【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 將兩種對(duì)光波吸收能力不同的半導(dǎo)體材料疊在一起構(gòu)成的光伏電池。鑒于波長(zhǎng)短的光子能量大，在硅中的穿透深度小的特點(diǎn)，充分利用太陽光中不同波長(zhǎng) 的光，通常是讓波長(zhǎng)最短的光線被最上邊的寬禁帶材料電池吸收，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 光線能夠透射進(jìn)去讓下邊禁帶較窄 的材料電池吸收，這就有可能最大限度地將光能變成電能。 （ 6）濕式光伏電池。指在兩側(cè)涂有光活性半導(dǎo)體膜的導(dǎo)電玻璃中間加入電解液而構(gòu)成的光伏電池。這種形式的電池不但可以減少半導(dǎo)體材料的消耗，還未建筑物和太陽能應(yīng)用的一體化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。 按電池 材料分類： （ 1）硅光伏電池： 包括單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池和非晶硅光伏電池。其中單晶硅材料結(jié)晶完整，載流子遷移率高，串聯(lián)電阻小，光電轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá) 20%左右，但成本比 較昂貴 。 多晶硅材料晶體方向無規(guī)律性。由于在這種材料中的正負(fù)電荷有一部分 會(huì)因晶體晶界連接的不規(guī)則性而損失，所有不能全部被 PN結(jié)電場(chǎng)分離，使之效率一般要比單晶硅光伏電池低。但多晶硅光伏電池成本較低。多晶硅材料又分為帶狀硅、鑄造硅、薄膜多晶硅等多種類型。用它們制造的光伏電池又分為薄膜和片狀兩種。而非晶硅光伏電池是采用內(nèi)部原子排列“短程有序 而長(zhǎng)程無序”的非晶體硅材料（簡(jiǎn)稱 α —Si）制成。非晶硅材料基本被制成薄膜電池形式。其造價(jià)低低廉，但光電轉(zhuǎn)換效率比較低，穩(wěn)定性也不如晶體硅光伏電池，目前主要用于弱光性電源，如手表 、計(jì)算器等的電池。 （ 2） 非硅半導(dǎo)體光伏電池。主要有硫化鎘光伏電池和砷化鎵光伏電池。硫化鎘分單晶或多晶兩種，它常與其他半導(dǎo)體材料合成使用，如硫化亞銅 /硫化鎘光伏電池、碲化鎘 /硫化鎘光伏電池、銅銦硒 /硫化鎘光伏電池等。而砷化鎵具有較好的溫度特性，理論效率高，較適合于制成太空光伏電池。即采用同質(zhì)結(jié)形式也可以采用異質(zhì)結(jié)形式，既可采用單晶切片結(jié)構(gòu)也可采用薄膜結(jié)構(gòu)以制成光伏電池。 （ 3）有機(jī)半導(dǎo)體光伏電池：用含有一定數(shù)量的碳 — 碳鍵，導(dǎo)電能力介于金屬和絕緣體之間的半導(dǎo)體材料制成。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率低、價(jià)格便宜、輕便，易于 大規(guī)模生產(chǎn)。 光伏電池組件 光伏陣列的基本組合 單體光伏電池又稱光伏電池片，是光伏電池的最基本單元。在使用光伏電池供電時(shí)，光伏電池片容量較小，輸出電壓只有零點(diǎn)幾伏、輸出峰值功率也只有 1W 左右。一般不能滿足負(fù)載用電的需要，也不便于安裝使用，所以通常不直接使用。因此要將單體的太陽能電池根據(jù)負(fù)載需要進(jìn)行串、并聯(lián)構(gòu)成組合體，在京啊組合體通過一定的工藝流程封裝在透明的薄板盒子內(nèi)，引出正負(fù)極引線，方可獨(dú)立發(fā)電使用。封裝前地組合體稱之為光伏電池模塊組件（ module）；而封裝后的薄板盒子稱之為光伏電池 組合板（簡(jiǎn)稱光伏電池板）。工程上使用的光伏電池板是光伏電池使用的基本單元，其輸出電壓一般在十安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 幾至幾十伏左右。此外，還可將若干個(gè)光伏電池板根據(jù)負(fù)載容量大小要求，再串、并聯(lián)組成較大功率的實(shí)際供電裝置，稱為光伏陣列。 在構(gòu)成光伏陣列時(shí)，根據(jù)負(fù)荷用電量、電壓、功率、光照情況等，確定光伏電池的總?cè)萘亢凸夥姵氐拇⒉⒙?lián)數(shù)量。當(dāng)將光伏電池板串聯(lián)使用時(shí)，總的輸出電壓是單個(gè)電池組件工作電壓之和，而總的輸出電流受原有電池組件中工作電流最小的已組建所限，總的輸出電流智能等于該電池組件的電流。所以要選擇工作電流相等或近似相等的電 池組件方可串聯(lián)使用，以免造成電流浪費(fèi)。若將電池組件并聯(lián)使用時(shí)，總的輸出電壓是各電池組建工作的電壓的平均值，而總的電流為各單個(gè)電池組件工作電流之和。 確定光伏電池板串聯(lián)數(shù)，及光伏陣列總的輸出電壓時(shí)，主要考慮負(fù)載電壓的要求，同時(shí)考慮蓄電池的浮充電壓、溫度以及控制電路等的影響。如果總的輸出電壓過低不能滿足要求，就可能出現(xiàn)光伏電池只有電壓無電流輸出的現(xiàn)象。而且光伏電池的輸出電壓隨溫度的升高還會(huì)呈現(xiàn)負(fù)特性，所以在計(jì)算電池組件串聯(lián)級(jí)數(shù)時(shí)，要留有一定的余量，但也不能把串聯(lián)技術(shù)定的過高，造成較大的浪費(fèi)。最佳選擇是使其工作于 光伏陣列總的伏安特性曲線的最大工作點(diǎn)位置。光伏陣列串聯(lián)后的伏安特性曲線參考見圖 31。 確定光伏電池板并聯(lián)數(shù)，及光伏陣列總的輸出電流時(shí)，主要考慮負(fù)載每天的總耗電量、當(dāng)?shù)啬昶骄逯等照諘r(shí)數(shù)，同時(shí)考慮蓄電池組的充電效率、電池表面不清潔和老化等帶來的不良因數(shù)。一般光伏電池組件的并聯(lián)數(shù)乘以每一待并支路的最佳工作電流即為蓄電池的充電電流。 211 + 212電 流電 壓 圖 31 硅光伏電池串聯(lián)的輸出特性 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 表 31 光伏陣列的主要性能指標(biāo) 名稱 單位 定義 輸出功率 P W 光伏陣列一天內(nèi)為負(fù)載提供的有效平均功率或峰值功率 輸出能量 E W h 光伏陣列在一天內(nèi)所產(chǎn)生的能量，即為功率對(duì)時(shí)間的積分 輸出安培小時(shí) E A h 能量的另一種表示方法，主要用于蓄電池提供的光伏陣列 效率 功率效率η p % 光伏陣列功率輸出與太陽能輸入之比 能量效率η e % 光伏陣列能量輸出與太陽能輸入之比 重量（質(zhì)量） m kg 表示該光伏陣列所含材料的多少 成本 元 表示該光伏陣列的經(jīng)濟(jì)效應(yīng) 功率密度 W/m2 表示該光伏陣列單位面積的功率 能量密度 W h /m2 表示該 光伏陣列單位面積的能量 質(zhì)量密度 kg/m2 表示該光伏陣列單位面積的質(zhì)量 單位成本 元 /W 表示該光伏陣列單位功率的成本 光伏陣列的分類 按外形結(jié)構(gòu)來分 ,光伏陣列主要有平面式光伏陣列、曲面式光伏陣列以及聚光式光伏陣列，以安裝形式分則分為固定安裝式光伏陣列、定向安裝式光伏陣列及加固定裝式光伏陣列，按使用場(chǎng)合分則可分為地面光伏陣列、高空光伏陣列、宇宙光伏陣列以及潛水光伏陣列。下面介紹幾種常用的光伏陣列。 ① 平板式光伏陣列。將若干電池單元按平板結(jié)構(gòu)組裝在一起，且所有光伏電池均朝同方向。這種光伏 陣列直接收集自然照射來的太陽光，光伏陣列可固定安裝，也可安裝成定向形式。因其技術(shù)成熟，安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單，所以應(yīng)用最為廣泛。 ② 曲面式光伏陣列。直接將光伏電池片貼在應(yīng)用場(chǎng)地或物體上，如圓弧形、多棱形、圓錐形的房頂和飛行器等。電池片可以貼在凸面，也可以是凹面。因安裝較為復(fù)雜，太陽遮擋的幾率較高，所以適用于飛行器或附加太陽跟蹤裝置。 ③ 聚光式光伏陣列。通過反射鏡或折射鏡將太陽光聚集到一小塊光伏電池片上。其特點(diǎn)不但能增強(qiáng)太陽的光強(qiáng)，還可用較少的電池得到較多的電能，但與此同時(shí)電池板的工作溫度也會(huì)升的很高。從光伏陣列 的制作和安裝成本來說，它要比平板固定式的低一些；但因要附加太陽跟蹤裝置，由此會(huì)帶來跟蹤裝置的維護(hù)及光伏陣列在高溫下共組的可靠性等問題。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 ④ 固定安裝式光伏陣列。將光伏陣列剛性固定安裝在地面結(jié)構(gòu)上或飛行器上。其特點(diǎn)是該光伏陣列表面好太陽光之劍的角度是連續(xù)變化的。 ⑤ 定向安裝式光伏陣列。將光伏點(diǎn)多吃安裝在特有的定向裝置上，使得光伏電池表面總是面向太陽旋轉(zhuǎn)，以獲得最大的功率輸出。這種定向裝置又稱太陽能跟蹤器。太陽能跟蹤器又分 為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種。跟蹤運(yùn)行可以是連續(xù)的，也可以是間歇的。 光伏電池的數(shù)學(xué)模型 （ 1）光伏電池的理論分析模型 根據(jù)半導(dǎo)體電子學(xué)理論， 單個(gè) 光伏電池的等效電路如圖 33 所示。 LI DI jC shI shRU LRsR 圖 33 光伏電池等效電路 當(dāng)日照強(qiáng)度恒定時(shí)，光伏電池可看成恒定電流源，二極管的正向電流和并聯(lián)電阻電流 ISR都由光電流 IL提供，剩余的光電流通過串聯(lián)電阻 RS輸出給負(fù)載，并在負(fù)載端產(chǎn)生電壓 U。根據(jù)圖中的電流電壓參考方向，光伏電池的 IU方程為： ? ?shSSLshDL R IRUA KT IRUqIIIIII ???????? ??????? ?????? 1e xp0 (31) 式中： IL光電流，單位 A； I0二 極管反向飽和電流，單位 A； q電子電荷（ 10? C）； A二極管因子； K波爾茲曼常數(shù)（ ?? J/K） 。 T太陽能電池輸出電流，單位 A； RS串聯(lián)電阻，單位 ? ； RSR并聯(lián)電阻，單位 ? ； I太陽能電池輸出電流，單位 A。 U太陽能電池輸出電壓，單位 V。 （ 2） 光伏電池的簡(jiǎn)化分析模型 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 在實(shí)際的光伏電池中，由于期間的瞬 時(shí)響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于光伏系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，在分析時(shí)通常忽略結(jié)電容 Cj,并 聯(lián)電阻一般很大（兆歐級(jí)）；串聯(lián)電阻一般很小（零點(diǎn)幾歐）。因此，根據(jù)具體應(yīng)用情況，光伏電池的 IU方程可簡(jiǎn)化： shA K TqULshDL RUeIIIIII ????????? ?????? 10 (32) 或 ???????? ?????? 10 A K TqULshDL eIIIIII (33) 簡(jiǎn)化的模型結(jié)構(gòu)分別如圖 34（ a）和 34（ b） 所示。 UDI LRL LI DILR （ a）忽略串聯(lián)電阻等效 電阻 （ b）忽略并聯(lián)電阻等效電路 圖 34 光伏電池簡(jiǎn)化模型 （ 1）由光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型分析可知，光伏電池的輸出是一個(gè)隨光照條件及溫度等因素變化的復(fù)雜變量。圖 35（ a）為光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，光伏電池的輸出特性是指在一定的溫度和日照強(qiáng)度條件下，光伏電池所呈現(xiàn)的伏安特性，即輸出電壓和輸出電流之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通常簡(jiǎn)稱為 IU特性曲線。由于電池溫度、日照強(qiáng)度等因素都會(huì)對(duì)光伏電池的特性產(chǎn)生影響，因此，在測(cè)試光伏電池性能時(shí)，需要定義標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試 條件。我國(guó)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件為：日照強(qiáng)度 1KW/m2,電池溫度為 25℃ ，太陽輻射光譜為。 0 51 01 52 02 53 0 3 5 4 00 . 511 . 522 . 533 . 51 22 43 64 86 07 28 0I ( A )P ( W )IS CPmUmU∞U ( V )U ( V )I ( A ) 1 0 0 0 W / m28 0 0 W / m26 0 0 W / m24 0 0 W / m22 0 0 W / m2 圖 35 (a) 圖 35 (b) 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 I ( A )U ( V )2 5 ℃3 5 ℃4 5 ℃ 圖 35(c) 圖 35 光伏電池輸出特性 其中： 圖 35(a)光伏電池典型輸出特性曲線圖 35（ b）溫度一定，日照強(qiáng)度對(duì)輸出特性的影響圖 35（ c）日照強(qiáng) 度一定時(shí)，溫度對(duì)輸出特性的影響。 開路電壓（ UOC）：標(biāo)準(zhǔn)條件下所能輸出的最大電壓； 最大功率點(diǎn)電壓（ Um）：標(biāo)準(zhǔn)條件下最大功率點(diǎn)的電壓； 短路電流（ ISC） :標(biāo)準(zhǔn)條件下所能輸出的最大電流； 最大功率點(diǎn)電流 （ Im） ：標(biāo)準(zhǔn)條件下最大功率點(diǎn)的電流； 最大功率點(diǎn)功率 （ Pm） ：標(biāo)準(zhǔn)條件下輸出最大功率 Pm=Um*Im。 由上圖可看出：光伏電池既不是恒流源也不是恒壓源。但是，當(dāng)光伏電池輸出電壓較小時(shí)，隨著電壓的變化，輸出電流的變化很小，光伏電池近似為一個(gè)恒流源；當(dāng)光伏電池輸出電壓超過 Um時(shí)，輸出電流急劇下降，光伏電池又 可近似為一恒壓源。在光伏強(qiáng)度和電池溫度一定時(shí)有唯一的最大輸出功率點(diǎn) Pm（其左側(cè)為近似恒流源段，右側(cè)為近似恒壓源段）。 （ 2）日照強(qiáng)度和溫度對(duì)光伏電池的輸出特性的影響 光伏電池的 IU特性曲線與日照強(qiáng)度和電池溫度有關(guān)。 圖 35（ b）是當(dāng)溫度一定時(shí)，日照強(qiáng)度分別為 200W/m 400W/m 600W/m800W/m 1000W/m2 時(shí)太陽能光伏電池的輸出特性曲線?？梢钥闯?，當(dāng)溫度一定時(shí)，光伏電池短路電 流 ISC 隨日照強(qiáng)度的增加而增加，并與日照強(qiáng)度成正比；開路電壓隨日照強(qiáng)度的增加略有增加，但是增加幅度很 小。 圖 35（ c）是日照強(qiáng)度一定，不同電池溫度時(shí)，光伏電池的輸出特性曲線?？梢钥闯觯S著電池溫度的升高，光伏電池的短路電流 ISC 略微增加，而光伏電池開路電壓降低。 由上面各特性曲線可知，當(dāng)日照強(qiáng)度一定時(shí)，對(duì)應(yīng)于溫度的變化，電池的短路電流幾乎不受影響，變化很小，但隨著溫度的升高，光伏電池的開路電壓值有明顯的下降。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 而且，由于日照強(qiáng)度不變，即陽光投射到電池表面的功率不變，可見光電轉(zhuǎn)換效率可知電池的光電轉(zhuǎn)換效率受到溫度的影響很大。 最大功率點(diǎn)跟蹤 光伏陣列輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受光照強(qiáng)度、環(huán)境 溫度和負(fù)載情況影響。 在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下 ，光伏電池可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在某一輸出電壓值時(shí)，光伏電池的輸出功率才能達(dá)到最大值，這是光伏電池工作點(diǎn)就達(dá)到了輸出功率電壓曲線的最高點(diǎn)，稱之為最大功率點(diǎn)（ MPP）。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過程就稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤。（ maximum power poi