【正文】 伏發(fā)電屋頂系統(tǒng)。1999年，我國光伏電池的主要產品是單晶硅電池和非晶硅電池，多晶硅電池只限于實驗室，但在 2000 年之后，多晶硅產品逐步走出實驗室，開始形成規(guī)模生產，與發(fā)達國家相比，技術差距不斷減小。為了推動光伏技術及其產業(yè)發(fā)展，2003年10月，國家發(fā)展改革委員會、科技部制定出未來五年太陽能資源開發(fā)計劃，發(fā)改委“光明工程”將籌資100億用于推進太陽能光伏發(fā)電技術的應用，計劃到2005年全國光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機容量達到300MW。至2003年底，我國光伏產業(yè)總的生產能力達到38MW，太陽能電池/組件的實際生產量達到13MW。在市場方面，截至2003 年底我國光伏系統(tǒng)累計裝機容量達到45MW。2004年，我國在深圳建成了亞洲最大并網(wǎng)太陽能光伏電站，電站總容量達1兆瓦，年發(fā)電能力約為100萬千瓦時；2008 年北京奧運會，國家計劃太陽能光伏發(fā)電融入奧運建筑中，各奧運建筑將大范圍采用太陽能等綠色能源利用技術，綠色能源的應用正是綠色奧運的具體體現(xiàn)；2005年2月28日第十屆全國人民代表大會常務委員會第十四次會議通過的《中華人民共和國可再生能源法》4自2006年1月1日起正式施行，國家鼓勵可再生能源利用[5,6]。我國光伏產業(yè)在滿足國內市場需要和提高邊遠無電地區(qū)人民的生活水平及特殊工業(yè)應用中發(fā)揮了重要作用。但是，與發(fā)達國家相比還存在相當大的差距。首先，我國生產規(guī)模較國外比較小，自動化水平比較低；其次，專用原材料國產化程度也不高。因此，我國光伏產業(yè)在國內外市場上仍面臨著非常嚴峻的考驗。 近2年來，太陽能光伏發(fā)電受到各國的高度重視。世界光伏發(fā)電產業(yè)發(fā)展迅速，一直保持著加速發(fā)展的勢頭。近10年太陽電池組件生產的年平均增長率達到33%，最近5年的年平均增長率達到43%，成為當今發(fā)展最迅速的高新技術產業(yè)之一。2010年11月23日，國際咨詢公司Frostamp。Sullivan發(fā)表研究報告認為，未來一段時間光伏材料市場將快速增長，預計在2012年，%，為近幾年內最高。同時，國內數(shù)家券商發(fā)布研究報告認為，2010年下半年起光伏產業(yè)從上游多晶硅到下游組件普遍進入大規(guī)模擴產周期，將帶來對各種上游設備、中間材料需求的提升，其中包括晶硅生產中所需的鑄錠爐以及晶硅切割過程中的耗材，刃料和切割液等。我國當前最大的光電市場仍然是通信領域，包括微波中斷站、衛(wèi)星通信地面站、衛(wèi)星電視接收差轉系統(tǒng)、程控電話交換機、部隊通訊臺站等，目前的市場占有率在50%左右。通過“九五”期間的努力，以及各種各樣國內、國際合作項目的示范和推動，使偏僻邊遠地區(qū)供電的光伏發(fā)電應用領域得到了進一步擴大。包括獨立光伏電站和戶用光伏電源系統(tǒng)在內，其市場占有率已由以前的約20%上升到30%以上。“九五”期間建成各種規(guī)模的縣、鄉(xiāng)、村級光伏電站400余座，裝機總容量600kW左右，推廣應用家用光伏電源系統(tǒng)約15萬套，并在約80所農村學校建立了總功率100kW左右的光伏發(fā)電系統(tǒng)。白天，在光照條件下，太陽能電池組件產生一定的電動勢，通過組件的串、并聯(lián)形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達到系統(tǒng)輸入電壓的要求。再通過充電器控制器對蓄電池進行充電，將由光能轉換而來的電能貯存起來。晚上，蓄電池組為逆變器提供輸入電流，通過逆變器的作用進行供電。蓄電池組的放電情況由控制器進行控制，保證蓄電池的正常使用。光伏電站系統(tǒng)還應有限荷保護和防雷裝置，以保護系統(tǒng)設備的過負載運行及免遭雷擊，維護系統(tǒng)設備的安全使用[7]。光伏系統(tǒng)由太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜等設備組成，其各部分設備的作用如下。（1） 太陽能電池方陣 在有光照（無論是太陽光，還是其他發(fā)光體產生的光照）情況下，電池吸收光能，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產生“光電效應”，這就是“光生伏打效應”。在光生伏打效應的作用下，太陽能電池的兩端產生電動勢，將光能轉換為電能，是能量轉換的條件。太陽能電池一般為硅電池，分為單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。（2） 蓄電池組 其作用是貯存太陽能電池方陣受光照時發(fā)出的電能并可隨時向負載供電。太陽能電池發(fā)電對所用蓄電池的基本要求是：1）自放電率低；2）使用壽命長；3）深放電效率高；4）充電效率高；5）少維護或免維護；6）工作溫度范圍寬；7）價格低廉。 目前我國與太陽能發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池是鉛酸蓄電池和鉻鎳蓄電池等。配套200Ah以上的鉛酸蓄電池，一般選用固定或工業(yè)密封式免維護鉛酸蓄電池，每個蓄電池的額定電壓為2V（DC）；配套200Ah以下的鉛酸蓄電池，一般選用小型密封免維護鉛酸蓄電池，每個蓄電池的額定電壓為12V（DC）。（3） 充放電控制器 是能自動防止蓄電池過沖和過放電的設備。由于蓄電池的循環(huán)充放電次數(shù)及放電深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素，因此能控制蓄電池組過充電或過放電的充電控制器是必不可少的設備。（4） 逆變器 是將直流電轉換成交流電的設備。由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，而負載是交流負載時，逆變器是必不可少的。逆變器按運行方式，可分為獨立運行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，為獨立負載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)。逆變器按輸出波形可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方形逆變器電路簡單，造價低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統(tǒng)。正弦波逆變器成本高，但可以適用于各種負載。逆變器保護功能：過載保護；短路保護；接反保護；欠壓保護；過壓保護；過熱保護。（5） 交流配電柜 其在電站系統(tǒng)中的主要作用是對備用逆變器的切換功能，保證系統(tǒng)的正常供電，同時還可對線路電能進行計量[8]。 本章小結本章主要介紹太陽能充電器電路設計的課題背景能源危機及環(huán)境污染問題，太陽能的開發(fā)和利用，以及我國太陽能的資源狀況。通過分析國內外光伏發(fā)電產業(yè)現(xiàn)狀和市場需求分析，了解光伏發(fā)電未來產業(yè)前景。第二章 太陽能電池和單片機 太陽能電池 太陽能電池原理、分類和保護（1）太陽能電池原理太陽能光伏電池表面有一層金屬薄膜似的半導體薄片。當太陽光照射時，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導體吸收或透過。被吸收的光，當然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導體的原子價電子碰撞，于是產生電子空穴對。這樣，光能就以產生電子空穴對的形式轉變?yōu)殡娔?。薄片的另一側和金屬薄膜之間將產生一定的電壓，這一現(xiàn)象稱為光伏效應。太陽能光伏電池正是一種利用光伏效應直接將光能轉化為電能的裝置。對于半導體 、PN 結，光伏效應更明顯。因此，太陽能光伏電池都是由半導體構成的。 太陽能電池的基本結構相當于一個大面積二極管，其基本特性也與二極管類似。當用適當波長的太陽光照射到半導體上時，光能被半導體吸收后，在導帶和價帶中產生非平衡載流子電子和空穴。半導體內在P型和N型交界面兩邊形成勢壘電場，能將電子驅向N區(qū)，空穴驅向P區(qū)，從而使得N區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴，在PN結附近形成與勢壘電場方向相反的光生電場。光生電場的一部分除抵消勢壘電場外，還使P型層帶正電，N型層帶負電，在N區(qū)與P區(qū)之間的薄層產生所謂光生伏特電動勢。若分別在P型層和N型層焊上金屬引線，接通負載，則外電路便有電流通過。如此形成的一個個電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能輸出一定的電壓、電流和功率。這樣，太陽的光能就直接變成了可付諸實用的電能。 另外，在受光面上，覆蓋著一層很薄的天藍色氧化硅薄膜以減少入射太陽光的反射，提高太陽能電池對于入射光的吸收率。 （2）太陽能電池的種類太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光生伏打效應原理制成的太陽能電池將太陽能直接轉換成電能的。太陽能電池單體是用于光電轉換的最小單元。它的尺寸約4平方厘米到100平方厘米。，一般不能單獨作為電源使用。將姍能電池單體進行串聯(lián)，并聯(lián)和封裝后，就成為太陽能電池組件。它的功率從幾瓦到幾百瓦，可以單獨作為電源使用。太陽能電池再經過串聯(lián)，并聯(lián)并裝在支架上，就構成了太陽能電池方陣。它可以輸出幾百瓦，凡千瓦或更大的功率，是光伏電站的電能產生器。常用的太陽能電池主要是硅太陽能電池。目前世界上有三種已經商品化的硅太陽能電池:單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。單晶硅太陽電池是當前開發(fā)最快的一種太陽電池，它的結構和生產工藝已定型，產品已廣泛用于空間和地面。這種太陽電池以高純的單晶硅棒為原料，%。為了降低生產成本，現(xiàn)在地面應用的太陽電池等采用太陽能級的單晶硅棒，材料性能指標有所放寬。單晶硅太陽能電池的制造成本最高，但光電轉化效率也最高，最高的達到24%。目前多晶硅太陽電池使用的多晶硅材料，多半是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅材料和冶金級硅材料熔化澆鑄而成，然后注入石墨鑄模中，待慢慢凝固冷卻后，即得多晶硅錠。這種硅錠可鑄成立方體，以便切片加工成方形太陽電池片，可提高材料利用率和方便組裝。多晶硅太陽電池的制作工藝與單晶硅太陽電池差不多，其光電轉換效率約12%左右，稍低于單晶硅太陽電池，但其材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產成本較低，因此得到大量發(fā)展。 （3）太陽能電池的保護光伏系統(tǒng)在運行中要注意對太陽能電池組件(俗稱太陽能板)的保護。這種保護分為兩類機械化學方面的保護和電方面的保護。機械化學方面的保護是指在封裝及安裝太陽能板的時候要考慮其防腐，防風，防雹，防雨的能力電方面的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成與基本原理保護是指連接旁路二極管，連接防反充二極管等。在一定的條件下，一個串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽能電池組件，將被當作負載消耗其它有光照的太陽能電池組件所產生的能量。被屏蔽的太陽能電池組件將發(fā)熱，這叫熱斑效應。為了防止太陽能電池組件由于熱斑效應而受到破壞，需要在太陽能電池組件的正負極間并聯(lián)一個旁路二極管。在太陽能板的保護中還用到一種防反充二極管，又稱阻塞二極管，其作用是避免由于太陽能板在陰雨天和夜間不發(fā)電時，或太陽能板出現(xiàn)短路故障時，蓄電池組通過太陽能板放電。防反充二極管串聯(lián)在太陽能板中起單向導電作用。 太陽能電池的等效電路太陽能電池是一種典型的非線性元件，為了描述電池的工作狀態(tài)可將電池用一等效電路來描述，電路如圖21所示。 圖 21 太陽能電池等效電路 圖中，太陽能電池等效電路由4個部分組成：電池的光電流Isc，PN 結的非線性電阻Rj，串聯(lián)電阻RS，和旁漏電阻Rsh，R是電池外的負載電阻。Rs主要由電池的體電阻、表面電阻、電極電阻和電極與硅表面間接接觸電阻所組成。Rsh為旁漏電阻，由硅片邊緣不清潔或體內的缺陷引起。理想的太陽能電池，RS很小，Rsh很大[11]。由于RS，Rsh分別串聯(lián)與并聯(lián)在電路中，進行理想計算時，可以忽略不計。當光照恒定時，由于光生電流Isc不隨光伏電池的工作狀態(tài)而變化，因此在等效電路中可以看作是一個恒流源。光伏電池的兩端接入負載R后，光生電流流過負載，從而在負載的兩端建立起端電壓V。負載端電壓反作用于光伏電池的PN結上，產生一股與光生電流方向相反的電流ID。 電池的光電流Isc是當RL=0?時，所測的電池兩端的短路電流。Isc的值與太陽能電池的面積大小有關。面積越大，Isc值越大。此外對于同一塊太陽能電池，Isc值還與入射光的輻射度有關。一般來說，短路電流Isc值隨照射到硅太陽能板上的光強的增加而成正比例的增加。當溫度升高時，Isc值略有上升。 當RL趨于無窮大時，測得的太陽能電池兩端的電壓為電池的開路電壓VOC。太陽能電池的開路電壓與光譜照度有關，當入射光輻射照度變化時，太陽能電池的開路電壓與入射光譜輻照度的對數(shù)成正比。 太陽能電池板的輸出特性 受到光照、電池陣列結溫及負載的影響，太陽能電池輸出電壓和電流也隨之發(fā)生改變[11]。一定光照強度下，太陽能電池的輸出電流I與電池端電壓V的關系IV 特性曲線如圖22所示。 圖 22 太陽能電池的IV特性關系曲線 曲線上任何一點都可以作為工作點，工作點所對應的縱橫坐標，即為工作電流和工作電壓。工作電流和工作電壓之乘積：P=IV 即為電池的輸出功率。由此可繪出PV特性曲線如圖23，在PV特性曲線上最大功率點即電壓和電流的最佳匯合點Pm。原則上講，可對輸出功率求導使其為0，即可得到該電池的最佳工作點Im，Um，從而求出最大輸出功率：P=Im*Vm。但是要求出其解析解，幾乎不可能。因為它受太陽能電池內部等效的串、并聯(lián)電阻的影響，其特性方程由公式可知一個超越指數(shù)方程，無法用線性方程表示，具有非線性。 圖 23 太陽能電池的PV特性曲線 從圖23可見，Im和Vm的乘積就是最佳工作點的縱橫坐標所確定的矩形面積，在曲線范圍內這個面積越大，表明電池的輸出特性越優(yōu)越。如果在一定光照下的IV特性曲線是理想的矩形，那么Im和Vm乘積就等于ISC和UOC的乘積。對實際光電池，引人填充因子FF(Fill factor)概念來表征光電池的這一特性。它表示最大輸出功率的值占以UOC和ISC為邊長的矩形面積的百分比，填充因子是表征光電池的輸出特性好壞的重要參數(shù)之一。它的值越大，表明輸出特性曲線越“方”，電池的轉換效率也越高。圖 2圖 25 分別是太陽能電池陣列在溫度為25℃時，不同日照(S)下表現(xiàn)出的電流電壓(IV)和功率電壓(PV)特性。從圖24可知，太陽能電池陣列的輸出短路電流(Isc)和最大功率點電流(Im)隨日照強度的上升而顯著增大，也就是說Isc 強烈地控制著I的大小。雖然日照的變化對陣列的輸出開路電壓影響不是那么大，但對為電流與電壓相乘的結果最大輸出功率來說，變化顯著，如圖25中虛線與各實線的交點所示。 圖 24 不同日照下的IV關系曲線圖 圖 25 不同日照下PV曲線圖 圖 26，圖 27 分別給出了太陽能電池陣列在日照射為1000W/m2，和在變化溫度(T)的情況下，表現(xiàn)出典型的IV和PV特性?？梢钥闯?，溫度對太陽能電池陣列的輸出電流影響不大，但對它的輸出開路電壓影響較大。因而對最大輸出功率影響明顯，見圖27各實線的波峰的幅值變化。 圖 26 不同溫度下的IV特性曲線 圖27