太阳能光伏发电系统技术Word格式.docx
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项目办吴达成主任和国内许多光伏专家都为本书的编审提出了宝贵意见，在此一并感谢。
由于时间仓促及编者水平有限，本书定有疏漏错误之处，欢迎读者批评指正。
编者2005年4月15日
目
录
第1章导论
1.1太阳能发电的主要优缺点1.2太阳能光伏电池分类1.3太阳能光伏发电的历史和现状1.4中国的太阳能光伏发电
1
1126
第2章太阳和太阳能
2.12.22.32.4太阳的结构太阳和地球相对运动的规律太阳辐射的性质世界和中国太阳能资源分布情况
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11131315
第3章太阳电池、组件
3.1半导体PN结电流电压特性3.2太阳电池的工作原理3.2.1半导体的内光电效应3.2.2太阳电池的能量转换过程3.3太阳电池的基本特性3.3.1短路电流3.3.2开路电压3.3.3太阳电池的输出特性3.3.3.1等效电路3.3.3.2输出特性3.3.3.3转换效率3.3.4太阳电池的光谱响应3.3.5太阳电池的温度效应3.3.6太阳电池的辐照效应3.4影响太阳电池转换效率的因素3.5硅太阳电池常规工艺3.5.1硅太阳电池的基本工艺3.5.2单体电池的制造3.5.3太阳电池组件及封装3.5.4太阳电池组件的常见结构形式3.5.5太阳电池组件的封装材料3.5.5.1上盖板3.5.5.2粘结剂3.5.5.3底板3.5.5.4边框3.5.5.5组件制造工艺3.5.5.6太阳电池组件的特性曲线
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181919202021212223242424252525272729293032323232333334
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目3.6失配对太阳电池的影响3.6.1串联失配3.6.2并联失配3.7小结
录35363738
第4章太阳能光伏发电系统部件介绍
4.1光伏组件（阵列）4.1.1用于电子产品的组件4.1.2用于电力的组件4.1.3光伏组件性能4.2蓄电池4.2.1铅酸蓄电池4.2.1.1特点与结构4.2.1.2铅酸蓄电池的工作原理4.2.2硅胶蓄电池4.2.2.1工作原理4.2.2.2硅胶电解质对蓄电池性能的影响4.2.3碱性蓄电池4.2.4蓄电池的特性4.2.5蓄电池的维护4.2.6蓄电池实例介绍4.3电子控制器4.3.1控制器分类4.3.2逻辑控制4.3.2.1并联控制器4.3.2.2半导体串联控制器4.3.2.3并联和串联混合的控制器4.3.2.4DC-DC控制器4.3.3计算机控制4.3.3.1智能型控制器结构4.3.3.2模拟信号测量4.3.4电子控制器实例介绍4.4逆变器4.4.1逆变器分类4.4.2逆变器用途4.4.3逆变器的结构及工作原理4.4.3.1半导体功率集成器件4.4.3.2逆变电路4.4.4PWM脉宽调制技术4.4.4.1PWM变换技术的基本原理4.4.4.2PWM变换的特点和应用4.4.5正弦波PWM技术4.4.5.1单极性SPWM波形4.4.5.2双极性SPWM波形
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4040414446464647505050535456565758585961646566666667696969707070717172727273
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目4.4.5.3三相SPWM波形4.4.5.4SPWM的用途4.4.6逆变器基本特性及评价4.4.6.1输出波形4.4.6.2输出频率4.4.6.3DC/AC转换效率4.4.6.4工作温度4.4.6.5工作环境4.4.6.6电磁干扰和噪声4.4.6.7过载能力4.4.6.8其它4.4.7逆变器实例介绍
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第5章独立光伏电站（集中供电）及用户光伏系统（分散供电）的设计，安装及维修78
5.1独立光伏系统的设计5.1.1负载的计算5.1.1.1负载估计5.1.1.2电压的选择5.1.2PV组件电流和蓄电池的容量5.1.2.1每日需求的总安时5.1.2.2确定蓄电池容量5.1.2.3典型的户用太阳能系统5.1.3确定太阳电池组件的输出5.1.3.1蓄电池效率5.1.3.2太阳电池组件的输出5.2独立光伏系统的安装5.2.1阵列的安装5.2.2蓄电池的安装5.2.3控制中心5.2.4系统布线5.3独立光伏系统的维修5.3.1周期性地检查5.3.2故障检修78797979808080828283838686888889898990
第6章
太阳电池测试
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93939393939394
6.1太阳辐射6.1.1概述6.1.2太阳辐射的基本特性6.1.2.1几个描述光的物理概念6.1.2.2辐照度及其均匀性6.1.2.3光谱分布6.1.2.4总辐射和间接辐射
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录949494949595959596979798989999100101102102102102102102102102102103103103103103104104104104104104
6.2
6.3
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6.5
6.6
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6.1.2.5辐照稳定性太阳模拟器6.2.1稳态太阳模拟器和脉冲式太阳模拟器6.2.2太阳模拟器的电光源及滤光装置太阳模拟器某些光学特性的检测6.3.1辐照不均匀度的检测6.3.2辐照不稳定的检测6.3.3光谱失配误差计算单体太阳电池测试6.4.1测试项目6.4.2电性能测试的一般规定6.4.3测量仪器与装置6.4.4基本测试方法6.4.5从非标准测试条件换算到标准测试条件6.4.6室外阳光下测试6.4.7太阳电池内部串联电阻的测量6.4.8太阳电池电流和电压温度系数的测量非晶硅太阳电池电性能测试须知6.5.1校准辐照度6.5.2光源6.5.3光谱响应太阳电流组件测试和环境试验方法6.6.1测试项目6.6.2组件电性能参数测量中所需的参考组件6.6.3太阳电池组件测试方法6.6.3.1组件的额定工作温度（NOCT）6.6.3.2电阻的测量地面用硅太阳电池组件环境试验概况6.7.1温度交变6.7.2高温贮存6.7.3低温贮存6.7.4恒定湿热贮存6.7.5振动、冲击6.7.6盐雾试验6.7.7冰雹试验6.7.8地面太阳光辐照试验6.7.9扭弯试验
第7章光伏系统应用介绍
7.1独立光伏系统7.1.1无电乡村独立电站7.1.2太阳能微波中继站7.1.3太阳能路灯7.1.4太阳能航标/灯塔7.1.5太阳能信号标志
105
105105105106107107
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目7.1.6太阳能汽车7.1.7太阳能船7.1.8太阳能手表7.1.9光伏水泵7.1.10沙漠光伏电站7.2与建筑集成的光伏系统7.2.1太阳能光伏屋顶7.2.2公共建筑光伏系统
录107108108109109109110112
-5-
第1章
导论
导
论
“到处阳光到处电”是人类美丽的理想。
太阳能光伏发电是指不通过热过程，直接将太阳的光能变换成电能的太阳能利用方式。
依靠光伏电池，把照射到光伏电池上的光能直接转换成电能输出的光伏发电是太阳能光发电的主流。
1.1
太阳能光伏发电的主要优缺点
太阳能光伏发电的主要优点为：
（1）结构简单，体积小且轻；
（2）易安装，易运输，建设周期短；
（3）使用方便，，维护简单，在-50℃~-65℃温度范围均可正常工作；
（4）清洁能源，安全，无噪声，零排放；
（5）可靠性高，寿命长；
（6）太阳能几乎无处不有，所以光伏发电应用范围广，；
（7）降价速度快，能量偿还时间有可能缩短；
（8）可以与蓄电池相配组成独立电源，也可以并网发电。
太阳能光伏发电的主要缺点是：
（1）太阳能能量密度低，覆盖面积大；
（2）光伏发电具有间歇性和随机性；
（3）各个地区太阳能资源情况不通，所以光伏发电区域性强。
1.2
太阳能光伏电池分类
迄今为止，人们已经研究了100多种不同材料、不同结构、不同用途和不同型式的太
阳能电池（见表1.1）。
目前大面积地面用太阳能电池仍以硅材料太阳能电池为主,主要有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池，此外还有部分化合物太阳能电池（如硒铟铜薄膜太阳电池等）,化合物砷化镓太阳能电池主要应用于空间电源领域。
用于地面太阳能光发电系统的太阳能电池，要求耐风霜雨雪的侵袭，有较高的功率价格比，要求具有大规模生产的工艺可行性和材料来源。
表1.1太阳电池与光伏组件的分类
A:
按基本材料分类
-11
晶体硅光伏电池及组件非晶硅薄膜光伏电池及组件微晶硅薄膜光伏电池及组件纳晶硅薄膜光伏电池及组件硒光电池化合物太阳电池:
硫化镉,硒铟铜,碲化镉,砷化镓光伏电池及组件染料电池…….
B:
按结构分类同质结光伏电池及组件异质结光伏电池及组件肖特基结光伏电池及组件复合结光伏电池及组件液结光伏电池及组件
C:
按用途分类空间光伏电池及组件地面光伏电池及组件光伏传感器
D:
按使用状态分类平板光伏电池及组件聚光光伏电池及组件分光光伏电池及组件
E:
按封装材料分类刚性封装光伏电池及组件半刚性封装光伏电池及组件柔性衬底封装光伏电池及组件
1.3
太阳能光伏发电的发展历史和现状
自从1839年发现“光生伏打效应”和1954年第一块实用的光伏电池问世以来，太阳能
光伏发电取得了长足的进步，但是它的发展仍然比计算机和光纤通讯要慢得多。
究其原因或许是人们对于信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对于能源的需求。
1973年
-22
的石油危机和九十年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电的发展。
随着人们对后续能源问题和环境质量的认识不断提高，加大了关于光伏发电的各项科研经费的投入，而科研成就转化为技术和生产规模不断增长，使得成本不断下降，政策刺激下的市场不断扩大。
自1998年以来，连续5年以30%以上的速度增长，至2002年已达540MW/年，2003年高达约750MW，增长40%。
由于德国、欧盟及日本太阳能屋顶项目的推动，2004年世界光伏年产量达到1256MW，年增长率超过50%。
应用范围也越来越广，尤其是各个国家的光伏计划，为太阳能光伏发电展现了无限光明的前途。
自1996年以来，世界光伏发电正在高速发展。
主要表现在:
光伏产量增长率持续走高。
多年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域之一，1999－2003年光伏组件的生长以30－40％的速度甚至更高的递增速度发展，太阳电池的产量从1999年的202MW增加到2004年的1256MW，如图1-1所示。
生产规模不断扩大，光伏产业向百兆瓦级规模和更高技术发展。
目前光伏组件的生产规模在5-20MW/年。
许多公司在计划扩建和新建年产50-100MW级光伏组件生产厂。
新技术不断出现，电池效率持续攀升，成本明显降低。
随自动化程度和技术水平的提高，电池效率将由现在的水平（单晶硅13-15%，多晶硅11-13%）向更高水平（单晶硅18-20%，多晶硅16-18%）发展。
而在过去的30年中，光伏组件的成本已降低了2个数量级，光伏组件的成本已降低了2个数量级，如图1-2所示。
2002－2004年间，我国光伏产业迅猛发展，已经成为世界光伏产业和市场发展最快的国家之一。
图1-1世界太阳电池历年产量
3
图1-2世界光伏组件生产成本下降趋势
表1-2为历年太阳电池发货量，可以看到原来居太阳电池首位的美国。
已从1999年开始让位于日本。
表1－2：
1993-2003年世界太阳电池组件发货量（MW）年度日本欧洲美国其它合计199317.017.021.05.561.4199416.521.725.645.6.069.44199516.420.134.756.3577.6199621.218.88.859.7588..60199735.030.451.09.4.0125.80199849.033.553.718.7154.91999804060.820.5201.302000128.660.6674.9723.42287.652001171.2286.38100.3232.62390.542002251.07135.05120.6055.05561.772003365.4202.396.385.7749.7
国际太阳电池研究现状迄今为止，已经研究了近100种太阳电池，表1－3，表1－4和表1－5为各种太阳电池世界最高水平的科研成果。
4
表1－3地面用太阳电池在标准测试条件下的效率
表1－4地面用光伏组件在标准测试条件下的效率
5
表1－5地面用聚光太阳电池和组件在标准测试条件下的效率
1.4
中国的太阳能光伏发电
我国从1958年开始研究光伏发电，1971年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星
上。
于1973年开始地面光伏系统应用。
中国自制的光伏航标灯、太阳能灯塔和气象用光伏电源、通讯用光伏电源在七十年代已开始使用，但规模很小，1977年中国光伏产量只有1.1KW,价格高达200元/Wp,光电转换效率为6～10%。
八十年代开始先后引进了一批美国的单晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池生产设备，使得中国的光伏工业开始起步。
至1987年，中国光伏产量达到100KW/年,晶体硅太阳电池的价格已降到40～45元/Wp,光电转换效率达到了8～12%。
九十年代开始以来，全国已形成5.0MWp/年的生产能力。
我国对于太阳电池的研究主要集中在实用型的单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳电池、砷化镓太阳电池、空间用的硅太阳电池及其系统、锡铟铜及碲化镉化合物薄膜太阳电池和聚光太阳电池及系统。
目前我国各种太阳电池的实验室最高效率见表1-6。
-6-
6
表1-6中国各种太阳电池实验室研究的最高效率类型单晶硅电池GaAs电池多晶硅电池聚光硅电池CdS/CuxS电池CuInSe2电池CdTe电池多晶硅薄膜电池最高效率（％）20.420.114.53（2000年）17128.57713.611.2（单结）11.4（双结）非晶硅电池8.67.96.2二氧化钛纳米有机电池10面积（cm）2*21*12*22*2几个mm1*13mm1*1,非活性硅衬底上几个mm几个mm10*1020*2030*301*1
2
进入21世纪，我国的光伏产业出现了新气象，老的国有企业重组焕发青春，大型上市公司采取多种形式加入，大型民营企业也开始涉足。
2002年，国家计委启动了“西部省区无电乡通电计划”，通过光伏和小型风力发电解决西部七省区（西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙、陕西和四川）780个无电乡的用电问题，光伏用量达到16.5MW。
这一项目的启动大大刺激了光伏工业，国内建起了几条太阳电池的封装线，使太阳电池的年生产量迅速达到100MWP（2002年当年产量20MWP）。
截止2003年底我国太阳电池底累计装机已达到50MWP。
较大的生产规模和先进的技术使太阳电池的价格已从2000年的36～40元/Wp，降为2003年的<
30元/Wp。
哈尔滨克罗拉太阳能电力公司及深圳拓日太阳能公司等2个工厂生产的非晶硅太阳电池价格为23～25元/Wp,光电转换效率为4～6%。
对光伏的产量和价格的预测见表1-6。
表1-6生产能力、产量、价格、系统价格、年产值预测年度20002003组件生产能力（MWP）4.580组件年产量（MWP）2.110组件价格（元/WP）4230系统造价（元/WP）8070系统年产值（亿元）1.687
-7-
7
200520102020
1204002000
501501500
252016
504030
2560450
太阳电池的效率和成本预测见表1-7。
表1-7太阳电池的效率和成本预测晶体硅太阳电池年代2000200520102020单结非晶硅太阳电池年代2000200520102020效率（％）3-54-66-810-12成本（元/WP）18-2012-1510-128-10寿命（年）571015效率（％）单晶硅11-1312-1413-1516-20多晶硅10-1111-1312-1415-1825-3018-2215-2012-1515202530成本（元/WP）寿命（年）
随着光伏产业的发展壮大，光伏器件的效率逐步增加，组件和系统的价格逐步下降，太阳能光伏发电的应用范围愈来愈广，其市场需要也将愈来愈大。
附录：
中国光伏的生产能力中国太阳电池片主要厂家和生产能力产品类别单晶硅厂商名称上海太阳能科技股份有限公司云南半导体器件厂上海国飞生产能力（MW）1021
-8-
8
宁波太阳能多晶硅无锡尚德保定英利非晶硅哈尔滨克罗拉深圳创益深圳日月环深圳拓日天津津能北京世华合计
425310.50.50.581053.5
中国光伏组件主要厂家2003年生产能力厂商名称云南半导体宁波太阳能无锡尚德上海国飞保定英利深圳能联上海811武汉日新深圳先行深圳珈玮小计合计2003年生产能力（MW）242521621011265101.5厂商名称青海国飞内蒙古国飞西藏华冠西安佳阳深圳创意天津日本京瓷黄山朝阳（在建）山东力诺（在建）广州铨欣照明其他小计2003年生产能力（MW）0.50.52102102261.536.5
-9-
9
万物生长靠太阳,太阳对地球来说是唯一永恒的能源。
太阳和地球有着密切的关系。
地球上已发现的109种元素，除17种人造元素以外，其余92种元素太阳里都有.太阳是距离地球最近的一颗恒星,日地距离为1.49597892x108Km,太阳直径为1.392x106Km,是地球的109倍;
体积比地球大130多万倍,太阳平均密度为1.4g/cm3,即比水的密度大50%,太阳内部密度约160g/cm3,因此日心引力比地心引力大29倍左右.太阳的物质组成:
就质量而言,H占78.4%;
He占19.8%;
金属和其他元素,总计占1.8%太阳和地球的物理性质的比较如表2-1所列：
表2-1太阳太阳直径在日地平均距离上太阳的径向角太阳表面积太阳质量太阳体积太阳平均密度表面加速度冠温度光球表面温度（相对于黑体辐射）阳光辐射率太阳表面抛物线速度太阳自转周期太阳视差太阳成分（按重量）氢氦重元素惯性矩太阳常数值75%24.25%0.75%6.0×
10kgm
462
太阳和地球的物理性质
1.39196×
10322·
4
12
6.093×
10kw
33g
1.989×
10（克）1.41522×
101.400gem
-333cm
2.7395×
10≈10°
K5762°
K
4msec-2
615×
10ergscm617·
Km·
s24.65天S.80
-1
-2
1.95±
0.02021cmmin或1370w/m
能量产生率表面逸出速度
3.90×
10W618Km/S
二、地球地球赤道直径地球极间直径地球质量地球体积地球平均直径表面加速度（标准值）扁平度地球轨道偏心度海平面平均压力平均日地距离地球平均半径地球表面积远日点距离近日点距离绕转轴惯量矩地球表面逸出速度赤道旋转速度公转轨道平均速度6370.17Km6356.79Km5.977×
10g1.0
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