光伏發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用

光伏發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用2019廖東進(jìn)目錄TOC\o"1-3"\h\u前言 I項(xiàng)目1太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)認(rèn)識(shí) 31.1太陽(yáng)能光伏發(fā)電的應(yīng)用及特點(diǎn) 41.1.1光伏發(fā)電應(yīng)用 41.1.2光伏發(fā)電特點(diǎn) 91.2光伏發(fā)電系統(tǒng)認(rèn)識(shí) 121.2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)工作方式 121.2.2太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及分類 17項(xiàng)目2太陽(yáng)能資源的獲取 232.1我國(guó)太陽(yáng)能資源分布 232.2太陽(yáng)輻資源獲取 282.2.1太陽(yáng)能輻射量組成 282.2.2太陽(yáng)能輻射量測(cè)量 322.3太陽(yáng)能輻射量估算 34項(xiàng)目3光伏電池組件及方陣容量設(shè)計(jì) 383.1光伏單體電池發(fā)電特性認(rèn)識(shí) 383.1.1單體電池參數(shù)認(rèn)識(shí) 383.1.2單體電池輸出特性分析 413.2光伏組件輸出特性分析 463.3光伏方陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 493.4光伏方陣容量設(shè)計(jì) 55項(xiàng)目4光伏儲(chǔ)能設(shè)備認(rèn)識(shí)及設(shè)計(jì) 624.1鉛酸蓄電池的認(rèn)識(shí) 624.2蓄電池的選擇及容量設(shè)計(jì) 704.3蓄電池的選購(gòu)、安裝、維護(hù) 744.4超級(jí)電容器的認(rèn)識(shí)及使用 78項(xiàng)目5光伏控制器認(rèn)識(shí) 875.1太陽(yáng)能控制器認(rèn)識(shí) 875.1.1光伏控制器功能 875.1.2光伏控制器分類及控制原理 925.2光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法 985.3典型光伏控制應(yīng)用及選購(gòu) 1015.4典型光伏控制電路制作 1065.4.1蓄電池電壓檢測(cè)器電路制作 1065.4.2鉛酸蓄電池充放電電路 1075.4.3太陽(yáng)能草坪燈控制電路制作 1135.5超級(jí)電容在LED燈具中的應(yīng)用 117項(xiàng)目6光伏逆變器 1206.1逆變器認(rèn)識(shí)及測(cè)試 1206.2光伏逆變器控制原理 1256.2.1光伏逆變器工作原理 1256.2.2獨(dú)立型逆變器 1306.2.3并網(wǎng)型逆變器 1366.3小功率逆變器制作 142項(xiàng)目7光伏發(fā)電系統(tǒng)容量設(shè)計(jì) 1457.1光伏系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)考慮因素 1457.2太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)容量的設(shè)計(jì)與計(jì)算 1527.2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)組件容量設(shè)計(jì) 1527.2.2蓄電池和蓄電池組容量設(shè)計(jì) 1567.2.3以太陽(yáng)輻射量為參數(shù)的其他設(shè)計(jì)方法 1617.3并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)容量的設(shè)計(jì)與計(jì)算 168項(xiàng)目8太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體配置與相關(guān)設(shè)計(jì) 1738.1太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體配置 1738.2光伏發(fā)電供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1838.3太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)實(shí)例 194項(xiàng)目9RETScreen軟件應(yīng)用 2039.1RETScreen認(rèn)識(shí) 2039.2RETScreen光伏模型中的應(yīng)用 2059.2.1能源模型初始化 2059.2.2能源模型分析 2069.2.3成本分析模型設(shè)計(jì) 2089.2.4減排量分析 2109.2.5財(cái)務(wù)分析 212參考文獻(xiàn) 214

項(xiàng)目1太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)1.1太陽(yáng)能光伏發(fā)電的應(yīng)用及特點(diǎn)1.1.1光伏發(fā)電應(yīng)用任務(wù)目標(biāo)：了解光伏發(fā)電的應(yīng)用領(lǐng)域；掌握光伏發(fā)電主要應(yīng)用方式；掌握我國(guó)光伏發(fā)電十二五發(fā)展規(guī)劃的方向及目標(biāo)。任務(wù)描述：我國(guó)是太陽(yáng)能光伏電池生產(chǎn)大國(guó)，從2007年開(kāi)始，電池組件產(chǎn)量一直是全球第一，但從市場(chǎng)應(yīng)用角度來(lái)看，我國(guó)太陽(yáng)能光伏應(yīng)用所占比重較小。從當(dāng)前光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用方向來(lái)看，主要面向光伏電子產(chǎn)品和光伏電站建設(shè)領(lǐng)域。了解當(dāng)前光伏發(fā)電主要應(yīng)用領(lǐng)域及我國(guó)光伏發(fā)電建設(shè)目標(biāo)，是光伏發(fā)電應(yīng)用的前提。案例引導(dǎo)：組裝太陽(yáng)能小車。序號(hào)規(guī)格圖樣太陽(yáng)能電池板電壓:5V；電流：100mA直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓3.6V小車套件/ 思考：描述太陽(yáng)能小車工作情況。任務(wù)實(shí)施：一、光伏發(fā)電主要應(yīng)用領(lǐng)域2010年，我國(guó)新增光伏發(fā)電裝機(jī)約500MW，累計(jì)達(dá)800MW。但與我國(guó)飛速發(fā)展的光伏制造業(yè)相比，在光伏應(yīng)用領(lǐng)域的前進(jìn)步伐明顯滯后于我國(guó)光伏制造業(yè)。2000年，我國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量?jī)H為3MW，到2007年年底達(dá)到1088MW，超過(guò)歐洲（1062.8MW）和日本（920MW），躍居世界第一位。2010年，我國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量達(dá)到10GW，約占全球光伏電池產(chǎn)量的一半。目前，我國(guó)光伏發(fā)電的應(yīng)用市場(chǎng)處于起步階段。從當(dāng)前光伏發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，現(xiàn)主要廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科技、國(guó)防及人們生活的方方面面，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將成為重要的發(fā)電方式，在可再生能源結(jié)構(gòu)中占有一定比例。太陽(yáng)能光伏發(fā)電主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：1.通信領(lǐng)域的應(yīng)用。主要包括無(wú)人值守微波中繼站，光纜通信系統(tǒng)及維護(hù)站，移動(dòng)通信基站，廣播、通信、無(wú)線尋呼電源系統(tǒng)，衛(wèi)星通信和衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)，農(nóng)村程控電話、載波電話光伏系統(tǒng)，小型通信機(jī)，部隊(duì)通信系統(tǒng)，士兵GPS供電等。 2.公路、鐵路、航運(yùn)等交通領(lǐng)域的應(yīng)用。如鐵路和公路信號(hào)系統(tǒng)，鐵路信號(hào)燈，交通警示燈、標(biāo)志燈、信號(hào)燈，公路太陽(yáng)能路燈，太陽(yáng)能道釘燈、高空障礙燈，高速公路監(jiān)控系統(tǒng)，高速公路、鐵路無(wú)線電話亭，無(wú)人值守道班供電，航標(biāo)燈燈塔和航標(biāo)燈電源等。 3.石油、海洋、氣象領(lǐng)域的應(yīng)用。如石油管道陰極保護(hù)和水庫(kù)閘門陰極保護(hù)太陽(yáng)能電源系統(tǒng)，石油鉆井平臺(tái)生活及應(yīng)急電源，海洋檢測(cè)設(shè)備，氣象和水文觀測(cè)設(shè)備，觀測(cè)站電源系統(tǒng)等。 4.農(nóng)村和邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)應(yīng)用。在高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等農(nóng)村和邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)應(yīng)用太陽(yáng)能光伏戶用系統(tǒng)、小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)等解決日常生活用電問(wèn)題，如照明、電視、收錄機(jī)、DVD、衛(wèi)星接收機(jī)等的用電，也解決了手機(jī)、手電筒等隨身小電器充電的問(wèn)題，發(fā)電功率大多在及瓦到幾百瓦。應(yīng)用1～5kW的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)或并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)作為村莊、學(xué)校、醫(yī)院、飯館、旅社、商店等的供電系統(tǒng)。應(yīng)用太陽(yáng)能光伏水泵，解決了無(wú)電地區(qū)的深水井飲用、農(nóng)田灌溉等用電問(wèn)題。另外還有太陽(yáng)能噴霧器、太陽(yáng)能電圍欄、太陽(yáng)能黑光滅蟲(chóng)燈等應(yīng)用。 5.太陽(yáng)能光伏照明方面的應(yīng)用。太陽(yáng)能光伏照明包括太陽(yáng)能路燈、庭院燈、草坪燈，太陽(yáng)能景觀照明，太陽(yáng)能路標(biāo)標(biāo)牌、信號(hào)指示、廣告燈箱照明等：還有家庭照明燈具及手提燈、野營(yíng)燈、登山燈、垂釣燈、割膠燈、節(jié)能燈、手電等。圖1-2太陽(yáng)能應(yīng)用實(shí)例 6.大型光伏發(fā)電系統(tǒng)（電站）的應(yīng)用。大型光伏發(fā)電系統(tǒng)（電站）是10kW～200MW的地面獨(dú)立或并網(wǎng)光伏電站、風(fēng)光（柴）互補(bǔ)電站、各種大型停車廠充電站等。 7.太陽(yáng)能光伏建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)(BIPV)。BIPV將太陽(yáng)能發(fā)電與建筑材料相結(jié)合，充分利用建筑的屋頂和外立面，使得大型建筑能實(shí)現(xiàn)電力自給、并網(wǎng)發(fā)電，這將是今后的一大發(fā)展方向。 注：建筑與光伏非系統(tǒng)相結(jié)合（BAPV）是光伏與建筑相結(jié)合的第一步，是將現(xiàn)成的平板式光伏組件安裝在建筑物的屋頂?shù)忍?，引出端?jīng)過(guò)逆變器和控制器裝置與電網(wǎng)聯(lián)接，由光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)并聯(lián)向用戶供電，多余電力向電網(wǎng)反饋。 8.太陽(yáng)能電子商品及玩具的應(yīng)用。包括太陽(yáng)能收音機(jī)、太陽(yáng)能鐘、太陽(yáng)帽、太陽(yáng)能充電器、太陽(yáng)能手表、太陽(yáng)能計(jì)算器、太陽(yáng)能玩具等。9.其他領(lǐng)域的應(yīng)用。包括太陽(yáng)能電動(dòng)汽車，電動(dòng)自行車，太陽(yáng)能游艇，電池充電設(shè)備，太陽(yáng)能汽車空調(diào)、換氣扇、冷飲箱等；還有太陽(yáng)能制氫加燃料電池的再生發(fā)電系統(tǒng)，海水淡化設(shè)備供電，衛(wèi)星、航天器、空間太陽(yáng)能電站等。二、光伏發(fā)電應(yīng)用主要方式1.太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目2009年3月財(cái)政部印發(fā)了《太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》的通知，推動(dòng)太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目的發(fā)展。主要內(nèi)容包括：（1）建材型、構(gòu)件型項(xiàng)目：補(bǔ)貼不超過(guò)20元/瓦；（2）安裝型項(xiàng)目：補(bǔ)貼不超過(guò)15元/瓦；（3）單項(xiàng)工程應(yīng)用裝機(jī)容量不小于50kW；（4）轉(zhuǎn)換效率要求：?jiǎn)尉Ч杞M件超過(guò)16%，多晶硅超過(guò)14%，非晶硅超過(guò)6%。在該通知下發(fā)后，2009年9月下達(dá)首批項(xiàng)目，預(yù)算12.7億元，91兆瓦，111個(gè)項(xiàng)目。2010年第二批項(xiàng)目，預(yù)算11.95億元，90.2MW，99個(gè)項(xiàng)目。2.金太陽(yáng)示范工程2009年7月16日，財(cái)政部、科技部和國(guó)家能源局下發(fā)了《關(guān)于實(shí)施金太陽(yáng)示范工程的通知》，支持光伏發(fā)電技術(shù)在各類領(lǐng)域的示范應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。主要內(nèi)容包括：（1）2009-2011年，原則上每省總規(guī)模不超過(guò)20MW；（2）單個(gè)項(xiàng)目裝機(jī)容量不低于300kW；（3）業(yè)主總資產(chǎn)不少于1億元；（4）主要設(shè)備通過(guò)認(rèn)證；（5）并網(wǎng)項(xiàng)目補(bǔ)50%，獨(dú)立光伏項(xiàng)目補(bǔ)70%；2009年11月公布了294個(gè)項(xiàng)目，裝機(jī)容量達(dá)642MW，總投資200億元。在金太陽(yáng)示范工程和太陽(yáng)光電建筑應(yīng)用示范工程實(shí)施一段時(shí)間后，針對(duì)實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，財(cái)政部、科技部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部和國(guó)家能源局于2010年9月發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)金太陽(yáng)示范工程和太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用示范工程建設(shè)管理的通知》，重新規(guī)定了關(guān)鍵設(shè)備統(tǒng)一招標(biāo)、示范項(xiàng)目選擇和調(diào)整和補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)細(xì)則。3.大型并網(wǎng)光伏電站自2009年起，我國(guó)政府采取特許權(quán)招標(biāo)的辦法，公開(kāi)招標(biāo)了14座大型并網(wǎng)光伏電站，總裝機(jī)規(guī)模達(dá)290MW。2011年第三批光伏電站特許權(quán)招標(biāo)規(guī)模估計(jì)將達(dá)到500MW。三、光伏發(fā)電應(yīng)用前景回顧100年間能源工業(yè)的發(fā)展歷史，人類正在消耗地球50萬(wàn)年歷史中積累的有限能源資源煤和石油，雖然極大地解放了生產(chǎn)力，但同時(shí)也向人類敲響了常規(guī)能源面臨枯竭的警鐘。根據(jù)有關(guān)材料顯示，人類己確知的石油儲(chǔ)備將用40多年，天然氣60余年，煤大約200年。另外，以化石能源為主體的能源結(jié)構(gòu)，對(duì)人類環(huán)境的破壞顯而易見(jiàn)，每年排放的二氧化碳達(dá)210萬(wàn)噸，并呈上升趨勢(shì)，從而造成冰雪消融，冰川退縮，全球氣候變暖。能源短缺和環(huán)境保護(hù)是21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源領(lǐng)域最重要的課題。目前國(guó)際上對(duì)太陽(yáng)能資源已經(jīng)十分重視。1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室第一塊單晶硅太陽(yáng)能電池面世，為世界能源提供了一個(gè)新的希望。在20世紀(jì)70年代以來(lái)，世界上許多國(guó)家掀起了開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能和可再生能源的熱潮。利用太陽(yáng)能發(fā)電的光伏發(fā)電技術(shù)被用于許多需要電源的場(chǎng)合，上至航天器，下至家用電源，大到兆瓦級(jí)電站，小到玩具，光伏電源無(wú)處不在。由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電的諸多優(yōu)點(diǎn)，其研究開(kāi)發(fā)、產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)及市場(chǎng)開(kāi)拓已經(jīng)成為當(dāng)今世界各國(guó)，特別是發(fā)達(dá)國(guó)家激烈競(jìng)爭(zhēng)的主要熱點(diǎn)。世界實(shí)力大國(guó)都制定了雄心勃勃的光伏發(fā)電近期規(guī)劃：到2010年日本計(jì)劃累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到5GW，德國(guó)為2.7GW，歐盟為3GW，美國(guó)為4.7GW，澳大利亞為0.75GW，印度、中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家估計(jì)為1.5～2GW。統(tǒng)計(jì)表明到2010年，世界光伏系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量預(yù)計(jì)將達(dá)到14～15GW。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2020年光伏發(fā)電在世界電力生產(chǎn)中所占比例將達(dá)1％，2050年約占25％。由此可見(jiàn)，光伏發(fā)電具有廣闊的市場(chǎng)和發(fā)展前景。圖1-3太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用三、我國(guó)光伏發(fā)電發(fā)展目標(biāo)根據(jù)“太陽(yáng)能發(fā)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃”，到2015年底，我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到2100萬(wàn)千瓦以上，年發(fā)電量達(dá)到250億千瓦時(shí)。重點(diǎn)在中東部地區(qū)建設(shè)與建筑結(jié)合的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，建成分布式光伏發(fā)電總裝機(jī)容量1000萬(wàn)千瓦。在青海、新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等太陽(yáng)能資源和未利用土地資源豐富地區(qū)，以增加當(dāng)?shù)仉娏?yīng)為目的，建成并網(wǎng)光伏電站總裝機(jī)容量1000萬(wàn)千瓦。以經(jīng)濟(jì)性與光伏發(fā)電基本相當(dāng)為前提，建成光熱發(fā)電總裝機(jī)容量100萬(wàn)千瓦。表1-1太陽(yáng)能發(fā)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃（萬(wàn)千瓦）發(fā)電類別2010年2015年2020年1.太陽(yáng)能電站4511002300光伏電站451000在青海、甘肅、新疆、內(nèi)蒙古、西藏、寧夏、陜西、云南，以及華北、東北的部分適宜地區(qū)建設(shè)一批并網(wǎng)光伏電站。結(jié)合大型水電、風(fēng)電基地建設(shè)，按風(fēng)光互補(bǔ)、水光互補(bǔ)方式建設(shè)一批光伏電站。2000光熱電站0100在太陽(yáng)能日照條件好、可利用土地面積廣、具備水資源條件的地區(qū)，開(kāi)展光熱發(fā)電項(xiàng)目的示范。3002.分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)411000在中東部地區(qū)城鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)、經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、大型公共設(shè)施等建筑屋頂相對(duì)集中的區(qū)域，建設(shè)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。在西藏、青海、甘肅、陜西、新疆、云南、四川等偏遠(yuǎn)地區(qū)及海島，采用獨(dú)立光伏電站或戶用光伏系統(tǒng)，解決電網(wǎng)無(wú)法覆蓋地區(qū)的無(wú)電人口用電問(wèn)題。擴(kuò)大城市照明、交通信號(hào)等領(lǐng)域光伏系統(tǒng)應(yīng)用。2700合計(jì)8621005000思考題：1.從當(dāng)前光伏發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域及我們?cè)谌粘Ｉ钪械乃?jiàn)，你認(rèn)為光伏發(fā)電可以在哪些應(yīng)用領(lǐng)域或應(yīng)用產(chǎn)品中被使用。2.通過(guò)資料查找，分析我國(guó)2009、2010、2011、2012光伏發(fā)電裝機(jī)容量為多少？3.分析MW，KW及KWh單位換算關(guān)系。1.1.2光伏發(fā)電特點(diǎn)任務(wù)目標(biāo)：掌握光伏發(fā)電優(yōu)缺點(diǎn)，能分析光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施的可行性。任務(wù)描述： 從太陽(yáng)能光伏發(fā)電成本來(lái)看，大型光伏發(fā)電成本接近1元/KW，對(duì)于離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是其2～5倍左右。所以從光伏發(fā)電成本來(lái)看其光伏發(fā)電系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)力不大，但從環(huán)境影響，應(yīng)用靈活性等角度出發(fā)，光伏發(fā)電有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，掌握光伏發(fā)電優(yōu)缺點(diǎn)，是正確分析與實(shí)施光伏發(fā)電系統(tǒng)的前提。案例引導(dǎo)：太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)分析 從太陽(yáng)能路燈應(yīng)用出發(fā)，分析太陽(yáng)能路燈在實(shí)際生活中的作用及問(wèn)題，并填寫下表（填寫認(rèn)為最重要的3點(diǎn)依據(jù)）。表1-2太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)任務(wù)實(shí)施：一、光伏發(fā)電優(yōu)點(diǎn)分析太陽(yáng)能光伏發(fā)電過(guò)程簡(jiǎn)單，沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不消耗燃料，不排放包括溫室氣體在內(nèi)的任何物質(zhì)，無(wú)噪聲、無(wú)污染；太陽(yáng)能資源分布廣泛且取之不盡、用之不竭。因此，與風(fēng)力發(fā)電和生物質(zhì)能發(fā)電等新型發(fā)電技術(shù)相比，光伏發(fā)電是一種最具可持續(xù)發(fā)展理想特征（最豐富的資源和最潔凈的發(fā)電過(guò)程）的可再生能源發(fā)電技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。1.太陽(yáng)能資源取之不盡，用之不竭，照射到地球上的太陽(yáng)能要比人類目前消耗的能量大6000倍。而且太陽(yáng)能在地球上分布廣泛，只要有光照的地方就可以使用光伏發(fā)電系統(tǒng)，不受地域、海拔等因素的限制。2.太陽(yáng)能資源隨處可得，可就近供電，不必長(zhǎng)距離輸送，避免了長(zhǎng)距離輸電線路所造成的電能損失。3.光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程簡(jiǎn)單，是直接從光子到電子的轉(zhuǎn)換，沒(méi)有中間過(guò)程（如熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、機(jī)械能轄換為電磁能等）和機(jī)械運(yùn)動(dòng)，不存在機(jī)械磨損。根據(jù)熱力學(xué)分析，光伏發(fā)電具有很高的理論發(fā)電效率，可達(dá)80%以上，技術(shù)開(kāi)發(fā)潛力巨大。4.光伏發(fā)電本身不使用燃料，不排放包括溫室氣體和其他廢氣在內(nèi)的任何物質(zhì)，不污染空氣，不產(chǎn)生噪聲，對(duì)環(huán)境友好，不會(huì)遭受能源危機(jī)或燃料市場(chǎng)不穩(wěn)定而造成的沖擊，是真正綠色環(huán)保的新型可再生能源。5.光伏發(fā)電過(guò)程不需要冷卻水，可以安裝在沒(méi)有水的荒漠戈壁上。光伏發(fā)電還可以很方便地與建筑物結(jié)合，構(gòu)成光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)，不需要單獨(dú)占地，可節(jié)省寶貴的土地資源。6.光伏發(fā)電無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部件，操作、維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。一套光伏發(fā)電系統(tǒng)只要有太陽(yáng)能電池組件就能發(fā)電，加之自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛采用，基本上可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，維護(hù)成本低。7.光伏發(fā)電系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)（30年以上）。晶體硅太陽(yáng)能電池壽命可長(zhǎng)達(dá)20～35年。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，只要設(shè)計(jì)合理、選型適當(dāng)，蓄電池的壽命也可長(zhǎng)達(dá)10～15年。8.太陽(yáng)能電池組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、重量輕，便于運(yùn)輸和安裝。光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短，而且根據(jù)用電負(fù)荷容量可大可小，方便靈活，極易組合、擴(kuò)容。 二、光伏發(fā)電缺點(diǎn)分析 當(dāng)然，太陽(yáng)能光伏發(fā)電也有它的不足和缺點(diǎn)，歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn)。 1.能量密度低。盡管太陽(yáng)投向地球的能量總和極其巨大，但由于地球表面積也很大，而且地球表面大部分被海洋覆蓋，真正能夠到達(dá)陸地表面的太陽(yáng)能只有到達(dá)地球范圍輻射能量的10%左右，致使在陸地單位面積上能夠直接獲得的太陽(yáng)能量較少。通常以太陽(yáng)輻照度來(lái)表示，地球表面最高值約為1.2kWh/m2，且絕大多數(shù)地區(qū)和大多數(shù)的日照時(shí)間內(nèi)都低于1kWh/m2。太陽(yáng)能的利用實(shí)際上是低密度能量的收集、利用。2.占地面積大。由于太陽(yáng)能能量密度低，這就使得光伏發(fā)電系統(tǒng)的占地面積會(huì)很大，每10kW光伏發(fā)電功率占地約需100m2，平均每平方米面積發(fā)電功率為100W。隨著光伏建筑一體化發(fā)電技術(shù)的成熟和發(fā)展，越來(lái)越多的光伏發(fā)電系統(tǒng)可以利用建筑物、構(gòu)筑物的屋頂和立面，將逐漸克服光伏發(fā)電占地面積大的不足。3.轉(zhuǎn)換效率低。光伏發(fā)電的最基本單元是太陽(yáng)能電池組件。光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率指的是光能轉(zhuǎn)換為電能的比率。目前晶體硅光伏電池轉(zhuǎn)換效率為13%～17%，非晶硅光伏電池只有6%～8%。由于光電轉(zhuǎn)換效率太低，從而使光伏發(fā)電功率密度低，難以形成高功率發(fā)電系統(tǒng)。因此，太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率低是阻礙光伏發(fā)電大面積推廣的瓶頸。4.間歇性工作。在地球表面，光伏發(fā)電系統(tǒng)只能在白天發(fā)電，晚上不能發(fā)電，除非在太空中沒(méi)有晝夜之分的情況下，太陽(yáng)能電池才可以連續(xù)發(fā)電，這和人們的用電需求不符。5.受氣侯環(huán)境因素影響大。太陽(yáng)能光伏發(fā)電的能源直接來(lái)源于太陽(yáng)光的照射，而地球表面上的太陽(yáng)照射受氣候的影響很大，長(zhǎng)期的雨雪天、陰天、霧天甚至云層的變化都會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的發(fā)電狀態(tài)。另外，環(huán)境因素的影響也很大，比較突出的一點(diǎn)是，空氣中的顆粒物（如灰塵）等降落在太陽(yáng)能電池組件的表面，阻擋了部分光線的照射，這樣會(huì)使電池組件轉(zhuǎn)換效率降低，從而造成發(fā)電量減少。6.地域依賴性強(qiáng)。地理位置不同，氣候不同，使各地區(qū)日照資源相差很大。光伏發(fā)電系統(tǒng)只有應(yīng)用在太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)其效果才會(huì)好。7.系統(tǒng)成本高。由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電的效率較低，到目前為止，光伏發(fā)電的成本仍然是其他常規(guī)發(fā)電方式（如火力和水力發(fā)電）的幾倍，這是制約其廣泛應(yīng)用的最主要因素。但是我們也應(yīng)看到，隨著太陽(yáng)能電池產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大及電池片光電轉(zhuǎn)換效率的不斷提高，光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本也下降得非?？臁Ｌ?yáng)能電池組件的價(jià)格幾十年來(lái)已經(jīng)從最初的每瓦70多美元下降至目前的每瓦2.5美元左右。8.晶體硅電池的制造過(guò)程高污染、高能耗。晶體硅電池的主要原料是純凈的硅。硅是地球上含量?jī)H次于氧的元素，主要存在形式是沙子（二氧化硅）。從沙子一步步變成含量為99.9999%以上純掙的晶體硅，期間要經(jīng)過(guò)多道化學(xué)和物理工序的處理，不僅要消耗大量能源，還會(huì)造成一定的環(huán)境污染。盡管太陽(yáng)能光伏發(fā)電存在上述不足，但是隨著能源問(wèn)題越來(lái)越重要，大力開(kāi)發(fā)可再生能源將是解決能源危機(jī)的主要途徑。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種最具可持續(xù)發(fā)展理想特征的可再生能源發(fā)電技術(shù)，近年來(lái)我國(guó)政府也相繼出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)和支持太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的政策法規(guī)，這將極大促進(jìn)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光伏發(fā)電技術(shù)和應(yīng)用水平也將會(huì)不斷提高，我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的前景十分廣闊。思考題：1.分析歸納光伏發(fā)電優(yōu)缺點(diǎn)特性。2.從太陽(yáng)能手機(jī)充電器應(yīng)用角度出發(fā)，談?wù)剝?yōu)缺點(diǎn)。1.2光伏發(fā)電系統(tǒng)認(rèn)識(shí)1.2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)工作方式任務(wù)目標(biāo)：掌握光伏發(fā)電發(fā)電工作原理及獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行模式特點(diǎn)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成。任務(wù)描述：太陽(yáng)能是光伏發(fā)電系統(tǒng)能量的來(lái)源，按照實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)來(lái)分，可以分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，按照光伏發(fā)電系統(tǒng)類型分類和功能要求，每種光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有其不同結(jié)構(gòu)。從光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用出發(fā)，首先就是對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用模式進(jìn)行選擇，了解各種工作模式下的系統(tǒng)組成。案例引導(dǎo)：獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)組成分析現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)裝備中的“太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)”、“2KW并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。填寫下表，并繪制其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。表1-3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成“太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)組成“2KW并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)組成任務(wù)實(shí)施：典型案例：太陽(yáng)能路燈應(yīng)用太陽(yáng)能路燈由其穩(wěn)定性、節(jié)能性、安全性、方便性、長(zhǎng)壽命性、可移性、動(dòng)智能性等優(yōu)點(diǎn)在實(shí)際生活當(dāng)中被廣泛應(yīng)用。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)由太陽(yáng)能組件、蓄電池、控制器、光源、支架系統(tǒng)及其各種配件組成。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的工作原理是利用太陽(yáng)能組件吸收太陽(yáng)光并轉(zhuǎn)換為電能通過(guò)控制器存儲(chǔ)到蓄電池中，當(dāng)夜晚來(lái)臨時(shí)（或天空亮度不夠時(shí)）控制器再控制蓄電池給高效節(jié)能LED燈光源供電，實(shí)現(xiàn)環(huán)境照明。下圖為一太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置。表1-4太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)配置名稱規(guī)格數(shù)量說(shuō)明電池板80W/塊2單晶硅，高轉(zhuǎn)換率，高透光度鋼化玻璃，厚3.2mm,進(jìn)口TPT\EVA。壽命25年；蓄電池80AH/只2膠體蓄電池，太陽(yáng)能專用，壽命5-8年；控制器101多種功能，防過(guò)充、過(guò)放，光控開(kāi)，時(shí)控關(guān)，壽命5年；風(fēng)光互補(bǔ)型控制器；燈頭LED40W1燈具為一號(hào)燈具、采用單顆集成式，美國(guó)普瑞芯片；圖1-4太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一、光伏電池發(fā)電原理太陽(yáng)能光伏發(fā)電的基本原理是利用太陽(yáng)能電池（一種類似于晶體二極管的半導(dǎo)體器件）的光生伏打效應(yīng)直接把太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N發(fā)電方式，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器就是太陽(yáng)能電池，也叫光伏電池。當(dāng)太陽(yáng)光照射到由P、N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的太陽(yáng)能電池上時(shí)，其中一部分光線被反射，一部分光線被吸收，還有一部分光線透過(guò)電池片。被吸收的光能激發(fā)被束縛的高能級(jí)狀態(tài)下的電子，產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，在PN結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)作用下，電子、空穴相互運(yùn)動(dòng)（如圖1-5所示），N區(qū)的空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，使太陽(yáng)電池的受光面有大量負(fù)電荷（電子）積累，而在電池的背光面有大量正電荷（空穴）積累。若在電池兩端接上負(fù)載，負(fù)載上就有電流通過(guò)，當(dāng)光線一直照射時(shí)，負(fù)載上將源源不斷地有電流流過(guò)。單片太陽(yáng)能電池就是一個(gè)薄片狀的半導(dǎo)體PN結(jié)。標(biāo)準(zhǔn)光照條件下，額定輸出電壓為0.48V。為了獲得較高的輸出電壓和較大的功率容量，往往要把多片太陽(yáng)能電池連接在一起使用。太陽(yáng)能電池的輸出功率是隨機(jī)的，不同時(shí)間、不同地點(diǎn)、不同安裝方式下，同一塊太陽(yáng)能電池的輸出功率也是不同的。圖1-5光伏發(fā)電原理示意圖太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行模式，可以分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。 二、獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理示意圖如圖1-6所示。太陽(yáng)能光伏發(fā)電的核心部件是太陽(yáng)能電池板，它將太陽(yáng)光昀光能直接轉(zhuǎn)換成電能，并通過(guò)控制器把太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)于蓄電池中。當(dāng)負(fù)載用電時(shí)，蓄電池中的電能通過(guò)控制器合理地分配到各個(gè)負(fù)載上。太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的電流為直流電，可以直接以直流電的形式應(yīng)用，也可以用交流逆變器將其轉(zhuǎn)換成為交流電，供交流負(fù)載使用。太陽(yáng)能發(fā)電的電能可以即發(fā)即用，也可以用蓄電池等儲(chǔ)能裝置將電能存儲(chǔ)起來(lái)，在需要時(shí)使用。圖1-6獨(dú)立型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理 三、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)圖1-7是并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理示意圖。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組件方陣將光能轉(zhuǎn)變成電能，并經(jīng)直流配線箱進(jìn)入并網(wǎng)逆變器，有些類型的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)還要配置蓄電池組存儲(chǔ)直流電能。并網(wǎng)逆變器由充放電控制、功率調(diào)節(jié)、交流逆變、并網(wǎng)保護(hù)切換等部分構(gòu)成。經(jīng)逆變器輸出的交流電供負(fù)載使用，多余的電能通過(guò)電力變壓器等設(shè)備饋入公共電網(wǎng)（可稱為賣電）。當(dāng)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)因天氣原因發(fā)電不足或自身用電量偏大時(shí)，可由公共電網(wǎng)向交流負(fù)載供電（稱為買電）。系統(tǒng)還配備有監(jiān)控、測(cè)試及顯示系統(tǒng)，用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控、檢測(cè)及發(fā)電量等各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，還可以利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遠(yuǎn)程傳輸控制和顯示數(shù)據(jù)。（a）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理框圖（b）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理案例圖1-7并網(wǎng)型太阻能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理思考題：從上述內(nèi)容，分析獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)最大區(qū)別是什么。 1.2.2太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及分類任務(wù)目標(biāo)： 掌握光伏發(fā)電系統(tǒng)各部件功能及光伏發(fā)電的典型應(yīng)用與系統(tǒng)特征。任務(wù)描述： 光伏發(fā)電系統(tǒng)一般有光伏電池組件、蓄電池、光伏控制器、逆變器及交流輸配電系統(tǒng)等部件組成。按照不同的應(yīng)用，可采用不同的物理結(jié)構(gòu)和不同的系統(tǒng)部件。對(duì)于不同的應(yīng)用環(huán)境其結(jié)構(gòu)組成存在一定差異。案例引導(dǎo)：最小光伏發(fā)電系統(tǒng)組成 從關(guān)鍵詞“最小”概念出發(fā)，獨(dú)立設(shè)計(jì)一種光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并在相關(guān)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中搭建電路予以實(shí)施，并完成相關(guān)性能測(cè)試，填寫下表。設(shè)備或耗材規(guī)格測(cè)量參數(shù)電路原理圖項(xiàng)目實(shí)施：一、光伏發(fā)電系統(tǒng)組成及功能太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是通過(guò)太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電系統(tǒng)，也可叫太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)。盡管太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用形式多種多樣，應(yīng)用規(guī)模也跨度很大，從小到不足一瓦的太陽(yáng)能草坪燈，大到幾百千瓦甚至幾兆瓦的大型光伏發(fā)電站，但太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理卻基本相同。其主要結(jié)構(gòu)由太陽(yáng)能電池組件（或方陣）、蓄電池（組）、光伏控制器、逆變器（在有需要輸出交流電的情況下使用）以及一些測(cè)試、監(jiān)控、防護(hù)等附屬設(shè)施構(gòu)成。1．太陽(yáng)能電池組件太陽(yáng)能電池組件也叫太陽(yáng)能電池板，是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)光的輻射能量轉(zhuǎn)換為電能，并送往蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)，也可以直接用于推動(dòng)負(fù)載工作。當(dāng)發(fā)電容量較大時(shí)，就需要用多塊電池組件串、并聯(lián)后構(gòu)成太陽(yáng)能電池方陣。目前應(yīng)用的太陽(yáng)能電池主要是晶體硅電池，分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池和非晶硅太陽(yáng)能電池等幾種。2．蓄電池蓄電池的作用主要是存儲(chǔ)太陽(yáng)能電池發(fā)出的電能，并可隨時(shí)向負(fù)載供電。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)蓄電池的基本要求是：自放電率低、使用壽命長(zhǎng)、充電效率高、深放電能力強(qiáng)、工作溫度范圍寬、少維護(hù)或免維護(hù)以及價(jià)格低廉。目前為光伏系統(tǒng)配套使用的主要是免維護(hù)鉛酸電池，在小型、微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池或超級(jí)電容器。當(dāng)需要大容量電能存儲(chǔ)時(shí)，就需要將多只蓄電池串、并聯(lián)起來(lái)構(gòu)成蓄電池組。3．光伏控制器太陽(yáng)能光伏控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，其功能主要有：防止蓄電池過(guò)充電保護(hù)、防止蓄電池過(guò)放電保護(hù)、系統(tǒng)短路保護(hù)、系統(tǒng)極性反接保護(hù)、夜間防反充保護(hù)等。在溫差較大的地方，控制器還具有溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ａ硗饪刂破鬟€有光控開(kāi)關(guān)、時(shí)控開(kāi)關(guān)等工作模式，以及充電狀態(tài)、蓄電池電量等各種工作狀態(tài)的顯示功能。光伏控制器一般分為小功率、中功率、大功率和風(fēng)光互補(bǔ)控制器等。4．交流逆變器交流逆變器是把太陽(yáng)能電池組件或者蓄電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電供應(yīng)給電網(wǎng)或者交流負(fù)載使用的設(shè)備。逆變器按運(yùn)行方式可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨(dú)立運(yùn)行逆變器用于獨(dú)立運(yùn)行的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，為獨(dú)立負(fù)載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運(yùn)行的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。5．光伏發(fā)電系統(tǒng)附屬設(shè)施光伏發(fā)電系統(tǒng)的附屬設(shè)施包括直流配線系統(tǒng)、交流配電系統(tǒng)、運(yùn)行監(jiān)控和檢測(cè)系統(tǒng)、防雷和接地系統(tǒng)等。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)按大類可分為獨(dú)立（離網(wǎng)）光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩大類。其中，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)又可分為直流光伏發(fā)電系統(tǒng)和交流光伏發(fā)電系統(tǒng)以及交、直流混合光伏發(fā)電系統(tǒng)。而在直流光伏發(fā)電系統(tǒng)中又可分為有蓄電池的系統(tǒng)和沒(méi)有蓄電池的系統(tǒng)。在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，也分為有逆流光伏發(fā)電系統(tǒng)和無(wú)逆流光伏發(fā)電系統(tǒng)，并根據(jù)用途也分為有蓄電池系統(tǒng)和無(wú)蓄電池系統(tǒng)等。二、獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)也叫離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。主要由太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負(fù)載供電，還需要配置交流逆變器。因此，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)用電負(fù)載的特點(diǎn)，可分為下列幾種形式。1.無(wú)蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)無(wú)蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖1-8所示。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是用電負(fù)載是直流負(fù)載，對(duì)負(fù)載使用時(shí)間沒(méi)有要求，負(fù)載主要在白天使用。太陽(yáng)能電池與用電負(fù)載直接連接，有陽(yáng)光時(shí)就發(fā)電供負(fù)載工作，無(wú)陽(yáng)光時(shí)就停止工作。系統(tǒng)不需要使用控制器，也沒(méi)有蓄電池儲(chǔ)能裝置。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是省去了能量通過(guò)控制器及在蓄電池的存儲(chǔ)和釋放過(guò)程中造成的損失，提高了太陽(yáng)能的利用效率。這種系統(tǒng)最典型的應(yīng)用是太陽(yáng)能光伏水泵。圖1-8無(wú)蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)圖1-9有蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)2.有蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)有蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖1-9所示。該系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池、充放電控制器、蓄電池以及直流負(fù)載等組成。有陽(yáng)光時(shí)，太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能供負(fù)載使用，并同時(shí)向蓄電池存儲(chǔ)電能。夜間或陰雨天時(shí)，則由蓄電池向負(fù)載供電。這種系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，小到太陽(yáng)能草坪燈、庭院燈，大到遠(yuǎn)離電網(wǎng)的移動(dòng)通信基站、微波中轉(zhuǎn)站，邊遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)村供電等。當(dāng)系統(tǒng)容量和負(fù)載功率較大時(shí)，就需要配備太陽(yáng)能電池方陣和蓄電池組了。3.交流及交、直流混合光伏發(fā)電系統(tǒng)交流及交、直流混合光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖1-10所示。與直流光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，交流光伏發(fā)電系統(tǒng)多了一個(gè)交流逆變器，用以把直流電轉(zhuǎn)換成交流電，為交流負(fù)載提供電能。交、直流混合系統(tǒng)則既能為直流負(fù)載供電，也能為交流負(fù)載供電。圖1-10交流和交、直流混合光伏發(fā)電系統(tǒng)4.市電互補(bǔ)型光伏發(fā)電系統(tǒng)所謂市電互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)，就是在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中以大陽(yáng)能光伏發(fā)電為主，以普通220V交流電補(bǔ)充電能為輔，如圖1-11所示。這樣光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)能電池和蓄電池的容量都可以設(shè)計(jì)得小一些，基本上是當(dāng)天有陽(yáng)光，當(dāng)天就用太陽(yáng)能發(fā)的電，遇到陰雨天時(shí)就用市電能量進(jìn)行補(bǔ)充。我國(guó)大部分地區(qū)基本上全年都有三分之二以上的晴好天氣，這樣系統(tǒng)全年就有三分之二以上的時(shí)間用太陽(yáng)能發(fā)電，剩余時(shí)間用市電補(bǔ)充能量。這種形式即減小了太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的一次性投資，又有顯著的節(jié)能減排效果，是太陽(yáng)能光伏發(fā)電在現(xiàn)階段推廣和普及過(guò)程中的一個(gè)過(guò)渡性的好辦法。這種形式的原理與下面將要介紹的無(wú)逆流并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)有相似之處，但還不能等同于并網(wǎng)應(yīng)用。圖1-11市電互補(bǔ)型光伏發(fā)電系統(tǒng)市電互補(bǔ)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用舉例。某市區(qū)路燈改造，如果將普通路燈全部換成太陽(yáng)能路燈，一次性投資很大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)。而如果將普通路燈加以改造，保持原市電供電線路和燈桿不動(dòng)，更換節(jié)能型光源燈具，采用市電互補(bǔ)光伏發(fā)電的形式，用小容量的太陽(yáng)能電池和蓄電池（僅夠當(dāng)天使用，也不考慮連續(xù)陰雨天數(shù)），就構(gòu)成了市電互補(bǔ)型太陽(yáng)能光伏路燈，投資減少一半以上，節(jié)能效果顯著。三、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)所謂并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)就是太陽(yáng)能組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入公共電網(wǎng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有集中式大型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，也有分散式小型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。集中式大型并網(wǎng)光伏電站一般都是國(guó)家級(jí)電站，主要特點(diǎn)是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。但這種電站投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)、占地面積大。而分散式小型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，特別是光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)，由于投資小、建設(shè)快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點(diǎn)，是目前并網(wǎng)光伏發(fā)電的主流。常見(jiàn)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)一般有下列幾種形式。1.有逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖1-12所示。當(dāng)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能充裕時(shí)，可將剩余電能饋入公共電網(wǎng)，向電網(wǎng)供電（賣電）；當(dāng)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)提供的電力不足時(shí)，由電網(wǎng)向負(fù)載供電（買電）。由于向電網(wǎng)供電時(shí)與電網(wǎng)供電的方向相反，所以稱為有逆流光伏發(fā)電系統(tǒng)。1-12有逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)2.無(wú)逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 無(wú)逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖1-11所示。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)即使發(fā)電充裕也不向公；電網(wǎng)供電，但當(dāng)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)供電不足時(shí)，則由公共電網(wǎng)向負(fù)載供電。圖1-13無(wú)逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)3.切換型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 切換型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如圖1-14所示。所謂切換型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)際上是具有自動(dòng)運(yùn)行雙向切換的功能。一是當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)因多云、陰雨天及自身故障等導(dǎo)致發(fā)電量不足時(shí)，切換器能自動(dòng)切換到電網(wǎng)供電一側(cè)，由電網(wǎng)向負(fù)載供電；二是當(dāng)電網(wǎng)因?yàn)槟撤N原因，然停電時(shí)，光伏系統(tǒng)可以自動(dòng)切換使電網(wǎng)與光伏系統(tǒng)分離，成為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)工作狀態(tài)。有些切換型光伏發(fā)電系統(tǒng)，還可以在需要時(shí)斷開(kāi)為一般負(fù)載的供電，接通對(duì)應(yīng)急負(fù)載的供電，一般切換型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)都帶有儲(chǔ)能裝置。圖1-14切換型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)思考題：從以上內(nèi)容，歸納分析光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域。從獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際工程案例出發(fā)，列舉不同工作模式下的典型案例，并闡述其工作過(guò)程及特點(diǎn)。從并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際工程案例出發(fā)，列舉不同工作模式下的典型案例，并闡述其工作過(guò)程及特點(diǎn)。下圖1-15為家用光伏發(fā)電系統(tǒng)，分析其結(jié)構(gòu)，描述其工作特點(diǎn)。如果要設(shè)計(jì)一個(gè)大型屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，考慮其系統(tǒng)的組成及工作特點(diǎn)。圖1-15家用光伏發(fā)電系統(tǒng)

項(xiàng)目2太陽(yáng)能資源的獲取學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)能力目標(biāo)掌握太陽(yáng)能資源的組成；掌握我國(guó)太陽(yáng)能資源分布；掌握獲取最大資源的方法；掌握太陽(yáng)能輻射量的測(cè)量方法；掌握太陽(yáng)能輻射量參數(shù)轉(zhuǎn)化。能計(jì)算太陽(yáng)能輻射量；能測(cè)量實(shí)際光伏輻射量；能進(jìn)行輻射量參數(shù)轉(zhuǎn)化；能利用RETSCENT獲取太陽(yáng)能資源；能從太陽(yáng)能資源角度出發(fā)，評(píng)估光伏發(fā)電系統(tǒng)可行性。案例提示太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)總體性能的最關(guān)鍵問(wèn)題是如何安裝好的系統(tǒng)最有效地利用太能資源。要使光伏發(fā)電系統(tǒng)方陣達(dá)到性能最佳，必須安裝得使它獲得盡可能多的能量。因?yàn)樘?yáng)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的“燃料”，所以希望確保方陣充分獲取盡可能多的太陽(yáng)能資源（照射光伏發(fā)電系統(tǒng)的陽(yáng)光）。對(duì)于如何獲取最佳太陽(yáng)能資源，主要考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝地點(diǎn)及安裝方式。例如我國(guó)太陽(yáng)資源最豐富地區(qū)主要集中在我國(guó)青藏高原和新疆、甘肅、內(nèi)蒙古一帶，年總輻射大于6300MJ/m2，相同發(fā)電裝機(jī)量，發(fā)電效益優(yōu)于其他地區(qū)。又如在同一地點(diǎn)采用不同方陣安裝方式（固定型、跟蹤型），所獲取的太陽(yáng)能資源也是不同。圖2-1光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝方式2.1我國(guó)太陽(yáng)能資源分布任務(wù)目標(biāo)：了解全球太陽(yáng)能資源分布情況，掌握我國(guó)太陽(yáng)能資源分布情況。任務(wù)描述： 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，決定光伏發(fā)電量及影響光伏發(fā)電成本的主要因素之一就是太陽(yáng)能資源，掌握太陽(yáng)能資源的資源分布對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)有著重要的意義。案例引導(dǎo)：太陽(yáng)能資源對(duì)光伏發(fā)電量的影響 搭建如下獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。通過(guò)改變模擬光源強(qiáng)度，測(cè)量負(fù)載（LED）電壓、電流值，并記錄當(dāng)前光源強(qiáng)度，填寫下列表格。圖2-2獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖表2-1光強(qiáng)與功率表序號(hào)電壓電流功率光強(qiáng)LED亮度1弱強(qiáng)23456 思考：描述太陽(yáng)能資源對(duì)光伏發(fā)電量的影響。任務(wù)實(shí)施：太陽(yáng)能資源（Solarenergyresources）指任一特定時(shí)段內(nèi)（如日、月、年）水平面上太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度的累計(jì)值，單位為兆焦每平方米（MJ/m2）。一、世界太陽(yáng)能資源分布太陽(yáng)是一顆自己能發(fā)光的氣體星球，其內(nèi)部不斷進(jìn)行著熱核反應(yīng)，因而每時(shí)每刻都在穩(wěn)定地向宇宙空間發(fā)射能量。人類開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能主要是利用太陽(yáng)光輻射所產(chǎn)生的能量，由于地球表面大部分被海洋覆蓋，達(dá)到陸地表面的能量約占太陽(yáng)達(dá)到地球范圍內(nèi)太陽(yáng)輻射能的10%，然而太陽(yáng)每秒鐘到達(dá)地球陸地表面的輻射能相當(dāng)于世界一年內(nèi)消耗的各種能源所產(chǎn)生的總能量的3.5萬(wàn)倍，因此太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用日益受到人們的青睞。太陽(yáng)向宇宙空間發(fā)射的輻射功率為3.8×1023kW的輻射值，其中20億分之一到達(dá)地球大氣層。到達(dá)地球大氣層的太陽(yáng)能，30%被大氣層反射，23%被大氣層吸收，47%到達(dá)地球表面，其功率為800000億KW，也就是說(shuō)太陽(yáng)每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于燃燒500萬(wàn)噸煤釋放的熱量。全球人類目前每年能源消費(fèi)的總和只相當(dāng)于太陽(yáng)在40分鐘內(nèi)照射到地球表面的能量。二、我國(guó)太陽(yáng)能資源分布我國(guó)幅員遼闊，有著十分豐富的太陽(yáng)能資源。據(jù)估算，我國(guó)陸地表面每年接受的太陽(yáng)輻射能約為50×1018kJ，全國(guó)各地太陽(yáng)年輻射總量達(dá)335～837kJ/cm2·a，中值為586kJ/cm2·a。從全國(guó)太陽(yáng)年輻射總量的分布來(lái)看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺(tái)灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽(yáng)輻射總量很大。尤其是青藏高原地區(qū)最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大氣層薄而清潔，透明度好，緯度低，日照時(shí)間長(zhǎng)。例如被人們稱為“日光城”的拉薩市，1961年至1970年的平均值，年平均日照時(shí)間為3005.7h，相對(duì)日照為68％，年平均晴天為108.5天，陰天為98.8天，年平均云量為4.8，太陽(yáng)總輻射為816kJ/cm2·a，比全國(guó)其它省區(qū)和同緯度的地區(qū)都高。全國(guó)以四川和貴州兩省的太陽(yáng)年輻射總量最小，其中尤以四川盆地為最，那里雨多、霧多，晴天較少。例如素有“霧都”之稱的成都市，年平均日照時(shí)數(shù)僅為1152.2h，相對(duì)日照為26％，年平均晴天為24.7天，陰天達(dá)244.6天，年平均云量高達(dá)8.4，其它地區(qū)的太陽(yáng)年輻射總量居中。大體上說(shuō)，我國(guó)約有三分之二以上的地區(qū)太陽(yáng)能資源較好，特別是青藏高原和新疆、甘肅、內(nèi)蒙古一帶，利用太陽(yáng)能的條件尤其有利。根據(jù)各地接受太陽(yáng)總輻射量的多少，可將全國(guó)劃分為四類地區(qū)。一類地區(qū)：為中國(guó)太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)，日輻射量>5.1KWh/㎡。這些地區(qū)包括寧夏北部、甘肅北部、\o"新疆"新疆東部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最為豐富，最高達(dá)日輻射量6.4KWh/㎡，居世界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠。二類地區(qū)：為中國(guó)太陽(yáng)能資源較豐富地區(qū)，日輻射量4.1～5.1KWh/㎡。這些地區(qū)包括河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。三類地區(qū)：為中國(guó)太陽(yáng)能資源中等類型地區(qū)，日輻射量3.3～4.1KWh/㎡。主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、蘇北、皖北、臺(tái)灣西南部等地。四類地區(qū)：是中國(guó)太陽(yáng)能資源較差地區(qū)，日輻射量<3.1KWh/㎡。這些地區(qū)包括湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建北部、廣東北部、陜西南部、江蘇北部、安徽南部以及黑龍江、臺(tái)灣東北部等地。四川、貴州兩省，是中國(guó)太陽(yáng)能資源最少的地區(qū)，日輻射量只有2.5～3.2KWh/㎡。圖2-3為我國(guó)太陽(yáng)能資源分布情況，主要特點(diǎn)有：圖2-3我國(guó)太陽(yáng)能資源分布1.太陽(yáng)能的高值中心和低值中心都處在北緯22°～35°這一帶，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；2.太陽(yáng)年輻射總量，西部地區(qū)高于東部地區(qū)，而且除西藏和新疆兩個(gè)自治區(qū)外，基本上是南部低于北部；3.由于南方多數(shù)地區(qū)云多雨多，在北緯30°～40°之間，太陽(yáng)能的分布情況與一般的太陽(yáng)能隨緯度而變化的規(guī)律相反，太陽(yáng)能不是隨著緯度的升高而減少，而是隨著緯度的升高而增加。表2-2我國(guó)太陽(yáng)能資源表年總輻射量峰值日照時(shí)數(shù)（平均）地區(qū)6680～8400MJ/m25.08～6.39（5.7）寧夏北部、甘肅北部、新疆東南部、青海西部和西藏西部5852～6680MJ/m24.45～5.08（4.7）河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部5016～5852MJ/m23.82～4.45（4.1）山東東南部、河南東南部、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、江蘇北部、安徽北部、天津、北京和臺(tái)灣西南部4190～5016MJ/m23.19～3.82（3.5）湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建北部、廣東北部、陜西南部、江蘇南部、安徽南部以及黑龍江、臺(tái)灣東北部3344～4190MJ/m22.54～3.19（2.8）四川、貴州、重慶 三、輻射量單位及換算太陽(yáng)能能輻射量單位有卡（cal）、焦耳（J）、瓦(W)等。其關(guān)系如下。1卡(cal)=4.1868焦(J)=1.16278毫瓦時(shí)(mWh)1千瓦時(shí)(kWh)=3.6兆焦(MJ)1千瓦時(shí)/米2(kWh/m2)=3.6兆焦/米2(MJ/rm2)=0.36千焦/厘米2(kj/cm2)100毫瓦時(shí)/厘米2(mWh/cm2)=85.98卡/厘米2(cal/cm2)1兆焦/米2(MJ/m2)=23.889卡/厘米2(cal/cm2)=27.8毫瓦時(shí)/厘米2(rmWh/cm2) 四、峰值日照時(shí)數(shù)峰值日照是在晴天時(shí)地球表面的大多數(shù)地點(diǎn)能夠得到的最大太陽(yáng)輻射照度1000W/㎡。一個(gè)小時(shí)的峰值日照就叫做峰值日照小時(shí)。峰值日照小時(shí)數(shù)是一個(gè)描述太陽(yáng)輻射的單位(瓦每平方米每天，W/㎡/D)，也被叫做太陽(yáng)日照率或者簡(jiǎn)稱日照率。日照率用來(lái)比較不同地區(qū)的太陽(yáng)能資源。舉例來(lái)說(shuō)，例如在我國(guó)太陽(yáng)能資源極豐富帶青海，年輻射總量大于170KWh/m2,則峰值日照時(shí)數(shù)為:年總輻射量/365。全年峰值日照時(shí)數(shù)為:180000×0.0116=2088小時(shí)。0.0116為將輻射量(卡/cm2)換算成峰值日照時(shí)數(shù)的換算系數(shù)。峰值日照定義：100毫瓦/cm2=0.1瓦/cm21卡=4.18焦耳=4.18瓦秒；1小時(shí)=3600秒則:1卡/cm2=4.18瓦秒/卡/(3600秒/小時(shí)×0.1瓦/cm2)=0.0116小時(shí)cm2/卡于是:180000卡/cm2年×0.0116小時(shí)cm2/卡=2088小時(shí)/年平均每日峰值日照時(shí)數(shù)為：2088÷365＝5.72小時(shí)/日2.2太陽(yáng)輻資源獲取2.2.1太陽(yáng)能輻射量組成任務(wù)目標(biāo)：理解太陽(yáng)能能資源的組成。任務(wù)描述：太陽(yáng)輻射發(fā)射至地球，不斷要經(jīng)過(guò)遙遠(yuǎn)的旅程，并且還要遇到各種阻攔，受到各種影響。掌握太陽(yáng)能資源的組成是計(jì)算和測(cè)量太陽(yáng)能資源的首要條件。任務(wù)實(shí)施：一、太陽(yáng)輻射光譜

太陽(yáng)輻射中輻射能按波長(zhǎng)的分布，稱為太陽(yáng)輻射光譜，見(jiàn)圖2-5。從圖中可看出，大氣上界太陽(yáng)光譜能量分布曲線，與用普朗克黑體輻射公式計(jì)算出的6000K的黑體光譜能量分布曲線非常相似。因此可以把太陽(yáng)輻射看作黑體輻射。太陽(yáng)是一個(gè)熾熱的氣體球，其表面溫度約為6000K，內(nèi)部溫度更高。根據(jù)維恩位移定律可以計(jì)算出太陽(yáng)輻射峰值的波長(zhǎng)λmax為0.475μm，這個(gè)波長(zhǎng)在可見(jiàn)光的青光部分。太陽(yáng)輻射主要集中在可見(jiàn)光部分（0.4～0.76μm），波長(zhǎng)大于可見(jiàn)光的紅外線（＞0.76μm）和小于可見(jiàn)光的紫外線（＜0.4μm）的部分少。在全部輻射能中，波長(zhǎng)在0.15～4μm之間的占99%以上，且主要分布在可見(jiàn)光區(qū)和紅外區(qū)，前者占太陽(yáng)輻射總能量的約50%，后者占約43%，紫外區(qū)的太陽(yáng)輻射能很少，只占總量的約7%。圖2-5大氣上界和地面的太陽(yáng)輻射光譜 二、影響地球表面太陽(yáng)能輻照度的因素 1.高度角 對(duì)于地球上的某個(gè)地點(diǎn)，太陽(yáng)高度角是指太陽(yáng)能光入射方向和地平面之間的夾角，即某地太陽(yáng)光線與該地作垂直于地心的地標(biāo)切線的夾角，簡(jiǎn)稱太陽(yáng)高度。 由于地球大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射有吸收、反射和散射作用，因此，紅外線、可見(jiàn)光和紫外線在光射線中所占的比例也隨著太陽(yáng)高度角的變化而變化。 一天中，太陽(yáng)高度角是不斷變化的；同時(shí)，在一年中也是不斷變化的。對(duì)于某處地平面來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)高度角較低時(shí)，光線穿過(guò)大氣的路程較長(zhǎng)，輻射能衰減得就較多。同時(shí)，又因?yàn)楣饩€以較小的角投射到該地平面上，所以到達(dá)地平面的能量就較少。反之，則較多。 2.大氣質(zhì)量 太陽(yáng)輻射能受到衰減作用的大小，與太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣路程的長(zhǎng)短有關(guān)。路程越長(zhǎng)，能量損失就越多；路程越短，能量損失越少。大氣質(zhì)量就是太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層的無(wú)量綱路程，將其定義為太陽(yáng)光通過(guò)大氣層的路徑與太陽(yáng)光在天頂方向時(shí)射向地面的路徑之比。令海平面上太陽(yáng)光垂直入射路徑為1.即無(wú)量綱距為m=1.大氣質(zhì)量與太陽(yáng)能高度角關(guān)系如表2-3所示。表2-3大氣質(zhì)量與太陽(yáng)能高度角關(guān)系太陽(yáng)高度角90604530105大氣質(zhì)量1.0001.1551.4142.0005.75811.480 3.大氣透明度 在大氣層上界與光線垂直的平面上，太陽(yáng)輻射度基本上是一個(gè)常數(shù)。但是在地球表面上，太陽(yáng)輻射度確實(shí)經(jīng)常變化的。這主要是由大氣透明程度不同所引起的。大氣透明度是表征大氣對(duì)于太陽(yáng)光線透過(guò)程度的一個(gè)參數(shù)。在晴朗無(wú)云的天氣，大氣透明度高，到達(dá)地面的太陽(yáng)能就多。天空云霧很多或無(wú)風(fēng)沙灰塵很大時(shí)，大氣透明度很低，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能就較少?？梢?jiàn)，大氣透明度是與天空中云量的多少以及大氣中所含灰塵等雜質(zhì)的多少密切相關(guān)。表2-4為不同高度角和大氣透明度下的太陽(yáng)直接輻射度。表2-4高度角和大氣透明度下的太陽(yáng)直接輻射度透明度太陽(yáng)高度角710152025304050607590很混濁60.410.540.630.70.830.941.001.041.06混濁0.650.250.380.550.670.760.840.981.07偏低0.70.350.490.670.790.880.961.051.27正常0.750.480.630.810.931.071.321.351.37偏高0.80.610.760.931.021.371.411.441.46很透明0.850.770.91.081.201.291.351.421.471.511.531.54 4.地球緯度 太陽(yáng)輻射量是由低緯度向高緯度逐漸減弱的。假定不同緯度地區(qū)的大氣透明度是相同的，在這樣的條件下進(jìn)行比較，如圖2-6所示，春分中午時(shí)刻的太陽(yáng)垂直照射到地球赤道F點(diǎn)上，設(shè)同一經(jīng)度上有另外兩點(diǎn)B、D，且B點(diǎn)緯度比D點(diǎn)緯度高。由圖2-6可知，陽(yáng)光射到B點(diǎn)所需經(jīng)過(guò)大氣層的路程AB比陽(yáng)光射到D點(diǎn)所經(jīng)過(guò)大氣層的路程CD長(zhǎng)。所以B點(diǎn)的垂直輻射能量將比D點(diǎn)小。在赤道上F點(diǎn)垂直輻射通量很大，因?yàn)殛?yáng)光在大氣層中經(jīng)過(guò)的路程EF最短。圖2-6太陽(yáng)垂直輻射通量與地理緯度的關(guān)系 5.日照時(shí)間 日照時(shí)間也是影響地面太陽(yáng)輻射度的一個(gè)重要因素。如果某地區(qū)某日白天有14h，若其中陰天時(shí)間≥6h，而出太陽(yáng)的時(shí)間小于或等于8h，那么，可以說(shuō)該地區(qū)那一天的日照時(shí)間是8h。日照時(shí)間越長(zhǎng)，地面所獲得的太陽(yáng)總輻射量就越多。 6.海拔高度 海拔越高，大氣透明度越好，從而太陽(yáng)的直接輻射量也就越高。我國(guó)青藏高原地區(qū)，由于平均海拔高達(dá)4000m以上，且大氣潔凈、空氣干燥、緯度又低，因此太陽(yáng)總輻射量多介于6000~8000MJ/m2，直接輻射比重大。 此外，日地距離、地形、地勢(shì)等對(duì)太陽(yáng)輻射度也有一定影響。在同一緯度上，盤地氣溫要比平川高，陽(yáng)坡氣溫要比陰坡高等。 三、太陽(yáng)輻射在大氣中的衰減

太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層后到達(dá)地球表面。由于大氣對(duì)太陽(yáng)輻射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大氣上界的輻射不能完全到達(dá)地表面。圖2-5最下面的實(shí)曲線表示太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層被吸收、散射、反射后到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射光譜。

四、直散分離原理大地表面（即水平面）和太陽(yáng)能電池方陣面（傾斜面）上接收到的輻射量均符合直散分離原理，即總輻射等于直接輻射與散輻射之合，只不過(guò)大地表面多接收到的輻射量沒(méi)有地面反射分量，而太陽(yáng)能電池方陣面上所接受到的輻射量包括地地面反射分量。即(公式2-1) 為傾斜面接收到的總輻射量；為傾斜面接收到的直接輻射；為傾斜面接收到的散射輻射量；為傾斜面接收到的地面反射。圖2-7太陽(yáng)輻射示意圖2.2.2太陽(yáng)能輻射量測(cè)量任務(wù)目標(biāo)：理解太陽(yáng)能能資源的組成。任務(wù)描述：無(wú)論是獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)還是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，其全部能量都來(lái)自太陽(yáng)。對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的電池方陣（有傾角）所獲取的太陽(yáng)資源輻射量，是通過(guò)水平太陽(yáng)能輻射量計(jì)算得到。水平太陽(yáng)能輻射量主要由其所在的地理位置決定。案例引導(dǎo)：利用總輻射表獲取太陽(yáng)能資源利用太陽(yáng)能總輻射表獲取太陽(yáng)能資源，完成下表數(shù)據(jù)填寫。內(nèi)容測(cè)量值內(nèi)容測(cè)量值水平輻射量直射反射斜角總輻射1散射斜角總輻射2一、總輻射表太陽(yáng)能總輻射表是測(cè)量太陽(yáng)能水平輻射量的方法。太陽(yáng)總輻射表為熱電效應(yīng)原理，感應(yīng)元件采用繞線電鍍式多接點(diǎn)熱電堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂層。熱接點(diǎn)在感應(yīng)面上，而冷結(jié)點(diǎn)則位于機(jī)體內(nèi)，冷熱接點(diǎn)產(chǎn)生溫差電勢(shì)。在線性范圍內(nèi)，輸出信號(hào)與太陽(yáng)輻照度成正比。為減小溫度的影響則配有溫度補(bǔ)償線路，為了防止環(huán)境對(duì)其性能的影響，則用兩層石英玻璃罩，罩是經(jīng)過(guò)精密的光學(xué)冷加工磨制而成的。該表用來(lái)測(cè)量光譜范圍為0.3-3μm的太陽(yáng)總輻射，也可用來(lái)測(cè)量入射到斜面上的太陽(yáng)輻射，如感應(yīng)面向下可測(cè)量反射輻射，如加遮光環(huán)可測(cè)量散射輻射。因此，它可廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能利用、氣象、農(nóng)業(yè)、建筑材料老化及大氣污染等部門做太陽(yáng)輻射能量的測(cè)量。該表應(yīng)安裝在四周空曠，感應(yīng)面以上沒(méi)有任何障礙物的地方。然后將輻射表電纜插頭正對(duì)北方，調(diào)整好水平位置，將其牢牢固定，再將總輻射表輸出電纜與記錄器相連接，即可觀測(cè)。最好將電纜牢固地固定在安裝架上，以減少斷裂或在有風(fēng)天發(fā)生間歇中斷現(xiàn)象。下圖為RHD-29太陽(yáng)總輻射表的技術(shù)參數(shù)。圖2-8太陽(yáng)能總輻射表表2-7RHD-29太陽(yáng)總輻射表的技術(shù)參數(shù)序號(hào)內(nèi)容指標(biāo)序號(hào)內(nèi)容指標(biāo)1靈敏度7~14μV/W·M-25非線性±2%2響應(yīng)時(shí)間30秒6重量2.5Kg3內(nèi)阻約3507溫度特性±2%（-20oC~+40oC）4穩(wěn)定性±2%8余弦響應(yīng)±5%，太陽(yáng)高度角10o時(shí)注意事項(xiàng)：1．玻璃罩應(yīng)保持清潔，要經(jīng)常用軟布或毛皮擦試。2．玻璃罩不可拆卸或松動(dòng)，以免影響測(cè)量精度。3．應(yīng)定期更換干燥劑，以防罩內(nèi)結(jié)水。二、利用太陽(yáng)能光測(cè)系統(tǒng)獲取水平面太陽(yáng)輻射量測(cè)量太陽(yáng)輻射觀測(cè)：總輻射；直接輻射；散射輻射(總表+裝置)；凈全輻射；反射輻射；分光譜輻射（5塊）；輻射表專用電纜；輻射觀測(cè)臺(tái)架；太陽(yáng)輻射電流表；輻射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（含軟件）組成。實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)輻射的能量動(dòng)態(tài)檢測(cè)以及太陽(yáng)光譜的分布，各光譜的能量的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，認(rèn)識(shí)和了解太陽(yáng)能各要素相互關(guān)系。圖2-9太陽(yáng)能觀測(cè)系統(tǒng)2.3太陽(yáng)能輻射量估算任務(wù)目標(biāo)：掌握利用計(jì)算機(jī)仿真軟件及估算方式獲取太陽(yáng)能資源任務(wù)描述： 太陽(yáng)能電池方陣面太陽(yáng)能資源除了和水平面輻射量相關(guān)，還和太陽(yáng)能電池方陣支架的安裝方式、方位角等因素相關(guān)，計(jì)算方法相對(duì)較復(fù)雜。而上述太陽(yáng)能水平面輻射量測(cè)量只能測(cè)試當(dāng)前輻射量，不能完全表示年輻射量的關(guān)系。由于太陽(yáng)輻射量的計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，所以一般是由計(jì)算機(jī)來(lái)完成；在要求不太嚴(yán)格的情況下，也可以采取估算的辦法。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)上，我們可以采用RETScreen仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)傾斜面電池板的太陽(yáng)能輻射估算。案例分析：利用RETScreen獲取傾斜面太陽(yáng)輻射資源。 RETScreen方陣軟件是由加拿大環(huán)境資源署和美國(guó)宇航局共同開(kāi)發(fā)的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件。通過(guò)軟件可以很方便的計(jì)算機(jī)固定方陣固定傾斜角、地平坐標(biāo)東西向跟蹤、赤道坐標(biāo)軸跟蹤以及雙軸精確跟蹤等多種方式下太陽(yáng)能電池方陣面所接收到太陽(yáng)能輻射。RETScreen使用參照項(xiàng)目9。 根據(jù)案例引導(dǎo)，填寫下列表格。表2-12太陽(yáng)能資源分析表組件安裝方式地位位置（緯度、經(jīng)度）地理位置最小月輻射量年總輻射量任務(wù)實(shí)施：一、仿真軟件獲取RETScreen是清潔能源的意識(shí)及決策支持和功能構(gòu)建的工具。這個(gè)工具的核心是由已標(biāo)準(zhǔn)化和集成化清潔能源分析軟件構(gòu)成，以便它可以在世界范圍內(nèi)都能應(yīng)用，可以為不同類型的節(jié)能和可再生能源工程的能源產(chǎn)量、周期成本以及溫室氣體的減排作出評(píng)估。每個(gè)RETScreen能源工程模型(例如光伏項(xiàng)目等)都可以在微軟EXCEL的"工作手冊(cè)"文件中開(kāi)發(fā)。"工作手冊(cè)"文件是由一系列的工作表依次組成的。這些工作表有公共的界面和與所有的RETScreen模型都相匹配的標(biāo)準(zhǔn)方式。光伏項(xiàng)目模型能方便地評(píng)估三個(gè)基本光伏應(yīng)用(并網(wǎng)、離網(wǎng)和排水）的能源產(chǎn)量、壽命期成本和溫室氣體減排。對(duì)于并網(wǎng)的應(yīng)用，模型可以用來(lái)評(píng)估中樞電網(wǎng)和獨(dú)立電網(wǎng)的光伏系統(tǒng)。對(duì)于離網(wǎng)的應(yīng)用，模型可以用來(lái)評(píng)估獨(dú)立光伏系統(tǒng)（光伏-蓄電池）和互補(bǔ)光伏系統(tǒng)（光伏-蓄電池-柴油發(fā)電機(jī)）。對(duì)于排水的應(yīng)用，模型可以用來(lái)評(píng)估光伏排水系統(tǒng)。光伏項(xiàng)目模型包括6個(gè)工作表(能量模型，太陽(yáng)能資源和系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算，成本分析，溫室氣體(溫室氣體)排放降低分析，財(cái)務(wù)概要和敏感性與風(fēng)險(xiǎn)分析)。使用方法：應(yīng)當(dāng)首先完成能量模型，太陽(yáng)能資源和系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算，然后進(jìn)行成本分析和財(cái)務(wù)分析。溫室氣體減排分析和敏感性與風(fēng)險(xiǎn)分析是可選項(xiàng)。溫室氣體減排分析可以使用戶計(jì)算所提議項(xiàng)目的溫室氣體減排評(píng)估。敏感性分析可以幫助用戶評(píng)估當(dāng)主要經(jīng)濟(jì)、技術(shù)參數(shù)變化時(shí)項(xiàng)目主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的變化敏感性。一般來(lái)講，用戶從上到下使用工作表，這個(gè)過(guò)程可能會(huì)重復(fù)幾次才能達(dá)到最佳的能源應(yīng)用與成本合理化的搭配。具體實(shí)施內(nèi)容參考“RETScreen仿真指導(dǎo)書”。具體實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書參考“RETScreen實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書”二、傾斜面輻射量估算在沒(méi)有計(jì)算機(jī)軟件的情況下，也可以根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥扔上铝嘘P(guān)系粗略確定固定太陽(yáng)能電池方陣的傾角，為消除冬夏輻射量的差距，一般來(lái)講緯度越高傾角也越大，如表所示。表2-13光伏電池方陣傾斜角度緯度太陽(yáng)能電池方陣傾角緯度太陽(yáng)能電池方陣傾角0～25等于緯度41～55緯度+10～1526～40緯度+5～10>55緯度+15～20傾斜角確定好后，如果手頭沒(méi)有計(jì)算機(jī)軟件，可以由水平面輻射量估算太陽(yáng)能電池方陣面上的輻射量。一般來(lái)講，固定傾角太陽(yáng)能電池方陣面上的輻射量要比水平面輻射量高5%～15%。直射分量越大、緯度越高，傾斜面比水平面增加的輻射量越大。思考題：1.利用傾斜面輻射估算方法，安裝固定安裝方式，估算年輻射量情況。地理名稱地位位置（緯度、經(jīng)度）RETScreen仿真傾斜面估算傾斜角設(shè)計(jì)北京杭州廣州銀川拉薩成都2.從上述我國(guó)太陽(yáng)能資源分布情況及單位換算關(guān)系，填寫下表。表2-3我國(guó)太陽(yáng)能資源分布表等級(jí)年總輻射量（MJ/m2）年總輻射量（KWH/m2）平均日輻射量（KWH/m2）極豐富帶很豐富帶豐富帶一般3.下表是下表是浙江杭州地區(qū)的年輻射量數(shù)據(jù)表，請(qǐng)按照要求轉(zhuǎn)換。月份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月輻射量（MJ/m2/d）8.148.759.1112.1714.9014.7218.9016.9914.6212.8510.7610.08峰值日照時(shí)數(shù)（h/d）4.分析說(shuō)明，利用總輻射表如何測(cè)量太陽(yáng)反射、直射、散射值。5.利用太陽(yáng)能光側(cè)系統(tǒng)測(cè)量一日太陽(yáng)能資源情況，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

項(xiàng)目3光伏電池組件及方陣容量設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)能力目標(biāo)掌握太陽(yáng)能單體電池發(fā)電特性；掌握太陽(yáng)能電池串、并聯(lián)特性；掌握電池組件參數(shù)和組件選擇；掌握一般光伏方陣容量設(shè)計(jì)方法；掌握光伏方陣安裝方式及傾斜角設(shè)計(jì)；能分析單體電池工作特性；能實(shí)現(xiàn)組件的串并聯(lián)；能按照實(shí)際需求完成組件容量設(shè)計(jì)；能按照實(shí)際要求完成組件選擇；案例提示光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)能量來(lái)源，目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)采用的太陽(yáng)能電池組件主要以晶體硅材料為主（包括單晶硅和多晶硅）。對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的電池方陣，由電池組件及單體電池組成。從實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量需求出發(fā)，要求設(shè)計(jì)合理光伏電池方陣。電池組件的選擇及組件功率是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)重要內(nèi)容。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中電池方陣的安裝方式、傾斜角都會(huì)影響光伏方陣的放電量。圖3-1光伏組件設(shè)計(jì)與串并聯(lián)3.1光伏單體電池發(fā)電特性認(rèn)識(shí) 單體電池是光伏方陣的最小單元，經(jīng)過(guò)單體電池的串并聯(lián)，可以得到電池組件及電池方陣。為了獲取需要大小的電池容量，首先要認(rèn)識(shí)單體電池特性。3.1.1單體電池參數(shù)認(rèn)識(shí)任務(wù)目標(biāo)： 掌握單體電池基本參數(shù)測(cè)量。任務(wù)描述： 單體電池是電池方陣的最小單元，經(jīng)過(guò)其串并聯(lián)可到的用戶需要的電池結(jié)構(gòu)。在單體電池選擇上，主要從短路電流、開(kāi)路電壓、峰值電流、峰值電壓、峰值功率5個(gè)基本參數(shù)出發(fā)，組合成所需電池方陣。案例分析:單體電池參數(shù)特性測(cè)試 搭建前述“最小”光伏發(fā)電系統(tǒng)電路，調(diào)節(jié)負(fù)載，測(cè)試單體電池參數(shù)特性，填寫下表。（注：調(diào)節(jié)某一光照強(qiáng)度，默認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)光照） 圖3-2單體電池表3-1單體電池輸出特性序號(hào)開(kāi)路電壓短路電流峰值電壓峰值電流最大功率1任務(wù)實(shí)施：一、電池組件與單體電池太陽(yáng)能電池組件(SolarModule)也叫太陽(yáng)能光伏組件(PVModule)，通常還簡(jiǎn)稱為電池板或光伏組件。太陽(yáng)能電池組件是把多個(gè)單體的太陽(yáng)能電池片，根據(jù)需要串并聯(lián)起來(lái)，并通過(guò)專用材料和專門生產(chǎn)工藝進(jìn)行封裝后的產(chǎn)品。為什么單體的太陽(yáng)能電池不能直接用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用呢？這是因?yàn)椋?.單體太陽(yáng)能電池機(jī)械強(qiáng)度差，厚度只有2μm左右，薄而易碎；2.太陽(yáng)能電池易腐蝕，若直接暴露在大氣中，電池的轉(zhuǎn)換效率會(huì)受到潮濕、灰塵、酸堿物質(zhì)、冰雹、風(fēng)沙以及空氣中含氧量等的影響而下降，電池的電極也會(huì)氧化、銹蝕脫落甚至?xí)?dǎo)致電池失效；3.單體太陽(yáng)能電池的輸出電壓、電流和功率都很小，工作電壓只有0.48～0.5V，由于受硅片材料尺寸限制，單體電池片輸出功率最大也只有3～4W，遠(yuǎn)不能滿足光伏發(fā)電實(shí)際應(yīng)用的要求。目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)采用的太陽(yáng)能電池組件主要以晶體硅材料為主（包括單晶硅和多晶硅），因此本章將主要介紹晶體硅太陽(yáng)能電池組件的原理構(gòu)造和生產(chǎn)制造過(guò)程，以及太陽(yáng)能電池方陣的組合、配置和連接等內(nèi)容。二、單體電池參數(shù)分析1.短路電流IS短路電流(Is)：當(dāng)將太陽(yáng)能電池的正負(fù)極短路、使U=O時(shí)，此時(shí)的電流就是電池片的短路電流，短路電流的單位是安培(A)，短路電流隨著光強(qiáng)的變化而變化。2.開(kāi)路電壓Uo當(dāng)將太陽(yáng)能電池的正負(fù)極不接負(fù)載、使1=O時(shí)，此時(shí)太陽(yáng)能電池正負(fù)極間的電壓就是開(kāi)路電壓，開(kāi)路電壓的單位是伏特(V)。單片太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓不隨電池片面積的增減而變化，一般為0.5～0.7V。3.峰值電流Im峰值電流也叫最大工作電流或最佳工作電流。峰值電流是指太陽(yáng)能電池片輸出最大功率時(shí)的工作電流，峰值電流的單位是安培(A)。4.峰值電壓Um峰值電壓也叫最大工作電壓或最佳工作電壓。峰值電壓是指太陽(yáng)能電池片輸出最大功率時(shí)的工作電壓，峰值電壓的單位是V。峰值電壓不隨電池片面積的增減而變化，一般為0.45～0.5V，典型值為0.48V。5.峰值功率Pm峰值功率也叫最大輸出功率或最佳輸出功率。峰值功率是指太陽(yáng)能電池片正常工作或測(cè)試條件下的最大輸出功率，也就是峰值電流與峰值電壓的乘積：Pm=Im×Um。峰值功率的單位是W（瓦）。太陽(yáng)能電池的峰值功率取決于太陽(yáng)輻照度、太陽(yáng)光譜分布和電池片的工作溫度，因此太陽(yáng)能電池的測(cè)量要在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)為歐洲委員會(huì)的101號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，其條件是：輻照度lkW/m2、光譜AMl.5、測(cè)試溫度25℃6.填兗因子FF填充因子也叫曲線因子，是指太陽(yáng)能電池的最大輸出功率與開(kāi)路電壓和短路電流乘積的比值。計(jì)算公式為：，填充因子是評(píng)價(jià)太陽(yáng)能電池輸出特性。注：上述參數(shù)的測(cè)量條件都為標(biāo)準(zhǔn)光照下所獲得。3.1.2單體電池輸出特性分析任務(wù)目標(biāo)： 掌握單體電池輸出特性，包括無(wú)光照情況下的電流電壓關(guān)系、光照情況下的電流電壓關(guān)系、電池的效率、電池光譜響應(yīng)等特性。任務(wù)描述： 光伏單體電池是光伏方陣的組成單元，光伏發(fā)電最大功率跟蹤是光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題，如何獲取光伏電池方陣的最大功率點(diǎn)，必須對(duì)單體電池的輸出特性進(jìn)行認(rèn)識(shí)和理解。案例分析：光伏電池輸出特性分析 搭建前述“最小”光伏發(fā)電系統(tǒng)電路，調(diào)節(jié)負(fù)載和光照強(qiáng)度，測(cè)試單體電池輸出功率變換。要求獨(dú)立設(shè)計(jì)參數(shù)測(cè)量表，并分析繪制相關(guān)特性曲線。任務(wù)實(shí)施：一、太陽(yáng)能電池?zé)o光照情況下的電流電壓關(guān)系（暗特性）太陽(yáng)能電池是依據(jù)光生伏特效應(yīng)把太陽(yáng)能或者光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件。如果沒(méi)有光照，太陽(yáng)能電池等價(jià)于一個(gè)pn結(jié)。通常把無(wú)光照情況下太陽(yáng)能電池的電流電壓特性叫做暗特性。近似地，可以把無(wú)光照情況下的太陽(yáng)能電池等價(jià)于一個(gè)理想pn結(jié)。其電流電壓關(guān)系為肖克萊方程：（公式3-1）其中為反向飽和電流。A、D、n、p和L分別為結(jié)面積、擴(kuò)散系數(shù)、平衡電子濃度、平衡空穴濃度和擴(kuò)散長(zhǎng)度。根據(jù)肖克萊方程不難發(fā)現(xiàn)正向、反向電壓下，暗條件下太陽(yáng)能電池IV曲線不對(duì)稱，這就是pn結(jié)的單向?qū)ㄐ曰蛘哒f(shuō)整流特性。對(duì)于確定的太陽(yáng)能電池，其摻雜雜質(zhì)種類、摻雜計(jì)量、器件結(jié)構(gòu)都是確定的，對(duì)電流電壓特性具有影響的因素是溫度。溫度對(duì)半導(dǎo)體器件的影響是這類器件的通性。根據(jù)半導(dǎo)體物理原理，溫度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散長(zhǎng)度、載流子濃度都有影響，綜合考慮，反向飽和電流為：（公式3-2）由此可見(jiàn)隨著溫度升高，反向飽和電流隨著指數(shù)因子迅速增大。且?guī)对綄挼陌雽?dǎo)體材料，這種變化越劇烈。半導(dǎo)體材料禁帶寬度是溫度的函數(shù)，其中為絕對(duì)零度時(shí)候的帶隙寬度。設(shè)有，Vg0是絕對(duì)零度時(shí)導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾妱?shì)差。由此可以得到含有溫度參數(shù)的正向電流電壓關(guān)系為：（公式3-3）顯然正向電流在確定外加電壓下也是隨著溫度升高而增大的。二、太陽(yáng)能電池光照情況下的電流電壓關(guān)系（亮特性）光生少子在內(nèi)建電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下定向的運(yùn)動(dòng)在PN結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生了n區(qū)指向P區(qū)的光生電流IL，光生電動(dòng)勢(shì)等價(jià)于加載在pn結(jié)上的正向電壓V，它使得PN結(jié)勢(shì)壘高度降低qVD－qV。開(kāi)路情況下光生電流與正向電流相等時(shí)，pn結(jié)處于穩(wěn)態(tài)，兩端具有穩(wěn)定的電勢(shì)差VOC，這就是太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓Voc。如圖3-4所示，在閉路情況下，光照作用下會(huì)有電流流過(guò)pn結(jié)，顯然pn結(jié)相當(dāng)于一個(gè)電源。圖3-4太陽(yáng)能電池等效電路圖Iph為太陽(yáng)電池內(nèi)部的光生電流，與光伏電池輻照強(qiáng)度、受光面積成正比。ID為光伏電池內(nèi)部暗電流，其反映太陽(yáng)電池自身流過(guò)PN結(jié)的單向電流；IL為太陽(yáng)電池輸出流過(guò)負(fù)載的電流；ISH為PN結(jié)的漏電流；RSH為光伏電池內(nèi)部的等效旁路電阻，其值較大，一般可達(dá)幾千歐姆；RS為光伏電池內(nèi)部等效串聯(lián)電阻，其值一般較小，小于1歐姆；UL為負(fù)載兩端電壓。 光電流IL在負(fù)載上產(chǎn)生電壓降，這個(gè)電壓降可以使pn結(jié)正偏。如圖3-4所示，正偏電壓產(chǎn)生正偏電流IF。從圖3-41可知，其中流過(guò)負(fù)載的電流：（1）（2）（3）（4）其中Isc為太陽(yáng)電池內(nèi)部的短路電流，如果忽略等效電路輸出短路時(shí)流過(guò)二極管反向漏電流，Iph=Isc。從前可知，Rsh阻值較大Rs的電阻較小，所以上式可以變換為：（5）所以光伏電池輸出功率可表示為：(6)為光伏電池內(nèi)部等效二極管的P-N結(jié)反向飽和電流，近似常數(shù)，不受光照度影響；為電子電荷，q=1.6×10-19C；為波爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J/K，A為光伏電池內(nèi)部P-N結(jié)的曲線常數(shù)。開(kāi)路電壓Voc和閉路電路Isc是光電池的兩個(gè)重要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)上這兩個(gè)參數(shù)通過(guò)確定穩(wěn)定光照下太陽(yáng)能電池IV特性曲線與電流、電壓軸的截距得到。不難理解，隨著光照強(qiáng)度增大，確定太陽(yáng)能電池的閉路電流和開(kāi)路電壓都會(huì)增大。但是隨光強(qiáng)變化的規(guī)律不同，閉路電路Isc正比于入射光強(qiáng)度，開(kāi)路電壓Voc隨著入射光強(qiáng)度對(duì)數(shù)式增大。從半導(dǎo)體物理基本理論不難得到這個(gè)結(jié)論。此外，從太陽(yáng)能電池的工作原理考慮，開(kāi)路電壓Voc不會(huì)隨著入射光強(qiáng)度增大而無(wú)限增大的，它的最大值是使得pn結(jié)勢(shì)壘為零時(shí)的電壓值。換句話說(shuō)太陽(yáng)能電池的最大光生電壓為pn結(jié)的勢(shì)壘高度VD，是一個(gè)與材料帶隙、摻雜水平等有關(guān)的值。實(shí)際情況下最大開(kāi)路電壓值與材料的帶隙寬度相當(dāng)。三、太陽(yáng)能電池的效率太陽(yáng)能電池從本質(zhì)上說(shuō)一個(gè)能量轉(zhuǎn)化器件，它把光能轉(zhuǎn)化為電能。因此討論太陽(yáng)能電池的效率是必要和重要的。根據(jù)熱力學(xué)原理，我們知道任何的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程都存在效率問(wèn)題，實(shí)際發(fā)生的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程效率不可能是100％。就太陽(yáng)能電池而言，我們需要知道轉(zhuǎn)化效率和哪些因素有關(guān)，如何提高太陽(yáng)能電池的效率，最終我們期望太陽(yáng)光電池具有足夠高的效率。太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率定義為輸出電能Pm和入射光能Pin的比值：（公式3-8）其中在I－V關(guān)系中構(gòu)成一個(gè)矩形，叫做最大功率矩形。如圖4光特性I－V曲線與電流、電壓軸交點(diǎn)分別是閉路電流和開(kāi)路電壓。最大功率矩形取值點(diǎn)pm的物理含義是太陽(yáng)能電池最大輸出功率點(diǎn)，數(shù)學(xué)上是I－V曲線上坐標(biāo)相乘的最大值點(diǎn)。閉路電流和開(kāi)路電壓也自然構(gòu)成一個(gè)矩形，面積為IscVoc，定義為占空系數(shù)，圖形中它是兩個(gè)矩形面積的比值。占空系數(shù)反映了太陽(yáng)能電池可實(shí)現(xiàn)功率的度量，通常的占空系數(shù)在0.7～0.8之間。太陽(yáng)能電池本質(zhì)上是一個(gè)pn結(jié)，因而具有一個(gè)確定的禁帶寬度。從原理我們得知只有能量大于禁帶寬度的入射光子才有可能激發(fā)光生載流子并繼而發(fā)生光電轉(zhuǎn)化。因此，入射到太陽(yáng)能電池的太陽(yáng)光只有光子能量高于禁帶寬度的部分才會(huì)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化。Si太陽(yáng)能電池的最大效率大致是28％左右。對(duì)太陽(yáng)能電池效率有影響的還有其它很多因素，如大氣對(duì)太陽(yáng)光的吸收、表面保護(hù)涂層的吸收、反射、串聯(lián)電阻熱損失等等。綜合考慮起來(lái)，太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率大致在10％～15％之間。為了提高單位面積的太陽(yáng)能電池電輸出功率，可以采用通過(guò)光學(xué)透鏡集中太陽(yáng)光。太陽(yáng)光強(qiáng)度可以提高幾百倍，閉路電流線性增大，開(kāi)路電流指數(shù)式增大。不過(guò)具體的理論分析發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能電池的效率隨著光照強(qiáng)度增大是不是急劇增大的，而是有輕微增大。但是考慮到透鏡價(jià)格相對(duì)于太陽(yáng)能電池低廉，因此透鏡集中也是一個(gè)有優(yōu)勢(shì)的技術(shù)選擇。圖3-5電壓電流曲線四、太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)表示不同波長(zhǎng)的光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的能力。定量地說(shuō)，太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)就是當(dāng)某一波長(zhǎng)的光照射在電池表面上時(shí)，每一光子平均所能收集到的載流子數(shù)。太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)又分為絕對(duì)光譜響應(yīng)和相對(duì)光譜響應(yīng)。各種波長(zhǎng)的單位輻射光能或?qū)?yīng)的光子入射到太陽(yáng)能電池上，將產(chǎn)生不同的短路電流，按波長(zhǎng)的分布求得其對(duì)應(yīng)的短路電流變化曲線稱為太陽(yáng)能電池的絕對(duì)光譜響應(yīng)。如果每一波長(zhǎng)以一定等量的輻射光能或等光子數(shù)入射到太陽(yáng)能電池上，所產(chǎn)生的短路電流與其中最大短路電流比較，按波長(zhǎng)的分布求得其比值變化曲線，這就是該太陽(yáng)能電池的相對(duì)光譜響應(yīng)。但是，無(wú)論是絕對(duì)還是相對(duì)光譜響應(yīng)，光譜響應(yīng)曲線峰值越高，越平坦，對(duì)應(yīng)電池的短路電流密度就越大，效率也越高。從太陽(yáng)能電池的應(yīng)用角度來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)特性與光源的輻射光譜特性相匹配是非常