太阳能光伏发电技术学习教案

1、会计学1太阳能光伏发电太阳能光伏发电(fdin)技术技术第一页，共51页。u硅是地球上最丰富的元素之一，占地壳质量的硅是地球上最丰富的元素之一，占地壳质量的25%25%，仅次于氧，仅次于氧元素元素u地球上不存在单质硅，基本上以硅酸盐和二氧化硅地球上不存在单质硅，基本上以硅酸盐和二氧化硅(r yng (r yng hu gu)hu gu)的形式存在的形式存在u硅的熔点为硅的熔点为14151415，沸点为，沸点为2355 2355 u按晶体结构分，可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅按晶体结构分，可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅第2页/共51页第二页，共51页。（一）本征半导体一）本征半导体 晶格完整且不含杂

2、质的半导体称为本征半导体，由于温度的影响(yngxing)，会使价键断裂，形成电子-空穴对。自由电子和空穴的运动时不规则的，并产生电流。这样的空穴和电子称为载流子。第3页/共51页第三页，共51页。（二）杂质（二）杂质(zzh)(zzh)半导体半导体 人为地将某种杂质加到半导体材料中去的过程，叫掺杂，掺杂人为地将某种杂质加到半导体材料中去的过程，叫掺杂，掺杂5 5价的磷元素价的磷元素(yun s)(yun s)和掺杂和掺杂3 3价的硼元素价的硼元素(yun s)(yun s)可分别得到可分别得到n n型半导体和型半导体和p p型半导体。型半导体。第4页/共51页第四页，共51页。（三）载流子的

3、输运（三）载流子的输运(sh yn)(sh yn) 电子和空穴发生的净位移，叫做载流子的输运电子和空穴发生的净位移，叫做载流子的输运(sh yn)(sh yn)，有，有漂移运动和扩散运动两种输运漂移运动和扩散运动两种输运(sh yn)(sh yn)方式。方式。 在电场的作用下，任何载流子都做漂移运动，一般情况下，在电场的作用下，任何载流子都做漂移运动，一般情况下，少子数目远少于多子数目，因此漂移电流主要是多子贡献；扩散少子数目远少于多子数目，因此漂移电流主要是多子贡献；扩散运动中，只有注入的少子存在很大的浓度梯度，因此扩散电流主运动中，只有注入的少子存在很大的浓度梯度，因此扩散电流主要是少子贡

4、献要是少子贡献第5页/共51页第五页，共51页。（四（四）p-np-n结结 在一块半导体晶体(jngt)上，使一部分呈p型（空穴导电），一部分呈n型（电子导电），则该p型和n型半导体界面附近的区域就叫做p-n结。第6页/共51页第六页，共51页。lP P型和型和n n型半导体接触后，由于浓度差，载流子会发生扩散运动型半导体接触后，由于浓度差，载流子会发生扩散运动lN N型区的多子（电子）要向型区的多子（电子）要向p p型区扩散，型区扩散，p p型区多子（空穴）向型区多子（空穴）向n n型型区扩散区扩散l扩散的结果：扩散的结果：n n型区形成正电荷区域；型区形成正电荷区域；p p型区形成负电荷区

5、域型区形成负电荷区域l在在p p型区和型区和n n型区交界区域，形成一层很薄的空间电荷区，即型区交界区域，形成一层很薄的空间电荷区，即p-np-n结结lP-nP-n结内部会产生一个内建电场，在空间电荷内将产生载流子的漂结内部会产生一个内建电场，在空间电荷内将产生载流子的漂移运动移运动l漂移运动载流子运动方向与扩散运动载流子运动方向相反漂移运动载流子运动方向与扩散运动载流子运动方向相反l当漂移运动和扩散运动载流子数目相同时，达到动态平衡当漂移运动和扩散运动载流子数目相同时，达到动态平衡l此时此时(c sh)(c sh)内建电场电势差称为内建电场电势差称为p-np-n结势垒结势垒第7页/共51页第

6、七页，共51页。一、太阳能电池一、太阳能电池(dinch)(dinch)的分类的分类按结构分类同质结太阳能电池异质结太阳能电池肖特基太阳能电池多结太阳能电池液结太阳能电池按材料分类硅太阳能电池化合物半导体太阳电池有机半导体太阳能电池薄膜太阳能电池第8页/共51页第八页，共51页。二、太阳能电池二、太阳能电池(dinch)(dinch)的结构的结构以硅太阳能电池以硅太阳能电池(dinch)(dinch)为为例例u上图为一上图为一p p型硅材料制成的型硅材料制成的n+/pn+/p型常规太阳能电池示意图型常规太阳能电池示意图uP P层为基体，厚度为层为基体，厚度为0.2mm-0.5mm0.2mm-0

7、.5mmuP P层上面是层上面是n n层（定层，发射层（定层，发射(fsh)(fsh)区层），它是在同一块材料的表面区层），它是在同一块材料的表面层用高温层用高温u 掺杂扩散方法制得，由于是种掺杂，记为掺杂扩散方法制得，由于是种掺杂，记为n+,n+,厚度为厚度为0.2-0.5m0.2-0.5muP P层和层和n n层之间是层之间是p-np-n结结u发射发射(fsh)(fsh)层上面有由金属制成的上电极，基体下面有下电极层上面有由金属制成的上电极，基体下面有下电极u在电池的光照面，有一层减反射膜在电池的光照面，有一层减反射膜第9页/共51页第九页，共51页。三、太阳能电池的基本三、太阳能电池的基

8、本(jbn)(jbn)工作原理工作原理（一）光生（一）光生(un shn)(un shn)伏打效应伏打效应 当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化当物体受到光照时，其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。而产生电动势和电流的一种效应。 在气体、液体和固体中均可产生这种效应，但在固体特别是半在气体、液体和固体中均可产生这种效应，但在固体特别是半导体中，光能转换成电能的效率特别高。半导体将太阳能转换成导体中，光能转换成电能的效率特别高。半导体将太阳能转换成电能过程主要包括以下四点：电能过程主要包括以下四点：太阳光照射到半导体表面太阳光照射到半导体表面半导体吸收一定能量的光

9、子，激发半导体吸收一定能量的光子，激发(jf)(jf)出光生载流子出光生载流子载流子在载流子在p-np-n结作用下，产生光生电动势结作用下，产生光生电动势通过外接负载，形成光生电流，获得功率输出通过外接负载，形成光生电流，获得功率输出第10页/共51页第十页，共51页。（二）太阳能电池的基本工作（二）太阳能电池的基本工作(gngzu)(gngzu)原理原理l太阳光照射太阳光照射p-np-n结，在半导体内产生电子结，在半导体内产生电子- -空穴对空穴对l在势垒电场的作用在势垒电场的作用(zuyng)(zuyng)下，电子驱向下，电子驱向n n区，空穴驱向区，空穴驱向p p区区l在在p-np-n结

10、附近产生与势垒电场相反的光生电场结附近产生与势垒电场相反的光生电场l光生电场一部分抵消势垒电动势，剩下的部分使光生电场一部分抵消势垒电动势，剩下的部分使p p区带正电，区带正电，l n n区带负电区带负电l在在n n区与区与p p区之间的薄层产生了光生伏打电动势区之间的薄层产生了光生伏打电动势l当外电路通过电极接通时，便有电能输出当外电路通过电极接通时，便有电能输出第11页/共51页第十一页，共51页。四、太阳能电池的基本四、太阳能电池的基本(jbn)(jbn)特性特性（一）太阳能电池（一）太阳能电池(dinch)(dinch)的极性的极性P+P+、n +n +表示太阳能正面光照层半导体材料的

11、导电表示太阳能正面光照层半导体材料的导电(dodin)(dodin)类型类型太阳能电池输出电压的极性，太阳能电池输出电压的极性，p p型一侧为正极，型一侧为正极，n n型一侧为负极型一侧为负极第12页/共51页第十二页，共51页。（二）太阳能电池的电流（二）太阳能电池的电流- -电压电压(diny)(diny)特性特性（1 1）太阳能电池）太阳能电池(dinch)(dinch)的的等效电路等效电路uIsc短路短路(dunl)电流：将太阳能电池置于标准光源照射下，输出短路电流：将太阳能电池置于标准光源照射下，输出短路(dunl)时，流过时，流过 太阳能电池两端的电流太阳能电池两端的电流uUoc开

12、路电压：将太阳能电池置于特定光源照射下，两端断开时的输开路电压：将太阳能电池置于特定光源照射下，两端断开时的输 出电出电压值压值uID通过二极管的总扩散电流，方向与通过二极管的总扩散电流，方向与Is相反相反uRs太阳能电池内阻，通常很小太阳能电池内阻，通常很小uRsh旁漏电阻，通常很大旁漏电阻，通常很大第13页/共51页第十三页，共51页。（2 2）太阳能电池的电压）太阳能电池的电压(diny)(diny)电流数学关电流数学关系系DscLIII) 1(0AKTqUDeII) 1(0AKTqUscLeIII）部分重新结合时，取，耗尽区空穴和电子大取常数因子（完全扩散时热力学温度，波尔茨曼常数，电

13、子电荷，的饱和电流，太阳能电池在无光照时21AK/10381. 1C1002.61qA23190TKJKI) 1,25)(1() 1(9 .3800ACeIeIIUAKTqUD第14页/共51页第十四页，共51页。（3 3）太阳能电池的电压电流）太阳能电池的电压电流(dinli)(dinli)曲线曲线) 1(0AKTqUscLeIII) 1ln(0)2() 1(0) 1 (00IIqAKTUUIIeIIIUscocLscAKTqUscL时，当，时，当 短路短路IscIsc正比于太阳辐射流量，太阳能电池的输出正比于太阳辐射流量，太阳能电池的输出(shch)(shch)功率等于流经该电池的电流与电

14、压的乘积功率等于流经该电池的电流与电压的乘积第15页/共51页第十五页，共51页。（4 4）最大功率）最大功率(gngl)(gngl)输输出出当太阳能电池的电压上升时，当太阳能电池的电压上升时，例如例如(lr)(lr)通过增加负载电阻值使通过增加负载电阻值使电压从电压从0 0（短路）开始增加时，（短路）开始增加时，电池的输出功率从电池的输出功率从0 0开始逐渐开始逐渐增加；当电压达到一定值时，增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大；如果继续增功率可达到最大；如果继续增加阻值，功率将逐渐减小，直加阻值，功率将逐渐减小，直到到0 0（开路）（开路）其中，电池输出功率最大点称为其中，电池输出功率最

15、大点称为(chn wi)(chn wi)最大功率点；最大功率点；该点所对应的电压，称为该点所对应的电压，称为(chn wi)(chn wi)最大功率点电压最大功率点电压UmUm；该点对应的电流称为该点对应的电流称为(chn wi)(chn wi)最大功率点电流最大功率点电流ImIm。第16页/共51页第十六页，共51页。（三）太阳能电池（三）太阳能电池(dinch)(dinch)的填充因子的填充因子太阳能电池最大功率与开路电压和短路电流太阳能电池最大功率与开路电压和短路电流(dinli)(dinli)的乘积，用的乘积，用FFFF表示表示scocmscocmmIUPIUIUFFFFFF是评价太阳

16、能电池是评价太阳能电池(dinch)(dinch)输出特性好坏的一个重要参数，值越高，表示太阳能电输出特性好坏的一个重要参数，值越高，表示太阳能电池输出特性约趋近于矩形，电池池输出特性约趋近于矩形，电池(dinch)(dinch)的光电转换效率越高，的光电转换效率越高，FF0.7FF0.7，说明电池，说明电池(dinch)(dinch)质质量优良量优良第17页/共51页第十七页，共51页。（四）太阳能电池的光谱（四）太阳能电池的光谱(gungp)(gungp)响应响应 太阳能电池收集到的某种波长的光电流与相对太阳能电池收集到的某种波长的光电流与相对(xingdu)(xingdu)于入射到电于入

17、射到电池表面的该波长光子数之比池表面的该波长光子数之比 光谱响应有绝对光谱响应和相对光谱响应之分，绝对光谱光谱响应有绝对光谱响应和相对光谱响应之分，绝对光谱响应是某一波长响应是某一波长(bchng)(bchng)下太阳能电池的短路电流与入射光功率之比；下太阳能电池的短路电流与入射光功率之比；相对光谱响应是把最大光谱响应定为相对光谱响应是把最大光谱响应定为1 1，其他光谱响应与这一，其他光谱响应与这一最大值的比值最大值的比值第18页/共51页第十八页，共51页。（五）太阳能电池（五）太阳能电池(dinch)(dinch)的光电转换效率的光电转换效率 太阳能电池受光照太阳能电池受光照(gungzh

18、o)(gungzho)时的最大输出功率与照射到电池上入射时的最大输出功率与照射到电池上入射光的功率光的功率PinPin之比之比inminmmPPPIU 与电池的结构、结特性、材料与电池的结构、结特性、材料(cilio)(cilio)性质、工作温度和环境变性质、工作温度和环境变化等化等有关。理论上限值为有关。理论上限值为33%33%。目前单晶硅电池的转换效率为。目前单晶硅电池的转换效率为16-20%16-20%；多晶硅电池的转换效率一般为多晶硅电池的转换效率一般为15-18%15-18%第19页/共51页第十九页，共51页。（六）温度对太阳能电池输出（六）温度对太阳能电池输出(shch)(shc

19、h)性能的影响性能的影响l载流子的扩散系数与随温度的升高而稍有增加，因此光生电流载流子的扩散系数与随温度的升高而稍有增加，因此光生电流(dinli)IL(dinli)IL也随温度升高也随温度升高而稍有增加而稍有增加lI0I0随温度的上升呈指数增大，因此开路电压随温度的上升急剧下降随温度的上升呈指数增大，因此开路电压随温度的上升急剧下降l当温度升高时，当温度升高时，I-UI-U曲线变形，填充因子下降曲线变形，填充因子下降l温度升高太阳能电池的功率下降，典型的功率温度系数为温度升高太阳能电池的功率下降，典型的功率温度系数为-0.35%/ -0.35%/ 第20页/共51页第二十页，共51页。五、太

20、阳能电池组五、太阳能电池组 由于单个光伏电池单元仅能产生由于单个光伏电池单元仅能产生(chnshng)0.5V(chnshng)0.5V的电压，因此单个电池的用处极少。的电压，因此单个电池的用处极少。实际上光伏应用的基础单位是由一定数量的电池单实际上光伏应用的基础单位是由一定数量的电池单元串联组成；然后由外表坚硬、具有抗腐蚀性的外元串联组成；然后由外表坚硬、具有抗腐蚀性的外包装整体封装。典型的光伏电池模块由包装整体封装。典型的光伏电池模块由3636个电池单个电池单元串联组成，称元串联组成，称“12V“12V光伏电池模块光伏电池模块”。第21页/共51页第二十一页，共51页。（一）电池（一）电池

21、(dinch)(dinch)单单元串联元串联 串联光伏电池模块，电流串联光伏电池模块，电流- -电压电压(diny)(diny)曲线将沿着电压曲线将沿着电压(diny)(diny)轴线简单轴线简单递增。递增。第22页/共51页第二十二页，共51页。（二）电池（二）电池(dinch)(dinch)单元并联单元并联 并联光伏电池模块，电流并联光伏电池模块，电流(dinli)-(dinli)-电压曲线是该电压下各模块电压曲线是该电压下各模块电流电流(dinli)(dinli)之和之和第23页/共51页第二十三页，共51页。（三）电池（三）电池(dinch)(dinch)单元单元串并联串并联 当需要大

22、功率时，可采用并联和串联组合当需要大功率时，可采用并联和串联组合(zh)(zh)，其总电流，其总电流- -电压曲线电压曲线是各个模块电流之和是各个模块电流之和第24页/共51页第二十四页，共51页。 太阳能电池组件中某一个电池被遮蔽，将作为负载太阳能电池组件中某一个电池被遮蔽，将作为负载(fzi)(fzi)消耗消耗其他太阳能电池组件产生的能量，而发热，这成为其他太阳能电池组件产生的能量，而发热，这成为“热斑效热斑效应应”。（四）遮蔽对电流（四）遮蔽对电流- -电压曲线电压曲线(qxin)(qxin)的影响的影响lN个太阳能电池单元(dnyun)串联l第n个单元(dnyun)被遮蔽l则第n个单元

23、(dnyun)电流源输出l Isc为0第25页/共51页第二十五页，共51页。 考虑到当其余考虑到当其余n-1n-1个电池单元仍工作于满日照下，输出个电池单元仍工作于满日照下，输出电流仍为原来的电流电流仍为原来的电流I I，输出电压，输出电压(diny)(diny)为为Un-1Un-1，此时一，此时一个电池单元被遮蔽的电池组输出电压个电池单元被遮蔽的电池组输出电压(diny)(diny)为为)(1SpnSHRRIUU 若若n n个电池电源都置于日照个电池电源都置于日照(rzho)(rzho)之下，且流过电流之下，且流过电流I I，输出电压为输出电压为U U则底部则底部n-1n-1个电池单元输出

24、电压是个电池单元输出电压是UnnUn)1(1)()1(SpSHRRIUnnU第26页/共51页第二十六页，共51页。)()()1(SPSpSHRRInURRIUnnUUUU 考虑到并联电阻考虑到并联电阻(dinz)RP(dinz)RP远大于远大于串联电阻串联电阻(dinz)RS(dinz)RSPIRnUU例：例：3636单元的光伏电池模块中，每块电池单元的并联单元的光伏电池模块中，每块电池单元的并联(bnglin)(bnglin)电阻电阻RP=6.6,RP=6.6,在满日照时，输出电流在满日照时，输出电流I=2.14AI=2.14A，输出电压，输出电压U=19.14VU=19.14V；如果一个

25、电池单眼被遮蔽，；如果一个电池单眼被遮蔽，输出电流基本保持不变，则：输出电流基本保持不变，则：（1 1）电池模块新输出的电压和功率是多少？）电池模块新输出的电压和功率是多少？（2 2）被遮蔽电池单元的电压降是多少？）被遮蔽电池单元的电压降是多少？（3 3）被遮蔽电池单元消耗了多少功率？）被遮蔽电池单元消耗了多少功率？第27页/共51页第二十七页，共51页。 光伏电池模块被遮蔽不仅对输出电流光伏电池模块被遮蔽不仅对输出电流- -电压曲线产生严重影电压曲线产生严重影响，也存在可能出现热斑效应的潜在危害；满日照情况响，也存在可能出现热斑效应的潜在危害；满日照情况(qngkung)(qngkung)下

26、，单个电池单元输出电压大约为下，单个电池单元输出电压大约为0.5V0.5V，如果被，如果被遮蔽，则输出电压降大幅下降遮蔽，则输出电压降大幅下降第28页/共51页第二十八页，共51页。（五）遮蔽问题可通过（五）遮蔽问题可通过(tnggu)(tnggu)在每个电池单元增在每个电池单元增加旁路二极管来解决加旁路二极管来解决（1 1）当正常光照时，旁路二极管反向偏置，无电流流过，不起作用）当正常光照时，旁路二极管反向偏置，无电流流过，不起作用（2 2）当电池单元）当电池单元(dnyun)(dnyun)遮蔽时，电流流经旁路二极管（把串、并联电阻短遮蔽时，电流流经旁路二极管（把串、并联电阻短路），导通的二

27、极管只有路），导通的二极管只有0.6V0.6V的压降，从而避免了电压的剧烈下降的压降，从而避免了电压的剧烈下降第29页/共51页第二十九页，共51页。u在实际应用中，每个电池电源都加上旁路二极管是不现实的，一般会在在实际应用中，每个电池电源都加上旁路二极管是不现实的，一般会在每个光伏电池模块中加装一个旁路二极管以保护每个光伏电池模块中加装一个旁路二极管以保护(boh)(boh)阵列阵列u光伏电池模块串联可以增加阵列输出的电压光伏电池模块串联可以增加阵列输出的电压u单个光伏模块被遮蔽，也会影响整个阵列的输出电压和电流单个光伏模块被遮蔽，也会影响整个阵列的输出电压和电流第30页/共51页第三十页，

28、共51页。（六）并联模块遮蔽（六）并联模块遮蔽(zhb)(zhb)效应及解决办法效应及解决办法第31页/共51页第三十一页，共51页。第32页/共51页第三十二页，共51页。太太阳阳能能电电池池的的发发展展目目标标提高光电提高光电转化率转化率降低生产降低生产成本成本第33页/共51页第三十三页，共51页。 高效率、低成本晶体硅太高效率、低成本晶体硅太阳能电池开发阳能电池开发（1） 新型薄膜电池开发新型薄膜电池开发（2） 超高效太阳能电池的探索超高效太阳能电池的探索（3）太阳能电池太阳能电池(dinch)(dinch)发展趋势发展趋势第34页/共51页第三十四页，共51页。u光伏电池电压光伏电池

29、电压- -电流曲线电流曲线(qxin)(qxin)给出电池所能输出的所有可能给出电池所能输出的所有可能u当接上负载后，光伏发电系统只能工作于一个特定点当接上负载后，光伏发电系统只能工作于一个特定点u工作点（运行点）即光伏电池的电压工作点（运行点）即光伏电池的电压- -电流曲线电流曲线(qxin)(qxin)和负载电压和负载电压- -电流的交点电流的交点第35页/共51页第三十五页，共51页。（1 1）简单）简单(jindn)(jindn)电阻性负载电阻性负载RIU u电阻性负载电流电阻性负载电流- -电压曲线是一条直线电压曲线是一条直线u随着电阻的增大，运行点沿着电池的电流随着电阻的增大，运行

30、点沿着电池的电流- -电压曲线由左向右移动电压曲线由左向右移动u在电阻改变的过程中，存在在电阻改变的过程中，存在(cnzi)(cnzi)一个特点的点，获得功率最大一个特点的点，获得功率最大第36页/共51页第三十六页，共51页。u当负载是固定值时，外界条件的改变将导致运行点偏离最大功率点当负载是固定值时，外界条件的改变将导致运行点偏离最大功率点u光伏发电系统的效率变低光伏发电系统的效率变低u采用最大功率点跟踪（采用最大功率点跟踪（MPPTMPPT）可保持）可保持(boch)(boch)光伏发电工作在最高效运行点光伏发电工作在最高效运行点第37页/共51页第三十七页，共51页。（2 2）直流电动

31、机）直流电动机(dngj)(dngj)负载负载kIRUau直流电动机的电压直流电动机的电压- -电流曲线与电机的工作电流曲线与电机的工作(gngzu)(gngzu)状况有关状况有关u在给定电压下，转速通常保持不变；在给定电流下，转矩通常不变在给定电压下，转速通常保持不变；在给定电流下，转矩通常不变u当负载转矩需求增大时，转速会下降，使电枢电流增大当负载转矩需求增大时，转速会下降，使电枢电流增大第38页/共51页第三十八页，共51页。u电机开始起动，电枢电流随电压的增加加速很快，直到电机转动电机开始起动，电枢电流随电压的增加加速很快，直到电机转动u随着转速的上升，反电动势增大，电流随电压升高随着

32、转速的上升，反电动势增大，电流随电压升高(shn o)(shn o)而加大的趋势变缓而加大的趋势变缓第39页/共51页第三十九页，共51页。u上图为直流电动机的电流上图为直流电动机的电流- -电压曲线叠加在不同日照强度下一组光伏电池电压曲线叠加在不同日照强度下一组光伏电池u电流电流- -电压曲线上电压曲线上u实际运行点与理想的最大功率点不吻合实际运行点与理想的最大功率点不吻合u日照强度至少到日照强度至少到400W/m2,400W/m2,直流电动机才能起动；维持转动只需要大约直流电动机才能起动；维持转动只需要大约200W/m2200W/m2u 的日照强度的日照强度u相当一部分日照无法使用，造成光伏供电系统效率相当一部分日照无法使用，造成光伏供电系统效率(xio l)(xio l)低下低下第40页/共51页第四十页，共51页。线性电流增强器在较低条件线性电流增强器在较低条件(tiojin)(tiojin)下增大电流，使电机下