太阳能转化、利用与存储技术 课件 第三章 光伏发电单元

主讲：第三章

光伏发电单元

CONTENTS光伏电池目录PART

01光伏组件PART

02光伏阵列运行方式选择PART

03PART

04光伏阵列支架和基础的设计PART

02PART

05PART

06光伏阵列设计光伏组件发电量计算光伏电池Part.01光伏电池01光伏电池是利用半导体光伏效应制成的一种能将太阳辐射能直接转换为电能的转换器件,它是光伏单元的工作核心。光伏电池——晶硅光伏电池工作原理01硅原子外层为4电子,硅与周围硅原子形成共价键，形成8电子稳定结构；磷原子被注入硅中,5个电子的磷原子和4个电子的硅原子结合,就会产生一个多余的自由电子,这种掺杂就形成了电池片的N型区,N型区的自由电子往往更容易移动。与N型掺杂类似,如果在硅片中注入3个电子的硼原子,3个电子的硼原子与4个电子的硅原子结合,就会形成缺少一个电子的空穴区,称为P型区,与N型区相反,空穴区倾向于吸附一个自由电子。PN区域形成PN结构，当光线照射的时候,光子激发电子空穴对，电子空穴对在内建电场及浓度梯度的作用下分离。光伏电池——晶硅光伏电池工作原理01光伏电池——晶硅光伏电池生产工艺流程01单晶硅片

多晶硅片光伏电池——晶硅光伏电池生产工艺流程01晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池；多晶硅太阳能电池；薄膜太阳能电池非晶硅太阳能电池；碲化镉太阳能电池;铜铟镓硒太阳能电池等。太阳能电池分类光伏电池——晶硅光伏电池生产工艺流程01绒面制备：利用化学溶液对晶体硅表面进行腐蚀，在化学溶液中处理，形成绒面结构，增加了对入射光线的吸收。P-N结制备：在P型硅上，通过液相、固相或气相等技术，扩散形成N型半导体。丝网印刷：沉积铝作为铝背场，再通过丝网印刷、烧结形成金属电极。传统的晶硅光伏电池制作工艺流程：晶硅光伏电池主要制备工艺步骤光伏电池——晶硅光伏电池生产工艺流程01大尺寸硅片：166mm*166mm、182mm*182mm和210mm*210mm黑硅技术：增加了一道表面制绒工艺，降低了硅表面反射率新增激光掺杂（SE）技术：在金属栅线与硅片接触部位及其附近进行高浓度掺杂双面印刷（双面PERC）：提升组件整体的发电量N型PERT技术：几乎无光衰减交指式背接触（IBC）技术：把正负电极都置于电池背面，减少置于正面的电极反射一部分入射光带来的阴影损失隧穿氧化钝化（TOPCon）技术：在电池背面制备一层超薄氧化硅，然后再沉积一层掺杂硅薄层，两者形成钝化接触结构异质结（HIT）技术：在晶体硅上沉积非晶硅薄膜栅线改变：减小细栅宽度和提高主栅数光伏电池技术更新光伏电池——晶硅光伏电池生产工艺流程01分类2020年2021年2023年2025年2027年2030年P型多晶BSFP型多晶黑硅电池19.4%19.5%19.5%------PERCP型多晶黑硅电池20.8%21.1%21.4%21.7%22.0%22.5%PERCP型铸锭单晶电池22.3%22.6%23.0%23.3%23.5%23.7%P型单晶PERCP型单晶电池22.8%23.1%23.4%23.7%23.9%24.1%N型单晶TOPCon单晶电池23.5%24.0%24.5%25.0%25.3%25.7%异质结电池23.8%24.2%24.8%25.2%25.5%25.9%背接触电池23.6%24.0%24.5%25.0%25.4%25.8%2020~2030年各种电池技术平均转换效率变化趋势光伏组件Part.02光伏组件0201组成材料和部件对光伏组件的质量、性能和使用寿命影响都很大。02光伏组件成本占到光伏发电系统建设总成本的50％以上。03光伏组件质量的好坏，直接关系到整个光伏发电系统的质量、发电效率、发电量、使用寿命、收益率等光伏组件光伏组件——晶硅光伏组件制备工艺流程02在焊接前需要对电池进行分选，分选出有色差、崩边、缺陷、缺角等外观不良的电池片技术和价值最高的环节为焊接和层压晶硅光伏组件制备工艺流程光伏组件——晶硅光伏组件制备工艺流程02半片技术叠瓦技术光伏组件工艺更新光伏组件——晶硅光伏组件制备工艺流程02单块组件发电功率高技术发展较为成熟据光伏组件市场主导地位单玻组件双玻组件：生命周期更长、耐候性和耐腐蚀性更强、衰减更低、发电效率更高等晶硅光伏组件硅基薄膜组件铜铟镓硒薄膜组件（CIGS）碲化镉（CdTe）薄膜组件薄膜光伏组件光伏组件分类光伏材料的用量少发电成本相对较低维护成本也相对较低聚光光伏组件光伏组件——光伏组件分类及其性能参数02光伏组件性能参数短路电流Isc：当将光伏组件的正负极短路，使U=0时的电流

随着光强的变化而变化，与电池片的面积成正比开路电压

Uoc：当光伏组件的正负极不接负载时，组件正负极间的电压

随电池片串联数量的增减而变化，不受电池片的面积的影响峰值电流

Im：光伏组件或光伏电池片输出最大功率时的工作电流光伏电池片与光伏组件性能参数类似

光伏组件——光伏组件分类及其性能参数02光伏组件性能参数峰值电压Um：光伏组件或光伏电池片输出最大功率时的工作电压

随电池片串联数量的增减而变化。峰值功率Pm：光伏组件在正常工作或测试条件下的最大输出功率

Pm=ImUm

受太阳辐照度、太阳光谱分布和组件的工作温度影响光伏电池片与光伏组件性能参数类似

测量标准条件是：辐照度为1000

W/m2、光谱AM（大气质量）1.5、测试温度25

℃。光伏组件——光伏组件分类及其性能参数02光伏组件性能参数填充因子：光伏组件的最大功率与开路电压和短路电流乘积的比值

0.5~0.8

式中，A表示光伏组件有效面积；Pm表示单位面积的入射光功率；Pin=1000W/m2=100mW/cm2转换效率：光伏组件受光照时的最大输出功率与照射到组件上的太阳能量功率的比值光伏组件——光伏组件分类及其性能参数02光伏组件温度较高时，工作效率下降在20~100℃范围，大约温度每升高1℃，光伏组件的电压减小2mV温度每升高1℃，功率大约减少0.35%温度系数是光伏组件性能的评判标准之一温度光照强度与光伏组件的光电流成正比光照强度对电压的影响很小光伏电池的功率与光照强度成正比光照强度影响光伏组件输出特性的因素飞鸟、尘土、落叶等遮挡物热斑效应是指在一定条件下，一串联支路中被遮蔽的光伏组件，将被当作负载消耗其他有光照的光伏组件所产生的能量。热斑效应可以使光伏组件的实际使用寿命至少减少10%。阴影光伏组件——光伏组件分类及其性能参数02典型组件参数型号性能参数内容性能参数内容电池片类型TOPCon最大功率Pmax/W430电池片排列108片（6×18）开路电压Uoc/V38.49组件尺寸/mm1722±2×1134±2×30短路电流：Isc/A14.25正面玻璃3.2mm高透，减反射镀膜钢化玻璃最大功率点电压Ump/V31.84背板内黑外白最大功率点电流Imp/A13.51组件边框阳极氧化膜铝合金黑色边框组件效率η/%22.0接线盒IP68，3个二极管工作温度范围/℃-40~+85导线横截面积4.0mm2最大系统电压/VDC1500导线长度正极线1200mm，负极线长1200mm最大熔丝额定值/A25温度系数（Pmax）-0.30%/℃温度系数（Voc）-0.25%/℃温度系数（Isc）+0.046%/℃标称工作温度（NMOT）/℃45±2N型半片全黑组件（54版型）性能参数光伏阵列运行方式选择Part.03光伏阵列运行方式选择0301固定式和跟踪式。02安装容量、安装场地面积和特点、负荷的类别和运行管理方式，以及技术经济比较确定。光伏阵列运行方式选择光伏阵列运行方式选择——固定式0301最佳倾角固定式02倾角可调固定式03斜屋顶固定式固定式光伏阵列运行方式选择——固定式03最佳倾角固定式以太阳辐射量最大倾角固定不变，全年累计辐射量最大。平屋面和地面电站。混凝土基础支架

混凝土压载支架光伏阵列运行方式选择——固定式03倾角可调固定式根据太阳辐射角度变化，定期调整固定式支架倾角，以提高各季节辐射量，从而提高组件整体发电量。平屋面和地面电站。推拉式可调支架圆弧式可调支架千斤顶式可调支架液压式可调支架光伏阵列运行方式选择——固定式03斜屋顶固定式以斜屋面倾角固定不变。瓦屋面和彩钢瓦屋面电站。光伏阵列运行方式选择——跟踪式0301单轴跟踪系统02双轴跟踪系统跟踪式光伏阵列运行方式选择——跟踪式03单轴跟踪系统绕一维轴旋转，使得光伏组件受光面在一维方向尽可能垂直于太阳光的入射角的跟踪系统。低纬度地区。斜单轴跟踪系统：较高纬度地区。标准平单轴跟踪式带倾角平单轴跟踪式斜单轴跟踪系统光伏阵列运行方式选择——跟踪式03双轴跟踪系统绕二维轴旋转，使得光伏组件受光面始终垂直于太阳光的入射角的跟踪系统。对太阳光线实时跟踪。各个纬度地区使用。双轴跟踪系统光伏阵列支架和基础的设计Part.04光伏阵列支架和基础的设计04光伏阵列支架和基础的设计光伏支架主要起到固定和支撑光伏组件的作用。光伏支架基础是将安装光伏组件的支架结构所承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分。支架基础的选型与设计要综合考虑工程地质条件、水文条件、上部支架结构类型、荷载条件、施工工艺，并应结合工期要求和地方经验进行优化和调整。光伏阵列支架和基础的设计——光伏阵列支架设计04光伏阵列支架荷重的计算光伏阵列支架结构主要承受光伏组件和自身重量产生的恒荷载、风荷载、雪荷载、温度荷载、地震荷载以及施工检修荷载等作用。支架是安装从下端到上端高度为

4m以下的光伏组件阵列时使用，结构设计时把允许应力设计作为基本，设计用的荷重是以等价静态荷重为前提。持久作用的固定荷重和自然界外力的风压荷重、积雪荷重及地震荷重等。光伏阵列支架和基础的设计——光伏阵列支架设计04固定荷重（G）是组件质量（GM）和支撑物等质量（Gk）的总和。风压荷重（W）是加在组件上的风压力（WM）和加在支撑物上的风压力（WK）的总和（矢量和）。积雪荷重（S）是指与组件面垂直的积雪荷重。地震荷重（K）是指加在支撑物上的水平地震力（在钢结构支架中，地震荷重一般比风压荷重要小）多雪地区的荷重组合，把积雪荷重设为平时的70%，暴风时及地震时设为35%。假想荷重荷重条件和荷重组合光伏阵列支架和基础的设计——光伏阵列支架设计04风压荷重假想荷重中最大的荷重光伏阵列中因风引起的破坏多数在强风时发生作用于光伏阵列的风压荷重由下式计算:

W——风压荷重(N);

CW——风荷载体型系数;

Q——设计用风压(N/m2);

AW——受风面积(m2)(投影面积或者有效面积,与安装角度有关)。Q0———基准风压(N/m2);H———高度修正系数;I———环境系数。光伏阵列支架和基础的设计——光伏阵列支架设计04积雪荷重设计支架时的积雪荷重由下式计算出：

CS——坡度系数;P——雪的平均单位质量(N/m2)(一般的地方为19.6N以上,多雪的区域为29.4N以上);ZS——地上垂直最深积雪量(cm);AS——积雪面积(阵列面的水平投影面积,m2)。坡度系数光伏阵列支架和基础的设计——光伏阵列支架设计04地震荷重设计支架时的地震荷重的计算：

多雪的区域：K———地震荷重(N);

C1———地震层抗剪系数;G———固定荷重(N);

S———积雪荷重(N)。一般的地方：光伏阵列支架和基础的设计——光伏阵列支架设计04光伏阵列支架材料及选型铝合金支架一般应用在民用建筑屋顶光伏上；耐腐蚀、质量小；承载力低镀锌钢支架广泛应用于民用、工业光伏电站中；性能稳定、承载力高、安装简便；连接件工艺复杂，价格高混凝土支架主要用于大型光伏电站光伏阵列支架和基础的设计——光伏阵列支架基础设计04支架基础设计基本原则（1）支架基础设计前应获得场地的岩土工程勘察文件、阵列总平面布置图、支架结构类型、使用条件及对基础承载力和变形的要求、施工条件、施工周期等资料。（2）支架基础应按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。（3）支架基础设计安全等级不应小于上部支架结构设计安全等级，结构重要性系数对于光伏发电站支架基础不应小于0.95。（4）支架基础设计使用年限不应小于电站设计使用年限，且不应小于25年。（5）支架基础设计和施工应考虑电站全寿命周期对环境的影响，符合当地环境保护和水土保持要求，应减少土石方挖填，减少对地表植被和表层土的破坏。光伏阵列支架和基础的设计——光伏阵列支架基础设计04支架基础设计基本原则（6）支架基础的设计和施工在满足安全性和可靠性的同时，宜采用新技术、新工艺新材料。当场地地形起伏大、不宜大规模挖填、对生态恢复要求高或当冬季施工、施工工期紧时宜采用螺旋桩、型钢桩等基础。（7）对于桩基础、锚杆基础宜选择有代表性的区域进行现场试验，确定施工工艺的可行性和设计参数的可靠性。（8）支架基础结构混凝土强度等级不应低于C25；结构钢筋宜选用HRB400钢筋，也可选用HPB300钢筋；结构钢材宜选用Q235钢、Q345钢。（9）支架基础结构所用的原材料及成品构件进场时应对品种、规格、外观和尺寸进行验收。光伏阵列支架和基础的设计——光伏阵列支架基础设计04支架基础的分类与选型桩基础：预制桩基础和灌注桩基础预制桩：钢桩（螺旋桩和锤击（静压）型钢桩）、混凝土预制桩和预应力混凝土桩扩展式基础：混凝土独立基础和条形基础；当采用条形基础时应采用配筋扩展式基础。光伏阵列支架和基础的设计——光伏阵列支架基础设计04支架基础的分类与选型支架基础选型可根据下列因素综合确定：（1）支架结构形式和所承受荷载的特征。（2）土的性状及地下水条件。（3）施工工艺的可行性。（4）施工场地条件及施工季节。（5）经济指标、环保性能和施工工期。

光伏阵列设计Part.05光伏阵列设计——光伏阵列方位角设计05光伏阵列方位角设计方位角：阵列的垂直面与正南方向的夹角

向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度只要在正南±15°之内，都不会对发电量有太大影响在偏离正南（北半球）30°时，阵列的发电量将减少10%~15%；在偏离正南（北半球）60°时，方阵的发电量将减少20%~30%。支架基础的选型与设计如果受光伏组件设置场所如屋顶、土坡、山地、建筑物结构及阴影等的限制时，则应考虑与它们的方位角一致，以求充分利用现有地形和有效面积，并尽量避开周围建、构筑物或树木等产生的阴影。光伏阵列设计——光伏阵列倾角设计05光伏阵列倾角设计倾角是光伏阵列平面与水平面的夹角最理想的倾角是阵列全年发电量尽可能大，而冬季和夏季发电量差异尽可能小的倾角。光伏发电系统所处纬度和对一年四季发电量分配的要求光伏阵列倾角光伏阵列支架和基础的设计——光伏阵列间距及串并联设计05光伏阵列间距设计水平面上固定式光伏阵列间距可根据下列公式计算:L′———阵列倾斜面长度D———两排阵列之间距离β———阵列倾角φ———当地纬度一般要求冬至日要保证上午9点到下午3点之间前排组件阴影不对后排组件造成遮挡光伏阵列支架和基础的设计——光伏阵列间距及串并联设计05光伏阵列间距设计具体地形固定式光伏方阵间距计算：具体地形固定式光伏方阵间距计算示意图影子倍率：东西方向间距:南北方向间距:L——阵列长度;W———阵列宽度;β———阵列倾角;

ɑ———太阳高度角;γ———太阳方位角;θ1———东西坡度(均取正值);θ2———南北坡度(南向取正值,北向取负值);D1———东西方向净间距;

D2———南北方向净间距。光伏阵列支架和基础的设计——光伏阵列间距及串并联设计05光伏组件串并联设计光伏组件串联数量是由光伏组件允许的最大系统电压、并网逆变器的最高输入电压、MPPT电压所确定(1)光伏组件串的耐受电压光伏组件串联设计N——光伏组件的串联数(N为整数);

Uoc——光伏组件的开路电压(V);Kv——光伏组件的开路电压温度系数;

t——光伏组件工作条件下的极限低温(℃)。(2)逆变器最大直流输入电压N———光伏组件的串联数(N为整数);

Uoc———光伏组件的开路电压(V);Kv———光伏组件的开路电压温度系数

;Udcmax———逆变器允许的最大直流输入电压(V)。光伏阵列支架和基础的设计——光伏阵列间距及串并联设计05光伏组件串并联设计光伏组件串联设计(3)光伏组件串电压的MPPT匹配低温时:高温时:N——光伏组件的串联数(N为整数);

K′v——光伏组件的工作电压温度系数;Umpptmax——逆变器MPPT电压最大值(V);

Umpptmin——逆变器MPPT电压最小值(V);Upm——光伏组件的工作电压(V)。光伏阵列支架和基础的设计——光伏阵列间距及串并联设计05光伏组件串并联设计光伏组件并联设计光伏组件并联数量主要由逆变器的额定功率以及最大直流输入电流确定。(1)逆变器的额定功率N——光伏组件的串联数(N为整数);

Pmax——光伏组件最大功率;Ps——光伏组件串支路功率;

Pe——逆变器额定功率。(2)最大直流输入电流Iin———逆变器最大直流输入电流;

Isc———光伏组件串支路短路电流。光伏阵列支架和基础的设计——光伏阵列间距及串并联设计05组件排布设计地面光伏发电站固定式布置的光伏方阵、光伏组件安装方位角宜采用正南方向。光伏方阵各排、列的布置间距应保证每天9：00~15：00