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太阳能发电系统研究

毕业设计（论文）报告

题目太阳能发电系统研究

系别尚德光伏学院

专业应用电子技术（光电子技术方向）

班级0905

学生姓名吴小姗

学号090126

指导教师杜亮

2012年4月

太阳能发电系统研究

摘要：

当今社会，随着经济的高速发展，能源需求越来越大，而能源短缺对经济社会发展的制约作用日益突出，寻求新能源是经济社会可持续发展的目标和保证，太阳能是人类重要的无污染新型能源。

太阳能电池是一种近年发展起来的新型的电池。

太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”，光伏发电系统由光伏组件（或光伏阵列）、控制器、逆变器、蓄电池等部分组成。

太阳能发电在不远的将来会占据世界能源消耗的重要地位，不但可替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。

预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中所占的比例也将达到10%以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。

这些数字足以显示出太阳能光伏发电系统的发展前景及其在能源领域中重要的战略地位。

本文主要介绍了太阳能电池的优越性，光伏发电系统的组成和工作原理以及光伏产业的发展现状和前景预测等等方面。

关键词：

能源、光伏电池、光伏发电系统、前景

Solarpowersystemresearch

Abstract：

Intoday'ssociety,withthehighspeeddevelopmentofeconomy,energydemandmoreandmorelarge,andenergyshortageineconomicandsocialdevelopmentrestrictionincreasinglyprominentrole,seeknewenergyissustainableeconomicandsocialdevelopmentgoalsandguarantee,solarenergyisnopollutionnewenergyofhumanimportant.

Thesolarcellisadevelopedinrecentyearsofnewbattery.Thesolarcellisusingphotoelectricconversionprinciplethatthesun'sradiationlightthroughthesemiconductormaterialintoelectricityofadevice,thephotoelectricconversionprocessisusuallycalled"pveffect",sosolarcells,knownas"photovoltaiccells",（pv）powersystembyphotovoltaicmodule（orphotovoltaicarray）,controller,inverter,storagebatterycomponents.

Solarpowerinthenearfuturewilloccupytheimportantpositionoftheworldenergyconsumption,notonlycanreplacepartofconventionalenergy,andwillbecomethemainbodyoftheworldenergysupplies.Itisestimatedthatby2030,renewableenergyintotalenergystructurewillaccountformorethan30%,andthesolarphotovoltaicpowergenerationintheworld'spowersupplytheproportionofreachabove10%;To21century,renewableenergyintheenergystructurewillaccountformorethan80%,solarpowerwillaccountformorethan60%.TheseNumbersenoughtoshowthedevelopmentofsolarphotovoltaicpowergenerationsystemprospectsandinenergyfieldsintheimportantstrategicposition.

Thispapermainlyintroducestheadvantagesofsolarcells,（pv）powersystemcompositionandworkingprincipleandpvindustrydevelopmentpresentsituationandtheoutlook,etc.

KeyWords:

Energy、PhotovoltaicCells、PowerSystem、Prospects

目录

前言1

第一章太阳电池及其组件2

1.1太阳能电池2

1.1.1太阳电池的优点2

1.1.2太阳电池原理2

1.1.3太阳电池的基本特性参数4

1.2太阳电池的分类5

1.2.1硅太阳能电池5

1.2.2多元化合物薄膜太阳能电池5

1.2.3纳米晶太阳能电池6

1.2.4有机太阳能电池6

1.2.5聚光太阳电池6

第二章太阳能光伏发电系统组成及原理8

2.1太阳能光伏发电系统的工作原理8

2.2太阳能光伏发电系统的组成8

2.2.1独立太阳能光伏发电系统的组成10

2.2.2并网太阳能光伏发电系统的组成11

2.3光伏发电的优点及应用领域12

第三章光伏产业的前景14

3.1世界光伏产业现状和特点及发展前景14

3.2中国光伏产业现状和特点及发展前景17

附录20

谢辞22

参考文献23

前言

对于人类而言，太阳是一颗非常重要的恒星，为人类提供光和热。

太阳高温高压，蕴藏着巨大的能量，不断地通过光线向宇宙放射，太阳能是人类重要的无污染新型能源。

当阳光照射到太阳能电池时，可在没有机械转动或污染性副产品的情况下，将入射能量直接转换为电能。

1839年贝克勒尔首先提出了太阳能电池的工作原理基于光伏效应。

1876年，研发了以硒和氧化铜为材料的光电池。

1954年出现了现代硅电池的先驱产品，它是第一个能以适当效率将光能转换为电能的光伏器件，所以它的出现标志着太阳能电池研发工作的重大进展。

早在1958年，这种电池就用作宇宙飞船的电源。

到20世纪60年代初，供空间应用的电池的设计已经成熟。

20世纪70年代，硅电池的发展经历了一个革新阶段，能量转换效率得到了显著提升。

到70年代末，地面用太阳能电池的数量已经超过了空间应用的数量成本也随着产量的增加而明显下降。

80年代初，出现了一些新的工艺，这些工艺通过生产进行评估，这为之后进一步降低成本奠定了基础。

太阳能电池的开发利用经历了相当漫长的时间，这一方面说明太阳电池开发难度大，短时间内很难实现大规模利用。

尽管如此，从总体来看，太阳能电池的开发利用还是比较成功的，其贡献也是不言而喻的。

为人类的科技发展迈出了历史性的一大步。

在不久的将来，这类电池的制造技术将得到显著改进。

这样，太阳能电池可以在合适的价格下生产，被越来越大的人们接受，从而对世界能源需求作出重要贡献。

第一章太阳电池及其组件

1.1太阳能电池

1.1.1太阳电池的优点

太阳能电池与传统能源有以下优点：

（1）太阳光能量几乎是无限的。

我们前面已介绍过，太阳位于离地球一亿五千万公里远的地方，因核聚变反应而产生巨大的能量，赐予地球的能量也达1.77x1014KW。

太阳的寿命与人类历史相比可以说是半永久的，而且它供应的燃料是免费的。

（2）无污染的清洁能源。

太阳能电池是利用光生伏特效应直接由光变为电，所以那些燃料燃烧过程以及马达等运动部件均不需要了。

因此既无废弃物排除，也无噪音。

（3）无论规模大小，发电效率几乎相同。

由于是利用半导体中的量子效应来发电的，因此无论是1W的发电系统还是100KW的发电系统，其效率几乎是相同的。

（4）能在用电现场发电。

以往的发电系统从发电站到消费地需要送电，而太阳能发电，只要把装置安装在有阳光的地方，即在用点现场就能发电用电。

（5）即使利用散射光也能发电。

太阳能电池不只是在直射的日光下能发电，即使是阴天的阳光或是室内的荧光灯等也能发电，其转换效率几乎不随光的强弱而变化。

1.1.2太阳电池原理

太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

（1）光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集成器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。

前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。

因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

（2）光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。

太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。

当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。

制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电转换反应,下面来介绍下硅太阳能电池的工作原理与结构。

太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。

能产生光伏效应的材料有许多种，如：

单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。

它们的发电原理基本相同，现以晶体硅为例描述光发电过程。

P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。

当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位

差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。

这个过程的实质是：

光子能量转换成电能的过程。

图1-1：

太阳能电池原理示意图

1.1.3太阳电池的基本特性参数

硅太阳能电池的性能参数主要有：

短路电流、开路电压、峰值电流、峰值电压、峰值功率、填充因子和转换效率等。

（1）短路电流（Isc）：

当将太阳能电池的正负极短路、使u=0时，此时的电流

是电池片的短路电流，短路电流的单位是安培（a），短路电流随着光强的变化而变化。

（2）开路电压（Voc）：

当将太阳能电池的正负极不接负载、使I=0时，此时太阳能电池正负极间的电压就是开路电压，开路电压的单位是伏特（v）。

单片太阳能电池的开路电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.5～0.7v。

（3）峰值电流（Im）；峰值电流也叫最大工作电流或最佳工作电流。

峰值电流是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电流，它的单位是安培（a）。

（4）峰值电压（Um）：

峰值电压也叫最大工作电压或最佳工作电压。

峰值电压是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电压，峰值电压的单位是v。

峰值电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.45～0.5v，典型值为0.48v。

（5）峰值功率（Pm）：

峰值功率也叫最大输出功率或最佳输出功率。

峰值功率是指太阳能电池片正常工作或测试条件下的最大输出功率，也就是峰值电流与峰值电压的乘积：

pm=Im×Um。

峰值功率的单位是w（瓦）。

太阳能电池的峰值功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和电池片的工作温度，因此太阳能电池的测量要在标准条件下进行，测量标准为欧洲委员会的101号标准，其条件是：

辐照度lkw／㎡、光谱aml.5、测试温度25℃。

（6）填充因子（FF）：

填充因子也叫曲线因子，是指太阳能电池的最大输出功率与开路电压和短路电流乘积的比值。

计算公式为FF=pm/（IscXvoc）。

填充因子是评价太阳能电池输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高，表明太阳能电池输出特性越趋于矩形，电池的光电转换效率越高。

（7）转换效率（η）：

转换效率是指太阳能电池受光照时的最大输出功率与照射到电池上的太阳能量功率的比值。

1.2太阳电池的分类

1.2.1硅太阳能电池

硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。

在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%。

在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。

多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。

因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。

非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。

但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。

如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

1.2.2多元化合物薄膜太阳能电池

多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。

硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。

砷化镓III-V化合物电池的转换效率可达28%，砷化镓化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感，适合于制造高效单结电池。

但是砷化镓材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用砷化镓电池的普及。

铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。

具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。

唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。

1.2.3纳米晶太阳能电池

纳米晶TiO2工作原理：

染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。

纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。

其光电效率稳定在10％以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到20年以上。

但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。

但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。

1.2.4有机太阳能电池

有机太阳能电池主要是利用有机小分子或有机高聚物来直接或间接将太阳能转变为电能的器件。

有机太阳能电池以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流。

有机化合物的种类繁多，有机分子的化学结构容易修饰，化合物的制备提纯加工简便，可以制成大面积的柔性薄膜器件，拥有未来成本上的优势以及资源的广泛分布性。

有机太阳能电池制备成膜。

并且可以制备在可卷曲折叠的衬底上形成柔性的太阳能电池。

用有机材料制备太阳能电池与硅太阳能电池相比具有制造面积大、廉价、简易、柔性等优点。

随着新材料的不断开发和相关技术的发展，有机太阳能电池也愈来愈显示诱人的前景。

1.2.5聚光太阳电池

聚光太阳电池是在高倍太阳光下工作的电池。

通过聚光器，使大面积聚光器上接受的太阳光汇聚在一个较小的范围内，焦斑或焦带。

位于焦斑或焦带出的太阳电池得到较高的光能，使单体电池输出更多的电能，其潜力得到了发挥。

只要有高聚光倍数的聚光器，一只聚光电池输出的功率可相当于几十只甚至更多常规电池的输出功率之和。

这样，用廉价的光学材料节省昂贵的半导体材料，可使发电成本降低。

为了保证焦斑汇聚在聚光电池上，聚光器和聚光电池通常安装在太阳跟踪装置上。

聚光电池的种类很多，而且器件理论、制造和应用都与常规电池有很大不同。

当然除了上面提到的硅太阳电池称为第一代太阳电池，随着技术的不断发展，目前第二代薄膜太阳电池技术也日益成熟，第三代太阳电池（层叠太阳电池、量子点电池、热载流子电池以及热光伏电池）正在不段发展中

综上所述，基于目前的技术成熟情况及市场状况，太阳能光伏发电系统中常用的太阳电池主要是晶体硅太阳电池。

第二章太阳能光伏发电系统组成及原理

2.1太阳能光伏发电系统的工作原理

光伏发电是利用太阳电池这种半导体电子器件的光生伏打效应能有效的吸收太阳的辐射能，并使之直接转变为电能。

太阳能光伏发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳电池将太阳能直接转换成电能，也叫做太阳电池发电系统。

图2-1：

太阳能光伏发电系统示意图

2.2太阳能光伏发电系统的组成

光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成。

其部分设备的作用是：

（1）太阳能电池方阵

在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。

在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。

太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。

（2）蓄电池组

其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。

太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：

a.自放电率低;b.使用寿命长;c.深放电能力强;d.充电效率高;e.少维护或免维护;f.工作温度范围宽;g.价格低廉。

（3）充放电控制器

是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。

由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。

（4）逆变器

是将直流电转换成交流电的设备。

由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，光伏发电负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。

逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。

独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。

并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。

逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。

方波逆变器电路简单，造价低，

但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。

正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。

（5）防反冲二极管

防反冲二极管又称阻塞二极管，在太阳电池组件中其作用是避免由于太阳电池方阵在阴雨或夜晚不发电或出现短路故障时，蓄电池组通过太阳电池方阵放电。

防反冲二极管串联在太阳电池方阵中，起单向导电作用。

因此它必须保证回

路中有最大电流，而且要承受最大反向电压的冲击。

一般可选用合适的整流二极管作为防反冲二极管。

（6）测量设备

对于小型太阳能光伏发电系统一般只需要进行简单的测量，如蓄电池电压和充放电操作电流，这时测量所用的电压表和电流表一般就装在控制器上。

对于太阳能通信电源系统、管道阴极保护系统等工业电源系统和中大型太阳能光伏电站，往往要求对更多的参数进行测量，如测量太阳辐射能，环境温度，冲放电电量等，有时甚至要求具有远程数据传输、数据打印和遥控功能。

而为了得到这些较为复杂的测量，就必须为太阳能光伏发电系统配备数据采集系统和微机监控系统。

2.2.1独立太阳能光伏发电系统的组成

独立光伏发电也叫离网光伏发电。

主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。

独立光伏电站包括边远地区的村庄供电系统，太阳能户用电源系统，通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。

在没有电网的地区，使用太阳能电池组件发出直流电，经太阳能充电控制器充入蓄电池供用电器使用。

蓄电池的直流电能可以直接供给直流用电器等使用，这种系统可以称作直流离网光伏发电系统；蓄电池连接到离网逆变器，将蓄电池的直流电转换为交流用电器使用的电能参数（如AC220V/50Hz）供用电器使用，这种系统可以称作交流离网光伏发电系统。

在有些情况下，可能系统中既有直流用电器（如LED灯泡），也有交流用电器。

离网光伏发电系统以其灵活、可靠的特性满足了草原、荒漠、海岛等远离电网的地区家庭、区等的用电需求，取得了较好的效果。

离网系统的缺点是，蓄电池的使用寿命远远小于光伏组件寿命，因此需要经常更换（更换频率因使用状况和蓄电池种类而不同），带来系统运行成本的大幅上升，从而限制了离网系统应用。

低压

太阳电池方阵

直流-交流逆变系统

图2-2：

独立太阳能光伏发电系统示意图

2.2.2并网太阳能光伏发电系统的组成

并网光伏发电就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电这后直接接入公共电网。

可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。

带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电。

带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑;不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。

但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，目前还没有太大发展。

而分

散式小型并网光伏，特别是光伏建筑一体化光伏发电，由于投资小、建设快、占

地面积小、政策支持力度大等优点，是目前并网光伏发电的主流。

分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是目前并网光伏发电的主流。

常见并网光伏发电系统一般有下列几种形式：

（1）有逆流并网光伏发电系统

（2）无逆流并网光伏发电系统

（3）切换型并网光伏发电系统

（4）有储能装置的并网光伏发电系统

商用电缆线

高压

图2-2-2并网光伏发电系统示意图

2.3光伏发电的优点及应用领域

光伏发电具有许多优点，如：

安全可靠、无噪声、无污染，能量随处可得，不受地域限制，无需消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建站周期短，规模大小随意，无需架设输电