50MW光伏电站方案研究及设计-毕业设计(论文)

摘要洛阳理工学院毕业设计（论文）第3章标题PAGE8PAGE34第1章绪论1.1光伏发电的发展历史光伏发电这个词汇发展到今日，大家已经耳熟能详。光伏发电技术是将光能直接转变为电能的一种技术[1]，其原理是利用半导体界面产生的光生伏特效应。其技术的关键元件是光伏电池片。光伏电池片经过串联后进行包装，装框保护就变成了太阳电池组件，再配合上逆变器，控制器等部件就形成了光伏发电装置[2]。在1876年，英国科学家亚当斯发现：当硒半导体材料被太阳光照射时，就像伏特电池一样，会产生电流，因此将其称为光生伏特电，简称“光电”。但是由于硒产生光电效应很弱,转化效率仅有1%左右，所以不能用以制造太阳能电池。1954年，美国贝尔实验室制造出了世界上第一块光伏硅太阳能电池，其光电转化效率达到6%左右，并且很快达到10%，从此拉开了现代太阳能光电的研究、开发和应用的序幕。几乎同时，薄膜太阳能电池也被开发，成为研究太阳能薄膜电池的开端[3]。起先，硅太阳电池的成本比常规能源贵1000倍以上。因此只用于国家投资项目的太空卫星和航天器上。1958年美国首次将太阳能电池应用到了卫星上；1958年5月，前苏联也在其人造卫星上使用了太阳能电池；我国在1971年也在自己的第二颗人造卫星上使用了太阳能电池。20世纪50年代以后，国际上大部分的人造卫星、空间站、航天飞机等太空飞行器。都使用了太阳能电池作为主要的电力能量来源。伴随着航天的发展，太阳光伏材料和器件制造技术都得到了快速发展，逐渐成熟的技术使太阳能光伏发电逐渐走向民间产业和居民日常用电[4]。现在，太阳能光伏产业基本上是在硅材料研究的基础上建立的，世界上的大部分太阳能光伏器件基本上是由晶体硅为原材料制造的[5]。晶体硅属于间接禁带半导体材料，用它制造的电池理想光电转换效率稍微大于30%。最新研究表明，单晶硅在实验室中的光电转换效率已经达到了24.7%，在生产中，比较高效的太阳光伏电池的转换效率已经超过20%[6]。对于常规的商用直拉单晶硅太阳电池，其光电转换效率可以达到13%~16%，在未来可能接近17%~20%。但是，因为单晶硅是间接禁带半导体，用其制造的太阳光伏电池就必须具有一定的材料厚度，从而使其能够吸收足够的太阳光，并且单晶硅材料的提纯和加工需要大量的成本，使得单晶硅太阳光伏电池的成本较高。自20世纪70年代铸造多晶硅的发明以来，在80年代末期多晶硅只占太阳光伏电池材料的10%左右，并且在90年代迅速发展，在1996年底占整个太阳光伏电池材料的36%左右，在2001年接近50%[7]。铸造多晶硅以其相对低成本、高效率的优势不断冲击着单晶硅电池的市场，成为最有竞争力的太阳光伏电池材料。到现在为止，多晶硅的晶锭质量已经达到400kg，其在实验室中光电转换效率达到19.8%；在生产中，它的太阳能光电转换效率一般为13%~16%。为了扩展太阳能光伏电池的应用，增加其实用性和可靠性，人们在始终追求着更高效率和更低成本的目标。随着新工艺和技术的发展和材料提纯技术的提高，太阳光伏电池的发电效率将会继续增加，制造成本也将会不断降低，太阳光伏电池的应用也将不断扩大。最终会称为市场中的主要新能源。1.2光伏发电原理半导体材料导电是因为电子和空穴的定向移动而实现的。但是在低温状态下，价电子被完全束缚在原子核周围，并且不能在晶体中运动，这时在能带中，价带是充满的，而导带是全空的[8]。随着温度的上升，由于晶格热振动等原因，一小部分的电子脱离了原子核的束缚，产生了价电子共有化，又变成自由电子，可以在整个晶体中自由运动。而在原来电子的位置上留下了一个电子的空位，称为空穴。在半导体中，因为有电子和空穴两种载流子，半导体才能够导电。把P和N极结合在一起时，这时会产生多数载流子，多数载流子会不断的扩散，形成一个不断增强的从n型半导体指向p型半导体的内建电场，在PN结中形成了空间电荷区，导致多数载流子反向漂移。如果扩散的多数载流子和少数载流子在空间电荷区数量相同，则多数载流子漂移产生的电流和少数载流子扩散产生的电流相同。如果此时有太阳光照在p-n结上，而且太阳光的能量大于P-N结的禁带宽度[9]。将在P-N结附近将产生电子—空穴对。又因为内建电场的存在，产生的不平衡电子载流子将向空间电荷区两端漂移，产生光生电势，破坏了原来的平衡。如果此时将P-N结和外电路相连，则电路中出现电流，因此称为光生伏特现象或光生伏特效应，这是太阳能光电池的基本原理[10]。1.3光伏发电国内外发展现状2015年，随着全球光伏电池需求的增加，新的光伏电池装机容量将超过50GW，增长16.3%，总的光伏发电量将超过230GW。依然有较高的发展前景。新兴市场不断出现，光伏电池产业在东南亚、拉丁美洲诸国的发展势头迅猛，印度、泰国、智利、墨西哥等国装机规模也在快速增加。我国光伏产业新增加装机容量即将到达16.5GW，继续居于全球首位，并且呈现快速发展的势头，总装机有可能超过43GW，未来或将成为拥有世界最大光伏产业的发展中国家[11]。由于当今常规能源的短缺，各国都加快了发展新能源的步伐。美国为了降低太阳能光伏电站的发电成本，提出了“太阳能先导计划”，并使其2015年能够达到同商业化竞争的水平；日本也提出了在2020年达到28GW的光伏发电总量的计划；欧洲光伏产业协会提出了“setfor2020”的规划，计划在2020年让欧洲的光伏发电产业能够做到商业化竞争[12]。在可持续发展的大背景下，各国政府对光伏发电越来越重视。政策推动着光伏产业的发展。2015年，我国光伏产业获得国家大力扶持。在国家能源局下发的《2015年光伏发电建设实施方案》中，计划新建光伏发电容量17.8GW，屋顶分布式光伏发电及全部自发自用地面分布式光伏发电项目将不限制建设规模。随着我国加工铜铟镓硒技术的提高，在其太阳能电池制造成本上也可能比多晶硅更便宜。并且由于我国铟、镓资源丰富，在原材料的成本方面有较强的竞争力，所以我国在国家光伏产业发展中有极强的竞争力[13]。2008年全球太阳能发电平均每度电成本约为38美分，2015则下降至7.3美分左右，估计未来5年内还会再度下降30%。原材料成本的下降将会成为整个系统成本下降的标志，这预示着光伏发电产业高速发展的时机来临。2016年国内光伏发展实力依然强劲，预计2016年国内光伏装机容量将突破19GW，我国将再度成为世界最大的太阳能光伏市场。第2章项目选址2.1项目选址原则首先，光伏发电选址优先考虑在太阳能资源丰富地区进行，选址地点应该具有丰富的太阳能资源。该因素需要对不同的选址地进行调查资料收集和研究。其次，需要考虑当地的气候条件和历史气候环境。站址选择工作需要考虑的主要问题，可归纳为以下方面：光伏发电选址行政要求、日照资源等气候条件、地理和地质情况、水文条件、大气质量、交通运输条件和电力输送条件等[14]。选址时，需要对上述各项条件进行调查和资料收集，并且判断选址的可行性。选址的土地性质是可用于工业项目的土地，不能占用基本农田、林业用地、绿化用地及其它项目规划用地等。在选址时需调查选址地土地使用情况，对选址地的性质进行确认，确保不占用农业用地以及工业用地。另外，最终确定的选址需得到当地环保部门的环境评价认可。调查选址地周围有没有军事设施、文物古迹、农业田地等。2.2项目选址地点概况海东市是青海省地级市，地处北纬35°25.9′～37°05′之间和东经100°41.5′～103°04′之间。三面分别与本省海北、湟中、黄南等州县接壤。东部与甘肃省的天祝、永登、临夏、甘南等州、县毗邻，河湟走廊穿越全境，经济较为发达，人口密集。全市东西长200公里，南北宽180公里，总面积1.32万平方公里。海东市气候类型属于半干旱大陆性气候，矿藏资源和水能资源丰富。2.3项目选址地点可行性研究2.3.1地理条件海东市地处祁连山支脉大板山南麓和昆仑山系余脉日月山东坡,属于黄土高原向青藏高原过渡镶嵌地带,海拔在1650~2835米之间。气候类型属于高原气候，气候特征是高寒、干旱、日照时间长,太阳辐射强,昼夜温差大。年平均气温6.9℃,年均降水量为323.6毫米,总蒸发量为1644毫米。其特点是：冬夏温差小，气候地理分布差异大，垂直变化明显，降雨量随海拔增高而递增，气温随海拔增高而递减。海拔3000米以上的北部地区及山区较寒冷，海拔1，700-2，500米的黄河、湟水河谷地带较温暖。山下平原地区平坦开阔，山区太阳能资源丰富，树木稀疏，地理条件适合建设光伏电站。2.3.2气候条件海东市年平均气温（表2-1）3.2℃─8.6℃左右，最高气温25.1℃─33.5℃，最低气温-18.8℃─-25.1℃左右。年平均降雨量319.2─531.9毫米。多集中在7─9月之间，相对湿度一般为57%─63.66%；蒸发量为1，275.6─1，861毫米。风速为1.9─2.5米/秒（表2-2），最大风力8级，多出现在冬末春初时期。年平均日照（表2-3）为2，708─3，636小时。气候条件适宜。以下是从美国航天局NASA查询得到的海东地区气候参数表： 表2-1海东市全年气温表（℃）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月平均-10.8-7.83-3.461.244.818.1110.49.695.490.27-4.36-8.67最小-25.1-18.8-8.46-4.06-0.663.025.014.180.73-3.88-8.68-16.4最大-4.48-1.82.126.8910.033.525.115.611.05.400.86-2.72表2-2海东市平均风速表（m/s）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月平均值5.895.695.545.255.054.874.594.684.804.765.376.145.21表2-3海东市月平均日照时数（小时）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月平均10.010.911.913.014.014.414.213.412.411.310.39.85从表中可以看出，海东市的月平均日照时数比较多，这对光伏电站的稳定发电量有很大的帮助。2.3.3交通运输条件公路：北京至拉萨的109国道，兰-宁高速公路贯穿全境。境内有平阿高速、西宁至互助一级公路。有“海藏咽喉”之称。截至2007年，海东已实现乡乡通油路、村村通公路，50%的村通了油路，75%的村庄实现村道硬化。铁路：境内有青藏铁路，兰青铁路复线，正在拟建的兰-新铁路客运专线横穿而过。乐都区、平安区兴建的较大型铁路转运站，已成为黄河上游水电资源开发的运输基地。民航：西宁曹家堡机场就在海东互助县境内，距西宁市中心仅28公里，距离平安区5公里，已开通北京、上海、广州、西安、成都、乌鲁木齐等航线。2.3.4电力输送条件海东市电力输送条件便捷，市内有330KV变电站5座，110KV变电站14座，是青海西电东送的通道，是青海电网与东部电网连接的咽喉，整个输配电网覆盖海东全市。电力输送便捷，可直接接入国家电网。2.3.5当地政策条件当地政策支持光伏产业发展，2014年5月14日海东市政府发布了《海东市促进太阳能光伏产业发展的若干政策规定》当中阐述了对光伏行业发展的若干政策鼓励，包括产业用地支持，产业和科研化支持，服务和运营支持等政策，鼓励发展光伏产业。拟建的场址位于海东市乐都区寿乐镇境内，建设规模为50MW，总占地面积约1654多亩。场址内无名胜保护区、文物古迹、军事设施及地下矿藏等。该地有1.33万亩弃耕地，土地相对平坦，开阔，无树木遮挡。根据《2015中国地震动参数区规划图》，本地区的地震峰值加速度为0.1g。对应的基本地震烈度为Ⅶ度，特征周期为0.45s。第3章太阳能资源分析3.1我国太阳能资源分布情况我国太阳能资源非常丰富，全国大面积地区日照时数大于2000小时，年辐射总量在5000MJ／m2以上。我国陆地每年接收的太阳辐射总量3.3×103～8.4×103MJ/m2，相当于2.4×104亿吨标准煤的能量[15]。我国太阳能资源地区分为以下四类（表3-1）：1、太阳能资源丰富地区：全年辐射量在6700~8370MJ/m2。相当于230kg标准煤燃烧所发出的热量。2、太阳能资源较丰富地区：全年辐射量在5400～6700MJ/m2，相当于180～230kg标准煤燃烧所发出的热量。3、太阳能资源一般地区：全年辐射量在4200～5400MJ/m2。相当于140～180kg标准煤燃烧所发出的热量。4、太阳能资源贫乏地区：全年辐射量在4200MJ/m2以下。太阳能资源丰富地区和较丰富地区，年日照时数不小于2200小时，面积较大，约占全国总面积的2／3以上，具有利用太阳能的良好资源条件。表3-1我国太阳能资源分布表地区类型年日照时数（h/a）年辐射总量（MJ/m2·a）等量热量所需标准燃煤（kg）包括的主要地区太阳能资源丰富区3200-33006680-8400225～285kg宁夏北部，甘肃北部，新疆南部，青海西部，西藏西部太阳能资源较丰富区3000-32005852-6680200～225kg河北西北部，山西北部，内蒙南部，宁夏南部，甘肃中部，青海东部，西藏东南部，新疆南部太阳能资源一般地区2200-30005016-5852170-200kg山东，河南，河北东南部，山西南部，新疆北部，吉林，辽宁，云南，陕西北部，甘肃东南部，广东南部太阳能资源贫乏地区1400-20004180-5016140-170㎏湖南，广西，江西，浙江，湖北，福建北部，广东北部，陕西南部，安徽南部根据表3-1可以看出，青海东部海东地区属于太阳能资源较丰富地区年辐射总量在5852-6680MJ/m2·a，因此从太阳能资源分布情况分析，海东市适合建设光伏电站。3.2选址地气候资料统计海东市地处中纬度地带，太阳辐射能量大，光照时间充足，年辐射总量达到5800～7400MJ/m2，其中直接辐射量占60%以上，从NASA资料库查询得到的海东市的全年太阳能资源参数见表3-2：表3-2海东市太阳能资源参数表：月份平均太阳总辐射(kWh/m2/day)正午平均辐射量(kWh/m2/day)晴天的平均辐射量(kWh/m2/day)平均晴天天数13.540.544.09424.380.625.34135.200.676.85046.080.708.08155.960.648.44165.710.608.34175.870.628.40285.650.657.52294.750.596.463104.360.595.492113.850.554.304123.250.503.674从表中可以看出，海东市的太阳能资源较为丰富，辐射量充足，晴天天数多，满足大型光伏发电站的辐照量需求。表3-3海东市月平均日照时间（小时）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月平均10.010.911.913.014.014.414.213.412.411.3010.309.850图3-1海东市月平均日照时间从图中可以看出，6-7月日照时间最长，平均每天有14.2小时的日照时间。表3-4倾斜表面的月平均水平辐射量(kWh/m2/day)月份水平辐射晴空指数散射辐射直接辐射倾斜角0°倾斜角20°倾斜角35°倾斜角50°倾斜角90°13.540.700.537.473.495.125.996.495.8724.380.670.817.484.255.526.106.325.1235.200.621.326.895.145.946.176.064.2246.080.601.766.846.056.336.175.683.2355.960.532.285.555.935.855.464.812.4565.710.492.484.805.675.485.044.382.2075.870.512.375.245.835.685.264.592.3085.650.542.055.555.625.715.454.932.7094.750.531.715.144.685.125.154.923.20104.360.621.096.444.335.365.795.894.59113.850.710.557.813.785.386.226.675.88123.250.700.477.303.224.915.846.415.96平均4.880.601.466.374.845.535.725.593.97表3-5海东市22年间地表10米月平均空气温度（℃）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月平均平均-10.8-7.83-3.461.244.818.1110.49.695.490.27-4.36-8.670.45最小-16.2-13.5-8.46-4.06-0.663.025.014.180.73-3.88-8.68-13.4-4.62最大-4.48-1.82.126.8910.012.915.615.611.05.400.86-2.726.00图3-2地表10米月平均空气温度对照图（℃）由图表可以看出，当地最高气温为15.6℃，在7-8月；最低气温-16.2℃。温度变化较为平缓。第4章光伏发电设备简介及设备选型4.1光伏发电系统光伏发电系统是将光能直接转化为电能的一种设备。这种设备的关键元件是硅半导体电池。硅半导体电池经过串联后进行装框等工序可形成整块的太阳电池组件，再配合上控制器、逆变器、汇流箱等部件就组成了光伏发电系统[16]。4.1.1并网光伏发电系统原理太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件的电子学特性，当太阳光照射在半导体P—N结上，由于P—N结势垒区产生了内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，从而在外电路中产生电压和电流，将光能转化成电能[17]。并网发电系统:即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂；并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后转换为交流电，此时电压较小，需要升压变压器进行升压，本项目的光伏电站发电量较大，一次变压不能使电流达到国家电网所需要的电压，所以还需要更大的升压变压器进行二次升压后才能接入国家电网使用。如果光伏发电站附近有大型变电站，则光伏电站就不需要建设变压器，直接将转变后的交流电接入变电站即可。4.1.2并网光伏发电系统组成太阳能发电系统设备主要由太阳能电池组件、交直流逆变器、光伏阵列汇流箱、交流配电柜、变压器组成。单个光伏电池组件经过串连的方式，组成一个发电子单元，再根据逆变器和汇流箱的功率参数选择合适的并联数量，经过串并联后组成发电阵列，所发出的直流电经过逆变器的转换后，接入交流配电柜，交流配电柜可以对电站的发电情况起到监督作用，如果遇到突发情况，如短路、漏电等可以及时的切断电路，保护组件不受到损害。经过逆变器转换过后的电流电压较低，如果需要接入国家电网，需要变压器的升压，这就是变压器的作用。4.2光伏发电系统设备选型4.2.1太阳能电池组件选型太阳能电池组件是整个光伏发电系统的核心部分，其发电效率和成本直接影响着整个电站的发电效率和建造成本。太阳能电池组件选用晶澳太阳能JAP6-72/320/3BB型光伏组件。产品优点：1、高效多晶组件适用于并网电站。2、高输出功率，最高组件功率可达16.51%。3、较好的组件通用性，采用IECDC1000V设计。4、采用减反射玻璃不仅增加了光的吸收，同时使组件在雨水条件下具有自清洁功能，有效的减少了灰尘引起的功率的损失。5、优异的弱光发电性能（早晨、傍晚、阴雨天）6、组件抗压能力强，能承受2400帕的风压和5400帕的雪压7、良好的抗盐雾、抗氨气腐蚀的性能，全系列组件通过TUV北德测试。表4-1太阳电池组件参数最大系统电压DC1000V（IEC）工作温度-40℃~+85℃最大保险丝额定电流15A最大静态负载，正面（如雪，风）最大静态负载，背面（如风）5400Pa（112Ib/ft2）2400Pa（50Ib/ft2）额定电池工作温度45±2℃应用等级ClassA电池片规格（mm）多晶156×156组件重量（kg）26玻璃厚度（mm）4组件尺寸（长×宽×高）（mm）1956×991×45电池片数量72（6×12）表4-2光伏电池组件的电性参数型号JAP672-320/3BB最大功率（W）320开路电压（Voc/V）45.82最大功率点的工作电压（Vmp/V）37.56短路电流（Isc/A）9.03最大功率点的工作电流（Imp/A）8.52组件效率（%）16.51功率公差-0~+5w短路电流（Isc）温度系数（αIsc）+0.058%/℃开路电压（Voc）温度系数（βVoc）-0.330%/℃最大功率（Pmp）温度系数（γPmp）-0.410%/℃标准测试环境辐照度1000W/m2，电池温度25℃，光谱AM1.54.2.2逆变器选型逆变器是将太阳能电池组件产生的直流电转换为交流电，供应交流的负载使用或者直接并入国家电网。本电站的逆变器选用阳光电源的集中式SG500MX型逆变器。逆变器特点：全面的电网支持功能，包括LVRT，OVRT，FRT以及功率降频功能。具备过载能力，确保实时输出功率满足输出功率要求。0~110%有功功率调节。根据电网电压自动调节无功功率输出。根据电网频率自动调节有功功率输出。无功功率可调，功率因数范围超前0.8至滞后0.8。具备夜间无功补偿功能。智能控制，满足多种电网需求。逆变器参数：表4-3逆变器输入（直流）电性参数最大输入电压1000V最大输入电流1220AMPPT电压范围460~850V输入连接端数8光伏阵列配置浮地，可选正负极接地表4-4逆变器输出（交流）电性参数额定输出功率500KW额定电网频率50Hz/60Hz最大交流输出功率550KVA电网频率范围47~52/57~62Hz最大输出电流1008A功率因数范围0.9超前~0.9滞后总电流波形畸变率＜3%隔离变压器无变压器额定电网电压315V直流分量＜5%额定输出电流最大效率99%欧洲效率98.70%电网电压范围252~362Vac图4-1电路框图图4-2逆变器功率参数4.2.3汇流箱选型：汇流箱的作用是连接光伏组件和逆变器，因为光伏组件数量较多，用通常的线连接比较杂乱，用汇流箱整理电路，使光伏电池组件的电流汇集起来接入逆变器。表4-5汇流箱参数型号TH1610/1000-AD光伏阵列输入光伏阵列电压范围0～1000光伏阵列输入路数16单路阵列最大电流10机械尺寸、工作环境机箱尺寸（深×宽×高）420mm×520mm×170mm参考重量（Kg）14防护等级IP65使用海拔（m）≤3000工作温度（℃）-15～+65存储温度（℃）-25～+854.2.4直流配电柜选型：直流配电柜的作用是防止光伏组件被雷击中，同时又有熔断保护的功能，方便工程人员实时监控电站的发电情况，还可以对每路接入直流配电柜的电流进行监控和保护，确保电路不受到损害。表4-6直流配电柜参数型号YLDPG-500额定电压（Vdc）1000额定电流（A）每路100A，125A，160A，200A，250A可选回路数量标配8路（可定制）工作温度（℃）-25℃~45℃相对湿度0%~90%（无滴露）海拔高度3500米防护等级IP20长×宽×高（mm）600×800×22004.2.5交流配电柜选型：交流配电柜又称交流防雷配电柜，是为了方便管理光伏电站发出的直流电经过逆变器处理后转换成的交流电，保护电路不受雷击、短路等灾害的损害，具有熔断功能，起到对交流电路的控制作用。表4-7交流配电柜参数序号项目名称技术参数1型号GGD32额定电压（V)4003额定电流（A)31504额定短路开断电流（kA）205额定短路耐受电流（1s）（kA）506额定峰值耐受电流（kA）1057加工定制是8壳体防护等级一级4.2.6其他设备选型：支架系统：支架起到支撑光伏电池组件，同时调整角度防止大风气候带来的损害，考虑到海东市风速较大，所以要选择抗风能力较强的支架来固定太阳能电池组件。同时，建造的场址位于山脚下的平原地区，所以支架应该有足够的高度，防止光伏电池组件被雨水所浸湿，应该在支架两侧设计导流槽，将多余的雨水排出。这里选择三角结构的支架，因为三角结构在各种结构中属于最稳定的一种。本项目选择厦门友巨新能源科技有限公司生产的Huge-Ground型支架。表4-8支架系统参数产品型号Huge-Ground产品质量保证20年类型地面支架组件排列方向横向，纵向抗风能力216km/h轨道材质镀锌钢光伏系统电缆的选择：光伏电站所需求的电缆必须具有良好的适应性，因为电站通常要经受不同环境的影响，比如说高温，严寒和紫外线辐射等[18]。所以电缆的选择通常要考虑一下几点：绝缘性能、耐热阻燃性能、防潮和抗辐射性能、敷设方式、电缆的材料、电缆的截面积规格。考虑到选择建站地址位于山脚下，可能会有雨水从山体上流下造成积水过多，电缆也应该具有一定的防水强度，防止短路损坏太阳光伏组件。本项目根据不同设备选择电缆型号如下：光伏电池组件和汇流箱选用光伏系统专用电缆：PV1-F1×4mm2。特点：结构简单，具有良好的耐热、耐寒、耐油、防水、抗紫外线的能力，具有一定的机械强度。汇流箱，逆变器，直流配电柜，交流配电柜的连接电缆选用：动力电缆ZRC-YJV22。特点：质地较硬，使用方便，耐腐蚀，具有较高的机械强度，耐环境能力强。变压器选择：根据《GB19964-2012光伏发电站接入电力系统技术规定》，本项目选择35KV站用接地变压器和110KV的总变压器，专用接地变及消弧线圈DKSC1-630/35，XZDZC1-630/35。光伏阵列输出的交变电流，需要经过35KV的站用接地变压器进行一次变压后再接入110KV的总变压器进行二次变压，最后汇聚到国家电网中。结论第5章光伏阵列排布及计算5.1太阳能阵列排布光伏阵列的倾角和方位角设计1、倾角及方位角的设计计算太阳能电池阵列的设置有许多条件的制约，但尽可能使方阵的朝向为正南。倾斜角是太阳能电池阵列平面与水平面的夹角，并希望此夹角是阵列在一年中发电量为最大的最佳倾斜角。选择合适的倾角不仅仅对光伏电站的发电量有很大的提升，还会有效的减少电站的占地面积，从而减少了建造的成本。如果选择固定式安装，每年最好对光伏阵列的角度进行调整，使其达到最佳倾斜角，这将有效增加光伏电站的发电量。一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也增大[19]。光伏阵列的倾斜角从水平开始逐渐向南偏转时，倾斜角逐渐达到最佳的角度，接收太阳辐射的有效面积增加，其太阳的辐射量不断增加直到最大值，如果此时继续增大其倾斜角，其太阳的辐射量将不断减少。特别在倾斜角大于50-60°以后，电池板面接收到的辐射量将急剧下降，直到最后垂直放置时，发电量下降到最小。如果要求一年四季发电量要求基本均衡，纬度26-40度，倾角等于纬度加5-10度，海东市纬度为37.05度，所以倾角就取37.05+7=44.05度；有积雪的地区，为了使积雪能自动滑落，倾斜角一般选择50°~60°。海东市冬季降雪较少，选择44.05°的倾斜角也可以使积雪自动滑落。所以，太阳电池阵列的倾斜角可以选择年间最大倾斜角、屋顶的倾斜角以及使雪自动滑落的倾斜角等。本项目的组件安装方式选择固定式安装，因为固定式安装在国内具有非常成熟的技术，并且成本相对最低，如果有条件，可以对其进行每年两次的角度调节，使光伏电池组件具有更好的接收太阳能光线的角度。2、光伏阵列间距的设计（1）太阳赤纬角δ（冬至日）：δ=23.45sin[360×(284+n)/365](n为一年中的天数)用库伯方程近似计算：δ=23.45sin[360×(284+n)/365]元旦n=1，冬至日n=356因此在冬至日，n=356，带入公式得δ=23.45sin[360×(284+356)/365]=-23.44°（2）时角ω（上午9时）：从正午算起，每15°为1小时。角计算公式ω=-15°×(12-h)式中：h为时间因为正午12时的时角ω=0，上午为负，下午为正，代入上述公式得上午9时的时角ω=-15°×(12-9)=-45°（3）太阳高度角α：sinα=sinΦsinδ+cosΦcosδcosω式中，Φ为当地纬度；δ为冬至日太阳赤纬角；ω为时角（上午9时）将δ=-23.44°，ω=-45°，Φ=37.05°代入上式sinα=sinΦsinδ+cosΦcosδcosω=sin45sin-23.44°+cos37.05°cos-23.44°cos-45°=0.0848α=arcsin0.0848=4.52°（4）太阳方位角β：Sinβ=cosδsinω/cosα式中δ为太阳赤纬角ω为时角（上午9时）α为太阳高度角将δ=-23.44°，ω=-45°，α=4.52°带入公式得Sinβ=cosδsinω/cosα=cos-23.44°sin-45°/cos4.52°=-0.6508所以太阳高度角β=arcsin（-0.6508）=-40.36°（5）影子倍率的计算： LS/H=cosβ/tan[arcsin(0.648cosϕ-0.399sinϕ)]式中β为太阳方位角ϕ为选址当地的纬度H为组件垂直高度将β=-40.36°，ϕ=37.05°代入公式得LS/H=cosβ/tan[arcsin(0.648cosϕ-0.399sinϕ)]=cos-40.36°/tan[arcsin（0.648cos37.05°-0.399sin37.05）]=2.6456LS=2.6456×1956×sin44.05°=3.60m得到D1=L1+LS=1956cos37.05°+LS=5.15m（6）最小间距的计算阵列之间的最小间距的计算最小间距经验值D：最小间距是指在当地地理条件下计算得相邻太阳能电池组件之间在太阳能光照下无遮挡的最小距离。D=Hcosβ+Hsinβ(0.707tanϕ+0.4338)/(0.707-0.4338tanϕ)式中：H—光伏阵列表面上下的长度β—光伏阵列倾斜角φ—当地的纬度D—两排阵列之间的最小距离将H=1956sin44.05=1360mm，β取37.05°+7°=44.05°，φ=37.05°代入上式：D2=Hcosβ+Hsinβ(0.707tanϕ+0.4338)/(0.707-0.4338tanϕ)=1360cos44.05°+1360sin44.05°×0.707tan37.05°+0.4338/0.707-0.4338tan37.05°=3.4mD1＞D2，在实际排列中，应选取较大值，所以光伏阵列前后间距为5.15m。5.2电池组件串联的串联电压匹配计算1、光伏组件的串联开路电压之和要小于光伏组件的最大系统电压。Vmax≥nVoc式中，Vmax—最大系统电压Voc—光伏组件的开路电压n—串联光伏组件的串数2、温度对光伏组件串的影响光伏组件的技术参数在环境温度变化时会发生变化，所以在光伏组件串联时要考虑温度的影响。Vmax≥nVoc（STC）（1+Koc（Tmin-25℃））式中，Voc（STC）—标准状态下，光伏组件的开路电压，单位为V。Koc—光伏组件的开路电压温度系数，单位为%/℃。Tmin—组件安装处的最低温度，单位为℃。n—串联光伏组件数量Vmax—光伏组件的最大系统电压，单位为V。根据表4-1将电池组件串联为19块一组，在标准情况下串联组件电压∑Voc=nVoc=19×45.82=870.58v＜1000V考虑到温度影响，以及-0.330%的开路电压温度系数，在海东市最低温度-25.1℃时的开路电压为：Vmax,oc=nVoc（STC）（1+Koc（Tmin-25℃））=19×45.82（1+（-0.33%）（-25.1-25））=1014.51V＞Vmax=1000V所以19块电池组件串联电压超出组件运行的最大电压，需要减少串联块数，如果用18块一组串联：在标准情况下串联电压为：∑Voc=nVoc=18×45.82=824.76v＜1000V在海东市最低温度-25.1℃时的开路电压为：Vmax，oc=nVoc（STC）（1+Koc（Tmin-25℃））=18×45.82（1+（-0.33%）（-25.1-25））=961.12v＜Vmax=1000V满足条件如果用阳光电源集中式逆变器SG500MX型逆变器最大输入电压Vm=1000V串联18块组件的电压为∑Voc=nVoc=18×45.82=824.76V3、组件的串联电压与逆变器输入端电压的匹配选用阳光电源公司的SG500MX逆变器，其输入端直流参数如下：表5-1逆变器输入端直流参数最大输入电压1000V最大输入电流1220AMPPT电压范围460~850V输入连接端数8光伏阵列配置浮地，可选正负极接地组件的串并联与逆变器性能的匹配和优化主要是考虑温度对组件电性能的影响。（1）光伏组件串联的开路电压与逆变器的最高直流输入电压的关系：VDC，max≥nVoc式中，VDC，max—所选逆变器的最大直流输入电压，单位为V。Voc—光伏电池组件的开路电压。n—串联组件的块数。前面选用的JAP6-72/320/3BB型电池组件，串联18块组件：∑Voc=nVoc=18×45.82=824.76V≤VDC，max=1000V若海东市冬季最低温度为-25.1℃，串联组件的开路电压在冬季最低温时要小于逆变器的最大直流输入电压：nVoc（STC）（1+Koc（Tmin-25℃））=18×45.82×（1+（-0.33%）（-25.1-25））=961.12＜VDC，max=1000V（2）MPPT工作范围光伏组件串联后的MPPT工作电压必须在逆变器规定的范围内VDC，MPPT，min≤nVmp≤VDC，MPPT，max式中：VDC，MPPT，min—逆变器的MPPT最小直流输入电压，单位为V。VDC，MPPT，max—逆变器的MPPT的最大直流输入电压，单位为V。Vmp—太阳能电池组件的工作电压，单位为V。n—太阳能电池组件串联的块数。由表5-1可知：VDC，MPPT，min=460VVDC，MPPT，max=850V考虑到温度影响，进行修正：VDC，MPPT，min≤nVmp（STC）（1+Koc（Tmin-25℃））≤VDC，MPPT，max将各项数值带入上式：结果为：460V＜787.86V＜850V串联组件电压符合逆变器和电池组件的电压。在夏天组件温度达到最高33.5℃时，串联组件的工作电压为：Vmp，min，（33.5℃）=nVmp（STC）（1+Koc（Tmax-25℃））=18×37.56×（1+（-0.33%）（33.5-25））=657.12V结论：18块JAP672/320/BB组件与SG500MX电压相匹配。5.3电池组件并联的并联电流匹配计算1、直接并联电流与逆变器的匹配光伏阵列的最大工作电流不能超过逆变器允许的最大直流输入电流，设光伏阵列的并联串数为m，则有mImp＜IDC，max式中，m：并联光伏组件的串数IDC，max：逆变器最大输入直流电流，单位为AImp：光伏组件串联输出电流，单位为AmImp=87×8.52=741.24＜IDC，max=1220A2、组件与安装容量的匹配光伏电池组件的串联电流与安装容量的匹配：mImp=（Ppv/nVmp）式中，Ppv：光伏组件的安装容量，单位为WVmp：光伏组件的工作电压Imp：光伏组件串联输出电流，单位为Am：并联光伏组件串数量n：光伏组件的串联块数将各项数值代入上式：mImp=（Ppv/nVmp）=500000/18×37.56≈739.56A＜1220Am=739.56/8.52=86.80当18块组件串联作为一组，最大并联串数为87串。3、组件串的最大串联块数Nmax=VDC,max/Voc[1+Koc(Tmin-25°C)]式中，VDc,max:逆变器最大输入直流电压，单位是VVoc：光伏组件的开路电压，单位为VKoc：光伏组件的开路电压温度系数，单位为%/℃Tmin：光伏组件阵列安装处的最低温度，单位为℃。将各项数值带入上式：Nmax=1000/45.82（1+（-0.33%）（-25.1-25））≈18.73取18块，与上述计算值相符合，所以串联18块电池组件是符合要求的。4、光伏阵列排布本次光伏电站建立，太阳能电池组件的排列设计为横向排列。选择1MW为一个子单元，每个子单元分配两个SG500MX逆变器，光伏电池组件选择18个串联然后16条串联为一组，共有太阳电池组件3132块，汇流箱12个，直流配电柜两个，交流配电柜两个。除了光伏组件外，其他设备均在一个配电室内，方便统一管理。第6章光伏电站效益分析6.1项目投资预算表6-1项目设备数量和价目表设备名称型号数量单位制造商单价(元)总价(元)多晶硅组件JAP6-72-320-3BB156600块河北晶澳新能源有限公司12601.973亿汇流箱TH1610/1000-AD544台特变电工西安电气科技有限公司130070.7万直流配电柜YLDPG-500108台深圳永联科技有限公司12850138.8.万并网逆变器SG500MX108台阳光电源有限公司28300306万交流配电柜GGD3108台泰安市科佳电气有限公司28000302.4万设备总投资资金2.06亿元人民币。占地面积的计算：每排光伏阵列有18个光伏电池组件，每排之间的前后间距为5.15米，假设电站按照矩形排列，则有8700排光伏电池组件，按照支架参数每排横向长度为2.15×9=19.35米，每排纵向长度为1.4米，则总占地面积约为：19.35×8700×（5.15+1.4）=110.27万平方米，约等于1654亩土地。土地使用费：根据青海省《工业用地地价表》为500元/平方米，所占土地约为1654亩。土地价格为5.51亿元人民币。其他费用：包括电站建设厂房、设备运输费用、工程维护费用、电缆、支架、变压器以及设备安装费用等，预计费用约为7.6亿元。综合以上预算，总预算约为15亿元人民币。6.2经济效益分析太阳能电站的发电量会随着时间慢慢衰减，根据目前国内电站的衰减比，第一年的衰减最厉害，约为3%，以后每年大约衰减0.7%，以此来计算出每年的发电量，如下表所示：表6.2光伏电站每年的发电量预计表年份发电总量（KW/h）年份发电总量（KW/h）1432967680143860274562419978649.615383325263.83417038799.1163806419874414119527.5173779774935411220690.818375331650.66408342145.9193727043297405483750.920370095398.78402645364.721367504730.99399826847.122364932197.810397028059.223362377672.411394248862.824359841028.712391489120.725357322141.513388748696.9根据青海发展与改革委员会《关于试行居民电价的通知》的规定，青海省居民电价为每度0.3771元：查资料得青海省光伏电站补贴每度补贴1.15元。那么每年电站的最少收益为：357322141.5×（1.15+0.3771）=2.05亿元。本项目的投资成本约为15亿元，那么回收成本需要的年数为：总投资/年收益=15亿/2.05亿=7.32年。加上积雪、腐蚀等不良因素的对电站的损耗，预计需要8~9年的收益可以收回成本。6.3环境效益分析本电站设计发电量50MW，年发电量43200万度，对比同发电量的火电厂，火电厂发一度电消耗煤矿约320克，每年可节约2.7万吨标准煤，有效的减少了二氧化碳、二氧化硫的排放，有效的保护了当地的生态环境。电站发电过程完全无污染，电站建设时需要注意减少噪音和粉尘，选择合适的时间进行施工，则电站对当地的生态环境起到了很好的保护作用。6.4社会效益分析当地政府致力于农业城市向工业化城市转型，城市工业区需要大量的电力来维持运作，光伏电站的建立正好迎合了社会发展的需要，为当地工业、农业、商业提供了发展动力，带动了当地经济的发展。电站建设占地面积较少，完全无污染，保护了当地环境，实现经济与环境共同繁荣的目标，为海东市将来的发展提供了电力的先驱条件，未来将会有很多企业加入这个行列，从而实现工业化城市的目标。结论青海省海东市50MW光伏电站研究和设计，研究了国内外太阳能光伏产业发展情况，收集了大量来自NASA太阳能资源网站海东市历年的气候条件信息，对这些信息进行分析整理，得到了最近几年海东市气候变化规律，并整理成表格，根据数据绘制出了温度变化趋势图。对建站地址进行了考察，选择了合适的建站地址。然后对太阳电池组件和逆变器等电站设备进行了选型，并进行了电压电流匹配计算，最后进行电站未来的发电量估算以及成本回收年限和社会效益的分析，得出以下结论：根据从NASA收集的资料，确定了电站的建设地址为海东市乐都区寿乐镇西南方向的弃耕地作为建站地址，占地面积约为1654亩，该场地地势平坦，没有树木遮挡，场区内无名胜古迹，军事设施等，地震参数小，适合大型电站的展开建设。本研究设计方案还对中国的太阳能资源分布进行了分析，特别是对海东市的太阳能资源进行了分析，结论得出，海东市太阳能资源属于太阳能资源较丰富区，年平均辐射总量在5852-6680MJ/m2·a，从太阳能资源条件上满足光伏电站的基本需求。本研究设计方案的光伏电池组件选择晶澳太阳能电池有限公司的JAP6-72/320/3BB型组件，逆变器选择阳光电源有限公司的SG500MX型逆变器，功率为500KW。对组件排布前后距离进行计算，每排间距5.15米。通过光伏电池组件和逆变器的参数计算，选择合适的串并联数量和逆变器数量，选择1MW作为一个子单元，每个子单元需要两个逆变器，组件的串并联方式选择18个组件串联，16个串联后的组件再并联的连接方式，将此连接方式作为一组，每个子单元需要共3125个光伏电池组件。通过以上的计算，核算出需要的光伏系统设备数量，计算出光伏电站的用地面积，并根据价目表和土地价格对建造电站的成本进行了估算，最后得到建设此电站的成本约为15.19亿元人民币。然后对光伏电站建成后25年内所发电量带来的收益进行预估和分析，得到电站建成后成本回收的年限为8~9年。总结了电站建设带来的经济效益和环境效益。最后对电站的整体布局和每个子单元的电气连接进行设计，并画出布局图纸。参考文献PAGE48谢辞本研究报告的完成，得益于李继丽老师关于光伏电站建设的培训，更得益于王晓琳老师的监督和教导，从开题报告、资料收集、电站设计都离不开王老师的关心和指导，在此对两位老师表示感谢。在此还要感谢大学四年中的老师和同学对我的帮助，使我积累了大量知识，这对于完成这篇设计报告是必不可少的，你们给予的支持我会铭记在心，谢谢。感谢我的室友在我遇到问题和困难时给予的无私帮助，没有他们这篇设计报告很难完成，是你们给我提供了一个良好的学习环境，愿我们将来的人生都能丰富多彩。回顾本人的学习历程，离不开老师和同学的帮助，更离不开学校给我们提供的良好的学习环境，便捷的图书馆、安静的自习室，使我能便捷的查阅资料。今后我会继续努力，好好学习，好好奋斗！参考文献[1]刘益君,国内外光伏产业政策比较研究[J].生产力研究,2010(12):221-223.[2]张林花.新能源新技术节能应用探讨合理利用新能源和新技术[J].电气应用,2014(6).[3]李永胜,陈雪.浅谈光伏发电及产业格局[J].中国科技博览,2011(29):244-244.[4]王鹏飞.基于无机化合物类的薄膜太阳能电池材料的研究[J].机械管理开发,2011(3):60-62.[5]袁见.中国太阳能光伏产业政策效应研究[D].辽宁大学,2013.[6]刘志娟.太阳能电池用硅材料中痕量金属杂质含量的ICP-MS分析方法研究[D].西安电子科技大学,2010.[7]刘海金.晶体硅太阳电池的应用及发展[J].电子世界,2014(18):435-436.[8]陈君,席珍强,杨德仁,等.铸造多晶硅太阳电池表面织构化的研究[C]//中国光伏会议.2000.[9]任为民.学习半导体基本知识经常碰到的几个问题[J].电视大学,1985(8):38-40.[10]潘平仲.半导体与PN结[J].电子制作,2010(5).[11]刘中平,沈顗华.硅N-N~+-P结构光生伏特效应的研究[J].厦门大学学报:自然科学版,1984(3).[12]包婧文.光伏产业:回顾2015展望2016[J].太阳能,2016(2).[13]戴伟,郭亮,陈芳,等.一种离网式光伏发电系统:CN,CN202957769U[P].2013.[14]肖旭东.铜铟镓硒太阳能电池及其产业化设备[C]//中国真空学会2012学术交流会.2012.[15]李贝,苏成华,付文辉.大型地面光伏电站选址研究[J].东方汽轮机,2012(2):58-62.[16]张金保.谈谈太阳能资源分布[J].南方农机,1995(3).[17]李永胜,陈雪.浅谈光伏发电及产业格局[J].中国科技博览,2011(29):244-244.[18]张帅.太阳能电池工作原理简介[J].灯与照明,2009,33(3):49-51.[19]唐忠达.光伏电站直流电缆的选择[J].科研,2015(67附录PAGE16外文资料翻译用电子扫描探针显微镜观察聚合物太阳能电池的纳米结构和电子演化效率摘要：对于聚合物太阳能电池来说利用多尺度混合形态的控制是优化功率转换效率的关键，为了更好地了解光敏层的有机光伏器件物理性质，有必要了解其形态和相应的电子特性。本报告解释了聚合物太阳能电池的纳米结构，本体异质结（BHJ）的电性能与退火诱导的PCE变化之间的相关性。最后证明，在热处理下，太阳能电池的PCE有了显著的提高（从1.3提高到4.6%），退火引起的电压和PCE的演化表现为随退火时间和温度的降低而增加，在相同的拐点电压和PCE观察下其表面粗糙度呈缓慢增加状态。电力显微镜中的相位图像表明优化的P3HT和PCBM结晶互穿网络在很大程度上受到了光谱结果的影响。从表面光电压，相关的混合形态和PCE的联系中，我们提出一个模型来说明在不同退火条件下薄膜的结构和演化。这项工作将对太阳能电池活性层的电性能和PCE的局部形态的设计带来更好的效益和优化。引言本体异质结（BHJ）基于聚合物的有机太阳能电池（OPV）已经吸引了大量的关注，在过去的十年里，由于其制造成本低，重量轻的优点，和灵活性作为可再生能源。溶液处理的太阳能电池包括基于共轭聚合物复合材料的活性层（电子供体）和富勒烯衍生物（电子受体）形成互穿网络结构由于自组织相分离，取得了巨大的进展，提高功率转换效率（PCE）通过开发新的电子供体和受体材料和先进的加工方法。近年来，通过开发新的低带隙聚合物作为电子供体的最大开路电压，效率高6%以上。然而，效率，稳定性和加工性能仍需要大规模生产和商业化的改进。人们普遍认为，采用10%氯乙烯的OPV设备可广泛的应用。在提高效率和稳定性方面，加工装置的设计起到了重要的作用。显而易见，同样的材料可以表现出广泛的取决于膜的形貌不同工艺条件下引起的变化（溶剂性能，退火，和添加剂在多尺度混合形态的控制是优化BHJ基于富勒烯衍生物在P3HT和富勒烯成分的纳米相分离变异的共轭聚合物共混物太阳能电池的PCE关键将影响在共混膜分子堆积和域对齐。在所有的方法在OPVsBHJ有源层形貌控制，热处理是最方便快捷的方式是通过调节有源层的相分离行为改善PCE。相关的局部结构和整体性能的纳米级分辨率。在聚合物太阳能电池领域的电SPM技术已经有很多成果。例如，Kelvin探针显微镜（KPFM）可用于在表面光电压和探头的非均质性的供体和受体域之间的纳米结构的聚合物共混物的局部变化图像。表面光电压和共混物的形态的相关性研究为有效传导途径三维结构模型的建议。KPFM表面光电压地图还提供信息来识别存在电子运输。导电原子力显微镜（AFM）可以用来表征本地光电流分布和探针的传输在BHJ薄膜电荷性质。开发了一种新的技术，命名为时间分辨静电力显微镜来衡量当地的照片外部诱导的充电速率和局部变化量子效率，发现该地区的最高收费标准是在地形图的中心上可见的领域，而不是他们的边缘。所有上述作品论证建立关系的可行性在纳米级的电性能和设备之间性能，这将带来新的帮助思想为电SPM技术也更好太阳能电池的设计。在这项工作中，最突出的BHJs系统混合的聚（3-己基噻吩）和1（3-methoxycar一—羰基PCBM），选择对于纳米级的研究。我们进行了系统的研究热退火诱导的相关性研究形态的演变，在BHJ薄膜相分离，并当地的电气性能在纳米尺度和使用KPFM和EFM技术。我们表明，装置性能P3HT：PCBM太阳能电池大幅改进的热退火，这种改进从P3HT的结晶良好的叠加效果，PCBM聚集和渗透的途径。从表面混合形态，局部电性能和PCE，我们提出一个模型膜不同热退火条件下的结构及其演化,使现象合理化。太阳能电池制备方法本方法采用P3HT和PCBM作为电子供体和受体均以下结构制作的太阳能电池：ITO/PEDOT:PSS：PSS/P3HT：PCBM/钙/铝。从Sigma-Aldrich购买P3HT（Mn×64000，98.5%）和PCBM从美国染料来源公司聚合物太阳能电池获得了按照以下步骤制备：ITO导电玻璃基板是先用洗涤剂洗净，然后超声在丙酮和异丙醇，并随后在烘箱中干燥过夜，PEDOT：PSS（BaytronP4083，HC斯塔克）旋铸（4000r/min）的水溶液与厚度40纳米。基板干燥10分钟，在140℃空气中，然后进入一个手套箱旋转浇铸光敏层。一个链的混合溶液（17毫克/毫升）：PCBM（17毫克/毫升）然后在邻二氯苯铸旋（700r/min）顶部的结构：PSS层得到P3HT：厚度为100nm的PCBM共混膜。有源器件的面积是0.04平方厘米。热退火是通过将设备直接放置在一个热板在不同温度下的热板在不同温度下阴极蒸发。随后，该装置冷却到室温，放置在一个真空系统（2910-6mb），然后阴极包括钙（20纳米）的上限与铝（80纳米）沉积在活性层的顶部。电压（电流密度J–V）与吉时利2400数字源单元在AM1.5G的测量曲线（100MW/cm2）照明用太阳模拟器（新港Oriel）。使用一个光电二极管和光源测量前的光强度进行了校准。KPFM测量和EFM的测量表面电位检测和EFM的测量一种双通道的过程，在那里表面地形是通过标准的攻模式在首先通过和表面电位或在二通测量。KPFM和EFM的测量ATI在通知。EFM的相位图像更多细节支持显示。结果与讨论聚合物太阳能电池的设备性能聚合物太阳能电池装置示意图结构如图所示，分子结构P3HT和PCBM在图1b所示的比。在所有设备的P3HT和PCBM1:1（重量/重量比），自该比率产生平衡，非分散电子和空穴运输和更高效的空穴传输。这个电流-电压（LC曲线显示短路电流增加）后跟一个随退火温度的升高而降低。为最高PCE优化退火条件下150℃30分钟，大幅增加3.87至11.6mA/cm2，填充因子从49.5%增加61%。图1:设备结构的一种典型的体异质结太阳能电池；P3HT和PCBM的B的化学结构；P3HTCJ-V特性：PCBM太阳能电池在不同的退火温度下，30分钟；P3HTDJ-V特性：PCBM太阳能电池具有不同的退火时间在150℃表1各种退火条件下器件性能的研究a平均超过五个设备的性能参数b设备在190℃的条件下90分钟，几乎无效，没有性能参数但是，如果退火温度进一步提高到190℃将减少8.16MA/cm2导致PCE的下降到3%，一个太阳能电池的光电流输出取决于外部光子对电子转换的量子效率，这是与激子解离和之间的重组和电荷收集竞争—经文。大大改善了PCE退火装置应归功于更好的电荷分离和在P3HT交通：PCBM接口和充电电极收藏。类似的初始增加然后下降趋势在和PCE的观察退火的设备在150℃不同时间（图1d；表1）。退火效应呈现一个趋势典型”时间-温度等效原理”，即，在合理范围内，在设备的PCE在较低的温度下退火较长的时间可以相当于在较高温度下退火的较短时间。作为细胞的宏观性能是局部的总和贡献，定量信息和相关性光伏性能和局部相分离之间是至关重要的。表面形貌的表征和KPFM测量高横向分辨率KPFM允许当地的直接测量设备的电气性能，以获得洞察力不能从中获得的光电机制宏观数据。在这项研究中，我们利用KPFM（实施窃听模式的原子力显微镜）调查混配的电荷分离与输运图2a所示的为不同的退火温度下聚合物薄膜110℃，150℃，和190℃30分钟KPFM测量示意图。应用外部电压（VAS，VDT）来进行尖端，的局部表面电位由调谐直流电压为零的电力的原子力显微镜针尖的地方直流电压等于VPD。图2b介绍能源一个为水平图：PCBMBHJ太阳能电池显示的光生激子扩散和电荷在聚合物的界面分离富勒烯HETerojunction。未经处理的薄膜的地形图像特色（图2d），这些薄膜在110150°C显示了典型的丘陵和山谷地形（图2e，f）而粗糙度增大到0.6nm（图2C）。粗糙度的增加对应于一个在P3HT微晶相干长度的增加。图2:a为一个KPFM测量系统原理图；b为能级图：PCBMBHJ太阳能电池照明显示电荷产生和转移；c为表面粗糙度（Ra）和相应的PCE的BHJ薄膜的功能在一个固定的退火时间为30分钟退火温度；D–G图表示P3HT：PCBM共混膜的不同退火温度下30分钟的图像；H–K黑暗处表示表面电位，在（i），（j），和（k）中白色的圆圈表示PCBM集群。所有的SPM图像的X–y比例尺是相同的，和Z比例尺在每一行的右边。当薄膜在190℃时加热30分钟，这表面形态明显变粗糙的比在较低温度下退火的表面，导致增加表面粗糙度（图2C，G）。依赖薄膜的粗糙度对退火温度的DEM—说明线性增加与退火温度在150℃随后在190°C的突然增加（图2C）。这种现象表明，当退火温度超过约150℃，加速聚合过程中出现。另外，在图2C型线性增加，随退火温度在150℃对应的PCE，但跳水时温度为190°C.如果退火温度固定在150℃，退火时间后缓慢增加粗糙度迅速增加，而PCE突然增加，随后缓慢下降。对于PCE和粗糙度随退火温度和时间的转换点是完全相同的，这表明PCE和粗糙度之间的相关性，通过退火诱导相分离行为。表面电位的图像被记录在相同的样品区域（图2–K）。未经处理的BHJ薄膜表面电位图像几乎是平整的（图2），这表明PCBM分子均匀分布在整个连续P3HT网络。与未处理的膜相比，一些暗斑（约200nm，突出的白色圆圈）相应降低VcpD出现在共混膜后在110℃退火（图2）。黑暗的地方是分配到PCBM集群，而与高对比的P3HT相的地区，其潜在的对比是归因于乐队的供体和受体的弯曲在ITO界面。高VcpD检测在P3HT与系统中的能级的相对位置一致（图2B）。非均匀分布的黑点表明PCBM这可以归因于随机成核和晶体生长的异构众PCBM（图2）。出现在图2PCBM集群表明PCBM结晶导致的PCBM的结晶