【文章內(nèi)容簡介】 國家科委開始將太陽能屋頂系統(tǒng)列入國家科技攻關(guān)計劃，企業(yè)界率先在深圳和北京分別建成了 17KW 和 7KW的光伏發(fā)電屋頂系統(tǒng)。 1999 年，我國光 伏電池的主要產(chǎn)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 2020 年之后，多晶硅產(chǎn)品逐步走出實驗室，開始形成規(guī)模生產(chǎn)，與發(fā)達國家相比，技術(shù)差距不斷減小。為了推動光伏技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展， 2020 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(shù)的應(yīng)用，計劃到 2020 年全國光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機容量達到 300MW。至 2020年底，我國光伏產(chǎn)業(yè)總的生產(chǎn)能力達到 38MW，太陽能電池 /組件的實際生產(chǎn)量達到 13MW。在市場方面，截至 2020 年底我國光伏系統(tǒng)累計裝機容量達到 45MW。 2020 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?cè)萘窟_ 1 兆瓦，年發(fā)電能力約為 100 萬千瓦時； 2020 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(shù)，綠色能源的應(yīng)用正是綠色奧運的具體體現(xiàn)； 2020年 2 月 28 日第十屆全國人民代表大會常務(wù)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 2020 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(chǎn)業(yè)在滿足國內(nèi)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(yīng)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(chǎn)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(chǎn)化程度也不高。因此，我國光伏產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)外市場上仍面臨著非常嚴峻的考驗。 光伏 發(fā)電市場需求 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(chǎn)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(chǎn)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(shù)產(chǎn)業(yè)之一。 2020 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 2020 年，光伏材料的市場總價值將達到 億美元，年增長率將達到 %，為近幾年內(nèi)最高。同時，國內(nèi)數(shù)齊魯工業(yè)大學 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 家券商發(fā)布研究報告認為， 2020 年下半年起光伏產(chǎn)業(yè)從上游多晶硅到下游組件普遍進入大規(guī)模擴產(chǎn)周期，將帶來對各種上游設(shè)備、中間材料需求的提升，其中包括晶硅生產(chǎn)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(lǐng)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(zhuǎn)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(nèi)、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(yīng)用領(lǐng)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(nèi)，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?cè)萘?600kW 左右，推廣應(yīng)用家用光伏電源系統(tǒng)約 15萬套，并在約 80 所農(nóng)村學校建立了總功率 100kW 左右的光伏發(fā)電系統(tǒng)。 光伏系統(tǒng)的工作原理與組成 光伏系統(tǒng)的工 作原理 白天，在光照條件下，太陽能電池組件產(chǎn)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(zhuǎn)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(yīng)有限荷保護和防雷裝置，以保護系統(tǒng)設(shè)備的過負載運行及免遭雷擊，維護系統(tǒng)設(shè)備的安全使用 [7]。 光伏 系統(tǒng) 的 組成 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(shè)備組成，其各部分設(shè)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(chǎn)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(chǎn)生“光電效應(yīng)”，這就是“光生伏打效應(yīng)”。在光生伏打效應(yīng)的作用下，太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動勢，將光能轉(zhuǎn)換為電能，是能量轉(zhuǎn)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； 齊魯工業(yè)大學 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 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 200A h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 200A h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(shè)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(shè)備。 （ 4） 逆變器 是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)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(jié) 本章主要介紹太陽能充電器電路設(shè)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(nèi)外光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和市場需求分析，了解光伏發(fā)電未來產(chǎn)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，當然有一齊魯工業(yè)大學 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 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(chǎn)生電子 空穴對。這樣，光能就以產(chǎn)生電子 空穴對的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。薄片的另一?cè)和金屬薄膜之間將產(chǎn)生一定的電壓，這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。太陽能光伏電池正是一種利用光伏效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。對于半導體 、 PN 結(jié)，光伏效應(yīng)更明顯。因此，太陽能光伏電池都是由半導體 構(gòu)成的。 太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)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(chǎn)生非平衡載流子 電子和空穴。半導體內(nèi)在 P型和 N型交界面兩邊形成勢壘電場，能將電子驅(qū)向 N區(qū)，空穴驅(qū)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(jié)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(chǎn)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(yīng)原理制成的太陽能電池將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的。太陽能電池單體是用于光電轉(zhuǎn)換的最小單元。它的尺寸約 4平方厘米到 100 平方厘米。太陽能電池單體工作電壓為 伏，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(jīng)過串聯(lián)，并聯(lián)并裝在支架上，就構(gòu)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(chǎn)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(jīng)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(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)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，純度要 求 %。為了降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在地面應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)成本較低，因齊魯工業(yè)大學 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 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(chǎn)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(yīng)。為了防止太陽能電池組件由于熱斑效應(yīng)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?qū)щ娮饔谩? 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(jié)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(nèi)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(jié)上，產(chǎn)生一股與光生電流方向相反的電流 ID。 齊魯工業(yè)大學 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 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(guān)。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(guān)。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(guān)，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(jié)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(guān)系 IV 特性曲線如圖 22所示。 圖 22 太陽能電池的 IV特性關(guān)系曲線 曲線上任何一點都可以作為工作點，工作點所對應(yīng)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