新能源技術(shù)太陽能樊

1、第第2章章太陽能發(fā)電太陽能發(fā)電2.1 太陽的輻射及太陽能利用太陽的輻射及太陽能利用 2.2 光伏發(fā)電光伏發(fā)電2.3 太陽能熱發(fā)電太陽能熱發(fā)電2.4 太陽能制冷和空調(diào)太陽能制冷和空調(diào)本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容2.2.1 2.2.1 光伏發(fā)電原理與太陽能電池光伏發(fā)電原理與太陽能電池 光伏發(fā)電光伏發(fā)電 根據(jù)根據(jù)光生伏特效應光生伏特效應原理，利用原理，利用太陽能電池太陽能電池將太陽光將太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能。直接轉(zhuǎn)化為電能。伏特伏特原電池原理原電池原理：將銅、鋅兩金屬：將銅、鋅兩金屬電極一同浸入稀電極一同浸入稀H H2 2SOSO4 4時，由于時，由于鋅比銅活潑，容易失去電子，鋅比銅活潑，容易失去電子，鋅

2、被氧化成鋅被氧化成ZnZn2+2+進入溶液，電進入溶液，電子由鋅片通過導線流向銅片，子由鋅片通過導線流向銅片，溶液中的溶液中的H H+ +從銅片獲得電子，從銅片獲得電子，被還原成氫原子，氫原子結(jié)合被還原成氫原子，氫原子結(jié)合成氫分子從銅片上放出。兩極成氫分子從銅片上放出。兩極發(fā)生如下反應：發(fā)生如下反應：負極：負極：Zn-2e=ZnZn-2e=Zn2+2+正極：正極：2H2H+ +2e=H+2e=H2 2 光伏效應光伏效應 18391839年法國物理學家年法國物理學家A.E Becqurel（貝克勒爾）意外（貝克勒爾）意外發(fā)現(xiàn)，用兩片金屬浸入溶液構(gòu)成的伏打電池在光照下會發(fā)現(xiàn)，用兩片金屬浸入溶液構(gòu)成

3、的伏打電池在光照下會產(chǎn)生額外的電動勢，他將這種現(xiàn)象稱為產(chǎn)生額外的電動勢，他將這種現(xiàn)象稱為“光生伏打效光生伏打效應應”( (Photovoltaic effect) )，簡稱，簡稱“光伏效應光伏效應”。 1876 1876年亞當斯等人在金屬和硒片上發(fā)現(xiàn)固態(tài)光伏效年亞當斯等人在金屬和硒片上發(fā)現(xiàn)固態(tài)光伏效 應；應； 光伏效應：指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結(jié)光伏效應：指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結(jié) 合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。 光電效應光電效應 18871887年，由年，由HeinrichHeinrich HertzHertz在實驗上發(fā)現(xiàn)了光電效應。

4、在實驗上發(fā)現(xiàn)了光電效應。 19051905年，愛因斯坦采用了光量子的概念，從理論上成年，愛因斯坦采用了光量子的概念，從理論上成 功地解釋了這一現(xiàn)象。當時的光電效應是描述光子入射到功地解釋了這一現(xiàn)象。當時的光電效應是描述光子入射到 金屬表面，金屬內(nèi)的電子吸收足夠的光子能量而離開金金屬表面，金屬內(nèi)的電子吸收足夠的光子能量而離開金 屬，成為真空中的自由電子。屬，成為真空中的自由電子。 愛因斯坦光子假說：一束光就是一束以光速運動的粒愛因斯坦光子假說：一束光就是一束以光速運動的粒 子流，這些粒子稱為光子；頻率為子流，這些粒子稱為光子；頻率為 的光的每一光子所具的光的每一光子所具 有的能量為有的能量為h

5、h ，它不能再分割，而只能整個地被吸收或，它不能再分割，而只能整個地被吸收或 產(chǎn)生出來。產(chǎn)生出來。 G光光2m1h= A+mv2KBH H：普朗克常數(shù)：普朗克常數(shù) ：光的頻率：光的頻率B：陽極：陽極K：陰極：陰極G：電流計：電流計A：逸出功：逸出功m: 電子的質(zhì)量電子的質(zhì)量Vm: 電子的平均速度電子的平均速度半導體材料半導體材料本征半導體本征半導體N N型半導體型半導體P P型半導體型半導體PNPN結(jié)結(jié)在外電場作用下在外電場作用下光伏電池原理光伏電池原理1.1.表面反射表面反射2.2.產(chǎn)生后又復合產(chǎn)生后又復合3.3.可以被可以被PNPN結(jié)分離結(jié)分離4.4.產(chǎn)生后又復合產(chǎn)生后又復合5.5.被電池

6、吸收被電池吸收6.6.穿過電池穿過電池+太陽能電池太陽能電池 半導體材料厚度約半導體材料厚度約0.35mm0.35mm，分為正電荷區(qū)和負，分為正電荷區(qū)和負電荷區(qū)電荷區(qū), ,中間是中間是PNPN結(jié)。當受結(jié)。當受到光照射時到光照射時, ,電子吸收光子電子吸收光子產(chǎn)生自由電子產(chǎn)生自由電子空穴對空穴對, ,并并在內(nèi)部擴散在內(nèi)部擴散, ,結(jié)果自由電子結(jié)果自由電子被被PNPN結(jié)掃向結(jié)掃向N N區(qū)區(qū), ,空穴被掃向空穴被掃向P P區(qū)區(qū), ,電池兩端產(chǎn)生電壓電池兩端產(chǎn)生電壓, ,接接通外電路后就會產(chǎn)生電流通外電路后就會產(chǎn)生電流, ,向外輸出電能。向外輸出電能。0IUexpkTLphDocDIIqIIA等效電路

7、等效電路太陽能電池伏安特性太陽能電池伏安特性I Im m 最大工作電流最大工作電流U Um m 最大工作電壓最大工作電壓P Pm m 最大輸出功率最大輸出功率短路電流短路電流 I Iscsc 外部短路時電池輸出的最外部短路時電池輸出的最 大電流，一般大電流，一般I Iscsc=16=16 30mA/cm30mA/cm2 2。開路電壓開路電壓 U Uococ 在在100mW/cm100mW/cm2 2的光源照射的光源照射 下，兩端開路時的輸出電下，兩端開路時的輸出電 壓。一般單晶硅的的開路壓。一般單晶硅的的開路 電壓為電壓為450450600mV600mV，最高，最高 可達可達690mV690m

8、V。光電轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率等于最大輸出功率與入射光的功率之比。目前硅太陽能電等于最大輸出功率與入射光的功率之比。目前硅太陽能電池的理論轉(zhuǎn)換效率為池的理論轉(zhuǎn)換效率為33%33%，實際為，實際為121215%15%，高效單晶硅為，高效單晶硅為181820%20%。太陽能電池的輸出特性太陽能電池的輸出特性PVPV電池的輸出功率為其輸出電壓和電流的乘積。電池的輸出功率為其輸出電壓和電流的乘積。 當輸出電壓處于當輸出電壓處于i-vi-v曲線的轉(zhuǎn)折點時，曲線的轉(zhuǎn)折點時，輸出功率達到最大。輸出功率達到最大。 PV PV電池的電路應工作于靠近電池的電路應工作于靠近i-vi-v曲線的曲線的轉(zhuǎn)折點的左邊轉(zhuǎn)折點的

9、左邊。 光譜響應光譜響應 各種波長的單位輻射光能或?qū)墓庾尤肷涞教栯姼鞣N波長的單位輻射光能或?qū)墓庾尤肷涞教栯姵厣希瑢a(chǎn)生不同的短路電流，按波長的分布求得其對應池上，將產(chǎn)生不同的短路電流，按波長的分布求得其對應的短路電流變化曲線稱為的短路電流變化曲線稱為太陽電池的絕對光譜響應太陽電池的絕對光譜響應。 每一波長以一定等量的輻射光能或等光子數(shù)入射到太每一波長以一定等量的輻射光能或等光子數(shù)入射到太陽電池上，所產(chǎn)生的短路電流與其中最大短路電流比較，陽電池上，所產(chǎn)生的短路電流與其中最大短路電流比較，按波長的分布求得其比值變化曲線稱為按波長的分布求得其比值變化曲線稱為太陽電池的相對光太陽電池的相對

10、光譜響應譜響應。 無論是絕對還是相對光譜響應，光譜響應曲線峰值越無論是絕對還是相對光譜響應，光譜響應曲線峰值越高，越平坦，對應電池的短路電流就越大，效率也越高。高，越平坦，對應電池的短路電流就越大，效率也越高。 組件及方陣組件及方陣 電池片電池片 太陽能電池的最基本單元，厚度約太陽能電池的最基本單元，厚度約200 200 ，尺寸尺寸100100225cm225cm2 2，輸出電壓約，輸出電壓約0.5V0.5V，功率，功率1 13W3W。電池組件電池組件 由多個電池片串聯(lián)而成的最小實用單元，輸由多個電池片串聯(lián)而成的最小實用單元，輸出電壓出電壓17.5V17.5V左右，功率左右，功率4040200

11、W200W。m組件及方陣組件及方陣 太陽能電池板太陽能電池板 由多個電池組件經(jīng)串、并聯(lián)而成的較大功率單元，輸出由多個電池組件經(jīng)串、并聯(lián)而成的較大功率單元，輸出電壓滿足蓄電池組的要求，具有獨立連接電纜。電壓滿足蓄電池組的要求，具有獨立連接電纜。太陽能電池方陣太陽能電池方陣 將若干太陽能電池板組裝在一起以滿足負載功率的要求。將若干太陽能電池板組裝在一起以滿足負載功率的要求。組件性能及影響因素組件性能及影響因素 負載阻抗的影響負載阻抗的影響 與一般電源不與一般電源不同，組件具有恒流同，組件具有恒流源特性，輸出電流源特性，輸出電流不隨負載變化，輸不隨負載變化，輸出電壓隨負載電阻出電壓隨負載電阻增大而增

12、大，當負增大而增大，當負載電阻載電阻=R=RM M時，輸出時，輸出最大功率。最大功率。組件性能及影響因素組件性能及影響因素 輻照度的影響輻照度的影響 輸出功率與輻輸出功率與輻照度成正比，隨輻照度成正比，隨輻照度減小曲線下移照度減小曲線下移并保持相似的形狀；并保持相似的形狀；電壓不受輻照度影電壓不受輻照度影響。響。組件性能及影響因素組件性能及影響因素 電池溫度的影響電池溫度的影響 電池工作溫度電池工作溫度上升，曲線左移，上升，曲線左移，電壓降低，輸出功電壓降低，輸出功率減小，效率降低。率減小，效率降低。組件性能及影響因素組件性能及影響因素 陰影的影響陰影的影響 由于組件是由由于組件是由多個電池片

13、串成的，多個電池片串成的，陰影部分成為組件陰影部分成為組件的負載（熱斑效的負載（熱斑效應），因而會使整應），因而會使整個組件功率降低。個組件功率降低。當一個電池片被遮當一個電池片被遮擋時可使組件功率擋時可使組件功率降低降低75%75%。電池板的連接電池板的連接 一般應選用特性完全相一般應選用特性完全相同的電池板進行串并聯(lián)，此同的電池板進行串并聯(lián)，此時串聯(lián)后電流不變電壓相加，時串聯(lián)后電流不變電壓相加，而并聯(lián)后電壓不變電流相加。而并聯(lián)后電壓不變電流相加。 當電池板的特性不一致當電池板的特性不一致時不再符合上述規(guī)律。時不再符合上述規(guī)律。 串聯(lián)后電壓增加，總電串聯(lián)后電壓增加，總電流略比低電流高。流略比

14、低電流高。 并聯(lián)后電流增加，總電并聯(lián)后電流增加，總電壓為兩者的平均值。壓為兩者的平均值。 阻塞二極管（屏蔽二極管或阻塞二極管（屏蔽二極管或防反充二極管）防反充二極管） 置于電池板與蓄電池之間的置于電池板與蓄電池之間的正性電路上，防止夜間或陰正性電路上，防止夜間或陰天蓄電池流回到方陣。天蓄電池流回到方陣。 旁路二極管旁路二極管 旁路掉出現(xiàn)損壞或陰影的組旁路掉出現(xiàn)損壞或陰影的組件。件。 隔離二極管隔離二極管 在電壓較高的方陣中隔離出在電壓較高的方陣中隔離出現(xiàn)故障的支路，同時也起阻現(xiàn)故障的支路，同時也起阻塞二極管的作用。塞二極管的作用。太陽能電池種類太陽能電池種類 1. 單晶硅太陽能電池單晶硅太陽能

15、電池 最早發(fā)展起來的，也是目前工程應用中轉(zhuǎn)換效率最最早發(fā)展起來的，也是目前工程應用中轉(zhuǎn)換效率最高的電池，已經(jīng)研究出轉(zhuǎn)換效率高達高的電池，已經(jīng)研究出轉(zhuǎn)換效率高達20%的超薄單晶體的超薄單晶體太陽電池。性能穩(wěn)定，成本較高，主要應用于光伏電站，太陽電池。性能穩(wěn)定，成本較高，主要應用于光伏電站，特別是通信電站，以及航空器電源。特別是通信電站，以及航空器電源。2. 多晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池 生產(chǎn)工藝簡單，可大規(guī)模生產(chǎn)。商業(yè)化的多晶硅太生產(chǎn)工藝簡單，可大規(guī)模生產(chǎn)。商業(yè)化的多晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率多為陽電池轉(zhuǎn)換效率多為13%15%。性能穩(wěn)定，成本較低，。性能穩(wěn)定，成本較低，主要用于光伏電站，或作為光伏

16、建筑材料。主要用于光伏電站，或作為光伏建筑材料。 3. 非晶硅太陽能電池非晶硅太陽能電池 非晶硅材料吸光性強，厚度微米級，可大量節(jié)省高非晶硅材料吸光性強，厚度微米級，可大量節(jié)省高純硅材料。商業(yè)化的非晶硅電池產(chǎn)品的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換效率多純硅材料。商業(yè)化的非晶硅電池產(chǎn)品的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換效率多為為5%7%。非晶硅主要應用于消費市場，如手表、計算。非晶硅主要應用于消費市場，如手表、計算器和玩具等，也作為半透明光伏組件用于門窗或天窗等器和玩具等，也作為半透明光伏組件用于門窗或天窗等建筑材料。建筑材料。 2.2.2 太陽能光伏發(fā)電太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)及其應用系統(tǒng)及其應用光伏發(fā)電系統(tǒng)的形式主要有光伏發(fā)電系統(tǒng)的形式主要有兩種

17、：兩種：（1 1）獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)）獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)（2 2）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)1 1、光伏陣列、光伏陣列2 2、光伏控制器、光伏控制器3 3、蓄電池組、蓄電池組4 4、逆變器、逆變器5 5、監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)6 6、負載、負載獨立系統(tǒng)主要組成部分獨立系統(tǒng)主要組成部分光伏控制器光伏控制器實現(xiàn)光伏陣列的最大功率輸出，并對蓄電池實現(xiàn)光伏陣列的最大功率輸出，并對蓄電池組進行充放電控制，實現(xiàn)對蓄電池組的過充和過放的保護，組進行充放電控制，實現(xiàn)對蓄電池組的過充和過放的保護，對蓄電池進行溫度補償，并監(jiān)視蓄電池組的電壓和啟動相關(guān)對蓄電池進行溫度補償，并監(jiān)視蓄電池組的電壓和啟動相關(guān)輔助控制。輔

18、助控制。 蓄電池組蓄電池組是獨立光伏系統(tǒng)中的電能儲存單元，可以通過是獨立光伏系統(tǒng)中的電能儲存單元，可以通過單節(jié)蓄電池的串、并聯(lián)組成整個電池組，太陽能電池產(chǎn)生的單節(jié)蓄電池的串、并聯(lián)組成整個電池組，太陽能電池產(chǎn)生的直流電通過光伏控制器進入蓄電池儲存。電池的特性影響著直流電通過光伏控制器進入蓄電池儲存。電池的特性影響著系統(tǒng)的工作效率和特性，其容量的選擇受負載功率和連續(xù)無系統(tǒng)的工作效率和特性，其容量的選擇受負載功率和連續(xù)無日照時間而定。日照時間而定。監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)是監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，設備的各個參數(shù)，是監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，設備的各個參數(shù)，記錄系統(tǒng)的發(fā)電量、環(huán)境等數(shù)據(jù)，并對故障進行報警。記錄系

19、統(tǒng)的發(fā)電量、環(huán)境等數(shù)據(jù)，并對故障進行報警。1 1、光伏陣列、光伏陣列2 2、并網(wǎng)逆變器、并網(wǎng)逆變器3 3、公共電網(wǎng)、公共電網(wǎng)4 4、監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)并網(wǎng)系統(tǒng)主要組成部分并網(wǎng)系統(tǒng)主要組成部分 在并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，在并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器逆變器起著如下作用：起著如下作用：實現(xiàn)高質(zhì)量的電能轉(zhuǎn)換實現(xiàn)高質(zhì)量的電能轉(zhuǎn)換實現(xiàn)系統(tǒng)的安全保護要求，如輸出過載保護、輸出短路保實現(xiàn)系統(tǒng)的安全保護要求，如輸出過載保護、輸出短路保護、直流過壓保護、交流過壓和欠壓保護、孤島保護等護、直流過壓保護、交流過壓和欠壓保護、孤島保護等最大功率點跟蹤最大功率點跟蹤太陽能光伏發(fā)電的應用太陽能光伏發(fā)電的應用太空飛行器太空飛

20、行器-飛船、人造衛(wèi)星等的太陽能帆板飛船、人造衛(wèi)星等的太陽能帆板由瑞士主導研制的世界最大太陽能飛機由瑞士主導研制的世界最大太陽能飛機“太陽驅(qū)動太陽驅(qū)動”完成完成了首次連續(xù)了首次連續(xù)2626小時試驗飛行。小時試驗飛行。 太陽方舟太陽方舟 全長全長315m315m，最高位置（兩邊）高，最高位置（兩邊）高37.137.1米，中央米，中央高高31.6m31.6m，底部寬，底部寬13.7m13.7m，頂部寬，頂部寬4.3m4.3m，重量，重量3000t3000t。最大功率。最大功率630kW630kW，年發(fā)電量，年發(fā)電量5353萬萬kWhkWh，預計每年可以減排，預計每年可以減排9595噸。噸。太陽電池組

21、件可作為太陽電池組件可作為遮陽擋雨部件遮陽擋雨部件德國，光伏幕墻德國，光伏幕墻德國，裝飾性光伏候車德國，裝飾性光伏候車棚棚意大利，太陽電池也可作為外墻裝飾品意大利，太陽電池也可作為外墻裝飾品光伏發(fā)電站光伏發(fā)電站光伏發(fā)電的優(yōu)缺點光伏發(fā)電的優(yōu)缺點 優(yōu)點：優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)簡單，體積輕小，如結(jié)構(gòu)簡單，體積輕小，如404050W50W的組件，體積的組件，體積 4504509859854.5mm4.5mm，7.5kg7.5kg； 清潔安全無噪聲；清潔安全無噪聲； 太陽光無須運輸無處不有；太陽光無須運輸無處不有； 易安裝易運輸，建設周期短；易安裝易運輸，建設周期短； 運行維護簡單。運行維護簡單。缺點：缺點： 能

22、量分散占地面積大；能量分散占地面積大； 成本高，是常規(guī)發(fā)電的成本高，是常規(guī)發(fā)電的6-206-20倍；倍； 間歇性大需配備蓄電池，適合小范圍應用，難以形成大間歇性大需配備蓄電池，適合小范圍應用，難以形成大 規(guī)模的動力電站。規(guī)模的動力電站。光伏發(fā)電的發(fā)展過程和趨勢光伏發(fā)電的發(fā)展過程和趨勢 18391839年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)光伏效應；年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)光伏效應；18761876年亞當斯在硒片上發(fā)現(xiàn)固態(tài)光伏效應；年亞當斯在硒片上發(fā)現(xiàn)固態(tài)光伏效應；19311931年布魯諾將銅化合物和硒銀電極浸入電解液，在陽光年布魯諾將銅化合物和硒銀電極浸入電解液，在陽光下啟動了一個電動機。下啟動了一個電動機。19321932年制成第一塊年制成第一塊“硫化鎘硫化鎘”太陽電池；太陽電池；19411941年奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應；年奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應；19541954年美國科學家恰