太陽能轉(zhuǎn)化、利用與存儲技術(shù) 課件 第三章 光伏發(fā)電單元

主講：第三章

光伏發(fā)電單元

CONTENTS光伏電池目錄PART

01光伏組件PART

02光伏陣列運行方式選擇PART

03PART

04光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計PART

02PART

05PART

06光伏陣列設(shè)計光伏組件發(fā)電量計算光伏電池Part.01光伏電池01光伏電池是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成的一種能將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換器件,它是光伏單元的工作核心。光伏電池——晶硅光伏電池工作原理01硅原子外層為4電子,硅與周圍硅原子形成共價鍵，形成8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；磷原子被注入硅中,5個電子的磷原子和4個電子的硅原子結(jié)合,就會產(chǎn)生一個多余的自由電子,這種摻雜就形成了電池片的N型區(qū),N型區(qū)的自由電子往往更容易移動。與N型摻雜類似,如果在硅片中注入3個電子的硼原子,3個電子的硼原子與4個電子的硅原子結(jié)合,就會形成缺少一個電子的空穴區(qū),稱為P型區(qū),與N型區(qū)相反,空穴區(qū)傾向于吸附一個自由電子。PN區(qū)域形成PN結(jié)構(gòu)，當(dāng)光線照射的時候,光子激發(fā)電子空穴對，電子空穴對在內(nèi)建電場及濃度梯度的作用下分離。光伏電池——晶硅光伏電池工作原理01光伏電池——晶硅光伏電池生產(chǎn)工藝流程01單晶硅片

多晶硅片光伏電池——晶硅光伏電池生產(chǎn)工藝流程01晶硅太陽能電池單晶硅太陽能電池；多晶硅太陽能電池；薄膜太陽能電池非晶硅太陽能電池；碲化鎘太陽能電池;銅銦鎵硒太陽能電池等。太陽能電池分類光伏電池——晶硅光伏電池生產(chǎn)工藝流程01絨面制備：利用化學(xué)溶液對晶體硅表面進行腐蝕，在化學(xué)溶液中處理，形成絨面結(jié)構(gòu)，增加了對入射光線的吸收。P-N結(jié)制備：在P型硅上，通過液相、固相或氣相等技術(shù)，擴散形成N型半導(dǎo)體。絲網(wǎng)印刷：沉積鋁作為鋁背場，再通過絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)形成金屬電極。傳統(tǒng)的晶硅光伏電池制作工藝流程：晶硅光伏電池主要制備工藝步驟光伏電池——晶硅光伏電池生產(chǎn)工藝流程01大尺寸硅片：166mm*166mm、182mm*182mm和210mm*210mm黑硅技術(shù)：增加了一道表面制絨工藝，降低了硅表面反射率新增激光摻雜（SE）技術(shù)：在金屬柵線與硅片接觸部位及其附近進行高濃度摻雜雙面印刷（雙面PERC）：提升組件整體的發(fā)電量N型PERT技術(shù)：幾乎無光衰減交指式背接觸（IBC）技術(shù)：把正負電極都置于電池背面，減少置于正面的電極反射一部分入射光帶來的陰影損失隧穿氧化鈍化（TOPCon）技術(shù)：在電池背面制備一層超薄氧化硅，然后再沉積一層摻雜硅薄層，兩者形成鈍化接觸結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)（HIT）技術(shù)：在晶體硅上沉積非晶硅薄膜柵線改變：減小細柵寬度和提高主柵數(shù)光伏電池技術(shù)更新光伏電池——晶硅光伏電池生產(chǎn)工藝流程01分類2020年2021年2023年2025年2027年2030年P(guān)型多晶BSFP型多晶黑硅電池19.4%19.5%19.5%------PERCP型多晶黑硅電池20.8%21.1%21.4%21.7%22.0%22.5%PERCP型鑄錠單晶電池22.3%22.6%23.0%23.3%23.5%23.7%P型單晶PERCP型單晶電池22.8%23.1%23.4%23.7%23.9%24.1%N型單晶TOPCon單晶電池23.5%24.0%24.5%25.0%25.3%25.7%異質(zhì)結(jié)電池23.8%24.2%24.8%25.2%25.5%25.9%背接觸電池23.6%24.0%24.5%25.0%25.4%25.8%2020~2030年各種電池技術(shù)平均轉(zhuǎn)換效率變化趨勢光伏組件Part.02光伏組件0201組成材料和部件對光伏組件的質(zhì)量、性能和使用壽命影響都很大。02光伏組件成本占到光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)總成本的50％以上。03光伏組件質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的質(zhì)量、發(fā)電效率、發(fā)電量、使用壽命、收益率等光伏組件光伏組件——晶硅光伏組件制備工藝流程02在焊接前需要對電池進行分選，分選出有色差、崩邊、缺陷、缺角等外觀不良的電池片技術(shù)和價值最高的環(huán)節(jié)為焊接和層壓晶硅光伏組件制備工藝流程光伏組件——晶硅光伏組件制備工藝流程02半片技術(shù)疊瓦技術(shù)光伏組件工藝更新光伏組件——晶硅光伏組件制備工藝流程02單塊組件發(fā)電功率高技術(shù)發(fā)展較為成熟據(jù)光伏組件市場主導(dǎo)地位單玻組件雙玻組件：生命周期更長、耐候性和耐腐蝕性更強、衰減更低、發(fā)電效率更高等晶硅光伏組件硅基薄膜組件銅銦鎵硒薄膜組件（CIGS）碲化鎘（CdTe）薄膜組件薄膜光伏組件光伏組件分類光伏材料的用量少發(fā)電成本相對較低維護成本也相對較低聚光光伏組件光伏組件——光伏組件分類及其性能參數(shù)02光伏組件性能參數(shù)短路電流Isc：當(dāng)將光伏組件的正負極短路，使U=0時的電流

隨著光強的變化而變化，與電池片的面積成正比開路電壓

Uoc：當(dāng)光伏組件的正負極不接負載時，組件正負極間的電壓

隨電池片串聯(lián)數(shù)量的增減而變化，不受電池片的面積的影響峰值電流

Im：光伏組件或光伏電池片輸出最大功率時的工作電流光伏電池片與光伏組件性能參數(shù)類似

光伏組件——光伏組件分類及其性能參數(shù)02光伏組件性能參數(shù)峰值電壓Um：光伏組件或光伏電池片輸出最大功率時的工作電壓

隨電池片串聯(lián)數(shù)量的增減而變化。峰值功率Pm：光伏組件在正常工作或測試條件下的最大輸出功率

Pm=ImUm

受太陽輻照度、太陽光譜分布和組件的工作溫度影響光伏電池片與光伏組件性能參數(shù)類似

測量標準條件是：輻照度為1000

W/m2、光譜AM（大氣質(zhì)量）1.5、測試溫度25

℃。光伏組件——光伏組件分類及其性能參數(shù)02光伏組件性能參數(shù)填充因子：光伏組件的最大功率與開路電壓和短路電流乘積的比值

0.5~0.8

式中，A表示光伏組件有效面積；Pm表示單位面積的入射光功率；Pin=1000W/m2=100mW/cm2轉(zhuǎn)換效率：光伏組件受光照時的最大輸出功率與照射到組件上的太陽能量功率的比值光伏組件——光伏組件分類及其性能參數(shù)02光伏組件溫度較高時，工作效率下降在20~100℃范圍，大約溫度每升高1℃，光伏組件的電壓減小2mV溫度每升高1℃，功率大約減少0.35%溫度系數(shù)是光伏組件性能的評判標準之一溫度光照強度與光伏組件的光電流成正比光照強度對電壓的影響很小光伏電池的功率與光照強度成正比光照強度影響光伏組件輸出特性的因素飛鳥、塵土、落葉等遮擋物熱斑效應(yīng)是指在一定條件下，一串聯(lián)支路中被遮蔽的光伏組件，將被當(dāng)作負載消耗其他有光照的光伏組件所產(chǎn)生的能量。熱斑效應(yīng)可以使光伏組件的實際使用壽命至少減少10%。陰影光伏組件——光伏組件分類及其性能參數(shù)02典型組件參數(shù)型號性能參數(shù)內(nèi)容性能參數(shù)內(nèi)容電池片類型TOPCon最大功率Pmax/W430電池片排列108片（6×18）開路電壓Uoc/V38.49組件尺寸/mm1722±2×1134±2×30短路電流：Isc/A14.25正面玻璃3.2mm高透，減反射鍍膜鋼化玻璃最大功率點電壓Ump/V31.84背板內(nèi)黑外白最大功率點電流Imp/A13.51組件邊框陽極氧化膜鋁合金黑色邊框組件效率η/%22.0接線盒IP68，3個二極管工作溫度范圍/℃-40~+85導(dǎo)線橫截面積4.0mm2最大系統(tǒng)電壓/VDC1500導(dǎo)線長度正極線1200mm，負極線長1200mm最大熔絲額定值/A25溫度系數(shù)（Pmax）-0.30%/℃溫度系數(shù)（Voc）-0.25%/℃溫度系數(shù)（Isc）+0.046%/℃標稱工作溫度（NMOT）/℃45±2N型半片全黑組件（54版型）性能參數(shù)光伏陣列運行方式選擇Part.03光伏陣列運行方式選擇0301固定式和跟蹤式。02安裝容量、安裝場地面積和特點、負荷的類別和運行管理方式，以及技術(shù)經(jīng)濟比較確定。光伏陣列運行方式選擇光伏陣列運行方式選擇——固定式0301最佳傾角固定式02傾角可調(diào)固定式03斜屋頂固定式固定式光伏陣列運行方式選擇——固定式03最佳傾角固定式以太陽輻射量最大傾角固定不變，全年累計輻射量最大。平屋面和地面電站?；炷粱A(chǔ)支架

混凝土壓載支架光伏陣列運行方式選擇——固定式03傾角可調(diào)固定式根據(jù)太陽輻射角度變化，定期調(diào)整固定式支架傾角，以提高各季節(jié)輻射量，從而提高組件整體發(fā)電量。平屋面和地面電站。推拉式可調(diào)支架圓弧式可調(diào)支架千斤頂式可調(diào)支架液壓式可調(diào)支架光伏陣列運行方式選擇——固定式03斜屋頂固定式以斜屋面傾角固定不變。瓦屋面和彩鋼瓦屋面電站。光伏陣列運行方式選擇——跟蹤式0301單軸跟蹤系統(tǒng)02雙軸跟蹤系統(tǒng)跟蹤式光伏陣列運行方式選擇——跟蹤式03單軸跟蹤系統(tǒng)繞一維軸旋轉(zhuǎn)，使得光伏組件受光面在一維方向盡可能垂直于太陽光的入射角的跟蹤系統(tǒng)。低緯度地區(qū)。斜單軸跟蹤系統(tǒng)：較高緯度地區(qū)。標準平單軸跟蹤式帶傾角平單軸跟蹤式斜單軸跟蹤系統(tǒng)光伏陣列運行方式選擇——跟蹤式03雙軸跟蹤系統(tǒng)繞二維軸旋轉(zhuǎn)，使得光伏組件受光面始終垂直于太陽光的入射角的跟蹤系統(tǒng)。對太陽光線實時跟蹤。各個緯度地區(qū)使用。雙軸跟蹤系統(tǒng)光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計Part.04光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計04光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計光伏支架主要起到固定和支撐光伏組件的作用。光伏支架基礎(chǔ)是將安裝光伏組件的支架結(jié)構(gòu)所承受的各種作用傳遞到地基上的結(jié)構(gòu)組成部分。支架基礎(chǔ)的選型與設(shè)計要綜合考慮工程地質(zhì)條件、水文條件、上部支架結(jié)構(gòu)類型、荷載條件、施工工藝，并應(yīng)結(jié)合工期要求和地方經(jīng)驗進行優(yōu)化和調(diào)整。光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計——光伏陣列支架設(shè)計04光伏陣列支架荷重的計算光伏陣列支架結(jié)構(gòu)主要承受光伏組件和自身重量產(chǎn)生的恒荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度荷載、地震荷載以及施工檢修荷載等作用。支架是安裝從下端到上端高度為

4m以下的光伏組件陣列時使用，結(jié)構(gòu)設(shè)計時把允許應(yīng)力設(shè)計作為基本，設(shè)計用的荷重是以等價靜態(tài)荷重為前提。持久作用的固定荷重和自然界外力的風(fēng)壓荷重、積雪荷重及地震荷重等。光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計——光伏陣列支架設(shè)計04固定荷重（G）是組件質(zhì)量（GM）和支撐物等質(zhì)量（Gk）的總和。風(fēng)壓荷重（W）是加在組件上的風(fēng)壓力（WM）和加在支撐物上的風(fēng)壓力（WK）的總和（矢量和）。積雪荷重（S）是指與組件面垂直的積雪荷重。地震荷重（K）是指加在支撐物上的水平地震力（在鋼結(jié)構(gòu)支架中，地震荷重一般比風(fēng)壓荷重要?。┒嘌┑貐^(qū)的荷重組合，把積雪荷重設(shè)為平時的70%，暴風(fēng)時及地震時設(shè)為35%。假想荷重荷重條件和荷重組合光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計——光伏陣列支架設(shè)計04風(fēng)壓荷重假想荷重中最大的荷重光伏陣列中因風(fēng)引起的破壞多數(shù)在強風(fēng)時發(fā)生作用于光伏陣列的風(fēng)壓荷重由下式計算:

W——風(fēng)壓荷重(N);

CW——風(fēng)荷載體型系數(shù);

Q——設(shè)計用風(fēng)壓(N/m2);

AW——受風(fēng)面積(m2)(投影面積或者有效面積,與安裝角度有關(guān))。Q0———基準風(fēng)壓(N/m2);H———高度修正系數(shù);I———環(huán)境系數(shù)。光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計——光伏陣列支架設(shè)計04積雪荷重設(shè)計支架時的積雪荷重由下式計算出：

CS——坡度系數(shù);P——雪的平均單位質(zhì)量(N/m2)(一般的地方為19.6N以上,多雪的區(qū)域為29.4N以上);ZS——地上垂直最深積雪量(cm);AS——積雪面積(陣列面的水平投影面積,m2)。坡度系數(shù)光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計——光伏陣列支架設(shè)計04地震荷重設(shè)計支架時的地震荷重的計算：

多雪的區(qū)域：K———地震荷重(N);

C1———地震層抗剪系數(shù);G———固定荷重(N);

S———積雪荷重(N)。一般的地方：光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計——光伏陣列支架設(shè)計04光伏陣列支架材料及選型鋁合金支架一般應(yīng)用在民用建筑屋頂光伏上；耐腐蝕、質(zhì)量小；承載力低鍍鋅鋼支架廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)光伏電站中；性能穩(wěn)定、承載力高、安裝簡便；連接件工藝復(fù)雜，價格高混凝土支架主要用于大型光伏電站光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計——光伏陣列支架基礎(chǔ)設(shè)計04支架基礎(chǔ)設(shè)計基本原則（1）支架基礎(chǔ)設(shè)計前應(yīng)獲得場地的巖土工程勘察文件、陣列總平面布置圖、支架結(jié)構(gòu)類型、使用條件及對基礎(chǔ)承載力和變形的要求、施工條件、施工周期等資料。（2）支架基礎(chǔ)應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行設(shè)計。（3）支架基礎(chǔ)設(shè)計安全等級不應(yīng)小于上部支架結(jié)構(gòu)設(shè)計安全等級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)對于光伏發(fā)電站支架基礎(chǔ)不應(yīng)小于0.95。（4）支架基礎(chǔ)設(shè)計使用年限不應(yīng)小于電站設(shè)計使用年限，且不應(yīng)小于25年。（5）支架基礎(chǔ)設(shè)計和施工應(yīng)考慮電站全壽命周期對環(huán)境的影響，符合當(dāng)?shù)丨h(huán)境保護和水土保持要求，應(yīng)減少土石方挖填，減少對地表植被和表層土的破壞。光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計——光伏陣列支架基礎(chǔ)設(shè)計04支架基礎(chǔ)設(shè)計基本原則（6）支架基礎(chǔ)的設(shè)計和施工在滿足安全性和可靠性的同時，宜采用新技術(shù)、新工藝新材料。當(dāng)場地地形起伏大、不宜大規(guī)模挖填、對生態(tài)恢復(fù)要求高或當(dāng)冬季施工、施工工期緊時宜采用螺旋樁、型鋼樁等基礎(chǔ)。（7）對于樁基礎(chǔ)、錨桿基礎(chǔ)宜選擇有代表性的區(qū)域進行現(xiàn)場試驗，確定施工工藝的可行性和設(shè)計參數(shù)的可靠性。（8）支架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)混凝土強度等級不應(yīng)低于C25；結(jié)構(gòu)鋼筋宜選用HRB400鋼筋，也可選用HPB300鋼筋；結(jié)構(gòu)鋼材宜選用Q235鋼、Q345鋼。（9）支架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所用的原材料及成品構(gòu)件進場時應(yīng)對品種、規(guī)格、外觀和尺寸進行驗收。光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計——光伏陣列支架基礎(chǔ)設(shè)計04支架基礎(chǔ)的分類與選型樁基礎(chǔ)：預(yù)制樁基礎(chǔ)和灌注樁基礎(chǔ)預(yù)制樁：鋼樁（螺旋樁和錘擊（靜壓）型鋼樁）、混凝土預(yù)制樁和預(yù)應(yīng)力混凝土樁擴展式基礎(chǔ)：混凝土獨立基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)；當(dāng)采用條形基礎(chǔ)時應(yīng)采用配筋擴展式基礎(chǔ)。光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計——光伏陣列支架基礎(chǔ)設(shè)計04支架基礎(chǔ)的分類與選型支架基礎(chǔ)選型可根據(jù)下列因素綜合確定：（1）支架結(jié)構(gòu)形式和所承受荷載的特征。（2）土的性狀及地下水條件。（3）施工工藝的可行性。（4）施工場地條件及施工季節(jié)。（5）經(jīng)濟指標、環(huán)保性能和施工工期。

光伏陣列設(shè)計Part.05光伏陣列設(shè)計——光伏陣列方位角設(shè)計05光伏陣列方位角設(shè)計方位角：陣列的垂直面與正南方向的夾角

向東偏設(shè)定為負角度，向西偏設(shè)定為正角度只要在正南±15°之內(nèi)，都不會對發(fā)電量有太大影響在偏離正南（北半球）30°時，陣列的發(fā)電量將減少10%~15%；在偏離正南（北半球）60°時，方陣的發(fā)電量將減少20%~30%。支架基礎(chǔ)的選型與設(shè)計如果受光伏組件設(shè)置場所如屋頂、土坡、山地、建筑物結(jié)構(gòu)及陰影等的限制時，則應(yīng)考慮與它們的方位角一致，以求充分利用現(xiàn)有地形和有效面積，并盡量避開周圍建、構(gòu)筑物或樹木等產(chǎn)生的陰影。光伏陣列設(shè)計——光伏陣列傾角設(shè)計05光伏陣列傾角設(shè)計傾角是光伏陣列平面與水平面的夾角最理想的傾角是陣列全年發(fā)電量盡可能大，而冬季和夏季發(fā)電量差異盡可能小的傾角。光伏發(fā)電系統(tǒng)所處緯度和對一年四季發(fā)電量分配的要求光伏陣列傾角光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計——光伏陣列間距及串并聯(lián)設(shè)計05光伏陣列間距設(shè)計水平面上固定式光伏陣列間距可根據(jù)下列公式計算:L′———陣列傾斜面長度D———兩排陣列之間距離β———陣列傾角φ———當(dāng)?shù)鼐暥纫话阋蠖寥找ＷC上午9點到下午3點之間前排組件陰影不對后排組件造成遮擋光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計——光伏陣列間距及串并聯(lián)設(shè)計05光伏陣列間距設(shè)計具體地形固定式光伏方陣間距計算：具體地形固定式光伏方陣間距計算示意圖影子倍率：東西方向間距:南北方向間距:L——陣列長度;W———陣列寬度;β———陣列傾角;

ɑ———太陽高度角;γ———太陽方位角;θ1———東西坡度(均取正值);θ2———南北坡度(南向取正值,北向取負值);D1———東西方向凈間距;

D2———南北方向凈間距。光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計——光伏陣列間距及串并聯(lián)設(shè)計05光伏組件串并聯(lián)設(shè)計光伏組件串聯(lián)數(shù)量是由光伏組件允許的最大系統(tǒng)電壓、并網(wǎng)逆變器的最高輸入電壓、MPPT電壓所確定(1)光伏組件串的耐受電壓光伏組件串聯(lián)設(shè)計N——光伏組件的串聯(lián)數(shù)(N為整數(shù));

Uoc——光伏組件的開路電壓(V);Kv——光伏組件的開路電壓溫度系數(shù);

t——光伏組件工作條件下的極限低溫(℃)。(2)逆變器最大直流輸入電壓N———光伏組件的串聯(lián)數(shù)(N為整數(shù));

Uoc———光伏組件的開路電壓(V);Kv———光伏組件的開路電壓溫度系數(shù)

;Udcmax———逆變器允許的最大直流輸入電壓(V)。光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計——光伏陣列間距及串并聯(lián)設(shè)計05光伏組件串并聯(lián)設(shè)計光伏組件串聯(lián)設(shè)計(3)光伏組件串電壓的MPPT匹配低溫時:高溫時:N——光伏組件的串聯(lián)數(shù)(N為整數(shù));

K′v——光伏組件的工作電壓溫度系數(shù);Umpptmax——逆變器MPPT電壓最大值(V);

Umpptmin——逆變器MPPT電壓最小值(V);Upm——光伏組件的工作電壓(V)。光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計——光伏陣列間距及串并聯(lián)設(shè)計05光伏組件串并聯(lián)設(shè)計光伏組件并聯(lián)設(shè)計光伏組件并聯(lián)數(shù)量主要由逆變器的額定功率以及最大直流輸入電流確定。(1)逆變器的額定功率N——光伏組件的串聯(lián)數(shù)(N為整數(shù));

Pmax——光伏組件最大功率;Ps——光伏組件串支路功率;

Pe——逆變器額定功率。(2)最大直流輸入電流Iin———逆變器最大直流輸入電流;

Isc———光伏組件串支路短路電流。光伏陣列支架和基礎(chǔ)的設(shè)計——光伏陣列間距及串并聯(lián)設(shè)計05組件排布設(shè)計地面光伏發(fā)電站固定式布置的光伏方陣、光伏組件安裝方位角宜采用正南方向。光伏方陣各排、列的布置間距應(yīng)保證每天9：00~15：00