第10章 太阳能光伏发电系统（付鹏）

Solarphotovoltaicsystems第11章太阳能光伏发电系统2023/10/14太阳能发电1.什么是太阳能发电？

通过水或其他工质和装置将太阳辐射能转换为电能的发电方式，称为太阳能发电

太阳能发电热发电光伏发电先将太阳辐射能转换为热能，再将热能转换为电能通过光电器件直接将太阳辐射能转换为电能2023/10/14太阳能光伏发电系统太阳能热发电系统2023/10/14第一节太阳能光伏发电概述第二节太阳能电池第三节独立太阳能光伏发电系统第四节并网太阳能光伏发电系统主要内容2023/10/14第一节太阳能光伏发电概述一、定义二、太阳能光伏发电原理三、太阳能发电的优缺点四、系统分类五、光伏发电的应用领域2023/10/14一、太阳能光伏发电系统的定义1、什么是太阳能光伏发电系统通过太阳能电池（又称光伏电池）将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能电池发电系统（又称太阳能光伏发电系统）。2023/10/14二、太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电是基于半导体的光生伏特效应，利用太阳电池将太阳辐射直接转化为电能。2023/10/141、阳光随处可得，不受地域限制；2、安全可靠；3、无噪音、无污染；4、不消耗资源；5、不需架设远距离输电线路；6、安装简单方便，建设周期短；7、分散建设，就地发电；8、便于分步实施。优点：三、太阳能发电的优缺点2023/10/141、受时间周期、地理位置、气象条件的限制；2、光能转换效率偏低；3、成本高。缺点：三、太阳能发电的优缺点2023/10/14四、太阳能光伏发电系统的分类太阳能光伏发电系统的形式主要有两种：1、独立光伏发电系统（离网系统）

未与公共网相联接，仅仅依靠太阳能电池供电或主要依靠太阳能电池供电的光伏发电系统，在必要时可以由油机发电、风力发电、电网电源或其他电源作为补充。2、并网光伏发电系统（联网系统）

与公共电网相联接，它是太阳能光伏发电进入大规模商业发电阶段，成为电力工业组成部分之一的重要方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。2023/10/142023/10/14五、光伏发电应用领域2023/10/14更多三、光伏发电应用领域2023/10/14太空飞行器---飞船、人造卫星等的太阳能帆板返回2023/10/14太阳能灯2023/10/14太阳能灯2023/10/14太阳能灯2023/10/14太阳能灯2023/10/142023/10/142023/10/142023/10/142023/10/142023/10/142023/10/142023/10/142023/10/142023/10/142023/10/142023/10/142023/10/142023/10/142023/10/142023/10/14深圳国际园林花卉博览园1MWp并网光伏电站——中科院电工所图1.

综合展馆图2.

花卉展馆2023/10/14深圳国际园林花卉博览园1MWp并网光伏电站——中科院电工所图3.游客服务管理中心图4.南区游客服务中心2023/10/14深圳国际园林花卉博览园1MWp并网光伏电站——中科院电工所图5.北区东山坡图6.综合展馆太阳能控制室2023/10/14离网光伏发电技术－中科院电工所图7、西藏安多100kW光伏电站图8、西藏双湖25kW光伏电站2023/10/14风/光互补发电技术－中科院电工所山东小管岛30kW风/光互补电站2023/10/14第二节太阳能电池一、定义二、结构三、工作原理四、特性五、分类六、应用七、发展历史八、研究方向2023/10/14

太阳能电池，又称光伏器件，是一种利用光生伏特效应把光能转变为电能的器件。它是太阳能光伏发电的基础和核心。一、太阳能电池的定义2023/10/14二、太阳能电池的结构N区P区内电场PN结＋＋＋－－－2023/10/14

1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了光电转换效率为4.5%的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。

太阳能光生伏打效应贝克雷尔法国科学家美国贝尔实验室美国贝尔实验室是晶体管、激光器、太阳能电池、通信网等许多重大发明的诞生地。自1925年以来，贝尔实验室共获得两万五千多项专利，现在，平均每个工作日获得三项专利，在科研方面处于全球领先地位。2023/10/14太阳能电池主要由半导体硅制成，在半导体上有光线照射时，吸收光能激发出电子和空穴，在半导体中产生电压，称为“光生伏特效应”或简称“光伏效应”。以硅晶体做成的半导体，掺有磷杂质的硅晶体中自由电子是多数载流子，称为N型半导体；掺有硼杂质的硅晶体中空穴是多数载流子，称为P型半导体。若将P型半导体与N型半导体结合，形成PN结。三、太阳能电池的工作原理太阳光N型半导体P型半导体正极负极电流负荷2023/10/14太阳能电池利用了PN结的光伏效应。当有光照射太阳能电池时，则激发电子自由运动流向N型半导体，正电荷集结于P型半导体，从而产生电位势。若外接负荷，则有电流流动。三、太阳能电池的工作原理2023/10/14三、太阳能电池的工作原理在纯净硅晶体中掺入少量5价杂质磷（或砷，锑等），由于磷原子具有5个价电子，1个磷原子同相邻4个硅原子结成共价键时，多余1个价电子，这个价电子很容易挣脱磷原子核的吸引而变成自由电子。一个掺入5价杂质的4价半导体，就成了电子导电类型的半导体，称为n型半导体。在n型半导体材料中，空穴数目很少,称为少数载流子;而电子数目很多,称为多数载流子。2023/10/14三、太阳能电池的工作原理在纯净硅晶体中掺入3价杂质，如硼（或鋁、镓或铟等），3价杂质原子最外层只有3个价电子，当它与相邻硅原子形成共价键时，缺少1个价电子，在一个共价键上要出现一个空穴，因此掺入3价杂质的4价半导体，也称为p型半导体。对于p型半导体，空穴是多数载流子，而电子为少数载流子。2023/10/14三、太阳能电池的工作原理2023/10/14三、太阳能电池的工作原理光能到电能转换只有在P-N结界面活性层发生，并且一个光子只能激发一个电子-空穴对。具有足够能量的光子进入P-N结区附近才能激发电子-空穴对。温度升高，P-N结界面活性层变薄，造成电池电压降低，光能到电能的转换能力降低2023/10/141、光伏器件的伏安特性

当太阳电池接上负载R，将恒定强度的光照射到电池表面，测量得到太阳能电池的伏－安特性曲线如下图所示。其中Isc为短路电流，Voc为开路电压。太阳能电池伏安特性曲线UI0IscVoc四、太阳能电池的特性2023/10/14当光照射太阳电池时，在其内部PN结将产生一个由n区到p区的光生电流Iph．同时，由于pn结本身的二极管特性，存在正向二极管电流ID，此电流方向从p区到n区，与光生电流相反。因此，实际获得的电流I为：

Iph－光生电流；A0－与PN结材料有关的系数；q－电子电量=1.602×10-19C；VD－结电压；k－玻尔兹曼常数=1.38×10-23J/K；T－温度K。如果忽略太阳能电池的内电阻，则VD即为太阳能电池的端电压，上式可写为：(1)式(2)式1、光伏器件的伏安特性2023/10/14①短路特性：当太阳能电池的输出端短路时，V＝0（结电压VD≈0），由（2）式可得到短路电流Isc

：

Isc=Iph(3)式

即太阳能电池的短路电流Isc

等于光生电流Iph，此值与入射光的强度成正比。②开路特性：当太阳能电池的输出端开路时，I=0，由(2)和(3)式可得到开路电压Voc：(4)式1.光伏器件的伏安特性2023/10/14短路电流（Isc）：当太阳能电池的两端是短路状态时测定的电流，称为短路电流。该电流随光强度（照度）按比例增加。IscE0短路电流与光强度E的关系VocE0开路电压与光强度E的关系开路电压（Voc）：太阳能电池电路负荷断开时两端电压，称为开路电压。该值随光强度按指数函数增加，在较低光强度时，仍保持一定的开路电压。1.光伏器件的伏安特性2023/10/14太阳能电池的工作电流I和电压U是由负载电阻值决定。

不同负载电阻R1、R2、R3与伏安特性曲线的交点确定了不同的工作电流和电压，即不同的输出功率。图中的矩形面积就表示功率的大小。UI0Isc太阳能电池伏安特性与功率输出R1R2R3Voc（U1,I1）（U2,I2）（U3,I3）2.输出功率特性2023/10/14最大功率输出

在实际应用中，要求输出功率最大，即保证上图中的矩形面积最大。右图是功率P与电压U的关系曲线。在一定光强度下，最大功率Pmax.对应最佳工作电流Ipmax和最佳工作电压Upmax。UP0Pmax(=Ipmax×Upmax)Upmax

FF为太阳电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈高．填充因子FF：将最大功率Pmax

与Uoc和Isc的乘积之比定义为填充因子FF，则2023/10/14

太阳能电池的变换效率为输入太阳能与输出电功率之比，即测试条件：按照国际电工标准化委员会（IEC）规定，地面用太阳能电池的额定效率需在使用温度25℃、光照强度为1000W/m2及符合IEC规定的空气质量标准的基准光下进行测定，统称为测试的基本状态。3.太阳能电池光伏变换效率2023/10/14（1）日照强度只要太阳光谱、组件温度不变，效率η

几乎不受日照强度E的影响，只有当E<0.2W/m2时，η值略有下降。102030402460Tc=25℃1.0kW/m20.4kW/m2电压（V）（a）I-U曲线电流（A）10203040501001500Tc=25℃1.0kW/m2电压（V）（b）P-U曲线功率（W）

（2）工作温度一般情况下，由于温度升高，将使电流、电压略有变化，即开路电压和效率下降，短路电流升高（在25℃标准温度左右变化不大）。输出相对值0.80.91.020406080100温度（℃）短路电流开路电压变换效率4.影响太阳能电池性能的因素2023/10/14按制造工艺可分为两大类：①第一代和第二代太阳能电池：晶体硅系列（分为单晶硅和多晶硅）

②第三代薄膜型太阳能电池:非晶硅和铜铟镓硒（CIGS）系列五、太阳能电池的分类2023/10/14种类电池类型商用效率实验室效率优点缺点晶硅电池单晶硅14%-17%23%效率高、技术成熟原料成本高多晶硅13%-15%20.3%效率较高技术成熟原料成本较高薄膜电池非晶硅5%-8%13%弱光效应好、成本相对较低转化率相对较低碲化镉5%-8%15.8%弱光效应好、成本相对较低有毒、污染环境铜铟硒5%-8%15.3%弱光效应好、成本相对较低稀有金属五、太阳能电池的分类2023/10/141、单晶硅太阳电池（CrystallineSilicon）(1)表面规则稳定，通常呈黑色(2)光电转换率最高，可达14-17%左右,而且其发电效率稳定可靠。(3)不能弱光发电。(4)因单晶硅衬底造价高，成本较贵。(5)光电单元间的空隙可透部分光。2023/10/142、多晶硅太阳电池（PolycrystallineSilicon）(1)结构通常清晰，不透明(2)转化率略低于单晶硅太阳电池，约10-12%，但有进一步提高的潜力(3)稳定性不如单晶硅(4)不能弱光发电(5)成本低于单晶硅多晶硅太阳电池正在逐步取代单晶硅太阳电池。2023/10/143、非晶硅太阳电池（1）具有透光性，透光度可从5%到75%,运用到建筑上的最理想的透光度为5%（2）转化率较低（6%-10%）（3）具备弱光发电的性能，日发电时间可以从早上6点延续到晚上7点（4）材料和制造工艺成本低，易于形成大规模生产（5）承受的工作温度比晶体硅要高2023/10/144、铜铟镓硒(ＣＩＧＳ)原料稀缺，毒性和环境污染2023/10/14非晶硅电池与晶体硅电池性能对照表非晶硅薄膜电池晶体硅电池a-Si多晶硅单晶硅电池时代类别第三代电池第二代电池第一代电池制造成本低较高高转化率6～10％10～12％14～17％原材料来源广泛较缺紧缺发电性能弱光发电强光强光日发电时间10～13小时6～8小时4～6小时透光度半透明、透明不透明不透明颜色多样化浅蓝深蓝2023/10/14非晶硅电池与晶体硅电池性能对照表（续）非晶硅薄膜电池晶体硅电池电池时代类别第三代电池第二代电池第一代电池使用寿命（年）20～2520～2520～25电池板块规格统一，标准板块大小1245×635，单件功率40W随硅元件使用的多少，以及纯度的改变，单件功率不确定。同样面积的板块功率可以变化。故障率非晶硅电池串联后不会因为遮挡产生热岛效应，它们不会因不能产生电流而被反偏。故障率极低。晶体硅电池如果其中一小部分被遮挡，会产生热岛效应，这将极大的降低整个组件的功率输出，意味着被遮挡的电池把功率以热的方式耗尽，时间过长就导致故障并有可能导致整个组件的损坏2023/10/14硅太阳能电池板的生产流程制电池过程熔化浇铸层压封装2023/10/141.SnO2刻槽2.a-Si沉积3.a-Si刻槽4.AL溅射5.AL刻槽6.边绝缘处理7.超声波焊接8.层压非晶硅太阳能电池板的生产流程2023/10/14通信卫星供电、太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势六、太阳能电池的应用2023/10/14通讯/通信领域太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。2023/10/14光伏幕墙（德国）返回2023/10/14太阳方舟——全长315m，最高位置（两边）高37.1米，中央高31.6m，底部宽13.7m，顶部宽4.3m，重量3000t。最大功率630kW，年发电量53万kWh,预计每年可以减排95吨返回2023/10/14德国Freiburg太阳能住宅返回2023/10/14广场或走廊天棚返回2023/10/14太阳电池组件可作为遮阳挡雨部件（德国）返回2023/10/14装饰性光伏候车棚（德国）返回2023/10/14意大利太阳电池作为外墙装饰品返回2023/10/14七、太阳能电池的发展历史1954美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为6％1955第一个光伏航标灯问世，美国RCA发明GaAs太阳能电池1958太阳能电池首次装备于美国先锋1号卫星，转换效率为8％。1959第一个单晶硅太阳能电池问世。1960太阳能电池首次实现并网运行。1974突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到18％。1975非晶硅及带硅太阳能电池问世1978美国建成100KW光伏电站1980单晶硅太阳能电池效率达到20％多晶硅为14.5％，GaAs为22.5％1986美国建成6.5KW光伏电站1990德国提出“2000光伏屋顶计划”1995高效聚光GaAs太阳能电池问世，效率达32％。1997美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划，日本提出“新阳光计划”1998单晶硅太阳能电池效率达到24.7％，荷兰提出“百万光伏屋顶计划”2000世界太阳能电池总产量达287MW，欧洲计划2010年生产60亿瓦光伏电池2023/10/141、硅基电池

硅是地球上丰度第二大元素，资源丰富(以石英砂形式存在)；环境友好；电池效率高，性能稳定；工艺基础成熟。硅基电池是目前光伏界研究开发的重点、热点晶硅电池的产业化技术硅基薄膜电池八、太阳能电池的研究方向2023/10/14晶硅电池:①提高电池/组件效率高效钝化技术：TiO2，SiNx,H、SiO2,a-Si。。高效陷光技术：减反射，表面织构化，背反射等，选择性发射区(前)，背表面场(BSF)，细栅或者单面技术，

高效封装技术－最佳封装材料的折射率等。②简化、改进工艺－自动化、环保、低成本；如硅片薄化及其工艺，③材料的国产化和提高性能；

2023/10/14硅基薄膜电池

①低温过程(PECVD)<300℃，非晶、微晶、微非迭层－效率、稳定性，柔性衬底②低温过程>900℃,多晶硅基薄膜电池，廉价衬底；

2023/10/142、化合物电池

CIGS电池：提高效率，大面积重复性，S代Se

CdTe电池：提高效率，大面积重复性

Gratzel电池－高效染料，固体或准固态电解质，提高效率，大面积重复性有机电池－高效电子受体和给体以及材料，提高效率2023/10/143、新型概念电池：量子点、量子阱电池，中间带光伏电池，带隙递变迭层电池等，尚处在理论探索、概念研究和验证阶段。2023/10/14第三节独立太阳能光伏发电系统一、分类二、系统组成2023/10/14一、独立太阳能光伏发电系统的分类根据用电负载的特点直流系统交流系统交直流系统最大区别是系统中是否带有逆变器2023/10/14独立太阳能光伏发电系统2023/10/141.太阳能电池方阵2.防反充二极管3.蓄电池组4.控制器5.逆变器二、独立太阳能光伏发电系统的组成2023/10/141.太阳能电池单体、组件和方阵（1）太阳能电池单体（光伏单元）光电转换的最小单元，尺寸一般为2cm×2cm到15cm×15cm不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.45~0.5V，工作电流约为20～25mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。（2）太阳能电池组件（光伏组件）太阳能电池单体串并联并封装，其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦，可以单独作为电源使用的最小单元2023/10/14太阳能电池组件2023/10/14太阳能电池组件2023/10/14太阳能电池组件2023/10/14太阳能电池组件2023/10/14太阳能电池组件2023/10/14（3）太阳能电池方阵（光伏阵列）单一组件发电量有限，将单一组件经过串并联并装在支架上，构成太阳能电池方阵。1.太阳能电池单体、组件和方阵2023/10/14葡萄牙南部阿马雷莱雅拍摄的莫拉太阳能发电厂安装的太阳能电池板。太阳能电池方阵（光伏阵列）2023/10/141.太阳能电池单体、组件和方阵单体组件方阵2023/10/14一个太阳能电池只能产生大约0.45V电压，远低于实际应用所需要的电压一个太阳能电池组件上太阳能电池的标准数量是36个或40个（10cm×10cm），这意味着一个太阳能电池能产生16V的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效地充电。当需要更高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可以把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需的电压和电流。1.太阳能电池单体、组件和方阵2023/10/142.防反充二极管（1）作用

避免由于太阳能电池方阵在阴雨天和夜晚不发电时或出现短路故障时，蓄电池组通过太阳能电池方阵放电。它串联在太阳能电池方阵电路中，起单向导通的作用（2）基本要求

承受足够大的电流，而且正向电压降要小，反向饱和电流要小。一般可选用合适的整流二极管。2023/10/143.蓄电池组（1）作用储存太阳能电池方阵受光照时所发出的电能并可随时向负载供电（2）基本要求