太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理

1、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理 光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電系統(tǒng)裝置。3.1光電效應(yīng)概述光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化，也就是光能量轉(zhuǎn)換成電能。這類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)（Photoelectriceffect）。3.2光生伏打效應(yīng)概述及應(yīng)用3.2.1光生伏打效應(yīng)是指物體由于吸收光子而產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象，是當(dāng)物體受光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢和電流的一種效應(yīng)。3.2.2光生伏打效應(yīng)

2、應(yīng)用光生伏打效應(yīng)主要是應(yīng)用在半導(dǎo)體的PN結(jié)上，把輻射能轉(zhuǎn)換成電能。大量研究集中在太陽能的轉(zhuǎn)換效率上。理論預(yù)期的效率為24。由于半導(dǎo)體PN結(jié)器件在陽光下的光電轉(zhuǎn)換效率最高，所以通常把這類光伏器件稱為太陽能電池，也稱光電池或太陽電池。3.3太陽能電池及其太陽能組件3.3.1太陽能電池的工作原理，太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。3.3.2太陽能電池的生產(chǎn)流程通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350450m的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。如

3、圖13.3.3 太陽能電池的制造技術(shù) 晶體硅太陽能電池的制造工藝流程如圖2。提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽能電池技術(shù)發(fā)展的主流。具體的制造工藝技術(shù)說明如下： （1） 切片：采用多線切割，將硅棒切割成正方形的硅片。 （2） 清洗：用常規(guī)的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或堿）溶液將硅片表面 切 割 損 傷 層 除 去 30 50um 。 （3）制備絨面：用堿溶液對(duì)硅片進(jìn)行各向異性腐蝕在硅片表面制備絨面。 （4） 磷擴(kuò)散：采用涂布源（或液態(tài)源，或固態(tài)氮化磷片狀源）進(jìn)行擴(kuò)散, 制成PN結(jié) ， 結(jié)深一般為 0.3 0.5um 。 （5） 周邊刻蝕：擴(kuò)散時(shí)在硅片周邊表面形成的擴(kuò)散層，會(huì)使電池上下電

4、極短路，用掩蔽濕法腐蝕或等離子干法腐蝕去除周邊擴(kuò)散層。 （6） 去除背面PN結(jié)。常用濕法腐蝕或磨片法除去背面PN結(jié)。 （7） 制作上下電極：用真空蒸鍍、化學(xué)鍍鎳或鋁漿印刷燒結(jié)等工藝。先制作下電極，然后制作上電極。鋁漿印刷是大量采用的工藝方法。（8）制作減反射膜：為了減少入反射損失，要在硅片表面上覆蓋一層減反射膜。制作減反射膜的材料有MgF2，SiO2，Al2O3，SiO，Si3N4，TiO2，Ta2O5等。工藝方法可用真空鍍膜法、離子鍍膜法，濺射法、印刷法、PECVD法或噴涂法等。（9）燒結(jié)：將電池芯片燒結(jié)于鎳或銅的底板上。(10)測試分檔：按規(guī)定參數(shù)規(guī)范，測試分類。3.3.4太陽電池組裝工藝

5、簡介組件線又叫封裝線，封裝是太陽能電池生產(chǎn)中的關(guān)鍵步驟，沒有良好的封裝工藝，多好的電池也生產(chǎn)不出好的電池組件板。電池的封裝不僅可以使電池的壽命得到保證，而且還增強(qiáng)了電池的抗擊強(qiáng)度。產(chǎn)品的高質(zhì)量和高壽命是贏得可客戶滿意的關(guān)鍵，所以組件板的封裝質(zhì)量非常重要。在這里只簡單的介紹一下工藝的作用，給大家一個(gè)感性的認(rèn)識(shí).電池測試：由于電池片制作條件的隨機(jī)性，生產(chǎn)出來的電池性能不盡相同，所以為了有效的將性能一致或相近的電池組合在一起，所以應(yīng)根據(jù)其性能參數(shù)進(jìn)行分類；電池測試即通過測試電池的輸出參數(shù)（電流和電壓）的大小對(duì)其進(jìn)行分類。以提高電池的利用率，做出質(zhì)量合格的電池組件。正面焊接：是將匯流帶焊接到電池正面（

6、負(fù)極）的主柵線上，匯流帶為鍍錫的銅帶，我們使用的焊接機(jī)可以將焊帶以多點(diǎn)的形式點(diǎn)焊在主柵線上。焊接用的熱源為一個(gè)紅外燈（利用紅外線的熱效應(yīng)）。焊帶的長度約為電池邊長的2倍。多出的焊帶在背面焊接時(shí)與后面的電池片的背面電極相連背面串接：背面焊接是將36片電池串接在一起形成一個(gè)組件串，我們目前采用的工藝是手動(dòng)的，電池的定位主要靠一個(gè)膜具板，上面有36個(gè)放置電池片的凹槽，槽的大小和電池的大小相對(duì)應(yīng)，槽的位置已經(jīng)設(shè)計(jì)好，不同規(guī)格的組件使用不同的模板，操作者使用電烙鐵和焊錫絲將“前面電池”的正面電極（負(fù)極）焊接到“后面電池”的背面電極（正極）上，這樣依次將36片串接在一起并在組件串的正負(fù)極焊接出引線。層壓敷

7、設(shè)：背面串接好且經(jīng)過檢驗(yàn)合格后，將組件串、玻璃和切割好的EVA、玻璃纖維、背板按照一定的層次敷設(shè)好，準(zhǔn)備層壓。玻璃事先涂一層試劑（primer）以增加玻璃和EVA的粘接強(qiáng)度。敷設(shè)時(shí)保證電池串與玻璃等材料的相對(duì)位置，調(diào)整好電池間的距離，為層壓打好基礎(chǔ)。（敷設(shè)層次：由下向上：鋼化玻璃、EVA、電池片、EVA、玻璃纖維、背板）。組件層壓：將敷設(shè)好的電池放入層壓機(jī)內(nèi)，通過抽真空將組件內(nèi)的空氣抽出，然后加熱使EVA熔化將電池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷卻取出組件。層壓工藝是組件生產(chǎn)的關(guān)鍵一步，層壓溫度層壓時(shí)間根據(jù)EVA的性質(zhì)決定。我們使用快速固化EVA時(shí)，層壓循環(huán)時(shí)間約為25分鐘。固化溫度為150。(

8、電池板原料：玻璃，EVA，電池片、鋁合金殼、包錫銅片、不銹鋼支架、蓄電池等)如圖3修邊：層壓時(shí)EVA熔化后由于壓力而向外延伸固化形成毛邊，所以層壓完畢應(yīng)將其切除。 裝框：類似與給玻璃裝一個(gè)鏡框；給玻璃組件裝鋁框，增加組件的強(qiáng)度，進(jìn)一步的密封電池組件，延長電池的使用壽命。邊框和玻璃組件的縫隙用硅酮樹脂填充。各邊框間用角鍵連接。 焊接接線盒：在組件背面引線處焊接一個(gè)盒子，以利于電池與其他設(shè)備或電池間的連接。 高壓測試：高壓測試是指在組件邊框和電極引線間施加一定的電壓，測試組件的耐壓性和絕緣強(qiáng)度，以保證組件在惡劣的自然條件（雷擊等）下不被損壞。 組件測試：測試的目的是對(duì)電池的輸出功率進(jìn)行標(biāo)定，測試其

9、輸出特性，確定組件的質(zhì)量等級(jí)。目前主要就是模擬太陽光的測試Standard test condition（STC）,一般一塊電池板所需的測試時(shí)間在7-8秒左右。 3.3.5 太陽能電池陣列設(shè)計(jì)步驟 . 計(jì)算負(fù)載24h消耗容量P P=H/V V負(fù)載額定電源 2.選定每天日照時(shí)數(shù)T(H) 3. 計(jì)算太陽能陣列工作電流IP=P(1+Q)/T Q按陰雨期富余系數(shù)，Q=0.211.00 4. 確定蓄電池浮充電壓VF 鎘鎳()和鉛酸()蓄電池的單體浮充電壓分別為1.41.6V和2.2V。 5. 太陽能電池溫度補(bǔ)償電壓VT VT=2.1/430(T-25)VF 6. 計(jì)算太陽能電池陣列工作電壓VP VP=V

10、F+VD+VT 其中VD=0.50.7 約等于VF 7. 太陽電池陣列輸出功率平板式太陽能電板。 WP=IPUP 8.根據(jù)VP、WP在硅電池平板組合系列表格，確定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的串聯(lián)塊數(shù)和并聯(lián)組數(shù)。 3.4太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng) 3.4.1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理 光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?的一種技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電系統(tǒng)裝置。光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是較少受地域限制，因?yàn)殛柟馄照沾蟮?光伏系統(tǒng)還具有安全可靠、無噪聲、低污染、無需消耗燃料和架設(shè)輸電線路即

11、可就地發(fā)電供電及建設(shè)同期短的優(yōu)點(diǎn)。 3.4.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220V或 110V，還需要配置逆變器(圖5,6所示)。各部分的作用為： （1） 太陽能電池板 太陽能電池板(圖4所示)是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來，或推動(dòng)負(fù)載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。（二）太陽能控制器太陽能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器

12、還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開關(guān)、時(shí)控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)。（三）蓄電池一般為鉛酸電池，一般有12V和24V這兩種，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來，到需要的時(shí)候再釋放出來。（四）逆變器在很多場合，都需要提供AC220V、AC110V的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。為能向AC220V的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場合，需要使用多種電壓的負(fù)載時(shí)，也要用到DC-DC逆變器，如將24VDC的電能轉(zhuǎn)

13、換成5VDC的電能（注意，不是簡單的降壓）。圖5 太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)的組成原理圖6太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)的組成原理3.4.3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮如下因素 問題1、太陽能發(fā)電系統(tǒng)在哪里使用？該地日光輻射情況如何？ 問題2、系統(tǒng)的負(fù)載功率多大？ 問題3、系統(tǒng)的輸出電壓是多少，直流還是交流？ 問題4、系統(tǒng)每天需要工作多少小時(shí)？ 問題5、如遇到?jīng)]有日光照射的陰雨天氣，系統(tǒng)需連續(xù)供電多少天 問題6、負(fù)載的情況，純電阻性、電容性還是電感性，啟動(dòng)電流多大？ 問題7、系統(tǒng)需求的數(shù)量？ 3.4.4太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方式 太陽能發(fā)電方式太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光電直接轉(zhuǎn)

14、換方式。 （1） 光熱電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。前一個(gè)過程是光熱轉(zhuǎn)換過程；后一個(gè)過程是熱電轉(zhuǎn)換過程，與普通的火力發(fā)電一樣.（2） 光電直接轉(zhuǎn)換方式該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣(圖7)了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具

15、有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn).太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會(huì)引起環(huán)境污染；太陽能電池可以大中小并舉，大到百萬千瓦的中型電站小到只供一戶用的太陽能電池組，這是其它電源無法比擬的太陽能光伏發(fā)電方式有兩種方式，一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光電直接轉(zhuǎn)換方式。3.4.5 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變電源的要求 采用交流電力輸出的光伏發(fā)電系統(tǒng)，由光伏陣列、充放電控制器、蓄電池和 逆變器(電源)四部分組成（并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般可省去蓄電池），而逆變電源是關(guān)鍵部件。光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變電源要求較高： （1） 要求具有較高的效率。由于目前太陽電池的價(jià)格偏高，為了最大限度地利用太陽電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變電源的效率。 （2）要求具有較高的可靠性。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多電站無人值守和維護(hù)，這就要求逆變電源具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變電源具備各種保護(hù)功能，如輸入直流極性接反保護(hù)，交流輸出短路保護(hù)，過熱，過載保護(hù)等。（3）要求直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍，由于太陽電池的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度而變化，蓄電池雖然對(duì)太陽電池的電壓具有鉗位作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動(dòng)