3.第二章 太阳能发电技术.docx

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1、第三节太阳能光伏发电技术简介一、光伏发电发展光伏发电：将太阳光辐射能通过光伏效应干脆转换为电能的发电方式。1839年，法国科学家贝克勒尔发觉，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池,受到阳光照耀时会产生额外的伏打电势，他把这种现象称为光生伏打效应。1883年，有人在半导体硒和金属接触处发觉了固体光伏效应。后来就把能够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件。然而，直到1954年，第一个好用单晶硅光伏电池（SolarCell）才在美国贝尔试验室研制胜利。20世纪60年头（冷战（1947年1991年）中期光伏发电的开发探讨集中于卫星电源和空间试验探讨。20世纪70年头后期（石油危机），光伏发电技术在世界范围内

2、得到了高度重视，出现了第一批商用光伏发电产品。（19731974第一次石油危机产生于第四次中东斗争,为打击以色列与西方国家，阿拉伯国家使出狠招：10月16日提高石油价格，其次天削减生产，并实施对西方国家的禁运,使油价从3.01美元每桶增加到11.651美元.随着阿拉伯国家UoO亿美元的巨额收益，伴随着的是西方国家（包括日本）的经济衰退,保守估计，此次石油危机至少使全球经济倒退2年.1979-1980的其次次石油危机则由两伊斗争引起的.两大产油国的斗争造成国际油价飙涨，再次使西方国家遭遇打击.以美国为例GDP增长率由1978年的5.6%下降到1980年的3.2%,直至1981年0.2%的负增长.

3、）近十几年来，能源短缺、价格飞涨、环境污染的问题越来越突出。光伏发电因其清洁、可再生的特点，已成为全球发展最快的新兴产业之一。20世纪90年头后，光伏发电快速发展，到2006年，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家,1997年又提出“百万光伏屋顶”安排，总容量3000MW,安排2010年完成，每户由太阳能供电510KW到2004年光伏发电累计装机容置超过了100OMWo日本1992年启动了新阳光安排,到2003年日本光伏组件生产占世界的50%,世界前10大厂商有4家在日本。德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动

4、了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。2000年启动“10万个房顶太阳能发电安排。安排到2003年装机容置增加325MWo瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展安排，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。据欧洲光伏工业协会报告，2002年全球光伏电池产562MW0其中，日本251MW,欧洲135MW,美国121MW,其它国家55MW。世界光伏系统累计装机容量1996年约为300MW,2000年增长到800MW,到2002年末增长到了1330MWo光伏装机年增长率1994年为20%,2000年为40%O2006年的光伏行业调查表明，到2010年，

5、光伏产业的年发展速度将保持在30%以上。年销售额将从2004年的70亿美金增加到2010年的300亿美金。中国太阳电池的探讨始于1958年，1959年研制胜利第1个有好用价值的太阳电池。中国光伏发电产业于20世纪70年头起步，1971年3月首次胜利地应用于我国第2颗卫星上，1973年太阳电池起先在地面应用，1979年起先生产单晶硅太阳电池。20世纪90年头中期后光伏发电进入稳步发展时期，太阳电池及组件产量逐年稳步增加。我国1990年以前光伏电池的生产实力只有4.5MW/年，2004年实际产量为42MW01995年，在西藏双湖县建成了25KW离网光伏发电系统。同年，在山东一个海岛上建成30KW混

6、合式光伏与风力发电系统。2004年，在深圳园林花卉博览园建成IMW并网光伏电站。2004年，我国光伏发电累计装机容量为65MW,到2007年年底，中国光伏系统的累计装机容量达到100MW,太阳能电池生产实力达到2900MW,年产量达到1188MW,超过了日本和欧洲。依据可再生能源中长期发展规划，到2020年，中国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW(IG=100OMw),到2050年将达到600GW。预料，到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%,其中光伏发电装机将占到5%。光伏电池的生产须要消耗大量电能，每平方厘米电池耗能1984年为45kWh,随着技术的进步，规模的

7、扩大，生产耗能也在稳步下降，2004年每平方厘米电池耗能为X5kWho国际上光伏系统成本为5000-8000美元/KW。2004年我国光伏模块售价为30-40元人民币/W。我国火电厂建设成本为4000-5000人民币/KW。二、光伏电池1、PN结自然的硅(4价元素)提纯后形成单晶体，称为本征半导体，其结构如下图。硅或错中共价便的结构示意图在硅晶体中每个原子有4个相邻原子，并和每一个相邻原子共有2个价电子，形成稳定的8电子壳层。硅晶体结构中的共价键具有很强的结合力，在热力学零度和没有外界能量激发时，价电子没有实力摆脱共价键束缚，这时晶体中几乎没有自由电子，因此不能导电。当半导体的温度上升或受到光

8、照等外界因素的影响时,某些共价键中的价电子因热激发而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为自由电子，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“空穴”。从硅的原子中分别出一个电子须要1.12eV的能量,该能称为硅的禁带宽度。被分别出来的电子是自由的传导电子，它能自由移动并传送电流。共价键中失去电子出现空穴时，相邻原子的价电子比较简洁离开它所在的共价键填补到这个空穴中来，使该价电子原来所在的共价键中又出现一个空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填补，再出现空穴，如左图所示。在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动形成的电子电流，一是仍被原子核束缚的价电子(不是自由电子)

9、递补空穴形成的空穴电流。在纯净的硅中掺入微量的磷或碑等5价元素，由于磷原子具有5个价电子,所以1个磷原子同相邻的4个硅原子结成共价键时，还多余1个价电子，这个价电子很简洁摆脱磷原子核的吸引而变成自由电子。同时杂质原子由于失去一个电子而变成带正电荷的离子，这个正离子固定在晶体结构中，不能移动，所以它不参加导电。掺入5价元素的杂质半导体，其自由电子的浓度远远大于空穴的浓度，因此称为电子型半导体，也叫做N(Negative)型半导体。在N型半导体中，除了由于掺入杂质而产生大量的自由电子以外，还有由于热激发而产生少量的电子空穴对。然而空穴的数目相对于电子的数目是极少的。所以在N型半导体材料中，空穴数目

10、很少,称为少数裁流子;而电子数目很多,称为多数载流子。在硅晶体中掺入微置的3价元素杂质硼（或ig、锐或锢等），硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，由于最外层只有3个价电子，当它与相邻的硅原子形成共价键时，还缺少1个价电子，因而在一个共价键上要出现一个空穴。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子得电子而成为不能移动的负离子；而原来的硅原子共价键则因缺少一个电子，出现一个空穴。于是半导体中的空穴数目大量增加。空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数截流子。掺入3价元素的杂质半导体，其空穴的浓度远远大于自由电子的浓度，因此称为空穴型半导体

11、，也叫做P（Positive）型半导体。若将P型半导体和N型半导体两者紧密结合，联成一体时，由导电类型相反的两块半导体之间的过渡区域，称为PN结。在PN结两边，由于在P型区内，空穴很多，电子很少；而在N型区内，则电子很多，空穴很少。由于交界面两边，电子和空穴的浓度不相等，因此会产生多数载流子的扩散运动。负离子卜耗尽层AiE离子空穴Pk空间电荷区X电子。同obQIoIe&)p平衡状态卜的结右图所示的是一块晶片，两边分别形成P型和N型半导体。图中P区仅画出空穴（多数载流子）和得到一个电子的三价杂质负离子，N区仅画出自由电子（多数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离子。依据扩散原理，空穴要从浓度高的

12、P区向N区扩散,自由电子要从浓度高的N区向P区扩散,并在交界面发生复合（耗尽）,形成载流子极少的正负空间电荷区如图中间区域，这就是PN结。正负空间电荷在交界面两侧形成一个由N区指向P区的电场，称为内电场,它对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，同时，内电场对少数载流子起推动作用。在肯定条件（例如温度肯定）下，多数载流子的扩散运动渐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则渐渐增加，最终两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。当外加电场与内电场方向相反，即正向偏置时，内电场被减弱，多子的扩散运动大大超过少子的漂移运动，N区的电子不断扩散到P区，P区的空穴也不断扩散到N区，形

13、成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。当外加电场与内电场方向相同，即反向偏置时，内电场增加，致使多子的扩散难以进行，即PN结对反向电压呈高阻特性；反偏时少子的漂移运动虽然被加强，但由于数微小，反向电流一般状况下可忽视不计，此时称PN结处于截止状态。2、PN结的光伏效应，太阳能电池原理当光线照耀PN结的状况下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子受到激发，在P区、空间电荷区和N区都会产生光生电子一空穴对，也称光生载流子。这样形成的电子一空穴对由于热运动，向各个方向迁移。光生电子一空穴对在空间电荷区中产生后，马上被内建电场分别，光生电子被推动N区，光生空穴被推动P区。在PN

14、结边界处总的载流子浓度近似为0。在N区，光生电子一空穴产生后，光生空穴便向PN结边界扩散，一旦到达PN结边界，便马上受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入P区，而光生电子（多数载流子）则被留在N区。P区中的光生电子也会向PN结边界扩散，并在到达PN结边界后，同样由于受到内建电场的作用而在电场力作用下作漂移运动，进入N区，而光生空穴(多数截流子)则被留在P区。因此在PN结两侧形成了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使P型层带正电，N型层带负电，因此产生了光生电动势。这就是“光生伏打效应”或“光伏效应”。假如外电路接

15、通就会有电流，称为光生电流。这就形成了太阳能电池。3、太阳电池的极性太阳电池一般制成P+N型结构或N+P型结构，其中第一个符号，即P+和N+表示太阳电池正面光照半导体材料的导电类型；其次个符号，即N和P表示太阳电池背面衬底半导体材料的导电类型。下图为在P型半导体材料上扩散磷元素，形成N+/P型结构的太阳电池。上表面为负极；下表面为正极。sunlightCross-sectionalviewofaPVcellshowingthephoto-receptivesurfaceandtheptjunction4、太阳能电池等效电路(1)志向太阳电池等效电路：相当于一个电流为IPh的恒流电源与一只正向二

16、极管并联。流过二极管的正向电流称为暗电流Id,流过负载的电流为I,负载两端的电压为V。光生电势使PN结正向偏置，因此存在一个流经二极管的漏电流，该电流与光生电流的方向相反，会抵消部分光生电流，称为暗电流。志向的太阳电池等效电路(2)实际太阳电池等效电路：并联电阻：主要由于边缘漏电流或耗尽区内的复合电流等产生的旁路电阻RSho串联电阻：由于体电阻和电极的欧姆电阻产生的串联电阻RS在RSh两端的电压为：Vj=(V+IRs)班ljXJzBsh1UVR11实际的太阳电池等效电路因此流过旁路电阻Rh的电流为：Ish=(V+IRs)Rsh流过负载的电流：I=Iph-Id-Ish暗电流ID是注入电流和复合电

17、流之和，可以简化为单指数形式:In=100exp(qVA0KT)-l其中:100为太阳电池在无光照时的饱和电流；q=1.6M019C,为电子电荷；A。为结构因子，它反映了PN结的结构完整性对性能的影响；K=1.38*1023,是玻尔兹曼恒；T=300Ko因此得出：I=IPhTD-【Sh这就是光照状况下太阳电池的电流与电压的关系。画成图形，即为(1.V)特性曲线。在志向状况下：RshT8,RSTO由此得到：I=Iph-Id=Iph-100exp(qVA0KT)-l在负载短路时，即V=0(忽视串联电阻)，便得到短路电流，其值恰好与光电流相等ISC=Iph因此得出:I=Iph-Id=Isc-100e

18、xp(qVA0KT)-l在负载RT8时,输出电流to,便得到开路电压V5、伏安(1.V)特性曲线受光照的太阳电池，在肯定的温度和辐照度以及不同的外电路负载下，流入负载的电流I和电池端电压V的关系曲线。下图为某个太阳电池组件的(1.V)特性曲线示意图。太阳能电池有一最大功率运行点。6、太阳能电池的基本参数（1）、开路电压在肯定的温度和辐照度条件下，光伏发电器在空载（开路）状况下的端电压，通常用VOC来表示。太阳电池的开路电压与电池面积大小无关，通常单晶硅太阳电池的开路电压约为450-600mV,最高可达690mV。太阳电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。（2）、短路电流在肯定的温度和辐照

19、条件下，光伏发电器在端电压为零时的输出电流，通常用ISC来表示。Isc与太阳电池的面积大小有关，面积越大，Isc越大。一般Icm2的太阳电池ISC值约为1630mAISC与入射光的辐照度成正比。（3）、最大功率点在太阳电池的伏安特性曲线上对应最大功率的点，又称最佳工作点。（4）、最佳工作电压太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电压。通常用Vm表示（5）、最佳工作电流太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电流。通常用Im表示（6）、转换效率受光照太阳电池的最大功率与入射到该太阳电池上的全部辐射功率的百分比。TI=Vmlm/AtPin其中Vm和Im分别为最大输出功率点的电压和电流，At为太阳

20、电池的总面积，Pin为单位面积太阳入射光的功率。由%z转牖举备注单晶羟电池24.70.5澳大利亚新南威尔士大学4cm2面枳GaAS务吉电池34.71.7SdXDIab333倍聚光多晶硅电池20.30.5德国弗朗霍夫研究所1.002Cm2面积IciGaPZGaAs30.8+1.0日本能源公司4Cm2面枳非晶硅电池12.80.7美国USSC公司0.27Cm2面积ClGS电池19.50.6美国可再生能源实验室0.41Cm2面积皿e电池16.50.5美国可再生能源买脸室1.032Cm2面枳多晶硅薄膜电池16.60.4德国斯图加特大学4.017Cm2面积纳米硅电池10.1+0.2日本钟渊公司2微木膜（玻

21、璃衬底）氧化钛管纳米电11.0+0.5EPF1.0.25Cm2面枳GalnBZGaAsZGe37.31.9SCtIab175倍聚光背接触聚光仁电池26.80.8美国SUn口迎出公司96倍聚光世界主要太阳电池新记录最IWJ效率囿枳（Cm毕晶畦电池20.42X2多晶硅电池14.532X2GaAS电池I20.11X1聚光硅电池172X2GdSZCUxS电池12几个mrCUInSe2电池8.571X1Qn启电池73mm2多晶硅薄膜电池13.6lx非晶硅电池11.2（单结）8.66.2儿个mr2IOX1030X30二氧化钛纳米有机电池101X1中国太阳电池试验室最高效率（7）、填充因子（曲线因子）太阳电

22、池的最大功率与开路电压和短路电流乘积之比，通常用FF（或CF）表示:FF=ImVmIscVoc1.VOC是太阳电池的极限输出功率ImVm是太阳电池的最大输出功率填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重要参数，它反映了太阳能电池的质置。串联电阻越小，并联电阻越大，填充因子越大，（8）、电流温度系数在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每改变,太阳电池短路电流的改变值，通常用表示。对于一般晶体硅电池=+0.l%0C（9）、电压温度系数在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每改变,太阳电池开路电压的改变值，通常用B表示。对于一般晶体硅电池=-0.38%0C7、太阳能电池的分类（1）、单晶硅电池是硅的单晶体

23、。具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达到99.9999%,甚至达到99.9999999%以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉单晶硅太阳能电池,是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池，是当前开发得最快的一种太阳能电池。它的构造和生产工艺已定型。1998年前单晶硅电池曾长期占据市场，1998年后才退居多晶硅电池之后，位于其次位。最新的动向是单晶硅向超薄、高效发展。已经证明40Im厚的单晶硅电池的效率可达到20%。单晶硅太阳能电池的基本结构多为N+/P型，多以P型单晶硅为基片，厚度一般为200-300umo（2）、多晶

24、硅电池多晶硅，是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成很多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约14%16%从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。单晶硅太阳能电池的生产须要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些材料工艺困难，电耗很大，在太阳能电池生产总成本中己超二分之一。加之拉制的单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳能电池也是圆片，组成太阳能组件平

25、面利用率低。因此，80年头以来，欧美一些国家投入了多晶硅太阳能电池的研制。多晶硅太阳能电池的运用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。（3）、非晶硅电池用沉积在导电玻璃或不锈钢衬底上的非晶硅薄膜制成的太阳能电池。基于晶体硅（单晶硅和多晶硅）的太阳能电池由于发展历史较早且技术比较成熟，在装机容量始终占据领先地位。尽管技术进步和市场扩大使其成本不断下降，但由于材料和工艺的限制，晶体硅太阳能电池进一步降低成本的空间相当有限，很难达到光伏科学家和能源专家在上世纪80年头初预料的光伏发电与柴油发电竞争的临界点太阳能电池的成本1美元/瓦。因此第一代太阳能电池很难担当太阳能光伏发电大比例进入人类能源结构并成为基础能

26、源的组成部分的历史使命，非晶硅太阳能电池益发得到世界各国的重视。目前大面积大生产的硅薄膜太阳能电池的光电转换效率为5%8%。（4）、纳米晶化学太阳能电池纳米晶TiO2（二氧化钛）太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简洁的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5-1/10.寿命能达到20年以上。但由于此类电池的探讨和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。另外还有球形电池、聚光电池、多结电池、有机太阳能电池等。三、光伏发电系统光伏发电系统是利用太阳能电池干脆将太阳能转换成电能的发电系统。其特点是牢靠性高、运用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行，具有广

27、裹的发展前景。光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统。独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式,典型特征为须要蓄电池来存储夜晚用电的能置。独立太阳能光伏发电在民用范围内主要用于边远的乡村，如家庭系统、村级太阳能光伏电站；在工业范围内主要用于电讯、卫星广播电视、太阳能水泵，在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统，如风力发电/太阳能发电互补系统等。并网太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电连接到国家电网的发电的方式,成为电网的补充。太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能限制器、蓄电池（组）、逆变器组成。各部分的作用为:太阳能电池板：由太阳电池组件（

28、也称光伏电池组件）依据系统需求串、并联而成，在太阳光照辉下将太阳能转换成电能输出，它是太阳能光伏系统的核心部件，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射实力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将干脆确定整个系统的质量和成本。蓄电池：将太阳电池组件产生的电能储存起来，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意负载的能量需求，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，通常采纳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。逆变器：在很多场合，都须要供应

29、220VAC、HOVAC的沟通电源。由于太阳能的干脆输出一般都是12VDC、24VDCV48VDC0为能向220VAC的电器供应电能,须要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成沟通电能，因此须要运用DC-AC逆变器。在某些场合，须要运用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能。太阳能限制器：包括蓄电池的充、放电限制，光线跟踪限制、峰值功率输出限制等，是整个系统的核心限制部分。随着太阳能光伏产业的发展，限制器的功能越来越强大,有将传统的限制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势。太阳跟踪限制系统：由于地球的自转，相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，一

30、年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在改变，有效的保证太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。峰值功率跟踪系统：太阳跟踪限制系统使电池面对太阳，从而最大限度地收集太阳辐射，但并不能保证系统输出最大的功率。由伏安特性知，在给定的运行条件下，系统输出电功率对应在某个电压值上。峰值功率跟踪系统检测系统输出的电压和电流，不断调整运行点，使在不断改变的气候条件下总是能提取最大功率。跟踪方法：输出功率P=IV,假如运行点改变为1+1和V+ZkV,功率为P+P=(I+I)(v+v)=IV+IV+VI+IV忽视小项后，简化为P=IV+VI当运行在峰值功率时，P=0o因此，在峰值功率运行点上满意：dVV-TdVyVym=z.为动态阻抗，T=ZS为静态阻抗，在峰值功率运行点上，有：Zd=Zs三种限制方法：1)、周期性地向母线注入一个小的信号电流,可以测量动态阻抗和静态阻抗。调整运行电压使Zd=-ZsdPdP2)、假如正为正，就增加运行电压，假如正为负，就减小运行电压。3)、依据最大功率运行点VmZVoc近似恒定的实际特点。例如晶体硅为k=0.72o可以测量未带负荷的电池的开路电压，设置运行电压为kV优