【正文】 179。 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、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。 表 16 中國各種太陽 電池實驗室研究的最高效率 類型 最高效率（％） 面積（ cm2） 單晶硅電池 2*2 GaAs 電池 1*1 多晶硅電池 (2020 年 ) 2*2 聚光硅電池 17 2*2 CdS/CuxS 電池 12 幾個 mm CuInSe2 電池 1*1 CdTe 電池 7 3mm 多晶硅薄膜電池 1*1,非活性硅襯底上 非晶硅電池 (單結(jié) ) （雙結(jié)） 幾個 mm 幾個 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、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。 表 1－ 3 地面用太陽電池在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的效 率 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 13 表 1－ 4 地面用光伏組件在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的效率 表 1－ 5 地面用聚光太陽電池和組件在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的效率 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 14 中國的太陽能光伏發(fā)電 我國從 1958 年開始研究光伏發(fā)電， 1971 年首次成功應(yīng)用于我國發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星上。許多公司在計劃擴(kuò)建和新建年產(chǎn) 50100MW級光伏組件生產(chǎn)廠。自1998 年以來，連續(xù) 5 年以 30%以上的速度增長，至 2020 年已達(dá) 540MW/年， 2020 年高達(dá)約750MW，增長 40%。 太陽能光伏發(fā)電的主要缺點是： （ 1）太陽能能量密度低，覆蓋面積大； （ 2）光伏發(fā)電具有間歇性和隨機(jī)性； （ 3）各個地區(qū)太陽能資源情況不通，所以光伏發(fā)電區(qū)域性強(qiáng)。陳鳳翔博士、趙占霞博士還參與了全書的統(tǒng)編。地面太陽電池也要求高可靠、高效率、更追求高功率 /成 本比。 中國面臨著環(huán)保和能源可持續(xù)發(fā)展的雙重壓力，迫切需要可再生能源替代和補(bǔ)充常規(guī)能源。由于時間倉促及編者水平有限，本書定有疏漏錯誤之處，歡迎讀者批評指正。用于地面太陽能光發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池，要求耐風(fēng)霜雨雪的侵襲，有較高的功率價格比，要求具有大規(guī)模生產(chǎn)的工藝可行性 和材料來源。自 1996 年以來，世界光伏發(fā)電正在高速 發(fā)展。而在過去的 30年中，光伏組件的成本已降低了 2個數(shù)量級，光伏組件的成本已降低了 2個數(shù)量級，如圖 12所示。 八十年代開始先后引進(jìn)了一批美 國的單晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池生產(chǎn)設(shè)備，使得中國的光伏工業(yè)開始起步。截止 2020 年底我國太陽電池底累計裝機(jī)已 達(dá)到50MWP。 地 球上已發(fā)現(xiàn)的 109 種元素，除 17 種人造元素以外，其余 92 種元素太陽里都有 .太陽是距離地球最近的一顆恒星 ,日地距離為 ,太陽直徑為 x106Km,是地球的 109 倍 。 1033cm 太陽平均密度 表面加速度 179。 或 1370w/m2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 19 能量產(chǎn)生率 179。 1037kgm2 地球表面逸出速度 赤道旋轉(zhuǎn)速度 465ms1 公轉(zhuǎn)軌道平均速度 Kms1 為了利用太陽能發(fā)電，必須首先了解太陽，包括太陽的結(jié)構(gòu)，太陽與地球相對運(yùn)動的規(guī)律，太陽輻射的性質(zhì)等等。這是非常重要的一層 ，太陽的絕大部分輻射從光球發(fā)射出去，而且還有對地球影響很大的黑子和耀斑在當(dāng)中活動。 圖 21 太陽結(jié)構(gòu)示意圖 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 21 太陽 與地球相對運(yùn)動的規(guī)律 [1] 地球繞太陽運(yùn)動 橢圓軌道稱為黃道，在黃道平面內(nèi)，長軸 152179。北半球冬至日即為南半球夏至日， 太陽直射南緯 176。之間變化。真可謂取之不盡，用之不竭。這種削弱還與太陽輻射穿透大氣層的厚度、太陽輻射的方向等有關(guān)，通常用大氣質(zhì)量 (AM)來表示上述情況。在陽光的光譜分布中，吸收帶 附近衰減更為嚴(yán)重。 我國地處北半球，土地遼闊，幅員廣大，國土總面積達(dá) 960 萬 平方公里 。 二類地區(qū)為我國太陽能資源較豐富地區(qū)，年太陽輻射總量為 58506680 MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量 。從氣象局取得的數(shù)據(jù) 是 水平面的輻射數(shù)據(jù)，包括：水平面總輻射，水平面直接輻射和水平面散射輻射。 太陽電池是把光能轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體器件。 pn結(jié)電流電壓特性 太陽電池是由電性質(zhì)不同的 N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體連接合成的。正向時，在電壓較大的區(qū)域，電流密度與exp(qV/kT)成正比；反向時則趨近于 J0。光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外，還使 p 區(qū)帶正電， N 區(qū)帶負(fù)電，在 N 區(qū)和 P 區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動勢，這就是光生伏特效應(yīng)。 首先研究在太陽電池工作時，外部觀測到的特性。分析短路電流的最方便的方法是將太陽光譜劃分成許多微小光譜區(qū)域，每一微小區(qū)域只有很窄的波長范圍，并計算出每一微小區(qū)域光譜所對應(yīng)的電流，電池的總短路電流是全光譜貢獻(xiàn)的總和，表達(dá)式如下： ? ???? ???? ? 00 )()()(1)()( ? ?? ? ????????? mm scscsc dqFRdjdjI () 式中 λ 0 —— 本征吸收波長極限； R(λ )—— 半導(dǎo)體器件表面反射率； F(λ )—— 太陽光譜中波長為 ?～ ?+d?間隔內(nèi)的光子數(shù)。1 41nd ??時， ? ?? ? 220212021mi n ?????? ??? nnn nnnR () 一般在太陽光譜的峰值波長處，使得 R 變?yōu)樽钚?，以此來決定 d1的值。 太陽電池的輸出特性 等效電路 為了描述電池的工作狀態(tài)，往往將電池及負(fù)載系統(tǒng)用一等效電路來模擬。而當(dāng)有 圖 開路電壓與短路電流的關(guān)系 較強(qiáng)的陽光時， VOC則與入射光的強(qiáng)度的對 數(shù)成正比。為防止表面的反射，在半導(dǎo)體表面沉積折射率介于 半導(dǎo)體折射率和空氣折射率之間的透明薄膜層。此時負(fù)載上有 Pout=RI2m的功率消耗，它清楚地表明正在進(jìn)行著光電能量的轉(zhuǎn)換。 太陽電池的能量轉(zhuǎn)換過程 太陽電池是將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的器件。由價帶電子吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶的過程決定的光的吸收稱為本征吸收或固有吸收。當(dāng)外加電壓使得 n 區(qū)為正時，勢壘高度增加，載流子的移動就變得困難，幾乎沒有電流流過（此時稱為反向）。根據(jù)硅晶體結(jié)構(gòu)的不同，太陽電池可分為：單晶硅太陽電池，多晶硅太陽電池，非晶硅太陽電池，帶狀硅太陽電池。特別是一、二類地區(qū)，正是我國人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、邊遠(yuǎn)的廣大西北地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為落后。 四類地區(qū)是我國太陽能資源較差地區(qū)，年太陽輻射總量 42005000 MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量 。 根 據(jù)各地接受太陽總輻射量的多少，可將全國劃分為五類地區(qū)。 最經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)是 水平面上總輻射的日平均值 。陽光能量的精確分布對于太陽電池的工作很重要，因為這 些電池對于不同波長的光有不同的反應(yīng)。這種散射對所有波長的太陽光都有衰減作用，但對短波長的光衰減最大； （ 2）懸浮微粒和灰塵引起的散射； （ 3）大氣，特別是其組成氣體 —— 氧氣、臭氧、水蒸氣和二氧化碳的吸收。 將到達(dá)水平面上的太陽輻射能分為直接輻射和水平輻射二部分。 [2]、赤緯角的變化 與赤道平面平行的平面與地球的交線稱為地球的緯度。 c） 南北回歸線與夏至、冬至日：北半球夏至日（ 6 月 21 日）時，南半球恰好為冬至日，太陽直射北緯 176。 [6]、日冕，色球球外即是伸入太空的銀白色日冕，它是由各種微粒構(gòu)成的。 [3]、對流層 從吸收層以外至 1 倍太陽直徑處稱為對流層。 108Km 地球平均半徑 6371Km 地球表面積 179。 1010ergs1cm2 太陽表面拋物線速度 617178。 106 在日地平均距離上太陽的徑向角 32 2178。 表 16 生產(chǎn)能力、產(chǎn)量、價格、系統(tǒng)價格、年產(chǎn)值預(yù)測 年度 組件生產(chǎn)能力 （ MWP） 組件年產(chǎn)量 （ MWP） 組件價格 (元 /WP) 系統(tǒng)造價 (元 /WP) 系統(tǒng)年產(chǎn)值 （億元） 2020 42 80 2020 80 10 30 70 7 2020 120 50 25 50 25 2020 400 150 20 40 60 2020 2020 1500 16 30 450 太陽電池的效率和成本預(yù)測見表 17。目前我國各種太陽電池的實驗室最高效率見表 16。 表 1－ 2： 19932020 年 世界太陽電池組件發(fā)貨量（ MW） 年度 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2020 2020 2020 2020 日本 80 歐洲 40 美國 其它 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 12 合計 88..60 國際太陽電池研究現(xiàn)狀 迄今為止，已經(jīng)研究了近 100 種太陽電池，表 1－ 3，表 1－ 4 和表 1－ 5 為各種太陽電池世界最高水平的科研成果。目前光伏組件的生產(chǎn)規(guī)模在 520MW/年。隨著人們 對后續(xù)能源問題和環(huán)境質(zhì)量的認(rèn)識不斷提高，加大了關(guān)于光伏發(fā)電的各項科研經(jīng)費(fèi)的投入，而科研成就轉(zhuǎn)化為技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模不斷增長，使得成本不斷下降，政策刺激下的市場不斷擴(kuò)大。 太陽能 光伏發(fā)電的主要優(yōu)缺點 太陽能光伏發(fā)電的主要優(yōu)點為 ： （ 1） 結(jié)構(gòu)簡單，體積小且輕； （ 2）易安裝，易運(yùn)輸，建設(shè)周期短； （ 3）使用方便，維護(hù)簡單，在 50℃ ~65℃ 溫度范圍均可正常工作； （ 4）清潔能源，安全，無噪聲，零排放； （ 5）可靠性高，壽命長； （ 6）太陽能幾乎無處不有，所以光伏發(fā)電應(yīng)用范圍廣，； （ 7）降價速度快，能量償還時間有可能縮短； （ 8）可以與蓄電池相配組成獨(dú)立電源，也可以并網(wǎng)發(fā)電。 本書由崔容強(qiáng)教授、趙春江副教授任主編，上海交通大學(xué)太陽能研究所孟凡英副教授、孫鐵囤副教授、周之斌副教授、徐林講師和于化叢博士、陳鳳翔博士、劉志剛博士、苦史偉碩士等參加了全書的編審工作。 1954 年第一片實用的硅太陽電池在美國貝爾實驗室誕生以后，立即被用于航天飛行器，其高可靠、高效率、高功率質(zhì)量比的優(yōu)異性能，為航天事業(yè)立下了汗馬功勞?！吨腥A人民共和國可再生能源》為大規(guī)模開發(fā)利用太陽能開辟了道路。 編者 2020 年 4 月 15 日 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 8 第 1 章 導(dǎo) 論 “到處陽光到處電 ”是人類美麗的理想。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設(shè)計、安裝運(yùn)行及維護(hù)） 9 表 太陽電池與光伏組件的分類 A:按基本材料分類 ? 晶體硅光伏電池及組件 ? 非晶硅薄膜光伏電池及組件 ? 微晶硅薄膜光伏電池及組件 ? 納晶硅薄膜光伏電池及組件 ? 硒光電池 ? 化合