光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案

1、光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案光伏發(fā)電系統(tǒng)背景1.1介紹工業(yè)革命以來，能源逐漸成為人類生存和現(xiàn)代社會發(fā)展的最重要基石。石油、煤炭是目前人類使用最廣泛的能源，而其均為不可再生資源，它們在燃燒的過程中產(chǎn)生 了大量二氧化碳、二氧化硫等污染氣體，導致全球氣溫升高，溫室效應(yīng)愈來愈顯著， 冰川溶解加速。而硫化物引起的酸雨問題亦更加突出，森林遭到破壞。而且，石油與 煤炭隨著開采量的加大，能源枯竭只會提前到來。一系列世界性的環(huán)境氣候問題和能 源短缺給人類文明帶來了前所未有的危機。 因此，要解決社會可持續(xù)發(fā)展與能源、 環(huán) 境的矛盾，人類必須加快清潔、安全的新能源和可再生能源開發(fā)的步伐，以逐步替代傳統(tǒng)能源。在眾多新型能源中

2、，太陽能無疑是極具魅力的。它的能量來源堪稱無限， 太陽每秒向外放射的能量高達3.865 XJ,其中到達地球的也有1.765 XJ之多，相當于 6X噸標準煤。太陽能轉(zhuǎn)換形式多樣，主要包括下列三種利用方式：(1)光熱轉(zhuǎn)化。將輻射能搜集起來，與其他物質(zhì)作用轉(zhuǎn)化為熱能加以利用。(2)光電轉(zhuǎn)化。有兩種光電轉(zhuǎn)化方式。一種是先將光輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，對水加 熱產(chǎn)生蒸汽，再利用高壓蒸汽推動汽輪機，帶動發(fā)電機發(fā)電。能量轉(zhuǎn)化過程為，先是 光熱轉(zhuǎn)換，再是熱電轉(zhuǎn)換。另外一種是直接的光電轉(zhuǎn)換。利用光生伏打效應(yīng)，太陽能 電池接收光能直接輸出電能。(3)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化。利用植物的光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)。目前應(yīng)用最為 廣泛

3、的太陽能開發(fā)方式是光伏太陽能技術(shù)。 太陽能電池接收光照，在內(nèi)部直接產(chǎn)生電 勢差，對外輸出電流，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。太陽能有諸多的優(yōu)點。相對于傳統(tǒng)化石燃 料，太陽能電池工作時幾乎不產(chǎn)生二氧化碳、硫化物、氮氧化物等污染物。不會導致 溫室效應(yīng)與酸雨。太陽能的來源廣泛，只要有陽光的地方就能夠進行太陽能的開采與利用。太陽能屬于可再生資源，太陽的存在時間對于人類幾乎是永久的，因此可以認為太陽能永不枯竭。1997年6月26日，美國在紐約聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展問題特別會議上公布了美國百萬 太陽能屋頂計劃（MSR）。其宣告：“現(xiàn)在我們將與企業(yè)和社區(qū)共同努力，到 2010年在 美國超過100萬個屋頂上安裝太陽能電池板，通

4、過利用太陽能，減少對化石燃料的依 賴。捕獲太陽的熱能，幫助我們降低地球溫度?！?997年，公共部門還很少關(guān)注能源問題， 有關(guān)全球變暖問題的討論甚至更少。 在 12年后本章即將出版的今天，這兩個議題都得到了極大的關(guān)注。到2007年底，估計美 國各地已安裝超過60萬套太陽能系統(tǒng)，美國加利福尼亞州還退出了自己的百萬太陽能 屋頂計劃。這60萬套系統(tǒng)包裹光伏發(fā)電、太陽能熱水、太陽能游泳池加熱系統(tǒng)。但是 太陽能的安裝利用不僅限于美國，德國在太陽能和風能系統(tǒng)安裝方面世界領(lǐng)先，日本、 西班牙和許多其他國家也在積極實施可再生能源項目。如今越來越多的國家采用了可再生能源組合標準（RPS,即設(shè)定到某一特定日期可再生

5、能源店里在電能供應(yīng)結(jié)構(gòu)中的比例目標。 這些目標需要工程師們?nèi)崿F(xiàn)，并要 求工程師們理解光伏系統(tǒng)做出明智的系統(tǒng)設(shè)計方案。可再生能源組合標準與精心設(shè)計 的激勵方案相互配合，在推動太陽能技術(shù)部署方面的時序效果將延續(xù)到2010年以后。事實上，MSR后可能擴大到1億太陽能屋頂計劃，從而滿足后代的可持續(xù)能源需求。人口與能源需求地球人口目前已超過67億，這些居民都需要能源來維持其生活所需。 究竟多少能 源、什么能源才能滿足這些需求呢？這正是當代人以及后代人必須解決的問題。然而，可以肯定發(fā)展中國家將試圖顯著提高人均能源消耗。例如，1997年中國平均每周建設(shè)300MW：電廠。這些發(fā)電廠曾潔采用相對便宜的、陳舊的

6、、效率較低的燃煤發(fā)電技術(shù)， 并且供電終端以利用效率較低的用戶為主。持續(xù)增加化石燃料的使用，具潛在后果是 十分深遠的。在開始學習光伏發(fā)電系統(tǒng)這一極具前景的未來能源的細節(jié)之前，了解當前的能源技術(shù)與經(jīng)濟格局是有益的，這使讀者能夠更好地評估工程師在地球邁向未來 可持續(xù)能源供給的過程中所要做的貢獻。能量單位能量度量有多種方式，包括卡（cal ）、英熱單位（Btu）、夸德（quad）、英尺磅 （ft lb ）和千瓦時（kWh）。以下為基于地球系統(tǒng)大約27c條件下的這些量的定義:1卡（cal ）是將1m冰的溫度升高1C所需要的熱量1英熱單位（Btu）是將11b水的溫度升高1下所需要的熱量, 151 夸德（q

7、uad）是 1000萬億（10 ） Btu。1英尺磅（ft 1b ）是將11b物體升高1ft所需要的能量。1千瓦時（kW-h）是1kWj率運行1h所需要的能量。根據(jù)這些定義，可得出以下?lián)Q算公式：1Btu=252ca11kW h=3413Btu=2655000ft - lb1ft lb=0.001285Btu 15111quad=10 Btu=2.930 x 10 kW- h當前世界能源使用模式全球一次能源年消費量為397.40quado發(fā)達國家耗能約為75%,而發(fā)展中國家還 有近20億人口沒有電力，這些國家大多數(shù)在熱帶地區(qū)。2005年，全球一次能源消費量 增長到462quad,仍有20億人口沒

8、有電力。市場作用力和市場反應(yīng)之間存在時間延遲。注意，1973年石油禁運以后，石油產(chǎn)量持續(xù)上升，此后20世紀70年代和80年代初石油價格明顯上漲。在這段時期，高昂的 石油價格推動了能源效率的立法，例如美國國家能源儲備和政策法案、 建筑施工能源 效率規(guī)程和增加車輛行駛里程的要求。消費者也通過減少恒溫器、安裝保溫層以及采 取其他能量儲存措施予以響應(yīng)，降低能源使用量。其結(jié)果是在20世紀80年代中期，由 于需求量減少，石油產(chǎn)量也隨之降低。在同一時期，由于用電效率提高，取消了核電 廠的建設(shè)，使核電增長速度明顯放緩。由于發(fā)展中國家正在爭取與發(fā)達國家平等的能源權(quán)益， 世界面臨著巨大的能源需 求挑戰(zhàn)。請注意，能

9、源權(quán)益是實現(xiàn)較高生活標準的一個條件。 然而實現(xiàn)較高的生活標 準需要付出代價，這不僅僅包括貨幣債務(wù)，如果以最廉價、成本第一的方式追逐能源 權(quán)益，則存在著環(huán)境明顯退化的潛在影響。遺憾的是，這種情景極有可能出現(xiàn)，東歐 和亞洲等地區(qū)已經(jīng)按著這種方式發(fā)展。 事實上，采用最低成本的能源方式，更可能導 致較高的人均能耗，單挺尸產(chǎn)生不宜呼吸的空氣和不宜飲用的水， 反而有可能使生活水平下降。北美人口略超過世界人口的5%,消耗了世界能源的26%;而中國和印度幾乎占世 界人口的1/3,只消耗了世界能源的18%人均國民生產(chǎn)總值與人均千瓦數(shù)比值最高的國家與低值國家相比，已經(jīng)發(fā)展成為更高能源效率的經(jīng)濟體。一些國家已經(jīng)從制

10、造業(yè)為主的經(jīng)濟體轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔a(chǎn)業(yè)為主的 經(jīng)濟體，用于制造業(yè)的能源僅占較小比例。處于低端的國家往往去想使用更多手工勞 動力的農(nóng)業(yè)，或使用底薪工人和低成本能源的制造業(yè)。由于發(fā)展中國家利用廉價擔但有污染的當?shù)啬茉磥硖岣咂渲圃炷芰Γ@有可能迫使發(fā)達國家放松污染控制標準，從而保持對發(fā)展中國的產(chǎn)品競爭力。 在自由貿(mào)易協(xié)定 的反對意見中，有一部分是基于環(huán)境問的擔憂，因為該協(xié)與禁止任何國家隊實時地環(huán) 境標準的國家生產(chǎn)的貨物征收進口關(guān)稅。 因此，發(fā)達國家面臨想發(fā)展中國家輸出能源 效率的挑戰(zhàn)。事實上，當初美國拒絕簽署關(guān)于溫室氣體減排的京都協(xié)定書的觀點之一 就是，它沒有要求發(fā)展中國家采取同等的溫室氣體排放限制。光伏能

11、源非常清潔，但是在大多數(shù)情況下，與化石能源發(fā)電的初裝機直接成本相 比，當前光伏的使用成本還沒有競爭力。這意味著消費者必須熟悉全生命周期成本， 工程是必須能夠創(chuàng)造最有成本一一效益優(yōu)勢的光伏解決方案。這也意味著為了確保持 續(xù)降低光伏發(fā)電價格，還必須完成大量的研究和開發(fā)工作。它還意味著必須努力為能 源引起的環(huán)境退化也貼上價格標簽，從而使這項代價能夠計入任何能源社會的總成本 當中。最后，由于對石油價格控制和禁運的擔憂， 火力發(fā)電的原料從石油轉(zhuǎn)換為煤炭和 天然氣。其中“可再生能源”包括水電、風能、生物質(zhì)能、地熱和光伏等能源。凈能、英熱單位經(jīng)濟和可持續(xù)性試驗簡而言之，一種能源的凈能是指從該資源所獲取能量和

12、獲取并轉(zhuǎn)換它所需能量 兩者之間的差值。例如，為了能夠燃燒一桶石油，需要勘探、開采、輸送、精煉，以 及建設(shè)燃燒設(shè)施。然后，必須將成品油輸送到燃燒地點，而且在石油燃燒后，還需要修復開采、輸送、精煉和燃燒所造成的一切環(huán) 境損害。所有這些步驟都需要能量。最后，如果為了獲得并轉(zhuǎn)換一桶石油，消耗能量 超過了一桶石油等值的能量，那么人們就應(yīng)該認真思考是否首先選擇燃燒石油。某些情況下，消耗能量去獲得某種資源是有意義的舉例而言，假如發(fā)現(xiàn)了石油的另一用途，譬如為癌癥治療提供一種主要化學物質(zhì)。那么消耗一定能量去獲得該資 源而不是石油，即使所耗能量可能超過石油自身的能量， 但為了比石油更重要的通途 也是有意義的。另一

13、種情況是使用低等級或低品質(zhì)的能源形勢去生成更高等級或更高 品質(zhì)的能源形勢。有時候，這種做法能夠使能源利用更有價值。例如，燃煤發(fā)電需要3單位煤炭能產(chǎn)生1單位電能。然而，在發(fā)明直接用煤炭驅(qū)動 電視機的技術(shù)以前，這種低效率的煤炭轉(zhuǎn)化為電能的過程很可能會繼續(xù)下去， 盡管燃 煤的環(huán)境問題盡人皆知。“凈能”概念是1976年由奧德姆引入的。他們將凈能的概念納入一種經(jīng)濟學的新 標準，認為這比金本位制更有意義，并稱其為英熱單位標準。英熱單位標準認為任何 事物都有能量內(nèi)涵。亨德森撰寫了大量關(guān)于英熱單位經(jīng)濟概念的書籍。這里鼓勵讀者在學期中間閱讀奧德姆和亨德森的文獻， 并進行啟發(fā)性的討論，如何實現(xiàn)經(jīng)濟系統(tǒng)向 能源本位

14、的轉(zhuǎn)變。對一種能源可持續(xù)性的測試包括兩個因素：第一個因素是資源是否有限。有限資 源一般稱為不可再生，而無線資源稱為可再生。第二個因素是資源是否具有正凈能。 也就是說，如果消耗能量去生產(chǎn)該資源，該資源能夠發(fā)出比生產(chǎn)能耗更多的能量嗎？一種資源能夠產(chǎn)生比生成該資源更多的能量， 這個想法可能看似不符合熱力學第 二定律。然而，如果我們使用一個非常巨大的儲能庫里的能源，用作待轉(zhuǎn)化的能量來 源，那么能源就變得幾乎無限。太陽估計還將存在40億年，這種情況下我們就擁有了 一個這樣的儲能庫。因此，舉例而言，如果光伏電池在生命周期內(nèi)所產(chǎn)生的電能多于 再生產(chǎn)、應(yīng)用及銷毀過程中所耗能量，包括環(huán)境能量成本，那么可以認為光

15、伏電池具 有正凈能。光伏實現(xiàn)的陽光向電力直接轉(zhuǎn)換1839年，貝克勒爾在觀測照片電流效應(yīng)時首次發(fā)現(xiàn)太陽光能夠直接轉(zhuǎn)換成電力。 然后，187/亞當斯和Day現(xiàn)硒具有光伏特性。1900年，普朗克提出了光的量子特 性，這為其他科學家建立該理論打開一扇大門。1930年，威爾遜提出了固體量子理論， 在光子和固體屬性之間建立了理論聯(lián)系。10年后莫特和肖特基發(fā)展出固定二極管理論, 194處巴丁、布拉坦和肖克利發(fā)明了雙極型晶體管。 理所當然，這項發(fā)明徹底改變了 固態(tài)器件世界。然后，1954#查平、富勒和皮爾遜開發(fā)出第一塊太陽電池，效率 6% 僅僅四年后，第一塊太陽電池用在先鋒者1號軌道衛(wèi)星上。有人可能會奇怪，為

16、什么經(jīng)過這么長時間才開發(fā)出光伏電池。 答案在于難度，為 了獲得合理水平的電池效率，需要制作出足夠忖度的材料。在雙極晶體管出現(xiàn)以及空 問項目來臨之前，沒有什么原動力讓人們關(guān)注高純度半導體材料的制備。 煤炭和石油 滿足了世界對電力的需求，真空管也滿足了電子工業(yè)的需要， 然而，由于在空間應(yīng)用 中真空管和常規(guī)能源是不切實際的，固態(tài)技術(shù)才獲得了立足之地。光伏電池有半導體材料制成，36狂電池或更多電池裝配成一塊組件，在過去 50 年里，產(chǎn)業(yè)已經(jīng)從雙極型晶體管發(fā)展到包含數(shù)百萬晶體管的集成電路，同時也促進了光伏電池的開發(fā)，這種觀點十分重要。初始成本的減少很大程度上是由于光伏電池制 造方面的持續(xù)改進。目前，制約

17、因素是光伏電池能量成本以及世界范圍內(nèi)的精煉硅短 缺。因此，未來挑戰(zhàn)將是降低太陽電池生產(chǎn)過程的能量，同時保持或提高太陽電池性能、效率和可靠性。另一項重要發(fā)現(xiàn)是，1995年世界光伏組件的45叫美國制造，然后2002年歐洲、 日本和世界其他國家的產(chǎn)量達到世界光伏組件的 80% 2007年達到93%正如美國允許 消費類電子制造業(yè)向其他國家轉(zhuǎn)移， 光伏產(chǎn)業(yè)似乎也出現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。 繼續(xù)觀察未 來的趨勢將耐人尋味。作為本書開篇的測試，確定光伏電池相關(guān)的凈能是否為正數(shù)，這是非常有用的。事實上，目前光伏電池與投入生產(chǎn)的能量相比，其產(chǎn)生的回報高于 10: 1,隨著未來 在生產(chǎn)及利用技術(shù)方面的提高，可能使回報值達

18、到45:1。如此看來這確實是一項值得 深入學習的技術(shù)。太陽能的利弊.優(yōu)點：(1)普遍性：太陽光普照大地，沒有地域的限制無論陸地或海洋，無論高山或島 嶼，都處處皆有，可直接開發(fā)和利用，且勿須開采和運輸。(2)無害性：開發(fā)利用太陽能不會污染環(huán)境，它是最清潔的能源之一，在環(huán)境污 染越來越嚴重的今天，這一點是極其寶貴的。(3)巨大性：每年到達地球表面上的太陽輻射能約相當于 130萬億噸煤，其總量屬 現(xiàn)今世界上可以開發(fā)的最大能源。(4)長久性：根據(jù)目前太陽產(chǎn)生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億年， 而地球的壽命也約為幾十億年，從這個意義上講，可以說太陽的能量是用之不竭的。.缺點:(1)分散性：到達地

19、球表面的太陽輻射的總量盡管很大，但是能流密度很低(2)不穩(wěn)定性：由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以 及晴、陰、云、雨等隨機因素的影響，所以，到達某一地面的太陽輻照度既是間斷的， 又是極不穩(wěn)定的，這給太陽能的大規(guī)模應(yīng)用增加了難度。(3)效率低和成本高：目前太陽能利用的發(fā)展水平，有些方面在理論上是可行 的，技術(shù)上也是成熟的。但有的太陽能利用裝置，因為效率偏低，成本較高，總的來 說，經(jīng)濟性還不能與常規(guī)能源相競爭。 在今后相當一段時期內(nèi)，太陽能利用的進一步 發(fā)展，主要受到經(jīng)濟性的制約。二.國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀光伏太陽能發(fā)電從1980年起進入到一個較高發(fā)展速度的時期。全球范圍內(nèi)各國 都在

20、競相開發(fā)太陽能發(fā)電新技術(shù)，各種發(fā)電新材料與光電技術(shù)不斷問世。 尤其是僅十 年以來，石油價格大幅攀升，環(huán)境日益惡劣，溫室效應(yīng)日趨嚴重，光伏太陽能發(fā)電得 到越來越廣泛的應(yīng)用。從1975年至1999年，美國和日本不斷降低光伏太陽能發(fā)電的 成本，從最初的每瓦55美元降低至每瓦6美元，不過和傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，價格 上還處于劣勢，還需進一步降低發(fā)電成本。美國是太陽能發(fā)電技術(shù)的佼佼者。 美國在 死海旁建立了一個面積超過 7500平米的太陽池，具搜集到的熱能可以為一臺150kW的發(fā)電機供能。另外美國計劃利用鹽湖上 8000平米的面積為一個600MW5發(fā)電機供 能。俄羅斯也擁有先進的太陽能利用技術(shù)。 俄羅斯一

21、家太陽能技術(shù)研究機構(gòu)巧妙利用 導熱管道，結(jié)合熱泵技術(shù)，使房屋的地熱與太陽能相結(jié)合，使得太陽能發(fā)電的成本降 低。這項新技術(shù)不但能持續(xù)提供電力，還可以在冬季供暖。因此在高加索地區(qū)，太陽 能發(fā)電能夠與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相互角逐市場。光伏太陽能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)步入發(fā)展的快車道。到2011年，全球并網(wǎng)光伏裝機的總?cè)萘考哼_到69. 6GW其中當年新增29. 6GW/據(jù)預測，新增總?cè)萘吭?016年將達 到75GW累計達到300GW我國的光伏產(chǎn)業(yè)亦有迅猛的發(fā)展勢頭。我國 2008年并網(wǎng) 光伏裝機量為45MW而2011年為2200MW預計將在本世紀中葉光伏太陽能發(fā)電將成 為世界能源組成結(jié)構(gòu)中的重要部分。因此提高太陽能電

22、池發(fā)電效率具有非常重要的意 義。從全球光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進程來看，政府扶持一直是產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式的根本原動力, 政府企圖通過政策扶持、財政投入來帶動民間資本投入，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)規(guī)模效益。然而, 政府的“投入一一產(chǎn)出”效益不明顯，重復性生產(chǎn)導致產(chǎn)能過剩、產(chǎn)品價格不斷下跌， 金融危機“雪上加霜”，增加了各國政府的財政壓力，主要的光伏產(chǎn)業(yè)國家不得不紛 紛削弱扶持力度，讓自由市場規(guī)劃提早介入產(chǎn)業(yè)發(fā)展。中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)狀況與技術(shù)前景中國光伏發(fā)電的市場發(fā)展太陽能光伏發(fā)電的核心器件是太陽能電池（光伏電池）。1839年法國學者貝克勒爾發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)，1954年美國貝爾實驗室的三位科學家 首次制成實用的單晶硅太陽電池。進入 2

23、1世紀前后，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，對 社會、經(jīng)濟和人們生活產(chǎn)生深刻影響。已有眾多專家學者對這一現(xiàn)象進行研究探討.在 本文中，我也嘗試對我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)進行簡單回顧與展望。我國于1958年開始研究太陽能電池，于1971年首次成功地應(yīng)用于我國發(fā)射的東 方紅二號衛(wèi)星上。于1973年開始將太陽能電池用于地面設(shè)施（天津港航標燈）。我國 的光伏工業(yè)在80年代以前尚處于雛形，太陽能電池的年產(chǎn)量一直徘徊在10kWpZ下， 價格也很昂貴。由于受到價格和產(chǎn)量的限制，市場的發(fā)展很緩慢，除了作為衛(wèi)星電源， 在地面上太陽能電池僅用于小功率電源系統(tǒng)。如航標燈、鐵路信號系統(tǒng)、高山氣象站 的儀器用電、電圍欄、黑光燈、直流

24、目光燈等，功率一般在幾瓦到幾十瓦之間。在“六 五”（1981 1985）和“七五” （1986 1990）期間，國家開始對光伏工業(yè)和光伏市場 的發(fā)展給以支持，中央和地方政府在光伏領(lǐng)域投入了一定資金，使太陽能電池工業(yè)得 到了發(fā)展.并在許多應(yīng)用領(lǐng)域得到應(yīng)用，如微波中繼站、部隊通信系統(tǒng)、水閘和石油 管道的陰極保護系統(tǒng)、農(nóng)村載波電話系統(tǒng)、小型戶用系統(tǒng)和村莊供電系統(tǒng)等。同時， 在“七五”期間，國內(nèi)先后從國外引進了多條太陽能電池生產(chǎn)線，使得我國太陽能 電池的生產(chǎn)能力猛增到4. 5MWp#（實際年銷售量達到0. 5MWp）售價也由“七五” 初期的80元/Wp下降到40元/Wp左右，這對于光伏市場的開拓起到了

25、積極的推動作 用。太陽能電池已不再僅僅用于小功率電源系統(tǒng)，而開始廣泛用于通信、交通、石油、 農(nóng)村電氣化、民用產(chǎn)品等各個領(lǐng)域，光伏發(fā)電不但列入到國家的攻關(guān)計劃， 而且列入 到國家的電力建設(shè)計劃，同時也在一些重大工程項目中得到采用2002年，原國家計委啟動了 “西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計劃”，即“送電到鄉(xiāng)”工程.通 過光伏和小型風力發(fā)電的方式，最終解決了西部七省區(qū) （西藏、新疆、青海、甘肅、 內(nèi)蒙、陜西和四川）近800個無電鄉(xiāng)的用電問題，光伏組件用量達到 19. 3MWp風力 發(fā)電機840kWp這一項目的啟動大大刺激了光伏工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)建起了幾條太陽 能電池的封裝線。使我國太陽能電池組件的年生產(chǎn)能力迅

26、速達到100MWp1件封裝能力），2002年當年銷售量為20MWp生產(chǎn)得到大發(fā)展的同時，太陽能電池應(yīng)用也取得進展。截止到2003年底，我國太陽能電池的累計裝機已經(jīng)達到 55MWp目前，中國已經(jīng)成為世界太陽能產(chǎn)業(yè)大國。 但是，由于太陽能發(fā)電上網(wǎng)存在成本 和技術(shù)障礙，而且太陽能光伏電池生產(chǎn)成本也遠遠高于常規(guī)發(fā)電成本，因此國內(nèi)難以真正形成良好的太陽能光電市場，太陽能電池 95犯上以國外市場為主，需要出口到 國外市場來消化。與此同時，太陽能光伏電池生產(chǎn)線的核心設(shè)備（全自動絲網(wǎng)印刷機 和自動測試分撿機等高端關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備） 以及部分關(guān)鍵配套材料（晶體硅產(chǎn)品原材料 90%以上產(chǎn)自國外），仍然依靠從發(fā)達國家進

27、口。 “原料、關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備、市場需求” 三頭在外的對國外市場的依賴性現(xiàn)象，已成為我國光伏產(chǎn)業(yè)的嚴峻現(xiàn)實。浙江已初步形成包括多晶硅原料、硅片、電池、組件、原輔材料生產(chǎn)以及系統(tǒng)開 發(fā)應(yīng)用的較為完備的產(chǎn)業(yè)鏈。但從產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)來看，卻呈現(xiàn)出“兩頭小、中間大”的 分布格局，大部分企業(yè)集中在切片、電池片以及輔材配套等領(lǐng)域，技術(shù)含量和利潤率 相對較低。據(jù)統(tǒng)計，浙江省光伏原料的40%8要進口，30%8要外省供給。這不僅使企業(yè)易受到外部市場波動、貿(mào)易壁壘增多和惡性價格競爭的影響， 還制約了企業(yè)向上 游拓展的能力。在浙江省光伏企業(yè)擁有的 1220多件專利中，硅片、硅錠的制造專利 占比為17流右，高純硅領(lǐng)域的專利僅占

28、1.2%左右，相比于歐美和日本等發(fā)達國家一 半以上的光伏專利集中在光伏材料領(lǐng)域，其自主研發(fā)能力相對落后。我國光伏發(fā)電市場已涉及區(qū)域.在太空應(yīng)用光伏電池最早應(yīng)用領(lǐng)域是在太空， 作為人造星的電源。我國神州五號載人飛船所 用電能正是由太陽能電池提供。.太陽能燈太陽能燈是一種利用太陽輻射作為能源的燈只要陽光充足就可以就地安裝， 不受 供電線路影響，不用開溝埋線，不用消耗常規(guī)電能，是綠色環(huán)保產(chǎn)品。 2008年北京 奧運村道路兩旁90%的照明將用這種對周圍有極好點綴和裝飾效果的太陽能燈。.太陽能車和游艇太陽能車和游艇是通過光伏發(fā)電裝置為直接驅(qū)動動力或以蓄電池儲存電能再驅(qū) 動的車輛和船只。由于不污染水質(zhì)、大

29、氣、不排放二氧化碳，不需其他能源。隨著電 池和控制技術(shù)提高，已經(jīng)得到了飛速發(fā)展。.在交通設(shè)施上應(yīng)用在高速公路上遠離城市電網(wǎng)的服務(wù)區(qū)中建設(shè)光伏電站、緊急電話系統(tǒng)、視頻監(jiān)視器、可變情報、報警示燈等。目前我國沿海從南到北基本實現(xiàn)航標太陽能光伏電池化， 公路上的警示燈、信號燈、標志燈等均得到很大發(fā)展。.在通信方面應(yīng)用通訊/通信領(lǐng)域是太陽能光伏電源系統(tǒng)應(yīng)用強項已廣泛應(yīng)用于微波中繼站、光纜 維護站、電力/廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)，農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、通信機、士兵GPS 供電。.在家電中應(yīng)用特別適用于無電地區(qū)，如我國深圳的太陽能手提電源，已為成千上萬農(nóng)牧民解決 用電困難。便攜式家電有太陽能計算器、鐘表、電

30、腦、收音機、照相機、電視、手機 克電器等。綠色家電的應(yīng)用，有利環(huán)保。.其他地面應(yīng)用如光伏水泵、畜牧圍欄、植物保護、森林防火、太陽能玩具、石油、化工、運輸 等行業(yè)、鋼鐵結(jié)構(gòu)、鋼鐵管道的陽極保護等。今后幾十年間，是人類闊步邁向太陽能時代的歷史時期，也是我國人民奮發(fā)進取， 建設(shè)社會主義現(xiàn)代化強國的歷史時期。 太陽能源時代的行將來臨，對我國現(xiàn)代化的努 力是千載難逢的機遇。面對石化資源的枯竭、生態(tài)環(huán)境的破壞都顯示出傳統(tǒng)發(fā)展之路路障遍布.已無法通行.采用新的能源是唯一可行之路。 我國從20世紀80年代就進行太陽能光伏電池 的開發(fā)生產(chǎn)，國家也在西部無電地區(qū)大力推廣離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的應(yīng)用，其中光明工程和鄉(xiāng)鄉(xiāng)通等工

31、程的實施，為我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和光伏技術(shù)提高起到積極作用，國家在973和863等重大項目中也將太陽能電池的發(fā)展放到重要位置，北京2008綠色奧運的籌辦也為太陽能電池的發(fā)展產(chǎn)生巨大推動。.1.3中國光伏發(fā)電技術(shù)前景在今后十余年中，太陽能電池的市場走向?qū)l(fā)生很大改變。在2010年前我國太陽能電池多數(shù)用于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)， 而從2011年到2020年我國光伏發(fā)電的市場 將會由獨立發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括沙漠電站和建筑屋面發(fā)電系統(tǒng)。2010年、2020年和2050年太陽能電池的市場份額預測如下圖太陽能電池市場盼惹%市場分類201。年市場份急加20年市場份額205。年市場份額農(nóng)村電氣化60105

32、通漢和工業(yè)10157太陽能光伏產(chǎn)品10158光伏井網(wǎng)產(chǎn)品2Q林90圖2-1太陽能電池市場份額許多國家的發(fā)展歷史證明：政府的支持和扶助，是太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展必不可少 的條件。美國、歐盟各國、印度、日本都以各種方式提供資金針對持、財政補貼和優(yōu) 惠政策。由于采取政府統(tǒng)一收購政策（每千瓦電價0.5歐元）德國一些農(nóng)民已在田地上 鋪光伏電池，改種“太陽能電池”。我國上海，已經(jīng)耗資150億元，開發(fā)10萬屋頂?shù)?光伏發(fā)電系統(tǒng)，每年發(fā)電4.3億千瓦時。我國的可再生能源法的頒布，將有力促進我國太陽能工業(yè)的發(fā)展。 太陽能光伏工 業(yè)更乘風破浪，令人矚目。2003年我國太陽能電池產(chǎn)量僅為印度 52%,在2004年, 我

33、國太陽能電池產(chǎn)量超過印度，為印度 152%,年產(chǎn)達到50MW姒上，在2007年左 右，我國在太陽能電池研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)將在東部沿海地區(qū)形成一個世界級 的產(chǎn)業(yè)基地，太陽能電池總產(chǎn)量進入世界前四名，排在日本、德國和美國之后，而到 2010年，我國有望名列世界第二。中國將崛起世界一流的光伏產(chǎn)業(yè)；而到 2020年中 國光伏電池發(fā)展規(guī)模將達10008000MW優(yōu)產(chǎn)大國，在世界太陽能產(chǎn)業(yè)中占據(jù)重要地 位。太陽能光伏發(fā)電，可以節(jié)約寶貴土地資源，我國人均耕地面積僅及世界平均水平 一半，這些耕地大多集中在東部地區(qū)。正隨工業(yè)化和城市化的發(fā)展而迅速減少，高山、 沙漠、丘陵等難以利用的土地占據(jù)我國國土面積的3

34、0.68%,這些土地大多分布在西部、北部。而幅原廣大的西部、北部又是氣候干燥、雨量稀少、陽光普照的地區(qū)，是 太陽能、風能極為豐富的地區(qū)。在青藏高原，每年平均日照時間在3000小時以上，在世界上名列前列。在西部、部重點發(fā)展以太陽能為代表的綠色能源，既有助西部人 口就業(yè)，有利于東部、西部的協(xié)調(diào)發(fā)展，縮小東西部的差距，又避免東部發(fā)展過程中 的環(huán)境污染，占用耕地，大量居民搬遷弊病。作為清潔、可再生能源、太陽能光伏能源從開始時就是能源新秀，又是環(huán)保寵兒。 太陽能電池有效減少了環(huán)境污染、利于維護、改良生態(tài)。按照估計我國到2010年太陽能光伏發(fā)電的累計用量將達到 600MWp預計其中20%是并網(wǎng)發(fā)電，80溢

35、獨立發(fā)電 系統(tǒng)，則相當在我國減排 135萬噸二氧化碳，到2020年太陽能光伏發(fā)電累計安裝 30GWp則相當于減排6750萬噸二氧化碳。這個簡單計算沒有包括使用煤炭發(fā)電產(chǎn)生的大量工業(yè)廢渣、廢水，沒有統(tǒng)計太陽能光伏電站對周圍荒漠、高原的有利影響。太陽能光伏發(fā)電可以提供大量就業(yè)機會、穩(wěn)定社會。我們正在開展的數(shù)倍反射聚光光伏發(fā)電技術(shù)研發(fā)項目，當規(guī)?；a(chǎn)線達2MWP寸，就可解決800人左右的就業(yè)， 當產(chǎn)能達到10MWP寸，即可解決4000人左右就業(yè)。隨著我國太陽能電池產(chǎn)業(yè)的突飛 猛進，成千上萬的生產(chǎn)人員、科技人員、銷售人員、管理人員涌人這個欣欣向榮、日 益擴大的產(chǎn)業(yè)，預計到2020年，太陽能光伏發(fā)電能

36、為我國提供兩千萬以上的就業(yè)機 會，太陽能光伏發(fā)電將會將為我們能源支柱產(chǎn)業(yè)之一。同時帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)（如電子、交通、機械、電器、服務(wù)）的迅猛發(fā)展。到2020年，隨著綜合國力的顯著增強和光伏產(chǎn)業(yè)的興起，我國將會興建超大規(guī) 模的太陽能熱電站和太陽能光電站。其中10MW姒上的太陽能光伏電站包括沙漠電站、 大規(guī)模光電制氫、大規(guī)模的海水淡化、大規(guī)模太陽能光伏一體化建筑、大型光伏電站、 光伏發(fā)電電動汽車、和宇宙發(fā)電。屆時光伏發(fā)電將會成為我國主體能源的重要組成之2.2國外光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及前景自1839年發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應(yīng)”和1954年第一塊實用的光伏電池問世以來， 太 陽能光伏發(fā)電取得了長遠的進步，但是它的發(fā)展

37、仍然比計算機和光纖通訊要慢得多。先生伏打效應(yīng)是指物體由于吸收光子而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象，是當物體受光照時， 物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。先生伏打效應(yīng)主要是應(yīng)用在半導體的 PN結(jié)上，把輻射能轉(zhuǎn)換成電能。大量研究 集中在太陽能的轉(zhuǎn)換效率上。理論預期的效率為 24%。由于半導體PN結(jié)器件在陽光 下的光電轉(zhuǎn)換效率最高，所以通常把這類光伏器件稱為太陽能電池， 也稱光電池或太 陽電池。1973年的石油危機和20世紀90年代的環(huán)境污染問題大大促進了太陽能光伏發(fā) 電的發(fā)展。隨著人們對能源和環(huán)境問題認識的不斷提高，光伏發(fā)電越來越受到各國政府的重視，科研投入不斷加大，鼓勵和支持光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)

38、展的政策也不斷出臺。以1997年美國總統(tǒng)克林頓的“百萬太陽能光伏屋頂計劃”為標志，日本還有歐洲的德國、丹 麥、意大利、英國、西班牙等國也紛紛開始制定本國的可再生能源法案，刺激了光伏 產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。2000年以來，全球光伏產(chǎn)業(yè)連續(xù)6年以30%60%上的速度增長， 2002年全球光伏電池產(chǎn)量為 560MW/a至U 2003年已高達750MW/a增長了 34% 2004 年開始，德國對可再生能源法進行了修訂，新的補貼法案促成了德國光伏市場隨后的 爆發(fā)，隨之而來的是發(fā)達國家間新一輪的政策熱潮和全球光伏市場的更高速膨脹。2004年世界光伏電池年產(chǎn)量達到 1256MW節(jié)增長率高達68% 2005年產(chǎn)量達

39、1818MWV 增長率仍有45%（圖3-1 ）, 2006年，美國加州州長施瓦辛格提出了要在加州實施“百萬個太陽能屋頂計劃”，在未來10年內(nèi)建設(shè)3000M恍伏發(fā)電系統(tǒng)的提案，這象征著 美國光伏政策的新紀元的到來。 正是由于歐洲、日本和美國強有力的政策推動，全球 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)市場才呈現(xiàn)出今天欣欣向榮的景象，太陽能光伏發(fā)電的前景無限光明（見圖3-2圖3-5）。由于前5年發(fā)達國家光伏補助相當多，國外光伏發(fā)電迅猛，為了調(diào)節(jié)（降低）光 伏發(fā)電裝機，從今年開始德國、英國、美國等發(fā)達國家正在降低光伏發(fā)電的補助，因 此這些國家的光伏裝機明顯下降。當前，全球光伏市場主要還是歐洲. 2009年全球光伏裝機容

40、量中歐洲占80% 而歐洲的70豚自德國，所以德國仍然是目前光伏市場的主體。2010年起意大利和德 國成為全球安裝量最大的國家，約占全球市場的六成。1999000200120U2 2UQ3 2004墨/士墻要曲/常年份/年圖3-1世界太陽電池歷年產(chǎn)量圖3-2世界光伏組件生產(chǎn)成本下降趨勢圖3-3美國光伏發(fā)展線圖路目前全球太陽能光伏需求領(lǐng)先的國家包括： 亞太地區(qū)五個主要國家（中國、日本、 印度、泰國和澳大利亞），四個歐洲國家（德國、英國、意大利和法國）和北美（美國和 加拿大）。未來五年中，這些國家終端市場的光伏需求量將占全球的80犯上，準備建設(shè)的商業(yè)及公共事業(yè)電站項目有 4300個，其中近半數(shù)是規(guī)模

41、在250kWgij 5MWJ項 目。圖3-4日本光伏發(fā)展線路圖圖3-5歐洲光伏發(fā)展線路圖三.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)概要3.1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)（Photovoltaic Power Generating System,簡稱PV系統(tǒng)） 有很多類型。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如輸 出電源為交流220V或110V,還需要配置逆變器。各部分的作用為：.太陽能電池板太陽能電池板（圖4-1所示）是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系 統(tǒng)中價值最高的部分。其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或 推動負載工作。太陽能電池板的質(zhì)

42、量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。.太陽能控制器太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護、 過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補償?shù)墓δ?。?他附加功能如光控開關(guān)、時控開關(guān)都應(yīng)當是控制器的可選項。.蓄電池一般為鉛酸電池，一般有12V和24V這兩種，小微型系統(tǒng)中，也可用鍥氫電池、 鍥鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。.逆變器在很多場合，都需要提供 AC220V AC110V勺交流電源。由于太陽能的直接輸出 般都是DC12V DC24V DC48V為能向AC220Vl勺電器提供電

43、能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能， 因此需要使用DC-AC逆變器。在某些 場合，需要使用多種電壓的負載時，也要用到DC-DC變器，如將24VDC勺電能轉(zhuǎn)換 成5VDC勺電能（注意，不是簡單的降壓）。住宅用PV系統(tǒng)由屋頂?shù)任恢冒惭b的太陽能電池陣列（包括太陽能電池組件、支 架等）、在室內(nèi)（或室外）安裝的功率調(diào)節(jié)器（包括逆變器和并網(wǎng)保護裝置等）以及連接這些設(shè)備的布線及接線盒、安裝在交流側(cè)的電表等構(gòu)成。這種方式稱為并網(wǎng)型PV系統(tǒng)。太陽能電池產(chǎn)生直流電，直流電通過功率調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)換為交流電后并入電網(wǎng)，可以與電力公司提供的交流電一起使用。產(chǎn)業(yè)用PV系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與住宅用PV系統(tǒng)相同，不

44、過住宅用PV系統(tǒng)多與電力 公司的單相三線的200V低壓相連，而產(chǎn)業(yè)用PV系統(tǒng)在廠區(qū)內(nèi)有受變電設(shè)備的場合， 多與三相三線的6600V的高壓相連（但功率調(diào)節(jié)器與三相三線的200V低壓相連）。此 外，在產(chǎn)業(yè)用PV系統(tǒng)中，還經(jīng)?？吹接性O(shè)置測量發(fā)電量和日照量的測量系統(tǒng)及顯示 即時發(fā)電量的顯示系統(tǒng)等。.2 PV系統(tǒng)的種類如圖4-1所示，PV系統(tǒng)大體上分為商用電網(wǎng)并網(wǎng)的并網(wǎng)型系統(tǒng)和獨立型系統(tǒng)。并網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)并網(wǎng)的商用電網(wǎng)的電壓分為特高壓并網(wǎng)、高壓并網(wǎng)和低壓并網(wǎng)。獨立型系統(tǒng)分為蓄電池并用型、無蓄電池型和風力發(fā)電并用的混合型系統(tǒng)。PV祭統(tǒng)并網(wǎng)型系統(tǒng)T低壓并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)蓄電池（防災(zāi)型）T高壓并網(wǎng)系統(tǒng)T特高壓并網(wǎng)系統(tǒng)無蓄

45、電池獨立型系統(tǒng)* 無蓄電池型風力熱點聯(lián)供發(fā)電機圖4-1 PV系統(tǒng)的分類并網(wǎng)型系統(tǒng)并網(wǎng)型系統(tǒng)分為有逆流系統(tǒng)和無逆流系統(tǒng)兩種。在有逆流系統(tǒng)中，若產(chǎn)生剩余電 力，電力公司可以購買剩余電力，在2009年11月剩余電力的購買制度被實施。由于 PV系統(tǒng)的輸出功率受天氣情況影響，為了使住宅等能夠穩(wěn)定使用電力，需要和電力 公司的電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運行。獨立型系統(tǒng)沒有與電力公司的配電線并網(wǎng)的系統(tǒng)成為獨立型系統(tǒng)。 在這種系統(tǒng)中要把使用的 電量限制在PV系統(tǒng)的發(fā)電量以下，考慮到夜間和雨天PV系統(tǒng)不能發(fā)電，此時需要由 蓄電池供給電力，蓄電池必須預先充電。這樣的系統(tǒng)多在離電力公司電網(wǎng)較遠的山區(qū)、 島嶼等地區(qū)采用。最近，在防災(zāi)

46、用的路燈、防災(zāi)無線電系統(tǒng)等領(lǐng)域也被使用。獨立型 系統(tǒng)有小到給計算機供電的功率不到 1W勺系統(tǒng)，也有大到向道路信息顯示板供電的 數(shù)瓦至數(shù)千瓦的系統(tǒng)。四.太陽能光伏電池及其特性太陽能電池的原理太陽能電池是將照射到太陽能電池上的光能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電元件。法國物理學家貝克勒爾在1829年的一次實驗中意外發(fā)現(xiàn)，將兩金屬片放入溶液，如果有陽光照 射會產(chǎn)生電勢差。這是人類第一次發(fā)現(xiàn)先生伏特現(xiàn)象。 光生伏特效應(yīng)是指光照射在物 質(zhì)上產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。后來還發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象不僅發(fā)生在液體里，固體中也可以出 現(xiàn)，而在半導體中可以有更高的效率。 半導體材料制成的太陽能電池正是利用了這種 現(xiàn)象，把光能轉(zhuǎn)換為電能?，F(xiàn)代技術(shù)

47、制造的半導體太陽能電池通常是以pn結(jié)為基本結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-1。圖4-1太陽能電池結(jié)構(gòu)在N型半導體中，多數(shù)載流子為電子，在 P型半導體中，多數(shù)載流子為空穴。兩 種載流子濃度有差異的材料接觸后，由于多數(shù)載流子會像從高濃度向低濃度方向擴散。 即，電子從N型半導體擴散到P型半導體，空穴從P型半導體擴散到N型半導體。多 子的擴散導致了材料內(nèi)部電平衡被打破，N型材料帶正電荷，P型材料帶負電荷。在兩種材料之間產(chǎn)生電勢差，臨界面附近形成從N型半導體材料指向P型半導體材料的 電場，即內(nèi)建電場，或稱勢壘電場。多數(shù)載流子在內(nèi)建電場中擴散時會受到電場力的 作用，使得其擴散遭到減緩。多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U散的量越

48、多，其電勢差愈大，對多 數(shù)載流子的擴散的阻礙亦愈大。最終內(nèi)建電場將電場內(nèi)的載流子都掃向兩邊，因此該區(qū)域電阻特別高，故稱之為阻擋層。如果此時有光照射，阻擋層內(nèi)的原子可能獲得光 子的能量，其外層電子掙脫原子核的束縛，逃離軌道，變成了一個自由電子，同時在 軌道上由于缺少一個電子，形成空穴。在內(nèi)建電場的電場力作用下，自由電子會向N型半導體材料移動，空穴向P型半導體材料移動。這種在光照下產(chǎn)生電子空穴對，形 成的電場稱之為光生電場。它會抵消一部分內(nèi)建電場，并使得P型材料帶正電荷，N型材料帶負電荷，兩種材料之間形成光生伏特電動勢。如果用低電阻率的電極將兩極 引出，并加載一定的負載，則會向外輸出電流，完成了光

49、能向電能的轉(zhuǎn)換。因此，將太陽能電池的表面和背面接上電極與燈泡等負荷連接，就能產(chǎn)生電流。 這就是太陽能電池的原理。太陽能電池的種類太陽能電池單體根據(jù)材料種類、 材料厚度、構(gòu)造等進行分類?，F(xiàn)在主要普及的是 結(jié)晶硅系太陽能電池，然而根據(jù)用途和設(shè)置環(huán)境不同，其他類型的太陽能電池也越來越多地被使用根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，可以將太陽能電池分為多種類型：同質(zhì)結(jié)太陽能電池，即由同 一種半導體材料構(gòu)成，例如硅、神化錢；異質(zhì)結(jié)太陽能電池，由兩種不同材料構(gòu)成 pn結(jié)，其禁帶寬度不同，如氧化鈿錫/硅、硫化亞銅/硫化鎘、神化鋁錢/神化錢；肖 特基結(jié)太陽能電池，由一種金屬材料和一種半導體材料組成 pn結(jié)，形成肖特基勢壘， 如鋁/

50、硅、鋁/硅；多結(jié)太陽能電池，由多個 pn結(jié)組成：液結(jié)太陽能電池，又稱為光 電化學電池。根據(jù)材料的不同，可以將太陽能電池分為硅太陽能電池， 即以硅材料為 基體材料的電池。包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池。 化合物半導體太陽能電池，即超過一種元素制成的太陽能電池。 該材料具有半導體材 料的特性。常見的有田、V族化合物，如神化錢、磷化錢、睇化鈿、磷化鈿，H、VI 族化合物，如硫化鎘、硫化鋅等等。有機半導體太陽能電池硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、 多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽 能電池三種。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高， 技術(shù)也最為成熟。在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率 為2

51、4.7%,規(guī)模生產(chǎn)時的效率為15%在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導地位， 但由于單晶硅成本價格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多品 硅薄膜和非晶硅薄膜作為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池， 其實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為18%工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)白轉(zhuǎn)換效率為10%因此，多晶硅薄膜電 池不久將會在太陽能電地市場上占據(jù)主導地位。 非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕， 轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰 退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應(yīng)用。如果能進一步解決穩(wěn)定性問題及提 高轉(zhuǎn)換率問題，那

52、么，非晶硅大陽能電池無疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。太陽能電池單體的分類如圖4-2所示。此外，近年來在市場上銷售的主要太陽能 電池單體的分類如表4-1所示。晶年系列硅半導體一薄膜系列單品E3I多日日異質(zhì)結(jié)非晶硅 多結(jié)太陽能電池I nvm （Cd5,CdTe等）化合物半導體 III-V族（CaAs/nP等） I III T 族（CIS,CIG與fl?）| 有機太陽能電池(鎂鈦菁)-其他濕式太陽能電池(色素增黑型)一量子阱，納米粒子太陽能電池等圖4-2太陽能電池的分類竽件轉(zhuǎn)讓效率W單尾畦逑吃干卻朝排劑，能制造骷化蚊率高的太陽謊包池口產(chǎn)品歷史久1517品體野十里晶硅聚筐而成的太陽割電池“馬里晶硅

53、相比，何上效率保，制通咸本系列多春土保13二日正蚌在結(jié)酷系基林上形成非酷畦星的太陽能電池口跨化敏率菖，標別是在限定的L11fl股山住宅等空間_具有優(yōu)勢養(yǎng)旦在 珪序子不規(guī)則排列的太陽能電池。厚度薄也能發(fā)電約為巖晶系的1門7作事底.此外，可在瓏箍、靖段軍基村上制造C波長奧度在短演惻31蒲膘手效將兩個以上具有不同波長感.度的控電號疊加苞一起的太陽能電池*比單結(jié)太務(wù)結(jié)懺能空池的發(fā)電辿率高+甘晶桂和撒結(jié)晶：藁腹雜晶理1毋合的書騰信構(gòu)是 so主簫*也有三層結(jié)構(gòu)的drs/cics二造是L銅(Cu) . (In) . (Se三種元年為主要成分的太日既自電沌 o門的為加入/鑲匕心的太陽能電池*刊音綻的箔昂讓太陽

54、靛電池相比，3有完全不同的結(jié)杓11-12其他不同元惠加客構(gòu)造而成的太陽前電也，有口等表4-1太陽能電池單體的種類太陽能電池伏安特性及影響因素為了能夠更加高效利用太陽能電池，需要對太陽能電池的電學特性進行研究。因此可以將其等效為一種電路來分析。圖 4-3為理想太陽能電池的等效電路圖。圖4-3太陽能電池簡化等效電路光生電流，即光子轉(zhuǎn)化為電子空穴對形成的電流。 由于其本身是一個二極管，因 此有一部分載流子會通過本身復合，用一個并聯(lián)的二極管表示。上述電路模型為理想模型，離實際的太陽能電池的電學性能還有一定差距，因此 并不適合直接用于科研與工程。下面給出較為精確的模型圖4-4太陽能電池等效電路在這個模型

55、中新加入了兩個電阻一一并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻以及二極管理想因子n。該模型因具有5個參數(shù)，又稱五參數(shù)模型。圖4-5是太陽能電池典型的伏安輸出 特性曲線與P-V曲線。由此可以看出太陽能電池的伏安輸出曲線是一種特殊的非線 性曲線。當輸出接近開路時，類似一個內(nèi)阻比較大的電壓源；當其輸出電壓接近0時，輸出電流幾乎不變，呈現(xiàn)出恒流源的特點。而太陽能電池工作在最大功率點時， 它既非恒壓源亦非恒流源。圖4-6是輸出功率與電壓的關(guān)系曲線。其能夠很清晰地反映太陽能電池的物理 意義。亦是廣泛使用的太陽能電池電學模型。從制造工藝的角度可以很好地了解五個參數(shù)是受哪些因素影響，進而影響了太陽能電池的電學性能。柵線的遮光面積和

56、入射光線在太陽能電池表面的反射會對光生電 流有顯著的影響；基體材料的品格缺陷、材料的類型等與二極管反向飽和電流有直接圖4-5太陽能電池典型輸出伏安曲線的關(guān)系；基體材料自身的電阻率、柵線電極以及柵線電極與基體的接觸電阻決定了申 聯(lián)電阻電池邊緣的漏電流則反映在并聯(lián)電阻上。在實際太陽能電池在工作時，光強、和電池本身的溫度會共同來決定電池的輸出4-7是某太陽能電伏安特性，因此，在不同的光強和溫度下，輸出曲線是不同的。圖 池不同的光強和溫度下的輸出曲線。p圖4-7不同光強與溫度下的輸出曲線五.無電流傳感器型 MPPT空制策略MPPT 原理光伏陣列的最大功率輸出特性是由于用并聯(lián)其中的光伏電池特性造成的，

57、輸出功 率與電壓曲線呈拋物線形狀，并受到光照強度、環(huán)境溫度等因素影響，表現(xiàn)出非線性 特點。MPPT可分為在線跟蹤和離線跟蹤兩種，常用的在線跟蹤方法有擾動觀察法、電 導增量法等。擾動觀察法實時對比光伏陣列的輸出功率變化，通過調(diào)節(jié)光伏陣列的輸 出電壓實現(xiàn)光伏陣列的輸出功率調(diào)節(jié)。圖5-1為采用擾動觀察法的傳統(tǒng) MPPT控制框 圖，需要實時采集光伏陣列的輸出電壓、電流，經(jīng)過計算功率、對比調(diào)節(jié)前后的功率 變化與電壓變化得出DC-DC變換器的給定電壓。圖5-1傳統(tǒng)MPPT空制框圖從上面分析可以看出，擾動觀察法中光伏陣列的電流信息主要是用來與電壓信息 相乘得到功率信息。那么，如果使用逆變器輸出功率信息作為

58、MPPT的判斷標準，就能省略DC-DC 的電流傳感器，本文就是基于以上思想設(shè)計 MPPT及其整體控制策略。系統(tǒng)組成與整體控制策略雙級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成圖5-2是雙級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)示意圖。光伏陣列發(fā)出的直流電經(jīng)DGDC變換、DCAC逆變后，再通過LC結(jié)構(gòu)濾波器濾除SPWM產(chǎn)生的高頻諧波，并 經(jīng)過一個1:1的工頻隔離變壓器后送至電網(wǎng)。其中，LC濾波器采用2個電感串聯(lián)的 形式，可有效降低其寄生電容：工頻隔離變壓器可以濾除并網(wǎng)電流中的直流分量，并起到電氣隔離作用，可提高系統(tǒng)的安全性。圖5-2雙級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)的運行中，該控制策略實現(xiàn)了光伏并網(wǎng)逆變器前后級能量傳遞的動

59、態(tài)平衡， 并通過直流母線電容進行緩沖。當光伏陣列發(fā)出的能量減少時，直流母線電壓降低， 系統(tǒng)后級的電壓外環(huán)為了穩(wěn)定母線電壓在設(shè)定值，則減小電流內(nèi)環(huán)的給定值，此時并網(wǎng)電流減小，母線電壓得以提高。同理，當光伏陣列發(fā)出的能量變大時，并網(wǎng)電流也 將相應(yīng)地增大。無電流傳感器的MPP喧體控制策略基于以上分析，本文提出了一種改進的雙級式光伏并網(wǎng)逆變器控制策略。根據(jù)典型雙級式光伏并網(wǎng)逆變器的控制原理，系統(tǒng)后級DCAC環(huán)節(jié)內(nèi)環(huán)電流給定幅值能夠以直流量的形式反映并網(wǎng)電流的大小，而系統(tǒng)的DCAC輸出與電網(wǎng)并聯(lián)，其輸出電壓被電網(wǎng)箝位于220V左右。故并網(wǎng)電流有效值與輸出功率成正比關(guān)系。根據(jù)光伏并 網(wǎng)逆變器輸入輸出功率動

60、態(tài)平衡關(guān)系，電流給定幅值能夠?qū)崟r反映出光伏陣列輸出功 率的大小。因此，電流給定幅值代替?zhèn)鹘y(tǒng)雙級式控制策略中的光伏輸出功率作為 MPPT控制算法的功率參考值，從而可省略掉DC-DC變換器中光伏陣列輸出電流采樣 環(huán)節(jié)。圖5-3為通過串口傳輸?shù)缴衔粰C的系統(tǒng)控制器中的電流給定幅值在平均處理前 后的數(shù)字量波形。從圖中可觀察到，在處理前電流給定幅值上存在一定的波動，圖5-3電流給定幅值與其平均值如果MPPT算法直接采用該變量值，可能會出現(xiàn)判斷錯誤從而造成跟蹤偏差， 因 此需要對其進行處理。在每個電網(wǎng)周期對該量進行平均計算后， 從圖中可以看出處理 后的變量波形平滑穩(wěn)定，從而保證 MPPT算法可準確地獲取當前