《新能源概論》課件-7、第三章 太陽能及其利用-3.4太陽能光伏發(fā)電、3.5光伏電池組件

20五月2025第三章

太陽能及其利用5第四節(jié)

太陽能光伏發(fā)電一、光伏發(fā)電的應用1、通信領域：包括無人值守微波中繼站、光纜通信系統(tǒng)及維護站、移動通信基站、廣播、通信以及無線尋呼電源系統(tǒng)等。2、公路、鐵路、航運等交通領域：鐵路和公路信號系統(tǒng)、太陽能路燈、高速公路監(jiān)控系統(tǒng)、航標燈電源等。3、石油、海洋、氣象領域：石油鉆井平臺、海洋檢測設備、氣象和水文觀測設備等。4、農(nóng)村和邊遠無電地區(qū)：高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所、小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)等。5、大型光伏發(fā)電站：10kW～200MW的地面獨立或并網(wǎng)光伏電站、風光互補電站等。6、太陽能光伏建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)：將太陽能發(fā)電與建筑材料相結(jié)合，充分利用建筑的屋頂和外立面，使得大型建筑能實現(xiàn)電力自給、并網(wǎng)發(fā)電。7、太陽能電子商品及玩具：太陽能收音機、太陽能時鐘、太陽能充電器、太陽能手表、太陽能玩具等。8、其他領域：太陽能汽車、太陽能游艇、太陽能制氫與燃料電池相結(jié)合的再生發(fā)電系統(tǒng)、海水淡化設備的太陽能供電系統(tǒng)、衛(wèi)星及航天器、空間太陽能電站等。二、光伏發(fā)電的特點1、發(fā)電過程簡單，沒有機械轉(zhuǎn)動部件；2、不消耗燃料，無排放物、無噪聲、無污染；3、分布廣泛，儲量巨大；4、能量密度低、占地面積大、轉(zhuǎn)換效率低；5、間歇性工作，受氣候、環(huán)境、地域因素影響大；6、晶體硅電池的制造過程高能耗，系統(tǒng)成本高。三、光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1、按系統(tǒng)應用結(jié)構(gòu)可分為：離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)2、離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)包括：光伏電池、光伏控制器、蓄電池、離網(wǎng)逆變器、負載；（1）光伏電池：也叫太陽能電池板，作用是將太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換為電能。當發(fā)電容量較大時，需要多塊光伏電池串、并聯(lián)后構(gòu)成電池陣列光伏電池光伏控制器蓄電池離網(wǎng)逆變器直流負載交流負載離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)示意圖（2）光伏控制器：是離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，主要控制整個光伏系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可分為小功率、中功率、大功率、風光互補等類型。①防止蓄電池防過充電和過放電，延長蓄電池壽命；②防止光伏電池組件或電池方陣、蓄電池極性接反；③防止負載、控制器、逆變器和其他設備內(nèi)部短路；④具有防雷擊引起的擊穿保護；⑤具有溫度補償?shù)墓δ?；⑥顯示光伏發(fā)電系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)，包括：蓄電池（組）電壓、負載狀態(tài)、電池方陣工作狀態(tài)、輔助電源狀態(tài)、環(huán)境溫度狀態(tài)、故障報警等；⑦耐沖擊電壓和沖擊電流保護。（3）蓄電池：存儲太陽能電池發(fā)出的電能，并可隨時向負載供電。①自放電率低、使用壽命長、充電效率高、深放電能力強、工作溫度范圍寬、少維護或免維護、價格低廉；②目前光伏系統(tǒng)配套使用的主要是免維護鉛酸電池，在小、微型系統(tǒng)中，也可使用鎳氫電池、鎳鉻電池、鋰電池、超級電容器；③需要大容量電能存儲時，可將多個蓄電池進行串、并聯(lián)，構(gòu)成大容量蓄電池組。（4）離網(wǎng)逆變器：其作用是把光伏電池組或者蓄電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電供應給交流負載使用。3、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)：光伏電池產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電能后接入公共電網(wǎng)。（1）集中式大型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)：一般都是國家級電站，主要特點是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。這種電站投資大、建設周期長、占地面積大。（2）分布式小型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)：特別是光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)，由于投資小、建設快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點，是目前并網(wǎng)光伏發(fā)電的主流。（3）常見并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)一般有以下兩種形式：①有逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)當光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能充裕時，可將剩余電能饋入公共電網(wǎng)，向電網(wǎng)供電（賣電）；當光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的電力不足時，由電網(wǎng)向負載供電（買電）。②無逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)即使發(fā)電充裕也不向公共電網(wǎng)供電，但當光伏發(fā)電系統(tǒng)供電不足時，則由公共電網(wǎng)向負載供電。單向電表思考題3-9、離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的作用是什么？3-10、簡述有逆流和無逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作模式。第五節(jié)

光伏電池組件一、光伏電池發(fā)電原理1、光伏電池：又稱太陽能電池，是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導體薄片。它只要被滿足一定照度條件的光照射到，瞬間就可形成電壓，在閉合回路中產(chǎn)生電流。這種光電現(xiàn)象稱為光伏。2、本征半導體、N型半導體、P型半導體（1）施主能級：一個能級被電子占據(jù)時呈中性，不被電子占據(jù)時帶正電，則被稱為施主能級。（2）受主能級：一個能級不被電子占據(jù)時呈中性，被電子占據(jù)時帶負電，則被稱為受主能級。（3）本征半導體：不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的純凈半導體。（4）雜質(zhì)半導體：半導體摻入施主或受主雜質(zhì)時會在禁止帶內(nèi)引入雜質(zhì)能級，施主雜質(zhì)引入施主能級，受主雜質(zhì)引入受主能級。①N型半導體：施主的總量占多數(shù)，則這類半導體稱為N型半導體。②P型半導體：受主的總量占多數(shù)，則這類半導體稱為P型半導體。3、光傳導現(xiàn)象半導體材料受到光照射時，吸收入射光子能量，若光子能量hw大于或等于半導體材料的禁帶寬度能量Eg，就激發(fā)出電子﹣空穴對，使載流子濃度增加，半導體的導電性增加，阻值降低，這種光電效應稱光導效應。（1）導帶：自由電子存在的能帶（2）價帶：自由空穴存在的能帶（3）禁帶寬度：被束縛的電子要成為自由電子或者空穴，就必須獲得足夠的能量從價帶躍遷到導帶，這個能量的最小值就是禁帶寬度。（決定物質(zhì)導電特性）N型半導體P型半導體價電子帶傳導帶Eghw4、半導體的光電特性（1）本征半導體：光子能量hy(eV)

>禁帶寬度Eg(eV)，電子由價帶越過禁帶躍遷到導帶，成為自由電子，致使純半導體中導帶的電子和價帶的空穴濃度增大，半導體電阻率減小。如圖(a)所示。電子和空穴統(tǒng)稱為載流子。它們在端電壓作用下均可形成光電流。當光照停止后，自由電子被失去電子的原子俘獲，電阻又恢復原值。（2）N型半導體：當光子能量hy(eV)大于施主能級和導帶底能級差Ei(eV)，如圖(b)所示，光能即被吸收，激發(fā)出能參與導電的光生電子。（3）P型半導體：當光子能量hy(eV)大于受主能級和價帶頂能級差Ei(eV)，如圖(c)所示，光能即被吸收，激發(fā)出能參與導電的光生空穴。施主能級受主能級5、光伏電池發(fā)電原理（1）N區(qū)的空穴向P區(qū)運動，P區(qū)的電子向N區(qū)運動，使光伏電池的前電極有大量的電子積累，電池的背電極有大量的空穴積累。若在電池兩端接上負載形成回路，則負載上就有電流通過。（2）標準光照下，額定輸出電壓為0.48V，要想獲得更高輸出電壓和功率，可把多片光伏電池連在一起使用。（3）光伏電池輸出功率是隨機的，不同時間、不同地點、不同安裝方式下，同一塊光伏電池的輸出功率是不同的。二、光伏電池的種類3、硅系光伏電池（1）單晶硅太陽能電池它是以高純的單晶硅棒為原料的太陽能電池，是當前開發(fā)得最快的一種太陽能電池，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。單晶硅太陽電池的硅原子排列非常規(guī)則，在硅太陽電池中轉(zhuǎn)換效率最高，目前實驗室最高效率為25%；市場實際產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率為18～20%；高效單晶硅太陽電池的效率目前達到了22%。根據(jù)行業(yè)標準要求，電池片的使用壽命要求25年以上。典型的單晶硅片制造工藝:單晶硅棒的純度要求為99.999％。為了降低生產(chǎn)成本，地面應用的光伏電池采用單晶硅棒，材料性能指標有所放寬。有的可使用半導體器件加工產(chǎn)生的頭尾料和廢次單晶硅材料，經(jīng)過復拉制成光伏電池專用的單晶硅棒。將單晶硅棒切成厚約為0.3mm的硅片。硅片經(jīng)過成形、拋磨、清洗等工序后，制成待加工的原料硅片。單晶硅片經(jīng)過硅片清洗、制絨、擴散、等離子刻蝕、去磷硅玻璃、PECVD鍍氮化硅膜、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)、測試、包裝工序等系列太陽電池的制造工藝，制造成單晶硅太陽電池。（2）多晶硅太陽能電池多晶硅硅片由單晶硅顆粒聚集而成。與單晶硅片相比，少了拉晶工藝，因此晶體方向存在無規(guī)則性，正負電荷對不能全部被PN結(jié)電場所分離。所以與單晶硅在性能上的差異，導致多晶硅太陽電池的效率低于單晶硅太陽電池。多晶硅太陽能電池用鑄造的方法生產(chǎn)，所以成本比單晶硅太陽能電池低。多晶硅片的生產(chǎn)流程包括：多晶原料清洗、檢測→坩堝噴涂→多晶鑄錠→硅錠剖方→硅塊檢驗→去頭尾→磨面、倒角→粘膠→切片→硅片脫膠→硅片清洗→硅片檢驗→硅片包裝→硅片入庫。（3）非晶硅太陽能電池非晶硅太陽電池是目前市場上比較成熟的一種薄膜太陽能電池。1976年美國RCA實驗室的D.E.Conlson和C.R.Wronski在Spear形成和控制PN結(jié)工作的基礎上制成了世界上第一個a-Si太陽電池。非晶硅原子排列呈無規(guī)則狀態(tài)，理論轉(zhuǎn)換效率18%；實際轉(zhuǎn)換效率7～9%。非晶硅電池是在玻璃基板上使用蒸鍍非晶硅層的方法，薄膜層厚度數(shù)微米；節(jié)約原材料，批量生產(chǎn)時成本低。非晶硅薄膜電池的薄膜可附著在廉價的基片介體如玻璃、活性塑料或不銹鋼等之上，不僅可節(jié)省大量材料成本，也可制作大面積、專供建筑使用的透明玻璃光電磚。非晶硅太陽電池有各種不同的結(jié)構(gòu)。其中PiN結(jié)構(gòu)電池是在玻璃襯底上先沉積一層透明氧化物導電膜，然后沉積一層摻硼的P型非晶硅，再沉積一層