太阳能光伏发电

1 第一章 绪论能源是现代社会存在和发展的基石。随着全球经济社会的不断发展，能源消费也相应的持续增长。随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越突显，且这种稀缺性也逐渐在能源商品的价格上反应出来。在化石能源供应日趋紧张的背景下，大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。我们对太阳能的利用大致可以分为光热转换和光电转换两种方式，其中，光电利用（光伏发电）是近些年来发展最快，也是最具经济潜力的能源开发领域。太阳能电池是光伏发电系统中的关键部分，包括硅系太阳电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅电池）和非硅系太阳能电池等。在晶体硅太阳能电池的产业链上分布着晶硅制备、硅片生产、电池制造、组件封装四个环节。光伏发电系统主要由太阳能电池、 蓄电池、 控制器和逆变器构成。 光伏发电系统可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，典型特征为需要蓄电池来存储能量，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。在各国政府的扶持下，世界太阳能电池产量快速增长， 1995-2005 年间，全球太阳能电池产量增长了 17 倍。 我们预计， 2010 年全球太阳能电池的年产量有望较2005 年的年产量增长 6.3 倍，整个行业的销售收入有望增长 3.5 倍。我国太阳能资源非常丰富，开发利用的潜力非常大。我国太阳能发电产业的应用空间也非常广阔，可以应用于并网发电、与建材结合、解决边远地区用电困难问题等。我国政府对太阳能发电产业也给予了充分的扶持，先后出台了一系列法律、政策，有力的支持了产业的发展。2 第二章 太阳能及其应用太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位并且得到广泛的应用。2.1 太阳能的含义一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式。太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。2.2 太阳能的发展历史据记载，人类利用太阳能已有 3000 多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有 300 多年的历史。近代太阳能利用历史可以从 1615 年法国工程师所罗门德考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。 真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事。 20 世纪 70 年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。2.3 我国太阳能资源我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射量在 4 kWh/㎡以上，西藏最高达 7kWh/㎡。2.4 太阳能的应用就目前来说，人类直接利用太阳能还处于初级阶段，主要有太阳能集热、 太阳能热水系统 、太阳能暖房、太阳能发电等方式。2.4.1 太阳能集热器太阳能集热器 solar collector 在太阳能热系统中，接受太阳辐射并向传热工质传递热量的装置。按传热工质可分为液体集热器和空气集热器。按采光方式可分为聚光型集热器和吸热型集热器两种。一个好的太阳能集热器应该能用 20～30 年。2.4.2 太阳能热水系统3 早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热，现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外，可能还有辅助的能源装置（如电热器等）以供应无日照时使用，另外尚可能有强制循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。依循环方式太阳能热水系统可分两种自然循环式和自然循环式。2.4.3 太阳能暖房太阳能暖房系统是由太阳能收集器、热储存装置、辅助能源系统，及室内暖房风扇系统所组成，其过程乃太阳辐射热传导，经收集器内的工作流体将热能储存，再供热至房间。至辅助热源则可装置在储热装置内、直接装设在房间内或装设于储存装置及房间之间等不同设计。2.5 太阳能发电即直接将太阳能转变成电能，并将电能存储在电容器中，以备需要时使用。2.5.1 太阳能离网发电系统太阳能离网发电系统包括 1、太阳能控制器 对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要时，太阳能控制器又把蓄电池的电能送往负载。 2、太阳能蓄电池 组的任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。 3、太阳能逆变器 负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。2.5.2 太阳能并网发电系统太阳能并网发电系统是将光伏阵列产生的可再生能源不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接反向馈入电网的发电系统。2.5.3 Si 太阳电池硅太阳电池是最常用的卫星电源，由于空间技术的发展，各种飞行器对功率的需求越来越大。其中，以发展背表面场（ BSF）、背表面反射器（ BSR）、双层减反射膜技术为第一代高效硅太阳电池，这种类型的电池典型效率最高可以做到15左右，目前在轨的许多卫星应用的是这种类型的电池。2.5.4 太阳能路灯太阳能路灯是一种利用太阳能作为能源的路灯，因其具有不受供电影响，不用开沟埋线，不消耗常规电能，只要阳光充足就可以就地安装等特点，因此受到人们的广泛关注，又因其不污染环境，而被称为绿色环保产品。太阳能路灯即可用于城镇公园、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度较小，交通不便经济不发达、缺乏常规燃料，难以用常规能源发电，但太阳能资源丰富的地区，以解决这些地区人们的家用照明问题。2.6 太阳能的利弊4 2.6.1 优点1 普遍性太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地 或海洋 ，无论高山 或岛屿2 无害性开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染3 巨大性每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于 130 万亿吨煤，其总量属4 长久性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用之不竭的。2.6.2 缺点1 分散性到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是 能流密度 很低。2 不稳定性由于受到 昼夜 、 季节 、 地理纬度 和 海拔 高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度3 效率低和成本高目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进5 第三章 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 16 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。7 （ 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8 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 9 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。10 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）。11 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～ 1012 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，13 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。结论本文通过对太阳能的发展历程以及太阳能应用，主要的是太阳能光伏发电系统原理及应用的研究，让我更加深刻的认识到发展利用可再生能源是当今世界必须要走的能源之路。只有这样才能最大限度的降低环境污染， 从而保卫我们生存的地球。 光是一种清洁、 可再生能源，并且太阳能资源在我国广泛分布。由于我国是一个能源消耗大国，并且人口分布极不合理，因此发展太阳能光伏发电系统对于我国的可持续发展、保持能源供给的独立性和安全性，以及分散人口地区居民用电具有重要意义。同时，在研究这个论题时，也让我更加深刻的理解事物的发展是存在两面性的。在太阳能开发利用的同时，还存在许多的技术难关，还 有环境是否也会遭到破坏 这些问题是每个人都要想的。 在此同时，14 也希望开发利用太阳能的技术越来越完善。希望尽快的实现太阳能时代的目标，那时边远以及用电困难的地区都能用上太阳能发电供电，解决用电问题。实现“阳光工程”、 “光伏屋顶工程”。参考文献[1] 郝晶卉 机电专业委员会全国职业培训教学工作指导委员会 电工与电子基础 机械工业出版社 2009 年 01 月[2] 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