什么是太阳能电池单体

太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为 4cm2 到 100cm2 不等。太阳能电池单体的工作电压约为 0.5V, 工作电流约为 20 － 25mA/cm2, 一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率 见图 1 － 2 。（ 1 ）硅太阳能电池单体常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。 晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成， 在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是 P 型硅，表面扩散层是 N 区，在这两个区的连接处就是所谓的 PN 结。 PN 结形成一个电场。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失。太阳能电池的工作原理如下光是由光子组成， 而光子是包含有一定能量的微粒， 能量的大小由光的波长决定， 光被晶体硅吸收后，在 PN 结中产生一对对正负电荷， 由于在 PN 结区域的正负电荷被分离， 因而可以产生一个外电流场，电流从晶体硅片电池的底端经过负载流至电池的顶端。这就是 “ 光生伏打效应 ” 。将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时， 将有电流流过该负载， 于是太阳能电池就产生了电流；太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效率下降。（ 2 ）硅太阳能电池种类目前世界上有 3 种已经商品化的硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池、 多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。 对于单晶硅太阳能电池， 由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，使单晶硅的使用成本比较昂贵。多晶硅太阳能电池的晶体方向的无规则性，意味着正负电荷对并不能全部被 PN 结电场所分离， 因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不规则而损失，所以多晶硅太阳能电池的效率一般要比单晶硅太阳能电池低。多晶硅太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶硅太阳能电池低。非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多数用于弱光性电源，如手表、计算器等。一般产品化单晶硅太阳电池的光电转换效率为 13 15 产品化多晶硅太阳电池的光电转换效率为 11 13 产品化非晶硅太阳电池的光电转换效率为 5 8 （ 3 ）太阳能电池组件一个太阳能电池只能产生大约 0.5V 电压， 远低于实际应用所需要的电压。 为了满足实际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。 太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池， 这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上，太阳能电池的标准数量是 36 片（ 10cm 10cm ），这意味着一个太阳能电池组件大约能产生 17V 的电压，正好能为一个额定电压为 12V 的蓄电池进行有效充电。通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨等的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨等的能力。其潜在的质量问题是边沿的密封以及组件背面的接线盒。这种组件的前面是玻璃板，背面是一层合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太阳能电池也是被镶嵌在一层聚合物中。在这种太阳能电池组件中，电池与接线盒之间可直接用导线连接。I 组件的电气特性主要是指电流－电压输出特性，也称为Ⅴ－Ⅰ特性曲线，如图 1－ 3 所示。Ⅴ－Ⅰ特性曲线可根据图 1 － 3 所示的电路装置进行测量。Ⅴ－Ⅰ特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流 Im 与电压 Vm 在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路即 V＝ 0，此时的电流称为短路电流 Isc ； 如果电路开路即 I＝ 0 ， 此时的电压称为开路电压 Voc 。 太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即 P＝ V 。I 电流 Isc 短路电流 Im 最大工作电流V 电压 Voc 开路电压 Vm 最大工作电压当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零（短路条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从 0 开始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至零，即电压达到开路电压 Voc 。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。在组件的输出功率达到最大点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压 Vm （又称为最大工作电压）；该点所对应的电流，称为最大功率点电流 Im （又称为最大工作电流）；该点的功率，称为最大功率 Pm 。C，则最大功率减少 0.4 。所以，太阳直射的夏天，尽管太阳辐射量比较大，如果通风不好，导致太阳电池温升过高，也可能不会输出很大功率。 C。也就是说，如果太阳能电池温度每升高 1 C 每片电池的电压减少 5mV ， 相当于在最大功率点的典型温度系数为－ 0.4/ 随着太阳能电池温度的增加，开路电压减少，大约每升高 1 由于太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、 太阳能光谱的分布和太阳能电池的温度， 因此太阳能电池组件的测量在标准条件下（ STC ）进行，测量条件被欧洲委员会定义为 101 号标准，其条件是光谱辐照度 1000W/m2 大气质量系数 AM1.5 太阳电池温度 25 ℃在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为 Wppeak watt 。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。通过户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的， 因为太阳能电池组件所接受到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置；此外，在测量的过程中，太阳能电池的温度也是不断变化的。在户外测量的误差很容易达到 10 ％或更大。如果太阳电池组件被其它物体 如鸟粪、树荫等 长时间遮挡时，被遮挡的太阳能电池组件此时将会严重发热，这就是 “ 热斑效应 ” 。这种效应对太阳能电池会造成很严重地破坏作用。有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量， 都可能被遮蔽的电池所消耗。 为了防止太阳能电池由于热班效应而被破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁通二极管， 以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。连接盒是一个很重要的元件它保护电池与外界的交界面及各组件内部连接的导线和其他系统元件。它包含一个接线盒和 1 只或 2 只旁通二极管。太阳能光伏电源系统的设计分为软件设计和硬件设计，且软件设计先于硬件设计。软件设计包括负载用电量的计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池、 蓄电池用量的计算和二者之间相互匹配的优化设计， 太阳能电池方阵安装倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。硬件设计包括负载的选型及必要的设计， 太阳能电池和蓄电池的选型， 太阳能电池支架的设计，逆变器的选型和设计， 以及控制、 测量系统的选型和设计。 对于大型太阳能电池发电系统， 还要有方阵场的设计、 防雷接地的设计、 配电系统的设计以及辅助或备用电源的选型和设计。 软件设计由于牵涉到复杂的辐射量、 安装倾角以及系统优化的设计计算， 一般是由计算机来完成； 在要求不太严格的情况下， 也可以采取估算的办法。⑴ 太阳能辐射原理太阳电池发电的全部能量来自于太阳， 也就是说， 太阳电池方阵面上所获得的辐射量决定了它的发电量。太阳电池方阵面上所获得辐射量的多少与很多因素有关当地的纬度，海拔，大气的污染程度或透明程度，一年当中四季的变化，一天当中时间的变化，到达地面的太阳辐射直、散分量的比例，地表面的反射系数，太阳电池方阵的运行方式或固定方阵的倾角变化以及太阳电池方阵表面的清洁程度等。要想较为准确地推算出太阳电池方阵面上所获得的辐射量，必须对太阳辐射的基本概念有所了解。太阳辐射的基本定律太阳辐射的直散分离原理、 布格－朗伯定律和余弦定律是我们所要了解的三条最基本的定律。直散分离原理大地表面 （即水平面） 和方阵面 （即倾斜面） 上所接收到的辐射量均符合直散分离原理，只不过大地表面所接收到的辐射量没有地面反射分量， 而太阳电池方阵面上所接收到的辐射量包括地面反射分量Qp SpDp QT STDTRTQp 水平面总辐射Sp 水平面直接辐射Dp 水平面散射辐射QT 倾斜面总辐射ST 倾斜面直接辐射DT 倾斜面地面反射布格 -朗伯定律 SD ’ S0 Fm S0 太阳常数 1350W/m 2SD ’ 直接辐射强度F 大气透明度m 大气质量 m1/Sin P/P 0 太阳高度角Po 标准大气压Sin Sin Sin Cos Cos Cos 太阳赤纬角23.5Sin360*284N/365 当地纬度 （ 0 － 90 ） 时角（地球自转一周 360 度， 24 小时）15 度 / 小时 或 4 分钟 /度余弦定律 Sp’ SD’ SinST ’ SD’ COSD T’ Dp ’ 1CosZ/2RT’ Qp ’ 1-CosZ/2Q T S TD TR T⑵ 太阳电池发电系统的设计 以某高山气象站为例 当地气象地理条件由当地气象部门提供前 10 年的平均数据。纬度 北纬 30-45 度经度 东经 90-120 度海拔 1000-4000 米最长阴雨天 3 天水平面全年总辐射量为 165 千卡 / 厘米 2。太阳电池方阵面上的总辐射为 180 千卡 / 厘米 2。负载情况编号 负载名称 负载功率 瓦 每日工作时间 小时 每日耗电 瓦时 1 遥测仪 自动站 AC30W 24 7202 微机、打印机 AC330W 6 19803 照 明 AC80W 5 4004 通信设备 AC100W 12 12005 合 计 540W 4300电源系统容量设计步骤 ① 太阳电池组件的选型太阳电池选用秦皇岛华美光伏电源系统有限公司的组件型号为 33D1312X310开路电压 21V 短路电流 2.4A 峰值电压 17V 峰值电流 2.235A 峰值功率 38 Wp ② 计算等效的峰值日照时数全年峰值日照时数 为 180000 0.01162088 小时0.0116 为将辐射量 卡 /cm2换算成峰值日照时数的换算系数 峰值日照定义 100 毫瓦 /cm20.1 瓦 /cm21 卡 4.18 焦耳 4.18 瓦秒 1 小时 3600 秒则 1 卡 /cm24.18 瓦秒 /卡 /3600 秒 /小时 0.1 瓦 /cm20.0116 小时 cm2/卡于是 180000 卡 /cm2年 0.0116 小时 cm2/卡 2088 小时 /年平均每日峰值日照时数为 2088 365＝ 5.72 小时 /日③ 根据系统工作电压等级确定太阳电池组件的串联数系统工作电压一般选择原则户用系统为 12VDC 或 24VDC ；通信系统为 48VDC ；电力系统为 110VDC ；大型电站为 220VDC ％或更高。每块标准组件峰值电压为 17V，设计为对 12V 蓄电池充电， 4 块组件串联对 48V 蓄电池充电，因此， 所需太阳电池的串联数为 4 块 。④ 计算每日负载耗电量为 4300Wh 48V＝ 89.6Ah⑤ 计算所需太阳电池的总充电电流为89.6Ah 1.02/5.72h 0.9 0.8＝ 22.19A其中 0.9 蓄电池的充电效率0.8 逆变器效率1.02 20 年内太阳电池衰降，方阵组合损失，尘埃遮挡等综合系数。⑥ 计算所需太阳电池的并联数为22.19A 2.235A/ 块＝ 10 块⑦ 计算所需太阳电池的总功率为（ 10 4）块 38 峰瓦 /块 ＝ 1520 峰瓦⑧ 计算所需蓄电池容量蓄电池选用江苏双登全密封阀控式工业用铅酸蓄电池89.6Ah/天 3 天 连续阴雨天数 0.68＝ 400Ah 0.68蓄电池放电深度。选用 GFM-400 型蓄电池 10 小时放电率的额定容量为 400 安时 24 只（ 48V） 。上面的计算可以由设计软件在几分钟之内完成，下面给出一个计算实例深圳中兴通信工程太阳能系统容量计算（负荷容量 1000 瓦 ,站址 苏丹）序号 项目 单位 数量 备注1 年水平面总辐射量 Cal/cm21800002 年太阳电池板倾斜面总辐射量Cal/cm22070003 年 1000 峰瓦太阳电池发电量KWh 2401 总辐射量 *0.01164 日 1000 峰瓦太阳电池发电量WpHr 6.58 年发电量 /365 天 5 系统电压 DC V 48 根据电路系统要求决定系统电压大小6 组件峰值电压 V 17.5 根据组件具体情况填写电压大小7 组件峰值电流 A 2 根据组件具体情况填写电流大小8 组件峰值功率 Wp 38 根据组件具体情况填写 Wp大小9 组件串联 个 4 视系统电压大小决定串联个数10 负荷容量 W 100011 负荷平均每天工作时间 小时 2412 日负荷消耗 Wh电量 Wh 24000 负荷容量 W* 负荷日工作时间 13 逆变器效率 1 无逆变器14 日负荷消耗 Ah电量 Ah 500.0 日负荷消费电量 W/ 系统电压 / 逆变效率15 需要太阳电池的电流量 A 99.75 日负荷 Ah/ 日 WpHr/充电效率 *PV 综合损失率16 需要太阳电池组件的并联数个 50 需要太阳电池的电流量 / 组件峰值电流17 需要太阳电池组件功率 Wp 758118 蓄电池电压 V 4819 最长阴雨天 天数 320 蓄电池放电深度 0.821 需要的蓄电池容量 Ah 187522 选定蓄电池容量 Ah 2000 48V/2000Ah 23 选定蓄电池容量 Wh 9600024 系统蓄电池单价 元 /Wh 1.225 系统蓄电池价格 元 11520026 系统太阳电池单价 元 /Wp 45 含支架27 系统太阳电池费用 元 34116128 控制器价格 元 20000 输入 12 路每路 20A ， 输出2 路每路 20A29 逆变器价格 元30 其他 元31 合计 元 47636132