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

20五月2025第三章

太陽(yáng)能及其利用5第四節(jié)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電一、光伏發(fā)電的應(yīng)用1、通信領(lǐng)域：包括無(wú)人值守微波中繼站、光纜通信系統(tǒng)及維護(hù)站、移動(dòng)通信基站、廣播、通信以及無(wú)線尋呼電源系統(tǒng)等。2、公路、鐵路、航運(yùn)等交通領(lǐng)域：鐵路和公路信號(hào)系統(tǒng)、太陽(yáng)能路燈、高速公路監(jiān)控系統(tǒng)、航標(biāo)燈電源等。3、石油、海洋、氣象領(lǐng)域：石油鉆井平臺(tái)、海洋檢測(cè)設(shè)備、氣象和水文觀測(cè)設(shè)備等。4、農(nóng)村和邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)：高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所、小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)等。5、大型光伏發(fā)電站：10kW～200MW的地面獨(dú)立或并網(wǎng)光伏電站、風(fēng)光互補(bǔ)電站等。6、太陽(yáng)能光伏建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)：將太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)電力自給、并網(wǎng)發(fā)電。7、太陽(yáng)能電子商品及玩具：太陽(yáng)能收音機(jī)、太陽(yáng)能時(shí)鐘、太陽(yáng)能充電器、太陽(yáng)能手表、太陽(yáng)能玩具等。8、其他領(lǐng)域：太陽(yáng)能汽車、太陽(yáng)能游艇、太陽(yáng)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(shè)備的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、衛(wèi)星及航天器、空間太陽(yáng)能電站等。二、光伏發(fā)電的特點(diǎn)1、發(fā)電過(guò)程簡(jiǎn)單，沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件；2、不消耗燃料，無(wú)排放物、無(wú)噪聲、無(wú)污染；3、分布廣泛，儲(chǔ)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(guò)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(yīng)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(fù)載；（1）光伏電池：也叫太陽(yáng)能電池板，作用是將太陽(yáng)輻射能量直接轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)發(fā)電容量較大時(shí)，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(fù)載交流負(fù)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(gè)光伏系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可分為小功率、中功率、大功率、風(fēng)光互補(bǔ)等類型。①防止蓄電池防過(guò)充電和過(guò)放電，延長(zhǎng)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(fù)載、控制器、逆變器和其他設(shè)備內(nèi)部短路；④具有防雷擊引起的擊穿保護(hù)；⑤具有溫度補(bǔ)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(fù)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(bào)警等；⑦耐沖擊電壓和沖擊電流保護(hù)。（3）蓄電池：存儲(chǔ)太陽(yáng)能電池發(fā)出的電能，并可隨時(shí)向負(fù)載供電。①自放電率低、使用壽命長(zhǎng)、充電效率高、深放電能力強(qiáng)、工作溫度范圍寬、少維護(hù)或免維護(hù)、價(jià)格低廉；②目前光伏系統(tǒng)配套使用的主要是免維護(hù)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(jí)電容器；③需要大容量電能存儲(chǔ)時(shí)，可將多個(gè)蓄電池進(jìn)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(yīng)給交流負(fù)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(guò)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(guó)家級(jí)電站，主要特點(diǎn)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(shè)周期長(zhǎng)、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(shè)快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點(diǎn)，是目前并網(wǎng)光伏發(fā)電的主流。（3）常見(jiàn)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(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能充裕時(shí)，可將剩余電能饋入公共電網(wǎng)，向電網(wǎng)供電（賣電）；當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的電力不足時(shí)，由電網(wǎng)向負(fù)載供電（買電）。②無(wú)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(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)供電不足時(shí)，則由公共電網(wǎng)向負(fù)載供電。單向電表思考題3-9、離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的作用是什么？3-10、簡(jiǎn)述有逆流和無(wú)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(yáng)能電池，是一種利用太陽(yáng)光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)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(dǎo)體、N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體（1）施主能級(jí)：一個(gè)能級(jí)被電子占據(jù)時(shí)呈中性，不被電子占據(jù)時(shí)帶正電，則被稱為施主能級(jí)。（2）受主能級(jí)：一個(gè)能級(jí)不被電子占據(jù)時(shí)呈中性，被電子占據(jù)時(shí)帶負(fù)電，則被稱為受主能級(jí)。（3）本征半導(dǎo)體：不含雜質(zhì)且無(wú)晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體。（4）雜質(zhì)半導(dǎo)體：半導(dǎo)體摻入施主或受主雜質(zhì)時(shí)會(huì)在禁止帶內(nèi)引入雜質(zhì)能級(jí)，施主雜質(zhì)引入施主能級(jí)，受主雜質(zhì)引入受主能級(jí)。①N型半導(dǎo)體：施主的總量占多數(shù)，則這類半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。②P型半導(dǎo)體：受主的總量占多數(shù)，則這類半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。3、光傳導(dǎo)現(xiàn)象半導(dǎo)體材料受到光照射時(shí)，吸收入射光子能量，若光子能量hw大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度能量Eg，就激發(fā)出電子﹣空穴對(duì)，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值降低，這種光電效應(yīng)稱光導(dǎo)效應(yīng)。（1）導(dǎo)帶：自由電子存在的能帶（2）價(jià)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(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，這個(gè)能量的最小值就是禁帶寬度。（決定物質(zhì)導(dǎo)電特性）N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體價(jià)電子帶傳導(dǎo)帶Eghw4、半導(dǎo)體的光電特性（1）本征半導(dǎo)體：光子能量hy(eV)

>禁帶寬度Eg(eV)，電子由價(jià)帶越過(guò)禁帶躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，致使純半導(dǎo)體中導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴濃度增大，半導(dǎo)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?cè)诙穗妷鹤饔孟戮尚纬晒怆娏鳌．?dāng)光照停止后，自由電子被失去電子的原子俘獲，電阻又恢復(fù)原值。（2）N型半導(dǎo)體：當(dāng)光子能量hy(eV)大于施主能級(jí)和導(dǎo)帶底能級(jí)差Ei(eV)，如圖(b)所示，光能即被吸收，激發(fā)出能參與導(dǎo)電的光生電子。（3）P型半導(dǎo)體：當(dāng)光子能量hy(eV)大于受主能級(jí)和價(jià)帶頂能級(jí)差Ei(eV)，如圖(c)所示，光能即被吸收，激發(fā)出能參與導(dǎo)電的光生空穴。施主能級(jí)受主能級(jí)5、光伏電池發(fā)電原理（1）N區(qū)的空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，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(fù)載形成回路，則負(fù)載上就有電流通過(guò)。（2）標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的，不同時(shí)間、不同地點(diǎn)、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(yáng)能電池它是以高純的單晶硅棒為原料的太陽(yáng)能電池，是當(dāng)前開(kāi)發(fā)得最快的一種太陽(yáng)能電池，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。單晶硅太陽(yáng)電池的硅原子排列非常規(guī)則，在硅太陽(yáng)電池中轉(zhuǎn)換效率最高，目前實(shí)驗(yàn)室最高效率為25%；市場(chǎng)實(shí)際產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率為18～20%；高效單晶硅太陽(yáng)電池的效率目前達(dá)到了22%。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用的光伏電池采用單晶硅棒，材料性能指標(biāo)有所放寬。有的可使用半導(dǎo)體器件加工產(chǎn)生的頭尾料和廢次單晶硅材料，經(jīng)過(guò)復(fù)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(guò)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(guò)硅片清洗、制絨、擴(kuò)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(cè)試、包裝工序等系列太陽(yáng)電池的制造工藝，制造成單晶硅太陽(yáng)電池。（2）多晶硅太陽(yáng)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(wú)規(guī)則性，正負(fù)電荷對(duì)不能全部被PN結(jié)電場(chǎng)所分離。所以與單晶硅在性能上的差異，導(dǎo)致多晶硅太陽(yáng)電池的效率低于單晶硅太陽(yáng)電池。多晶硅太陽(yáng)能電池用鑄造的方法生產(chǎn)，所以成本比單晶硅太陽(yáng)能電池低。多晶硅片的生產(chǎn)流程包括：多晶原料清洗、檢測(cè)→坩堝噴涂→多晶鑄錠→硅錠剖方→硅塊檢驗(yàn)→去頭尾→磨面、倒角→粘膠→切片→硅片脫膠→硅片清洗→硅片檢驗(yàn)→硅片包裝→硅片入庫(kù)。（3）非晶硅太陽(yáng)能電池非晶硅太陽(yáng)電池是目前市場(chǎng)上比較成熟的一種薄膜太陽(yáng)能電池。1976年美國(guó)RCA實(shí)驗(yàn)室的D.E.Conlson和C.R.Wronski在Spear形成和控制PN結(jié)工作的基礎(chǔ)上制成了世界上第一個(gè)a-Si太陽(yáng)電池。非晶硅原子排列呈無(wú)規(guī)則狀態(tài)，理論轉(zhuǎn)換效率18%；實(shí)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(shí)成本低。非晶硅薄膜電池的薄膜可附著在廉價(jià)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(yáng)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(dǎo)電膜，然后沉積一層摻硼的P型非晶硅，再沉積一層