太阳能光伏发电系统原理

太阳能光伏发电系统原理光伏发电系统是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电系统装置。3.1 光电效应概述光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（ Photoelectric effect ）。3.2 光生伏打效应概述及应用3.2.1 光生伏打效应是指物体由于吸收光子而产生电动势的现象，是当物体受光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。3.2.2 光生伏打效应应用光生伏打效应主要是应用在半导体的 PN结上，把辐射能转换成电能。大量研究集中在太阳能的转换效率上。理论预期的效率为 24％。由于半导体 PN 结器件在阳光下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为太阳能电池，也称光电池或太阳电池。3.3 太阳能电池及其太阳能组件3.3.1 太阳能电池的工作原理太阳光照在半导体 p-n 结上，形成新的空穴 - 电子对，在 p-n 结电场的作用下，空穴由 n 区流向 p 区，电子由 p 区流向 n 区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。3.3.2 太阳能电池的生产流程通常的晶体硅太阳能电池是在厚度 350～ 450μ m 的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。如图 1图 1 太阳能电池的生产流程3.3.3 太 阳 能 电 池 的 制 造 技 术晶体硅太阳能电池的制造工艺流程如图 2。提高太阳能电池的转换效率和降低成本是太阳能电池技术发展的主流。具体的制造工艺技术说明如下（ 1 ） 切 片 采 用 多 线 切 割 ， 将 硅 棒 切 割 成 正 方 形 的 硅 片 。（ 2）清洗用常规的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或碱）溶液将硅片表面 切 割 损 伤 层 除 去 30 － 50um 。（ 3）制备绒面用碱溶液对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备绒面。（ 4）磷扩散采用涂布源（或液态源，或固态氮化磷片状源）进行扩散 , 制 成 PN ＋ 结 ， 结 深 一 般 为 0.3 － 0.5um 。（ 5）周边刻蚀扩散时在硅片周边表面形成的扩散层，会使电池上下电极短 路 ， 用 掩 蔽 湿 法 腐 蚀 或 等 离 子 干 法 腐 蚀 去 除 周 边 扩 散 层 。（ 6） 去 除 背 面 PN＋结 。 常 用 湿 法 腐 蚀 或磨 片 法 除 去 背 面 PN＋ 结 。（ 7）制作上下电极用真空蒸镀、化学镀镍或铝浆印刷烧结等工艺。先制作 下 电 极 ， 然 后 制 作 上 电 极 。 铝 浆 印 刷 是 大 量 采 用 的 工 艺 方 法 。（ 8）制作减反射膜为了减少入反射损失，要在硅片表面上覆盖一层减反射膜。制作减反射膜的材料有 MgF2 ， SiO2 ， Al2O3 ， SiO ， Si3N4 ，TiO2 ， Ta2O5 等。工艺方法可用真空镀膜法、离子镀膜法，溅射法、印刷法 、 PECVD 法 或 喷 涂 法 等 。（ 9 ） 烧 结 将 电 池 芯 片 烧 结 于 镍 或 铜 的 底 板 上 。10 测试分档按规定参数规范，测试分类。3.3.4 太阳电池组装工艺简介组件线又叫封装线，封装是太阳能电池生产中的关键步骤，没有良好的封装工艺，多好的电池也生产不出好的电池组件板。电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证，而且还增强了电池的抗击强度。产品的高质量和高寿命是赢得可客户满意的关键，所以组件板的封装质量非常重要。在这里只简单的介绍一下工艺的作用，给大家一个感性的认识 . 电池测试 由于电池片制作条件的随机性，生产出来的电池性能不尽相同，所以为了有效的将性能一致或相近的电池组合在一起，所以应根据其性能参数进行分类；电池测试即通过测试电池的输出参数（电流和电压）的大小对其进行分类。以提高电池的利用率，做出质量合格的电池组件。正面焊接 是将汇流带焊接到电池正面（负极）的主栅线上，汇流带为镀锡的铜带，我们使用的焊接机可以将焊带以多点的形式点焊在主栅线上。焊接用的热源为一个红外灯（利用红外线的热效应）。焊带的长度约为电池边长的2 倍。多出的焊带在背面焊接时与后面的电池片的背面电极相连背面串接 背面焊接是将 36 片电池串接在一起形成一个组件串，我们目前采用的工艺是手动的，电池的定位主要靠一个膜具板，上面有 36 个放置电池片的凹槽，槽的大小和电池的大小相对应，槽的位置已经设计好，不同规格的组件使用不同的模板，操作者使用电烙铁和焊锡丝将“前面电池”的正面电极（负极）焊接到“后面电池”的背面电极（正极）上，这样依次将 36 片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。层压敷设 背面串接好且经过检验合格后，将组件串、玻璃和切割好的EVA 、玻璃纤维、背板按照一定的层次敷设好，准备层压。玻璃事先涂一层试剂（ primer ）以增加玻璃和 EVA的粘接强度。敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置，调整好电池间的距离，为层压打好基础。（敷设层次由下向上钢化玻璃、 EVA、电池片、 EVA、玻璃纤维、背板）。组件层压 将敷设好的电池放入层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使 EVA 熔化将电池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷却取出组件。层压工艺是组件生产的关键一步，层压温度层压时间根据 EVA的性质决定。我们使用快速固化 EVA时，层压循环时间约为 25 分钟。固化温度为 150℃。 电池板原料玻璃， EVA，电池片、铝合金壳、包锡铜片、不锈钢支架、蓄电池等 如图 3 图 3 太阳能电池板修边 层压时 EVA 熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边，所以层压完毕应将其切除。装框 类似与给玻璃装一个镜框；给玻璃组件装铝框，增加组件的强度，进一步的密封电池组件，延长电池的使用寿命。边框和玻璃组件的缝隙用硅酮树脂填充。各边框间用角键连接。焊接接线盒 在组件背面引线处焊接一个盒子，以利于电池与其他设备或电池间的连接。高压测试 高压测试是指在组件边框和电极引线间施加一定的电压，测试组件的耐压性和绝缘强度，以保证组件在恶劣的自然条件（雷击等）下不被损坏。组件测试 测试的目的是对电池的输出功率进行标定，测试其输出特性，确 定 组 件 的 质 量 等 级 。 目 前 主 要 就 是 模 拟 太 阳 光 的 测 试 Standard test condition （ STC） , 一般一块电池板所需的测试时间在 7-8 秒左右。3.3.5 太阳能电池阵列设计步骤１ . 计算负载 24h 消耗容量 P PH/V V负载额定电源2. 选定每天日照时数 TH 3. 计算太阳能阵列工作电流IPP1Q/T Q按阴雨期富余系数， Q0.21～ 1.00 4. 确定蓄电池浮充电压 VF 镉镍 ＧＮ 和铅酸 ＣＳ 蓄电池的单体浮充电压分别为 1.4 ～ 1.6V 和 2.2V。5. 太阳能电池温度补偿电压 VT VT2.1/430T-25VF 6. 计算太阳能电池阵列工作电压 VP VPVFVDVT 其中 VD0.5～ 0.7 约等于 VF 7.WPIP UP 8. 根据 VP、 WP在硅电池平板组合系列表格，确定标准规格的串联块数和并联组数。3.4 太阳能光伏发电系统3.4.1 太阳能光伏发电系统工作原理光伏发电系统是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电系统装置。光伏发电系统的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地 ; 光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。3.4.2 太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流 220V 或 110V，还需要配置逆变器 图 5,6 所示 。各部分的作用为（一） 太阳能电池板 太阳能电池板 图 4 所示 是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能，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直接决定整个系统的质量和成本。图 4 太阳能电池板（二） 太阳能控制器 太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。（三） 蓄电池 一般为铅酸电池，一般有 12V 和 24V 这两种，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。（四） 逆变器 在很多场合，都需要提供 AC220V、 AC110V的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是 DC12V、 DC24V、 DC48V。为能向 AC220V的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用 DC-AC逆变器。在某些场合，需要使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（注意，不是简单的降压）。图 5 太阳能电池发电系统的组成原理图 6 太阳能电池发电系统的组成原理3.4.3 太阳能光伏发电系统的设计需要考虑如下因素问题 1、太阳能发电系统在哪里使用该地日光辐射情况如何问题 2、系统的负载功率多大问题 3、系统的输出电压是多少，直流还是交流问题 4、系统每天需要工作多少小时问题 5、如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天问题 6、负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大问题 7、系统需求的数量3.4.4 太阳能光伏发电系统的发电方式太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。（ 1）光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换过程；后一个过程是热电转换过程，与普通的火力发电一样 .太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵 5～ 10 倍 . 一座 1000MW的太阳能热电站需要投资 20～ 25 亿美元，平均 1kW的投资为 2000～ 2500 美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。（ 2）光电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵 图 7 了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点 . 太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的太阳能光伏发电方式有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。图 7 太阳能电池方阵3.4.5 太 阳 能 光 伏 发 电 系 统 对 逆 变 电 源 的 要 求采用交流电力输出的光伏发电系统，由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池和逆变器 电源 四部分组成（并网发电系统一般可省去蓄电池），而逆变电源是关 键 部 件 。 光 伏 发 电 系 统 对 逆 变 电 源 要 求 较 高 （ 1）要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地 利 用 太 阳 电 池 ， 提 高 系 统 效 率 ， 必 须 设 法 提 高 逆 变 电 源 的 效 率 。（ 2）要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变电源具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变电源具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出 短 路 保 护 ， 过 热 ， 过 载 保 护 等 。（ 3）要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如１２Ｖ蓄电池，其端电压可在１０Ｖ～１６Ｖ之间变化，这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证 交 流 输 出 电 压 的 稳 定 。（ 4）在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免铎公共电网的电力污染，也要求逆变电源输出正弦波电流。