凝结点的上升，电解液就可能凝结，从而损坏蓄电池。即使系统中使用的是深循环工业用蓄电池，其最大的放电深度也不要超过80%。下图给出了一

60、般铅酸蓄电池的最大放电深度和蓄电池温度的关系，系统设计时可以参考该图得到所需的调整因子。80/-606040200蓄电池最低度（c）图5-2铅蓄电池最人放电深度-温度曲线在设计时要使用光伏系统所在地区的最低平均温度，然后从上图或者是由蓄电池生产商提供的最大放电深度一蓄电池温度关系图上找到该地区使用蓄电池的最大允许放电深度。通常，只是在温度低于零下8度时才考虑进行校正。完整的蓄电池容量设计计算考虑到以上所有的计算修正因子，我们可以得到如下蓄电池容量的最终计算公式。电池容量（指定放电率）=(5-5)自给天数x日平均负载最大允许放电深度x温度修正因子参数的总结分析最大允许放电深度：一般而言，浅循环蓄