01、光伏技术基础-V1.3

1光伏系统培训课程张建标电话 86 25 52095811 传真 86 25 52095699 电邮 LiuFengceeg.cn 地址江苏省南京市江宁经济技术开发区水阁路 6号（ 211153） 2011-10-11内 容1. 太阳能资源、辐射量计算及分析2. 光伏电池原理、特征曲线及类型3. 光伏组件设计选择及 I-V 曲线44. 光伏系统及应用2太阳以辐射的方式提供能量，能量通过太阳中心的氢核聚变产生，太阳就像一个大容量的核聚变反应堆。由于太阳与地球距离遥远，仅有少部分的太阳辐射到达地球表面，这部分达到到达地球表面的太阳辐射能量约为全球能量需求的 10000倍。太阳辐射太阳能资源、辐射量计算及分析核能 Uanium天然气 Gas石油 Oil每年地球表面接收的太阳辐射量annual solar energy irradiation煤炭 Coal每年世界能源消耗量Annual worldwide energy consumption太阳能利用 太阳能的优点 太阳能是人类可利用的最直接的清洁能源，它分布广阔，获取方便；不会污染环境，没有废水 废渣 废气的排放 可以就地开发利用 不存在运太阳能资源、辐射量计算及分析水、废渣、废气的排放；可以就地开发利用，不存在运输问题。太阳表面释放的能量换算成电能的功率约为3.8 1023 KW左右，其中约 22亿分之一到达地球，约1.2 1014KW1.35KW/m 2, 太阳常数 ，这相当于现在地球上消耗能量的约 1万倍。根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是取自不尽，用之不竭的。 太阳能的缺点 能源密度较低，并且具有间歇性，使其大规模使用的成本和技术难度均很高，目前太阳能所提供的能源占世界商业能源总量不足 1。3从 太阳辐射出来的能量非常巨大，是地球生物赖以维生的主要能源。太阳辐射光谱，所放射出来的能量 90是位于 0.1 至 3μ m之间，大部分属于可见光范围。但可见光仅占整个辐射光谱之部分而已（如下图），红太阳光谱太阳能资源、辐射量计算及分析射 谱 部外线及紫外线也占整个太阳辐射光谱很重要的一部分。地表物体接收的太阳辐射太阳能资源、辐射量计算及分析光伏组件所接收的太阳辐射 日照强度计4直接辐射与散射辐射太阳能资源、辐射量计算及分析柏林直接辐射与散射辐射的比率 直接辐射 40 ; 散射辐射 60 世界太阳能分布太阳能资源丰富程度 最高 地区 印度 巴基斯坦、中东、北非 澳大利亚和新西兰太阳能资源、辐射量计算及分析非、澳大利亚和新西兰；太阳能资源丰富程度 中高 地区 美国、中美和南美南部；太阳能资源丰富程度 中等 地区 西南欧洲、巴西、东南亚、大洋洲、中国、朝鲜和中非；太 能资源丰富 度 东欧 本太阳能资源丰富程度 中低 地区 东欧和日本；太阳能资源丰富程度 最低 地区 加拿大和西北欧洲。5世界太阳能分布太阳能资源、辐射量计算及分析就全球而言，美国西南部、非洲、澳大利亚、中国西藏、中东等地区的全年总辐射量或日照总时数最大，为世界太阳能资源最丰富地区。地球上太阳能资源的分布与各地的纬度、海拔高度、地理状况和气候条件有关。资源丰度一般以全年总辐射量（单位为千卡2 2太阳能资源、辐射量计算及分析中国太阳能分布/ 厘米 年或千瓦 / 厘米 年）和全年日照总时数表示。中国是世界上太阳能最丰富的地区之一，辐射总量在 3.3 10 3～ 8.4 106千焦 / 米 2 年之间，特别是西部地区，年日照时间达 3000h以上。太阳能分布最丰富的是青藏高原地区，可与地球上最好的的印巴地区想媲美。全国 2/3 以上地区的年日照大于 2000h，年均辐射量约为 5900MJ/m 2。我国西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原的总辐射量和日照时数均为全国最高，属世界太阳能资源丰高 高 属富地区之一，而我国无电地区大多集中于此；四川盆地、两湖地区、秦巴山地是太阳能资源低值区；我国东部、南部、及东北为太阳能资源中等区。6类型 地 区年日照时数年辐照总量千卡 /cm 2 年我国各地区的太阳能资源及分布太阳能资源、辐射量计算及分析1 西藏西部、新疆东南部、青海西部、甘肃西部 2800～3300 160～ 2002 西藏东南部、新疆南部、青海东部、宁夏南部、甘肃中部、内蒙古、山西北部、河北西北部 3000～3200 140～ 1603新疆北部、甘肃东南部、山西南部、陕西北部、河北东南部、山东、河南、吉林、辽宁、云南、广东 2200～ 120～ 140南部、福建南部、江苏北部、安徽北部 30004 湖南、广西、江西、浙江、湖北、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部、黑龙江 1400～2200 100～ 1205 四川、贵州 1000～1400 80～ 100中国太阳能分布太阳能资源、辐射量计算及分析7中国太阳能分布太阳能资源、辐射量计算及分析中国太阳能分布太阳能资源、辐射量计算及分析I≥ 6700MJ/m2II 5400～6700MJ/m2III 4200～5400MJ/m2IV λ 时，无选择性散射（ Non-selective Scattering ）13大气质量大气质量 是一个无量纲量，它是太阳光线穿过地球大气的路径与太阳光线在天顶角方向时穿过大气路径之比，C）时 海平太阳辐射量的计算与分析并假定在标准大气压（ 1atm）和气温（0 o ）时，海平面上太阳光线垂直入射的路径为 1。显然，地球大气上界的大气质量为零。当天顶角为 60 oC时， m2。在各太阳高度时的大气质量h 度 90 60 30 10 5 3 1 0m 1 1.15 2.0 5.6 10.4 15.4 27.0 35.4大气质量 m随太阳高度的增高而减小， 当太阳高度低时， m值的增大特别迅速 。大气质量A为地球海平面上一点， O，O ′ 为大气上界的点。太阳在天顶位置时，太阳光线路程 OA为大气质量。太阳辐射量的计算与分析太阳位于S ′ 点时，大气质量为Z1 secsinOAm hOA hθ 大气质量示意图上式是从三角函数关系推导出来，是以地表为水平面，忽略了大气的曲率及折射因素的影响。14大气质量温度对 m的影响一般可以忽略不计；对于海拔高度较大的地区，应对大气压力进行订正，即太阳辐射量的计算与分析 , 760P zm z h m hz 观测地点海拔高度的海拔高度Pz 观测地点的大气压 Pa水平面上的直接太阳辐射AB面代表水平面， AC面代表垂直于太阳光线的表面，H代表太阳直接入射到 AC和 AB平面上的能量， IH,b 代表水平面上太阳直接辐射强度。太阳辐射量的计算与分析CzIn面 太阳直接辐射强度IH,b Ib,nsinh Ib,ncosθ z rIscpmmsinh从日出至日没对时间进行积分A Bhθ z水平面, sc m0 sin dt mH bH rI p h t ∫sc m0 sin sin cos cos cos dt mrI p tφ δ φ δ ω ∫直接太阳辐射强度与太阳高度角的关系15水平面上的直接太阳辐射0 i iT I ω若d t用时角 ω 来表示， d d2Tt ωπ 则，太阳辐射量的计算与分析0H,b sc msin sin cos cos cos d2 mH rI pω φ δ φ δ ω ωπ - ∫T 昼夜长， 24h； ω 0，- ω 0 日出和日没时角上式只是一种数学表达式。实际上，由于 pm m很复杂，不便直接积分 所 通常的办法是按 个小时 个小时计算不便直接积分，所以通常的办法是按一个小时一个小时计算，而每个小时内的直接太阳辐射总通量可根据其平均太阳高度角查表通过计求得。日总量 年总量月总量斜面太阳辐射量确定朝向赤道倾斜面上的太阳辐射量，通常采用Klein 提出的计算方法倾斜面上的太阳辐射总量 H 由直太阳辐射量的计算与分析t接太阳辐射量 Hbt、天空散射辐射量 H dt和地面反射辐射量 Hrt三部分所组成，即Ht Hbt Hdt Hrt确定 点 知道全年 平 平均太对于确定的地点，知道全年各月水平面上的平均太阳辐射资料（总辐射量、直接辐射量或散射辐射量）后，便可算出不同倾斜角的斜面上全年各月的平均太阳辐射量。16斜面太阳辐射量Rb为倾斜面上直接辐射量 Hbt 与水平面上 H 直接辐射量之比太阳辐射量的计算与分析b bcos cos sin sin sin180cos cos sin sin sin180s ss ss h h sRh hπφ δ φ δπφ δ φ δ - - s为光伏阵列倾角； δ 为太阳赤角；hs为水平面上日落时角； hs′ 为倾斜面上日落时角； φ为光伏供电系统的当地纬度。斜面太阳辐射量倾斜面上日落时角 hs′ 的表达式 1cos [ tan tanh -太阳辐射量的计算与分析{ }smin ,cos ]s h sφ δ - -天空散射 Hay模型 倾斜面上天空散射辐射量是由太阳光盘的辐射量和其余天空穹顶均匀分布的散射辐射量两部分组成，可表达为H b bdt d bo o0.5 1 1 cos HH H R sH H - Hb和 H d分别为水平面上直接和散射辐射量；Ho为大气层外水平面太阳辐射量。17斜面太阳辐射量大气层外水平面上太阳辐射量 Ho计算公式太阳辐射量的计算与分析s0 sc s224 3601 0.033cos cos cos sin sin sin365 360hnH I h πφ δ φ δπ Isc为太阳常数，可以取 Isc 1367 W/m 2对于对面反射辐射量 Hrt，其公式如下H rt 0.5ρ H1-cossH为水平面上总辐射量； ρ 为地物表面反射率。一般情况下，地面反射辐射量很小，只占 Ht的百分之几，参加教材表 1-7 。斜面太阳辐射量因此，倾斜面上太阳辐射量公式可总结为0 5 1 1 0 5 1 H H 太阳辐射量的计算与分析b bt b b d bo o0.5 cos 0.5 cosH H R H R s H sH H ρ - - 根据该公式可将水平面上的太阳辐射数据转化成斜面上太阳辐射数据，基本计算步骤如下1 确定所需的倾角 s和系统所在地的纬度 φ 。2 找到按月平均的水平面上的太阳能辐射资料 Ho。3 确定每个月中有代表性的一天的水平面上日落时间角 hs和倾斜面上的日落时间角 hs′ ，这两个几何参量只和纬度和日期有关。18斜面太阳辐射量4 确定地球外水平面上的太阳辐射，也就是大气层外的太阳辐射 H ，该参量取决于地球绕太阳运行的轨道。太阳辐射量的计算与分析o5 计算倾斜面与水平面上直接辐射量之比 Rb。6 计算直接太阳辐射量 Hbt。7 计算天空散射辐射量 Hdt 。8 确定地物表面反射率 ρ ，计算地面反射辐射量 Hrt。9 将直接太阳辐射量 Hbt、天空散射辐射量 Hdt和地面反射辐射量 Hrt相加得到太阳辐射总量 Ht。金属 半导体 绝缘体光电效应基本原理金属、 半导体 和绝缘体金属的价带是半满的，所以金属能够导电；绝缘体的价带是全满的，并且具有较大的禁带宽度，所以不能导电；半导体的价带也是全满的，但由于其具有较窄的禁带宽度，所以在一定的条件下能够导电。其电导率在 10-4 到 1010欧姆 厘米之间。19 以硅为例，理想的硅原子结构示意图p型半导体和 n型半导体光电效应基本原理意图 添加 3价元素硼后的示意图黄色表示 B元素，蓝色点表示空穴。空穴容易吸收电子而中和，就像空穴在流动一样。 掺杂 5价元素磷后的示意图黄色表示 P元素，红色点表示多余的电子，它非常活跃，容易流动形成电流。当 p-型和 n-型半导体结合在一起时，由于 p-型半导体多空穴， n-型半导体多自由电子，在界面处出现了浓度差。 n-区的p-n 结及内建电场光电效应基本原理电子会扩散到 p-区， p-区的空穴会扩散到 n-区，这样会在交界面区域形成一个特殊的薄层，即空间电荷区。空间电荷区存在一个从 n-区指向 p-区的内建电场阻止扩散进行，内建电场与半导体内的扩散达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层，这就是 p-n结。20半导体硅的光电效应光子穿透至 PN结附光电效应基本原理光子穿透至 结附近，能量被电子吸收。若光子能量 大于电子的逸出功 ，电子摆脱束缚成为 自由电子 ，同时产生一个带正电的 空穴 。PN结具有由 N指向P的 电场 ，电子向 N运动，空穴向 P运动。表面电极为负，背电极为正。当 与外负载连接时形成电流 。图 2 光电效应原理光伏电池原理及类型晶体硅电池工作原理 非晶硅组件构成21 光伏电池的主要性能参数有开路电压V OC 、短路电流I SC、最大光伏电池的主要性能参数光伏电池原理及类型输出功率P m 、填充因子 FF、能量转换效率 PCE等。①开路电压 open-circuit voltage 太阳电池处于开路状态时两端的电压，可用高内阻的直流毫伏计测量。②短路电流 short-circuit current 太阳电池处于短路状态时流过的电流，常用短路电流密度J SC代替，用内阻小于 1Ω的电流表测量。③最大输出功率太阳电池的输出功率随负载电阻而变化，其最大值成为最大输出功率，P mV mI m。④填充因子 Fill Factor 最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比 始④填充因子 Fill Factor 最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比，始终小于 1，代表太阳能电池在最佳负载时能输出的最大功率的特性。⑤能量转换效率 Power Conversion Efficiency 太阳电池的最大输出功率和入射光的功率之比。η OC SCm min inFF V IV IP P 太阳能电池输出特性测量电路示意图。当负载从 0变化到无穷大时，输出电压 V则从 0变到V ，同时输出电流便从I太阳能电池伏安曲线光伏电池原理及类型穷 时 出 则 变到 OC 时 出 SC变到 0，由此得到电池的输出特性曲线。AV太阳电池电压计电流计可变电阻 除了以上 5个主要参数，有些文献上还提到了其它参数，如光电转换效率IPCEmono-chromatic incident photon-to-electron conversion efficiency 、外量子效率 EQEexternal quantum efficiency 及内量子效率 IQEInternal Quantum Efficiency 。22受光照的太阳电池，在一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的关系伏安伏安 II- - V特性曲线特性曲线光伏电池原理及类型曲线。不同辐照度下电池的不同辐照度下电池的I I - V特性曲线温度系数光伏电池原理及类型 电流温度系数在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化1 0C ，太阳电池短路电流的变化值，通常用 α 表示。对于一般晶体硅电池α 0.1/ 0C 电压温度系数在规定的试验条件下 被测太阳电池温度每变化1 0C在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化1 C ，太阳电池开路电压的变化值，通常用 β 表示。对于一般晶体硅电池β - 0.38/ 0C23光伏电池原理及类型 理想太阳电池的等效电路 在恒定光照下，光电流是恒定的，它一部分流经负载，在负载两端建立起端电压；另一部分作用于 p-n结，形成正向偏置，引起一股与光电流方向相反的暗电流光伏电池原理及类型反的暗电流。 实际太阳电池的等效电路 实际工作的太阳电池由于电极的接触和材料本身的电阻率，存在着串联电阻的损耗；电池边沿的漏电和电池的微裂纹、划痕等造成的金属桥漏电，相当于并联电阻的损耗。24单晶硅太阳电池块状多晶硅太阳电池第一代太阳电池 Silicon based光伏电池原理及类型光伏电池类型多晶硅薄膜太阳电池薄膜多元化合物太阳电池单层结构双层异质结无机 /有机杂化太阳电池非晶硅薄膜太阳电池有机化合物太阳电池第二代太阳电池 thin films本体异质结叠层太阳电池染料敏化太阳电池量子点太阳电池热载流子太阳电池多能带太阳电池热光伏太阳电池第三代太阳电池 new concept单晶硅太阳电池光伏电池原理及类型25多晶硅太阳电池光伏电池原理及类型非晶硅太阳电池光伏电池原理及类型26 硅材料太阳电池① 单晶硅太阳电池 以纯度为 99.999的单晶硅棒为原料制作而成，工光伏电池原理及类型硅材料太阳电池艺复杂，电耗很大。目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为 15左右，实验室可达 25，其理论最高效率为 32左右。② 多晶硅太阳电池 按结构可分为两种，一种是块状 bulk ，多半是用含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。制作工艺与单晶硅太阳电池相似，但材料制造简便，成本较低。另一种是 薄膜状 thin-film, 多采用化学气相沉积法 CVD和液相外延法LPPE、溅射沉积法制备。多晶硅薄膜电池成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池 多晶硅太 电池 前光电转换效率 12左右效率高于非晶硅薄膜电池。多晶硅太阳电池目前光电转换效率 左右，实验室可达 19.8。③ 非晶硅太阳电池 于 1976年出现，硅材料消耗少，电耗低，常用辉光放电法、反应溅射法、化学气相沉积法、电子束蒸发法和热分解硅烷法制备。其光电转换效率较低，为 10左右，实验室可达 14.5。 多元化合物薄膜电池①砷化镓 G A 化合物薄膜太 池 砷化镓属于Ⅲ Ⅴ化合物半导体材光伏电池原理及类型多元化合物薄膜电池①砷化镓 GaAs化合物薄膜太阳电池 砷化镓属于Ⅲ - Ⅴ化合物半导体材料，能隙 band gap ，又叫禁带宽度 forbidden bandwidth 为 1.4eV，并且耐高温性强，最高转换效率可达 30。砷化镓系列太阳能电池包括单晶 GaAs、多晶 GaAs、镓铝砷 -GaAs异质结、金属 - 半导体 GaAs、金属 - 绝缘体 - 半导体 GaAs、 GaSb（锑化镓）、 GaInP等。② 硫化镉 CdS和碲化镉 CdTe化合物薄膜电池 效率在 10以上。③铜铟硒 CuInSe2， CIS和铜铟镓硒 CuInxGa1-xSe2， CIGS化合物薄膜电池 CIS材料的能降为 1.1eV，是良好的太阳能电池半导体材料，价格低廉、性能良好，目前光电转换效率约在 15左右。27光伏电池原理及类型多元化合物薄膜电池 单层有机太阳电池又叫肖特基 Schottky 型太阳电池两个电极之间夹着一层有机材料，电极一般都是 ITO和低功函数金属 Al光伏电池原理及类型单层有机太阳电池着 料 都 属、 Ca、 Mg，其内建电场源于两个电极的功函数差异或者金属 - 有机染料接触而形成的肖特基势垒。其性能强烈依赖于电极的性能，并且有机物的绝缘本性，只有当激子扩散到电极和材料接触处激子才可能分离，而扩散长度很短 10nm左右 使得产生的激子容易复合。28 有机给体 - 受体异质结有机太阳电池高光伏电池原理及类型双层（ Bilayer ）异质结有机太阳电池当光与给体分子相互作用时，受激发的电子给体吸收光子，其最高已占轨道 HOMO上的一个电子跃迁到最低未占轨道 LUMO，形成激子，通常由于给体 p- 型 LUMO的电离势比受体 n- 型 LUMO的电离势低，电子就有给体转移到受体，从而完成电子的转移，实现激子的分离。激子分离后产生的电子和空穴向相反的方向运动，被收集在相应的电极上，形成光电压。 C. W. Tang 于 1986年第一次提出了双层有机太阳电池的概念。 异质结电池中 D-A界面处的激子分离最有效，但激子典型的扩散长度在10nm范围内，因此光激发层应尽量薄；而为了尽可能多的吸收光，又要求薄膜厚度应超过 100nm。 将施主材料和受主材料混合分布在同一层中，光伏电池原理及类型混合异质结有机电池求薄膜厚度应超过 将施主材料和受主材料混合分布在同 层中，大大增加了施主 / 受主界面的面积，使激子能够运动非常短的距离就可以得到有效分离，这种结构叫分散式 混合或本体异质结 Bulk Heterojuntion, BHJ异质结。 1994年将 10 1wt 的 MEH-PPV和C 60混合溶液制旋涂在 ITO玻璃上支撑了第一个分散式聚合物异质结 PV电池。 本体异质结结构是目前有机聚合物 Polymer-fullerene 、有机小分子和无机纳米晶 / 有机半导体杂化太阳电池的主要研究方向。 半29 染料敏化太阳能电池模拟光和作用制作的，一般由多孔纳米 TiO 2薄膜组成的光阳极、镀铂对电极、染料敏化剂联 吡啶钌络合物 和电解质溶液一般是I 3 - /I - 组成。 吸附在纳米 TiO 2表面上的染料光敏化剂在可见光的作用下，电子通过吸收太阳光能而从基态跃迁到激发态。染料的激发态光伏电池原理及类型染料敏化太阳能电池能级略高于 TiO 2导带能级，电子会注入到 TiO 2 导带，被导电层收集后通过外回路回到对电极，产生光电流。被氧化的染料分子被电解质溶液中的I - 还原为基态，电解质中产生的I 3- 又被电子还原为I -，从而构成了一个电化学循环。 1991年瑞士的 M. Gr tzel 教授制作了第一个染料敏化太阳电池，其转换效率达到 7.9，目前这种电池的转换效率可达 11以上，而其成本仅为硅太阳电池的 1/5。 染料敏化太阳电池目前的主要挑战在于高效电极的低温制备和柔性化；廉价、稳定的全光谱染料的设计和开发；液体电解质的封装和高效固态电解质的制备等。 太阳光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按隙 大到 序 外 叠合起来 让波长光伏电池原理及类型叠层（叠层（ tandem）太阳能电池 ）太阳能电池能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用，这就有可能最大限度的将光能变成电能，这样的电池结构就是叠层电池，可以大大提高性能和稳定性。30世界主要太阳电池新记录电池种类 转换效率研制单位 备注单晶硅电池 24.7 0.5 澳大利亚新南威尔士大学 4 cm 2面积光伏电池原理及类型GaAs多结电池 34.7 1.7 Spectro lab 333倍聚光多晶硅电池 20.3 0.5 德国弗朗霍夫研究所 1.002 cm 2面积InGaP/GaAs 30.8 1.0 日本能源公司 4 cm 2面积非晶硅电池 12.8 0.7 美国 USSC公司 0.27 cm 2面积CIGS电池 19.5 0.6 美国可再生能源实验室 0.41 cm 2面积CdTe电池 16.5 0.5 美国可再生能源实验室 1.032 cm 2面积多晶硅薄膜电池 16.6 0.4 德国斯图加特大学 4.017 cm 2面积纳米硅电池 10.1 0.2 日本钟渊公司 2微米膜 玻璃衬底 氧化钛有机纳米电 池 11.0 0.5 EPFL 0.25 cm 2面积GaInP/GaAs/Ge 37.3 1.9 Spectro lab 175 倍聚光背接触聚光硅电池 26.8 0.8 美国 SunPower 公司 96倍聚光中国太阳电池实验室最高效率最高效率 面积 cm 2单晶硅电池 20 4光伏电池原理及类型20.4 2 2多晶硅电池 14.53 2 2GaAs 电池 20.1 1 1聚光硅电池 17 2 2CdS/Cu xS电池 12 几个 mm2CuInSe 2电池 8.57 1 1CdTe电池 7 3mm 2多晶硅薄膜电池 13.6 1 1非晶硅电池 11.2单结 8.66.2几个 mm210 1030 30二氧化钛纳米有机电池 10 1 1