太陽能電池基礎(chǔ)知識

1、一,基礎(chǔ)知識(1)太陽能電池的發(fā)電原理太陽能電池是利用半導體材料的光電效應(yīng),將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的裝置.半導體的光電效應(yīng)所有的物質(zhì)均有原子組成,原子由原子核和圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子組成.半導體材料在正常狀態(tài)下,原子核和電子緊密結(jié)合(處于非導體狀態(tài)),但在某種外界因素的刺激下,原子核和電子的結(jié)合力降低,電子擺脫原子核的束搏,成為自由電子.光激勵核核電子空穴電子第 10 頁PN結(jié)合型太陽能電池電子對太陽能電池是由P型半導體和N型半導體結(jié)合而成,N型半導體中含有較多的空穴,而 P型半導體中含有較多的電子,當P型和N型半導體結(jié)合時在結(jié)合處會形成電勢當芯片在受光過程中,帶正電的空穴往P型區(qū)移動,帶負電子的電

2、子往N型區(qū)移動,在接上連線和負載后,就形成電流.N型PN結(jié)N區(qū)PN結(jié)合電勢P區(qū)P型(2)太陽能電池種類硅半導體結(jié)晶類非晶類單晶硅電池多晶硅電池非晶硅電池轉(zhuǎn)換效率:17% 轉(zhuǎn)換效率:14% 轉(zhuǎn)換效率:6-7%空間用民用民用民用太陽能電池3-5族化合物電池轉(zhuǎn)換效率:24%空間用化合物半導體2-6族化合物電池轉(zhuǎn)換效率:10%民用1-3-6族化合物電池轉(zhuǎn)換效率:8%在現(xiàn)在的太陽能電池產(chǎn)品中,以硅半導體材料為主,其中又以單晶硅和多晶硅為代表.由于其原材料的廣泛性,較高的轉(zhuǎn)換效率和可靠性,被市場廣泛接受.非晶硅在民用產(chǎn)品上也有廣泛的應(yīng)用(如電子手表,計算器等),但是它的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率劣于結(jié)晶類半導體材料

3、. 化合物太陽能電池由于其材料的稀有性和部分材料具有公害,現(xiàn)階段未被市場廣泛采用.現(xiàn)在太陽能電池的主流產(chǎn)品的材料是半導體硅,是現(xiàn)代電子工業(yè)的必不可少的材料,同時以氧化狀態(tài)的硅原料是世界上第二大的儲藏物質(zhì).京瓷公司早在上世紀的八十年代就認識到多晶硅太陽能電池的光闊前景和美好未來,率先開啟多晶硅太陽能電池的工業(yè)化生產(chǎn)大門.現(xiàn)在已經(jīng)是行業(yè)的龍頭,同時多晶硅太陽能電池也結(jié)晶類太陽能電池的主流產(chǎn)品(太陽能電池的70%以上).(3)多晶硅太陽能電池的制造方法鑄造工藝高溫冶煉(1400度以上)將經(jīng)過還原后的金屬硅原料注入鑄造爐內(nèi),同時注入硅烷氣體在高溫熔化的同時進行化學反冷卻成錠基片厚度(220微米)破錠(

4、150mm*155mm)切片(線切割)PN結(jié)合(正面N極,反面P極)減反膜形成芯片工藝N極燒結(jié)電極印刷(正反通過電極,匯集電芯片串,并聯(lián),形成設(shè)計需要的電流(一片芯片的電封裝工藝組配疊片層壓玻璃(防沖EVA(緩沖)芯片(發(fā)電) EVA(緩沖) 背墊(防濕)模擬光源,輸出測試邊框安裝(4)太陽能電池關(guān)連的名稱和含義轉(zhuǎn)換效率太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率是指電池將接收到的光能轉(zhuǎn)換成電能的比率輸出功率轉(zhuǎn)換效率=100% 太陽能電池板被照射的太陽能標準測試狀態(tài)由于太陽能電池的輸出受太陽能的輻射強度,溫度等自然條件的影響,為了表述太陽能電池的輸出和評價其性能,設(shè)定在太陽能電池板的表面溫度為25度,太陽能輻射強度為

5、1000 /、分光分布AM1.5的模擬光源條件下的測試為標準測試狀態(tài).大氣層AM1=90度AM1.5(標準測定狀態(tài))地面41.8度分光分布小知識晶硅類理論轉(zhuǎn)換效率極限為29%,而現(xiàn)在的太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率為17%19%,因此,太陽能電池的技術(shù)上還有很大的發(fā)展空間.太陽能電池輸出特性【太陽能電池電流-電壓特性(I-V曲線)】短路電流I最佳輸出動作電流電流Ipm最大輸出動作電壓V最佳動作點最大輸出最大輸出(PM):最大輸出電壓(Vpm) 最大輸出電流( Ipm ) 開路電壓(Voc ):開路狀態(tài)的太陽能電池端子間的電壓短路電流(Isc ):太陽能電池端子間的短路電流最大輸出電壓(V):最大輸出狀態(tài)

6、時的動作電壓最大輸出電流(Ipm ):最大輸出狀態(tài)時的動作電流電壓開路電壓Voc【日照強度變化和I-V曲線】【溫度變化和I-V曲線】1000W/800W/600W/電流電流400W/電壓電壓【日照強度最大輸出特性】【溫度-最大輸出特性】120最100 大80 輸60 出40%200200 400 600 800 1000 1200日照強度(W/)120最100 大80 輸60 出40%200-250255075100溫度(度)太陽能電池的短路電流和日照強度成正比太陽能電池對環(huán)境的貢獻對防止地球溫暖化,減輕對地球環(huán)境的貢獻太陽能電池的輸出隨著池片的表面溫度上升而下降,輸出隨著季節(jié)的溫度變化而變化

7、在同一日照強度下,冬天的輸出比夏天高從太陽能發(fā)電系統(tǒng)排放的二氧化碳,即使是考慮其生產(chǎn)過程的排放量,也絕對少于傳統(tǒng)的燃料發(fā)電設(shè)備,是防止地球溫暖化的環(huán)保設(shè)備.同時在發(fā)電時,不排放氧化硫,氧化氮等污染物,減輕了對環(huán)境的壓力.例:3W太陽能發(fā)電系統(tǒng)對環(huán)境污染物的削減量Co2NOSO石油替代量:729L/年減排放CO2能力:540kg-C/年森林面積換算:5544對能源和節(jié)能的貢獻太陽能電池2。2年的發(fā)電量即可收回制造太陽能電池時使用的電力(5)獨立電源太陽能發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成專用設(shè)備直流有蓄電路燈,交通信號燈,無線電無蓄電池DC水泵,換氣扇,充電器獨立電源交流有蓄電池照明系統(tǒng)無蓄電AC水泵一般負荷直流有蓄

8、電小型用戶系統(tǒng)無蓄電無實例交流有蓄電無電村落系統(tǒng)簡介無蓄電無實例控制器DC 太陽能電池板DC直流負荷DCAC蓄電池逆變器交流負荷部品名稱:太陽能電池-吸收太陽能,將光能轉(zhuǎn)換成直流電能控制器-控制蓄電池的充放電深度,延長蓄電池壽命.蓄電池-儲存太陽能電池板產(chǎn)生的電能,在必要時,向負荷提供直流電力逆變器-將直流輸入電力轉(zhuǎn)換成交流電力輸出二、獨立電源的系統(tǒng)設(shè)計步驟(1)總體設(shè)計思路1)程序圖簡單的來說,太陽能獨立電源系統(tǒng)的容量是由設(shè)備安裝場所的日照量,負荷的消費電力兩大因素決定.在程序圖內(nèi)還需再適當?shù)乜紤]若干安全因素,設(shè)備的效率等因素.項目的安裝地點安裝地點日照量負荷的消費電力確定太陽能電池容量確定

9、蓄電池容量(2)設(shè)計順序1)確定安裝地點的日照量Q（mWh/cm2.day）太陽能獨立電源系統(tǒng)的太陽能電池方陣為了盡可能多接收日照,通常是按一定的傾角安裝的.一般方陣是以安裝緯度設(shè)置傾角. 安裝面日照量的計算方法:（通常采用查詢當?shù)厝照沼涗浄椒ǎヽos|()Q=Q×K×1.16×公式(1)cos|()|符號含義Q: 水平面的月平均日照量(calcm2day) K1: 日照修正系數(shù)（一般為0.9）1.16 : 單位變換定數(shù)(calcm2.daymWh/cm2): 設(shè)置場所的緯度: 太陽能電池方陣的傾斜度(相對于水平面): 太陽的月平均赤緯度°赤緯表白(表一

10、)FebMarAprMayJunJulAugSepQctNovDec-21°-13°-2°+10°+15°+23°+21°14°3°-9°-18°-23°注:在南半球時,上述的符號相反如果只有日照時間的數(shù)據(jù),日照量可以按以下方式進行換算:Q=Q0(a+bS/So)Qo:大氣圈外的日照量(理論值;1.382kW/)S:被記錄的日照時間(日出到日沒時間)So:可照時間(日出到日沒時間)a,b :需要根據(jù)當?shù)貧夂?緯度,季節(jié)而定2)確定負荷的消費電力消費電力是負荷的日平均消費電力,

11、為了計算日平均消費電力,必須了解負荷的使用時間.日平均消費電力計算表白(表2)負荷名稱照明收音機電視機照明平均消費電力(W/）功率(w/h)100200300100使用時間(h)6666消耗電力(w)60012001800600175W300200100照明收音電視照明PL:平均消費電力(175W)06121824時間（）3）確定太陽能電池板容量P（W）太陽能電池容量計算按下列方式計算Pm=2400/Qmin*PL*1/(K)公式2 符號含義Qmin :前述安裝面日照量Q的年最小值(mWh/m2.day) PL:平均消費電力(W)K:系數(shù)(K1*K2*K3*K4*K5*K6*K7*K8*K9)

12、：充電效率(0.97)：太陽能電池板臟污系數(shù)(0.9) ：電池板溫度補正系數(shù)(0.9)4：直并聯(lián)接線損失系數(shù)(1)-12V(0.90,24V(0.95) 5：最佳輸出補正系數(shù)(0.9)6：蓄電池充放電效率(0.9) 7：逆變器效率(視容量和設(shè)備而定)8：變壓器效率(視容量和設(shè)備而定)9：DC線損(0.95)（參考）PV(太陽能電池輸出)的額定輸出功率是在日照量100W/m2,芯片溫度為25度的條件下測定的,輸出功率是根據(jù)日照的強度發(fā)生變化的.為了區(qū)別PV和柴油發(fā)電機的容量標志,故用Wp來表示太陽能電池的峰值輸出.（參考）等價日照量:Qmin./100折損系數(shù)=(K1*K2*K3*K4*K5*K

13、6*K7*K8*K9)：充電效率(0.97) ：太陽能電池板臟污系數(shù)(0.9) ：電池板溫度補正系數(shù)(0.9) 4：直并聯(lián)接線損失系數(shù)(1)-12V(0.90,24V(0.95) 5：最佳輸出補正系數(shù)(0.9) 6：蓄電池充放電效率(0.9) 7：逆變器效率(視容量和設(shè)備而定) 8：變壓器效率(視容量和設(shè)備而定)9：DC線損(0.95)PV額定輸出(P)總消費(P24)日平均消費電力時間100W/m2WpW0100W/m日照量PV額定輸出平均消費電力時間參照圖(a)24等價日照量假設(shè)在日照為100W/m2的強度持續(xù)24小時,PV的容量可等同于平均消費電力. 但是,日照的時間不可能是24小時, 同時受到自然條件的影響(白天,夜間,陰,雨).故設(shè)計時,按公式2,以最小的日照時間來計算計算.（參照圖(a)）假設(shè)在日照量為400Wh/m2.day的情況,相當于在1000W/m2的日照強度4個小時的日照,也就是說,這天除4 小時輸出以外以外,其他時間的輸出功率為零. （參照圖()）實際的日照量(400Wh/m2.day)04小時24參照圖假設(shè),PV的容量按平均消費電力來設(shè)置的話,系統(tǒng)只能帶