【文章內(nèi)容簡介】 太陽能光伏發(fā)電是利用半導體、太陽電池（也稱光伏電池）的光生伏打效應，直接將太陽光能變成電能，是一種零排放的清潔能源。 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。地面太陽電池也要求高可靠、高效率、更追求高功率 /成 本比。地面用光伏發(fā)電系統(tǒng)設計與當?shù)靥柲苜Y源及氣象條件密切相關。本書比較扼要地介紹了太陽電池的原理、特性、光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計、安裝、運行以及維護方法，希望本書能為從事光伏發(fā)電科研、教學、生產(chǎn)和應用的同行提供幫助。 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充常規(guī)能源?！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。中國太陽能資源豐富，硅沙充足，光伏發(fā)電有巨大的市場。中國的小康社會和實現(xiàn)中華民族的偉大復興，最可靠的能源是太陽，太陽能光伏發(fā)電必將成為支撐中國未來電網(wǎng)的中堅 能源，中國終將成為世界光伏大國。 本書由崔容強教授、趙春江副教授任主編，上海交通大學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。陳鳳翔博士、趙占霞博士還參與了全書的統(tǒng)編。 本書的編審和出版編審始終得到了國家發(fā)改委世界銀行 /GEF 中國光伏發(fā)展項目辦公室的全力支持。項目辦吳達成主任和國內(nèi)許多光伏專家都為本書的編審提出了寶貴意見，在此一并感謝。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。 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)設計、安裝運行及維護） 8 第 1 章 導 論 “到處陽光到處電 ”是人類美麗的理想。太陽能光伏發(fā)電是指不通過熱過程，直接將太陽的光能變換成電能的太陽能利用方式。依靠光伏電池，把照射到光伏電池上的光能直接轉(zhuǎn)換成電能輸出的光伏發(fā)電是太陽能光發(fā)電的主流。 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，易運輸，建設周期短； （ 3）使用方便，維護簡單，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立電源，也可以并網(wǎng)發(fā)電。 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。 太陽能光伏電池分類 迄今為止，人們已經(jīng)研究了 100 多種不同材料、不同結(jié)構(gòu)、不同用途和不同型式的太陽能電池（見表 ） 。目前大面積 地面用太陽能電池仍以 硅材料太陽能電池為主 ,主要有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池，此外還有部分化合物太陽能電池（如硒銦銅薄膜太陽電池等） ,化合物砷化鎵太陽能電池主要應用于空間電源領域。用于地面太陽能光發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池，要求耐風霜雨雪的侵襲，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。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設計、安裝運行及維護） 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 ? 化合物太陽電池 :硫化鎘 ,硒銦銅 ,碲化鎘 ,砷化鎵光伏電池及組件 ? 染料電池 ?? . B: 按結(jié)構(gòu)分類 ? 同質(zhì)結(jié)光伏電池及組件 ? 異質(zhì)結(jié)光伏電池及組件 ? 肖特基結(jié)光伏電池及組件 ? 復合結(jié)光伏電池及組件 ? 液結(jié)光伏電池 及組件 C: 按用途分類 ? 空間光伏電池及組件 ? 地面光伏電池及組件 ? 光伏傳感器 D: 按使用狀態(tài)分類 ? 平板光伏電池 及組件 ? 聚光光伏電池及組件 ? 分光光伏電池及組件 E:按封裝材料分類 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設計、安裝運行及維護） 10 ? 剛性封裝光伏電池及組件 ? 半剛性封裝光伏電池及組件 ? 柔性襯底封裝光伏電池及組件 太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 自從 1839 年發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應”和 1954 年第一塊實用的光伏電池問世以來，太陽能光伏發(fā)電取得了長足的進步，但是它的發(fā)展仍然比計算機和光纖通訊要慢得多。究其原因或許是人們對于信息的追求特別強烈，而常規(guī)能源還能滿足人類對于能源的需求。 1973 年的石油危機和九十年代的環(huán)境污染問題大大促進了太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展。隨著人們 對后續(xù)能源問題和環(huán)境質(zhì)量的認識不斷提高，加大了關于光伏發(fā)電的各項科研經(jīng)費的投入，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大。自1998 年以來，連續(xù) 5 年以 30%以上的速度增長，至 2020 年已達 540MW/年， 2020 年高達約750MW，增長 40%。由于德國、歐盟及日本太陽能屋頂項目的推動， 2020 年世界光伏年產(chǎn)量達到 1256MW，年增長率超過 50%。應用范圍也越來越廣，尤其是各個國家的光伏計劃，為太陽能光伏發(fā)電展現(xiàn)了無限光明的前途。自 1996 年以來，世界光伏發(fā)電正在高速 發(fā)展。主要表現(xiàn)在 : ? 光伏產(chǎn)量增長率持續(xù)走高。 多年來光伏產(chǎn)業(yè)一直是世界增長速度最高和最穩(wěn)定的領域之一， 1999－ 2020年光伏組件的生長以 30－ 40％的速度甚至更高的遞增速度發(fā)展，太陽電池的產(chǎn)量從 1999年的 202MW增加到 2020年的 1256MW，如圖 11所示 。 ? 生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大， 光伏產(chǎn)業(yè)向百兆瓦級規(guī)模和更高技術(shù)發(fā)展。目前光伏組件的生產(chǎn)規(guī)模在 520MW/年。許多公司在計劃擴建和新建年產(chǎn) 50100MW級光伏組件生產(chǎn)廠。 ? 新技術(shù)不斷出現(xiàn)，電池效率持續(xù)攀升，成本明顯降低。隨自動化程度和技術(shù)水平的提高，電池效 率將由現(xiàn)在的水平（單晶硅 1315%，多晶硅 1113%）向更高水平（單晶硅 1820%，多晶硅 1618%）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。 ? 2020－ 2020年 間 ，我國光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，已經(jīng)成為世界光伏產(chǎn)業(yè)和市場發(fā)展最快的國家之一 。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設計、安裝運行及維護） 11 ? 圖 11 世界太陽電池歷年產(chǎn)量 圖 12 世界光伏組件生產(chǎn)成本下降趨勢 表 12 為歷年太陽電池發(fā)貨量，可以看到原來居太陽電池首位的美國。已從 1999 年開始讓位于日 本。 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)設計、安裝運行及維護） 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。 表 1－ 3 地面用太陽電池在標準測試條件下的效 率 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設計、安裝運行及維護） 13 表 1－ 4 地面用光伏組件在標準測試條件下的效率 表 1－ 5 地面用聚光太陽電池和組件在標準測試條件下的效率 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設計、安裝運行及維護） 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 年首次成功應用于我國發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星上。于 1973 年開始地面光伏系統(tǒng)應用。中國自制的光伏航標燈、太陽能燈塔和氣象用光伏電源、通訊用光伏電源在七十年代已開始使用，但規(guī)模很小， 1977 年中國光伏產(chǎn)量只有,價格高達 200 元 /Wp,光電轉(zhuǎn)換效率為 6?10?。 八十年代開始先后引進了一批美 國的單晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池生產(chǎn)設備，使得中國的光伏工業(yè)開始起步。至 1987 年，中國光伏產(chǎn)量達到 100KW/年 ,晶體硅太陽電池的價格已降到 40?45 元 /Wp,光電轉(zhuǎn)換效率達到了 8?12?。九十年代開始以來，全國已形成。 我國對于太陽電池的研究主要集中在實用型的單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池、非晶硅太陽電池、砷化鎵太陽電池、空間用的硅太陽電池及其系統(tǒng)、錫銦銅及碲化鎘化合物薄膜太陽電池和聚光太陽電池及系統(tǒng)。目前我國各種太陽電池的實驗室最高效率見表 16。 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 機電池 10 1*1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)（系統(tǒng)設計、安裝運行及維護） 15 進入 21 世紀，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。 2020 年，國家計委啟動了“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計劃”，通過光伏和小型風力發(fā)電解決西部七省區(qū)（西藏、新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙、陜西和四川） 780 個無電鄉(xiāng)的用電問題，光伏用量達到 。這一項目的啟動大大刺激了光伏工業(yè)，國內(nèi)建起了幾條太陽電池的封裝線，使太陽電池的年生產(chǎn)量迅速達到100MWP（ 2020 年當年產(chǎn)量 20MWP）。截止 2020 年底我國太陽電池底累計裝機已 達到50MWP。較大的生產(chǎn)規(guī)模和先進的技術(shù)使太陽電池的價格已從 2020 年的 36?40 元 /Wp，降為 2020 年的 30 元 /Wp。哈爾濱克羅拉太陽能電力公司及深圳拓日太陽能公司等 2 個工廠生產(chǎn)的非晶硅太陽電池價格為 23?25 元 /Wp,光電轉(zhuǎn)換效率為 4?6?。 對光伏的產(chǎn)量和價格的預測見表 16。 表 16 生產(chǎn)能力、產(chǎn)量、價格、系統(tǒng)價格、年產(chǎn)值預測 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測見表 17。 表 17 太陽電池的效率和成本預測 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)設計、安裝運行及維護） 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)電的應用范圍愈來愈廣，其市場需要也將愈來愈大。 附錄： 中國光伏的生產(chǎn)能力 中國太陽電池片主要廠家和生產(chǎn)能力 產(chǎn)品類別 廠商名稱 生產(chǎn)能力 (MW) 單晶硅 上海太陽能科技股份有限公司 10 云南半導體器件廠 2 上海國飛 1 寧波太陽能 4 多晶硅 無錫尚德 25 保定英利 3 非晶硅 哈爾濱克羅拉 1 深圳創(chuàng)益 深圳日月環(huán) 深圳拓日 天津津能 8 北京世華 10 合計