【正文】 非晶硅電池 (單結(jié) ) （雙結(jié)） 幾個(gè) mm 幾個(gè) mm 10*10 20*20 30*30 二氧化鈦納米有 機(jī)電池 10 1*1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 15 進(jìn)入 21 世紀(jì)，我國的光伏產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了新氣象，老的國有企業(yè)重組煥發(fā)青春，大型上市公司采取多種形式加入，大型民營企業(yè)也開始涉足。較大的生產(chǎn)規(guī)模和先進(jìn)的技術(shù)使太陽電池的價(jià)格已從 2020 年的 36?40 元 /Wp，降為 2020 年的 30 元 /Wp。 表 17 太陽電池的效率和成本預(yù)測 晶體硅太陽電池 年代 效率（％） 成本 (元 /WP) 壽命（年） 單晶硅 多晶硅 2020 1113 1011 2530 15 2020 1214 1113 1822 20 2020 1315 1214 1520 25 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 16 2020 1620 1518 1215 30 單結(jié)非晶硅太陽電池 年代 效率（％） 成本 (元 /WP) 壽命（年） 2020 35 1820 5 2020 46 1215 7 2020 68 1012 10 2020 1012 810 15 隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大，光伏器件的效率逐步增加，組件和系統(tǒng)的價(jià)格逐步下降，太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用范圍愈來愈廣，其市場需要也將愈來愈大。體積比地球大 130 多萬倍 ,太陽平均密度為 ,即比水的密度大 50%,太陽內(nèi)部密度約 160g/cm3,因此日心引力比地心引力大 29 倍左右 .太陽的物質(zhì)組成 : 就質(zhì)量而言 ,H 占 %。 4 太陽表面積 179。 104msec2 冠溫度 ≈ 106176。 Km178。 106W 表面逸出速度 618Km/S 二、地球 地球赤道直徑 地球極間直徑 地球質(zhì)量 179。 1014m2 遠(yuǎn)日點(diǎn)距離 179。 太陽的結(jié)構(gòu) 太陽的結(jié)構(gòu)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有弄清。大量的對流熱傳導(dǎo)在該區(qū)進(jìn)行。 [5]、色球?qū)樱驅(qū)雍窦s 1000015000Km，大部分由低壓氦氣、氫氣以及少量離子組成。包括一部分太陽塵埃質(zhì)點(diǎn)，電離粒子和電子。 106Km 短軸 147179。的天頂。因而稱南緯 176。太陽中心和地心的聯(lián)線與赤道平面的夾角稱為緯角δ。 太陽輻射的性質(zhì) [1] 太陽輻射的來源 太陽輻射來源于在高溫高壓下進(jìn)行的熱核 反應(yīng) . 太陽輻射能的計(jì)算是一個(gè)非常重要的計(jì)算，因?yàn)楦鞯靥柲苜Y源不一樣，需要利用實(shí)測值來作為計(jì)算的依據(jù)。 將到達(dá)任意傾斜面的太陽輻射分成直接輻射、散射輻射和地面反射三部分 據(jù)計(jì)算，太陽每秒釋放 179。 [2] 地球表面上的太陽輻射光譜 太陽是以光輻射的方式將能量輸送到地球表面上的，因此，了解太陽光的光譜是很必要的。 如圖 2。 在地球大氣層之外，地球 太陽平均距離處，垂直于太陽光方向的單位面積上的輻射能基本為一常數(shù)。 太陽在頭頂正上方時(shí)，路程最短，太陽光線的實(shí)際路程和此最短路程之比稱為光學(xué)大氣質(zhì)量。 與地球大氣層外的情況相反，地面陽光的強(qiáng)度和光譜成分變化都很大。實(shí)際使用的測量儀表有： ①、 天空輻射計(jì) ②、 散射輻射計(jì) ③、 棒移式總輻射計(jì) ④、 直 接輻射計(jì) ⑤、 日照時(shí)數(shù)計(jì) 表 波長 (um) 圖 22 太陽能光譜分布 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 23 表 21 是地球表面接收到的太陽輻射能按月份變化的規(guī)律： 表 21 太陽輻射能按月份變化規(guī)律 月份日期 太陽強(qiáng)度 Mw178。南從北緯 4o的曾母暗沙，北到北緯 的漠河，西自東經(jīng) 73o 的帕米耳高原，東至東經(jīng) 135o 的黑龍江與烏蘇里江匯流處，距離都在 5000 公里以上。 一類地區(qū)為我國太陽能資源最豐富的地區(qū)，年太陽輻射總量 66808400 MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量 。這些地區(qū)包括河 北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。這些地區(qū)包括湖南、湖北、廣西、 江西、浙江、福建北部、廣東北部、陜南、蘇北、皖南以及黑龍江、臺灣東北部等地。 從全國來看，我國是太陽能資源相當(dāng)豐富的國家，絕大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在 4 kWh/ 以上，西藏最高達(dá) 7 kWh/。可充分利用當(dāng)?shù)刎S富的太陽能資源，采用太陽光發(fā)電技術(shù)，發(fā)展經(jīng)濟(jì)，提高人民生活水平。當(dāng)陽光照射到太陽電池上，光子所含的能量被太陽電池吸收后，產(chǎn) 生光生伏打效應(yīng)，將太陽電池兩極用導(dǎo)線連成回路后，形成光生電流。此外對于晶體硅太陽電池，由于減反膜的厚度不同可以制備成不同顏色的太陽電池。這兩種半導(dǎo)體的界面稱作 PN 結(jié) 。當(dāng)存在外加電壓時(shí)，空間電荷區(qū)的 n 區(qū)邊界和 p 區(qū)邊界的空穴濃度 pn及電子濃度 np如下： ??????????????kTqVnnkTqVppppnne xpe xp00 () 當(dāng)加正向電壓時(shí) V0，加反向電壓時(shí) V0。稱 J0為飽和電流密度。 太陽電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體 pn 結(jié)的 光生伏特效應(yīng) 。此時(shí)，如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過，這個(gè)電流稱作短路電流（ Isc），另一方面，若將 PN 結(jié)兩端開路，則由于電子和空穴分別流入 N 區(qū)和 P 區(qū)，使 N 區(qū)的費(fèi)米能級比 P 區(qū)的費(fèi)米能級高，在這兩個(gè)費(fèi)米能級之間就產(chǎn)生了電位差 VOC。它的基本構(gòu)造是由半導(dǎo)體的 PN 結(jié)組成。圖 表示了無光照時(shí)太陽電池典型的電流電壓特性（暗特性）。通過調(diào)整負(fù)載的大小，可以在一個(gè)最佳的工作點(diǎn)上得到最大輸出功率。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 29 F（ ?）的值很大的程度上依賴于太陽天頂角。這個(gè)薄膜層稱為減反射膜（ Antireflective coating）。 開路電壓 當(dāng)太陽電池處于開路狀態(tài)時(shí)，對應(yīng)光電流的大小產(chǎn)生電動勢，這就是開路電壓。圖 表示具有代表性的硅和 GaAs 太陽電池的 ISC與 Voc 之間的關(guān)系。在恒定光照下，一個(gè)處于工作狀態(tài) 的太陽電池，其光電流不隨工作狀態(tài)而變化，在等效電路中可把它看作是恒流源。假如半導(dǎo)體 pn 結(jié)的質(zhì)量很好，禁帶寬度愈寬的半導(dǎo)體，開路電壓 VOC也愈大。 在很強(qiáng)的陽光下， ISCI0， 0ln IIqnkTV scoc ? () 由此可見，在較弱陽光時(shí)，硅太陽電池的開路電壓隨光的強(qiáng)度作近似直線的變化。即139。 AM 表示入射到地球上的大氣的太陽直射光所通過的路程長度，定義為 ZbbAM sec0? () 式中： b0—— 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 b—— 測定時(shí)的大氣壓 Z—— 太陽天頂距離 一般情況下， b ? b0，例如， AM1 相當(dāng)于太陽在天頂位置時(shí)的情況， AM2 相當(dāng)于太陽高度角為 30?時(shí)的情況， AM0 則表示在宇宙空間中的分布 實(shí)際半導(dǎo)體表面的反射率與入射光的波長有關(guān)，反射率一般為 30～ 50％。 太陽電池的基本特性 短路電流 太陽電池的短路電流等于其光生電 流。 圖 無光照和有光照時(shí)太陽電池電流－電壓特性 當(dāng)太陽電池與負(fù)載 R 連接，并用太陽光照射時(shí)，負(fù)載上的電流 Im和電壓 Vm將由圖中有光照時(shí)的電流一電壓特性曲線與 V=IR 表示的直線的交點(diǎn)來確定。本節(jié)以最普通的硅材料 PN結(jié)太陽電池為例，研究光能轉(zhuǎn)換成電能的過程。由太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 28 于此時(shí) pn 結(jié)處于正向偏置，因此，上述短路光電流和二極管的正向電流相等，并由此可以決定 VOC的值。它們在 pn 結(jié)附近形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。 太陽電池可利用的電子主要是價(jià)帶電子。電流密度 Jp為 ? ? ?????? ?????????? 1e x p00 kTqVLDqpppLDqJppnnnppp () 同樣，注入到 p 區(qū)的少數(shù)載流子電子的電流密度 Jn為 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 27 ?????? ???????? 1e x p0 kTqVLDqnJ nnpn () 因加偏壓 V 而產(chǎn)生的總電流是空穴電流與電 子電流之和，故總電流密度 J 為： ?????? ?????????? 1e x p0 kTqVJJJJ np () nnpppn LDqnLDqpJ000 ?? () 總電流密度 J 具有如圖 所示的整流特性。當(dāng)外加電壓使得 p 區(qū)為正時(shí)，勢壘高度減小，空穴從 p 區(qū)向 n 區(qū)的移動以及電子從 n 區(qū)向 p 區(qū)的移動變得容易，在兩個(gè)區(qū)內(nèi)有少數(shù)載流子注入，因此電流容易流動（稱為正向）。 圖 太陽電池工作示意圖 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 26 圖 彩色太陽電池 隨著地球化石資源的日益消耗和環(huán)保意識的深入人心，隨著太陽能光伏發(fā)電理論研究和新工藝技術(shù)研究的深入發(fā)展，也隨著規(guī)模效應(yīng)帶來的成本的持續(xù)下降，太陽能光伏發(fā)電有望逐漸成為新世紀(jì)的主力電源。目前市場上所用多是硅太陽電池。 通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能利用的屬于太陽能熱利用技術(shù)，再利用熱能進(jìn)行發(fā)電的稱為太陽能熱發(fā)電，也屬于這一技術(shù)領(lǐng)域；通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能利用的屬于太陽能光發(fā)電技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的，因此又稱太陽能光伏技術(shù)。上述一、二、三類地區(qū)約占全國總面積的 2/3 以上，年太陽輻射總量高于 5000 MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)大于 2020h，具有利用太陽能的良好條件。 太陽能輻射數(shù)據(jù)可以從縣級氣象臺站取得，也可以從國家氣象局取得。主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、蘇北、皖北、臺灣西南部等地。尤以西藏西部最為豐富，最高達(dá) 2333kWh/ m2 （日輻射量 ），居世界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠。全國各地的年太陽輻射總量為 928－ 2333kWh/ m2，中值為 1626kWh/ m2。 3Mw/cm2） 比率 （冬至） （春分） （夏至） 5（秋分） 世界和中國太陽能資源分布 情況 在世界上， 美國西南部，非洲，澳大利亞等地總輻射量或日照時(shí)數(shù)都最大，在這些地區(qū)很多屬于第三世界發(fā)展中國家，在這些地方利用太陽能發(fā)電具有很多優(yōu)越性。（一般采用 的分布，即總功率密度為 1KW/m2 （ 100mW/cm2），即接近地球表面接收到的功率密度的最大值） 在給定地點(diǎn)，影響有效日照的因素有緯度，高度，氣候類別，主要植被，當(dāng)?shù)氐乩硖卣?。 當(dāng)太陽和頭頂正上方成一個(gè)角度 ?時(shí)，大氣質(zhì)量由下式得出：大氣質(zhì)量 =1/cos? 估算大氣質(zhì)量的簡易方法是測量高度為 h 的豎直物體投射的陰影長度 s，于是有 ? ?21 hs??大氣質(zhì)量 在其他大氣變量不變的情況下，隨著大氣質(zhì)量的增加，到達(dá)地球的能量在所有波段都遭到衰減。目前，光伏工作中采用的太陽常數(shù)值是 ，這個(gè)數(shù)值是由裝在氣球，高空飛機(jī)和宇宙飛船上的儀器的測量值加權(quán)平均而確定的。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 22 陽光穿過地球大氣層時(shí)被 吸收、散射或反射，因而太陽輻照度將被削弱。造成衰減的原因是： （ 1）瑞利散射或大氣中的分子散射。 109年。 主要考慮以下方面： 利用球面三角公式求出每天日出日落時(shí)間和任意時(shí)刻太陽高度角，方位角。 一年中從 0 與 176。 d）春分與秋分日，春分（ 3 月 21 日）與秋分（ 9 月 23 日），太陽恰好直射地球的赤道平面。 N 緯度圈為北回歸線。 b） 角速度，地軸相對太陽的轉(zhuǎn)動速度不一樣，對北半球夏天快、冬天慢，對南半球、夏慢、冬快。打擊到地球大氣層上，產(chǎn)生鹽暴或極光，影響地球磁場和通訊。 K，密度