户用光伏建筑一体化发电系统及太阳能半导体照明技术研究

1、户用光伏建筑一体化发电系统及太阳能半导体照明技术研究 中国科学技术大学 博士学位论文 户用光伏建筑一体化发电系统及太阳能半导体照明技术研究 姓名：陈维 申请学位级别：博士 专业：工程热物理 指导教师：沈辉 20060401 中国科学技术大学博士学位论文 户用光伏建筑一体化发电系统及太阳能半导体照明 技术研究 摘要 户用光伏建筑一体化是应用太阳能发电的新热点，具有节约占地，减少输电 线路的投资和损失，替代或部分替代建筑材料等优点。本工作是在国家十五科技 攻关项目“广东户用光伏建筑一体化工程的设计与示范”和“采用光伏电源的半 导体照明系统研发”的资助下完成的。主要是对户用光伏建筑化的一些关键问题

2、进行了研究，特别是首次对广州地区的户用光伏建筑一体化中朝向和倾角对光伏 阵列的产能影响进行了详尽的理论和实验研究，为在广卅I地区发展太阳能并网发 电提供了理论和实验支持，并且建立了广州地区第一个光伏并网发电系统，为户 用光伏建筑一体化研究提供了良好的实验平台。 一、通过倾斜面上太阳辐照量计算模型和电池组件电学模型，分析光伏阵列 的朝向和倾角对并网系统产能的影响，结果发现：在广州地区，当光伏阵列朝向 正南190倾角时，并网发电系统中有最大的年产出电能，而当阵列朝向偏离正南 时，需要减小阵列的倾角来增加光伏阵列的年产出电能；并网发电系统中，高纬 度地区光伏阵列朝向对阵列产电的影响较低纬度地区更明显

3、。 二、朝向和倾角对光伏阵列性能影响的实验研究表明：朝向正南不同倾角太 阳电池组件月平均产出电能的总体趋势与模型计算分析的结果很接近；水平布置 以及小倾角布置时，灰尘、雨水等因素对光伏阵列产能有较大的影响。 三、在光伏屋顶和光伏长廊建设中的户用光伏并网发电系统的设计、太阳电 池组件在不同风格建筑上安装施工规范和技术要求进行了总结。 四、光伏屋顶和光伏长廊户用光伏并网发电系统自从安装之后一直工作正 常，没有发生任何异常情况。对光伏屋顶和光伏长廊户用光伏并网发电系统进行 了理论和实验分析，结论如下： 1 对光伏屋顶的光伏阵列实际工作条件下的性能进行了测试，结果可以发现： 影响光伏阵列最大输出功率的

4、主要因素是太阳辐照度；光伏阵列的转换效率 中国科学技术大学博士学位论文 受太阳电池组件工作温度的影响很大；太阳光谱对太阳电池的输出性能也有 一定的影响，早、晚和太阳被云彩遮挡时，入射太阳电池组件的太阳光主要 以散射为主，辐照能量偏红外，这时太阳电池组件有更高的转换效率。 2 对一天中的太阳辐照度和光伏屋顶中的空气通风通道温度以及太阳电池组 件和户外环境温度变化进行了实验测试，发现当光伏阵列中的太阳电池组 件温度升高后，能在空气通风通道中形成较大的温度梯度，以自然对流方 式冷却太阳电池组件来降低太阳电池的工作温度。 3 使用专业软件PV*SOL对光伏屋顶和光伏长廊户用并网发电系统在广州地区 的运

5、行情况进行了模拟分析，结果显示并网发电系统共能年产电4325 kWh。 kWh和日均产电118 4 对光伏屋顶和光伏长廊两户用并网系统的经济和社会效益进行分析，发现 其发电动态成本为289Ykwh 大规模应用后将更低 。 五、对太阳能半导体照明技术中的一些关键问题进行了研究。 1 对太阳能半导体照明的驱动技术进行了研究，设计两种不同的太阳能半导 体照明充放电控制器，并且在太阳能半导体照明工程中得到应用。 2 结合太阳能路灯示范工程中路灯运行中遇到的问题，通过数学计算的方法， 对太阳能路灯进行了设计优化，做到既能保证系统的稳定可靠运行，又能尽 量减少系统规模和降低成本。研究结果对太阳能光伏系统中

6、控制器设计有一 定的指导意义。 3 经过对一个太阳能半导体照明路灯系统一年多的测试研究，发现太阳能路 灯控制器能够准确地对整个系统进行控制，能够正确的对蓄电池进行过充 电、过放电保护。 4 最后对太阳能路灯等光伏系统中，应用MPPT控制器的效果进行了研究、 评估，研究结果对太阳能光伏系统中控制器设计有一定的指导意义。 关键词：光伏建筑一体化，户用并网发电，模型计算，太阳能半导体照明 II 中国科学技术大学博士学位论文 Researchon BuildingIntegrated Home andSemiconductorIllumination System Solar byUsingEnerg

7、y ABSTRACT witll Integrated materialbecomesall Building Photovoltaics BIPV photovoltaic ofthe vision onthe integral building：thewalls，roof,and part glassSunlightfalling creates the ownerandthe photovoltaiccomponentseleetricityBothbuilding utility benefitwith BIPVTheon-site ofsolar is grid-tied elect

8、ricity production tyoically atornearthetimeofa andthe loads111esolar utilityS greatest buildingS peak contributionreduces COstsforthe ownerwhilethe solar energy building exported the thetimeofits demand eleclricitysupportutilityd greatest helps during The andtheoretical oftheeffectoftilt and experim

9、ental investigations angle orientationon ofPV inBIPVat havebeendoneThe performancearray Guangzhou first PV at hasbeen itCall a Guangzhou g耐一tiedsystem built，andprovidegood for stationresearchTlliSworkWas theNational experiment supportedby the10th Year R&D Five PlanPeriodinChina TechnologiesProgr

10、amduring HereliststhemainWOrk： mathematicmodelsforPVmoduleandmodelsforthe the IBy estimatinghourly irradiationonthemodule ofPVroodulehas slopeplanetheperformance been atdifierenttiIt andorientationsAsaresultitiS investigatedtheoretically angles foundthatthe tilt andorientationofthePV are19。andsouth

11、optimumangle array for PV at orientation gridtiedsystem affectmore facing Guangzhou；themay obviousin 1atitudethaninlowlatitude high The ofthe effectoftilt andorientationon experimentinvestigations angle ofPV showsthattheeffectsonthe andthe performancearray enerPyield ofthePV arealmostsimilar、viththe

12、resultofleoretical performance alTay actual waterfallandduststormsare calculations；atcondition，the quite forPVmodulesmountedwithsmalltilt considerable angles a ofthe andconstructionofthePVRoofand Makingsummarydesign regulation PV BIPV buiItinSolar researchinstituteofSunY乩一SEN Hallwaysystems system U

13、niversity,Guangzhou ThePVRoofandPV BIPV havennlforseveral Hallwaysystems monthandthere isnot forthem anyproblem 11I 中国科学技术大学博士学位论文 the I-VtestofthePVRoofBIPV one is 1 Byexperimental systemthroughday,it foundtheimum ofthePV isaffected thesolar outputpower array mainlyby conversion ofthePV isaffected

14、the irradiation；theefficiency array greatlyby cell isrelativewiththesolar output operatingtemperature；theperformance spectrum resultswere frommeasurementsofair betweenthePV 2 Experimentalpresented gap moduleandroofofthePVRoofBIPV isfoundthatwhenthe systems，it operating cell rise airflows heattransfe

15、r temperatureuphiy,itbringup generatedby toair decreasethe PV fromPVmodule toventilateand of gaps temperature module simulationsotharePV+SOLWasusedto the ofthePV 3 PVsystem analyzeoutput RoofandPV BIPV aresult，the Hallwaysystems，as electricityenergyproduced are thePV about4325kWhand118kWh by system

16、peryear perday thePVRoof costofthe andPV dynamic electricity 4 The energyproduced Hallway BIPV isabout289YkWh systems VResearchon ofsemiconductorilluminationsolar keytechnology byusingenergy theresearchon ofsemiconductorilluminationsource 1 By drivingtechnology light solar ofcontrollersfor semicondu

17、ctor byusing energy,twotypes driving illuminationsource solar were and in light designed byusing energy applied demonstration project thebasicof thechinesefirstsolarLEDstreet at 2 On completing lampsproject Zhuhai，to and ofsolarstreet pursuereliabilityeconomy lampsystems，the were Asa LED sourceand s

18、ystemsoptimallydesignedresult，thelight controllerare choicesforsolarstreet very direct-couplingcharging good lamp thesame themethodofscientific systems，at time，by calculation，theoptimum flit of of moduleand anglephotovoltaicmodule，sizingphotovoltaic storage were the methodandconclusioninthis last，th

19、e batterydiscussed，tooAt paper Canalsobeusedto the ofothersolarstreet design systems help lamp ode testofsolarstreet isverifiedthatthesolar 3 Throughyear lampsystem，it controlworkwell batterycharge the with MPPT imum 4 Inphotovoltaicsystemstoragebattery,when power Wasusedtoenhancefor pointtracking c

20、ontroller outputbatterycharging，the enhancementmustbe thantheinternal ofthedevice greater efficiency itself,or at therewillbenonet a11TheinfectionfactorforMPPTcontroller gain applied Was and the asannual discussed，inresult，muchmatter，such analyzed and mustbe status、economyreliability temperature、loa

21、d performance consideredinall together calculation model，solar Keywords：Buildingintegratedphotovoltaics，gridtied， illumination semiconductor V 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 §11 太阳能光伏发电的发展历史与现状 从1839年法国科学家EBecquerel发现了光生伏特效应算起，太阳电池已经 有160多年的发展历史【ll。1954年美国贝尔实验室的成功制备了具有实用价值的 单品硅太阳电池，该硅太阳电池的转换效率为45，几个月后提高到

22、612，从 此光伏技术的研究与应用进入了新的历史阶段。 25 US$片，相当于1785 US$Wp 1955年美元 。由于价格昂贵，硅太阳电池开 始仅用于地球卫星、空间站等太空飞行器的供电。1958年，Hoffman电子的硅电 池效率达到9，第一个太阳电池供电的卫星先锋1号发射，太阳电池100cm2， 达到14；1963年，Sharp公司成功生产太阳电池组件，日本在一个灯塔安装 242Wp光伏列阵，在当时是世界最大的光伏列阵；1973年，美国特拉华大学建 成世界第一个光伏住宅。太阳电池材料与生产工艺得到很大发展。除了尊晶硅电 池外，多晶浇铸硅电池得到迅速发展。此外，以非晶硅、碲化镉和铜铟硒为代

23、表 的薄膜太阳电池也相继进入市场；1974年，日本推出光伏发电的“阳光汁划”； 1975年1月，美国政府启动地面光伏研究与开发工程；1977年，世界太阳电池 太阳能公司成为世界上第一个年产1MWp太阳电池生产厂家；1985年单晶硅太 阳电池售价10US$Wp。澳大利亚新南威尔士大学MartinGreen研制成20效率 的太阳电池；1990年，世界太阳电池年产超过553MWp；1995年，第一个国际 资助加速光伏商业化的国家培训项目在印度开始；1996年，BPSolar购买加州 APS技术，宣布实施“太阳神工程”即开始碲化镉电池商业生产；图森电子和 Solar ITN能源系统组建全球太阳能公司

24、Global Energy ，作为图森电子的分公 司，以扩展铜钢硒电池生产能力；1999年，世界太阳电池年产超过2013MWp， 安装总量超过1000MWp，标志太阳能时代开始【31。 第一章绪论 9951XXXXXXXXXX81XXXXXXXXXX1XXXXXXXXXX04 图l 1世界太阳电池年产量 世界光伏产业一直保持高速的发展【4_51，在过去的二十年里保持了大约20 25的增长率，过去的五年里保持了大约40的增长率。图1-1为19952004 年世界光伏市场的太阳电池产量情况。从上图可以看出世界光伏产业增长的势头 是越来越快，世界太阳电池生产总量从1995年的776MWp增加到200

25、4年的 到迅速发展可以归结于两个方面的因素：市场需求和政府的政策激励【6。主要是 德国和日本两国在户用光伏并网应用方面采取了一系列的措施，通过政策的推进 达到了很好的效果。从表ll可见，2004年日本的太阳电池产量接近世界总产量 的一半，欧洲占了27-4。近几年，由于国外市场特别德国市场的巨大需求，我 国企业太阳电池生产规模年均增长超过100，在2004年我国也已成为继日、德、 美之后世界第四大太阳电池制造国，但从所占比例来看，2004年我国太阳电池 还只占世界总产量的41，因此我国的太阳电池产业还需要加快发展步伐。 表1-!太阳电池产量地区分布： MWp 71 国家或地区 2003芷 200

26、4芷 日本 3654 487 5941 473 欧洲 2023 27，0 3441 274 美国 963 128 1415 113 中国 14 19 518 4176 印度 261 35 363 29 澳大利亚 262 35 331 26 中东 14 O1 其他亚洲国家 194 26 535 43 2 中国科学技术大学博士学位论文 从市场需求的角度看，由于能源需求的日益增加以及环境恶化压力的增大使 得能源市场对于可再生能源的需求不断增加，从而也就相应增加了对光伏市场的 需求。另外一个非常重要的原因在于光伏系统价格的价格的持续大幅下降。影响 光伏系统成本的关键因素是太阳电池组件的价格，过去三十年

27、以来太阳电池组件 价格已大幅从50US$Wp下降到现在的约为4US$Wp，由于太阳电池组件价格 的下降，使得在某些条件下，太阳能光伏系统与传统电网系统成本已经达到了一 个经济上的临界点，从而大大促进了光伏产业的发展。而太阳电池组件价格大幅 下降的基本原因有如下三点： ? 由于技术进步导致的生产自动化程度提高，从而节约了劳动力成本，降 低了生产成本； ?科学技术的进展，使得太阳电池的效率不断提高，从而降低了每峰瓦的 单位成本； ?产量不断扩大，降低了成本，图12显示的就是最近三十年来太阳电池 组件价格随着太阳电池组件产量扩大而降低的趋势。 一 l 一 一 鲫 帅 | AfI妄蓦聋$章耐 一鹫萤钆

28、黎蔷 如 一l 鲫 ¨ 一。-¨1 蛐 。 IIjfllfllIll 眦 。 釜 萤 善 萤 誉 萎 蚕 图1-2太阳电池组件价格和年产量图8l §12 太阳能光伏产业状况 从太阳电池的种类来看，硅材料太阳电池占主导地位，特别是晶体硅太阳电 池。从表卜2可见，加上单晶硅、多晶硅和带硅电池，2004年晶体硅电池所占 第一章绪论 比例超过94，非晶硅电池从1999年的12降到2004年的4，而碲化镉和 铜铟硒薄膜两种太阳电池发展也很缓慢，导致一些薄膜太阳电池厂停产或减产。 一般认为多晶硅电池所占比例将愈来愈多，但2004年单晶硅电池比例上升，而 多晶硅电池比例却下降。

29、这主要是由于多晶硅材料的来源受到限制，此外单晶硅 电池的生产技术也得到新的发展：一是单晶硅可实现大规模高效率电池生产，如 单晶硅更容易向超薄片电池工艺路线发展，德国研究机构已经成功将单晶硅片制 成409m的厚度，所制成的电池的效率也达到了20左右【6J，这些都促使人们继 续大力发展单晶硅太阳电池。 表1-219992004年各类太阳电池产量卣分比【7】 电池种类 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Mono-Si408 374 346 364 322 362 PolySi 421 482 502 51_6 572 547 Sisheets41 43 56 46 44 3

30、3 a-Si 123 96 89 64 45 44 CdTe 05 03 05 07 11 11 CIS 02 02 02 O2 06 O4 晶体硅太阳电池采用的原材料高纯度硅在石英沙中提取按照从硅料到光伏 系统的产业划分，太阳电池产业链可以分为：石英砂一冶金级硅一硅源一沉 积多晶硅锭一硅片一太阳电池一组件一光伏系统，其太阳能光伏发电的产业 结构呈现明显的金字塔结构。 高居塔尖的是目前世界上能生产多晶硅的美国，日本和德国7家多晶硅 Silicon 制造企业。 第二层是15家硅片 Wafer 制造企业，硅片生产环节主要流程包括铸锭 或 单晶生长 、切方滚磨、多线切割机切片和化学腐蚀抛光等，其中铸

31、锭环节能耗 较高，切割机的投资规模也相对较大，设备投资约占初期总投资的60以上。 第三层是太阳电池 Cell $rl造企业，从太阳电池产业来看，日本、德国、美国 和中国发展最快。2004年世界十大太阳电池厂名单可见表13。其中日本的太阳 电池产业实力最雄厚，有4家企业名列其中，其中两家企业分享第一、第二位置， 夏普 Sharp 为2004年全球最大的电池制造商。德国也有两家企业。德国的 QCells是非常成功的企业之一，该厂只生产太阳电池，而且一开始就定位于大 4 中国科学技术大学博士学位论文 尺寸、超薄的多晶硅片，同时也保持较高的电池转换效率。我国有两家企业并列 阳电池，为我国太阳电池产业的

32、发展做出了重要贡献。 表卜3世界十大太阳电池生产厂20032004年排名与产量 MW 17 生产厂 2003 2004 20032004 Sharp 1，1979264 13240258 排名不变比例下降 Kvocera 272O96 210508-3 排名不变比例下降 BPSolar 369392 3 849 68 排名不变比例下降 MitsubishiElectric642056 4 75O 6O 上升2名比例上升 Q-Cells 928238 4 75O 60 上升5名比例上升 ShellSolar 462083 6 720 57 下降2名比例下间 Sanyo 835047 7 65O

33、54 下降1名比例上升 RWE SchoRSolar544059 8 630 50 下降3名比例下降 Isofoton 735247 9 533 42 下降2名比例下降 Motech 1017023 10 350 28 排名不变比例上升 Suntech 168O11 1035028 上升6名比例上升 合计 816 788 第四层是组件 Modtde $1J造企业，组件的生产主要是将制作好的电池封装， 技术含量相对较低，进入门槛不高，属于劳动密集型产业，全球企业数量超过 200家。 最后是光伏系统 System 设计和安装。 目前，太阳能光伏发电行业发展的最重要的决定性因素就是硅料供应。由于 来

34、自太阳能行业对硅料的需求增长超过了产能的增长，导致硅料的价格大幅上 升。在过去的两年，硅料价格上涨了67，从2003年的每公斤24美元到2004 年的32美元以及今年的40美元，而2006年很可能进一步上涨到每公斤50美元。 硅料供应跟不上飚升的需求原因在于新的硅料生产线需要18到24个月的建设 期，而且投资巨大，5000吨的产能需要255亿美元的投资。 §13各国光伏产业政策介绍 京都协定书的签订标志人类正向可持续发展的方向努力。西方发达国家 已经充分观注到化石能源的短缺和由此带来的环境污染对世界经济发展所带来 的压力，都在大力开发洁净的可再生能源。然而真正开始光伏发电的产业化发展 第一章绪论 的历史并不算太长，产业基础相对其他成熟能源工业非常薄弱，因此，为了扶持 和促进光伏产业的发展，很多国家都制定了相关的激励政策用于鼓励产业界以及 科技界对光伏产业的投入。 在太阳能光伏利用方面，发达国家以光伏屋顶和并网发电为基本形式，对太 阳能的推广十分奏效。下面列举了一些国家比较有代表性的光伏发展项目。 夺1990年德国首先提出1000