1、光伏发电系统及应用技术光伏发电系统及应用技术岳之浩岳之浩本课程概要本课程概要 太阳能的基本概念太阳能的基本概念 光伏发电系统的组成光伏发电系统的组成 光伏发电系统的分类光伏发电系统的分类 光伏应用光伏应用目录目录 第一章第一章 太阳光的特性太阳光的特性 第二章第二章 半导体与半导体与P-N结结 第三章第三章 太阳能电池的特性太阳能电池的特性 第四章第四章 太阳能电池特性和设计太阳能电池特性和设计 第五章第五章 光伏电池的互联和组件的装配光伏电池的互联和组件的装配 第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构 第七章第七章 独立光伏系统设计独立光伏系统设计 第八章第八章 光伏的特殊应用光伏
2、的特殊应用 第九章第九章 偏远地区供电系统偏远地区供电系统 第十章第十章 并网光伏系统并网光伏系统 第十一章第十一章 光伏水泵系统光伏水泵系统 第十二章第十二章 光伏水泵系统设计光伏水泵系统设计第一章第一章 太阳光的特性太阳光的特性1.1 波粒二象性波粒二象性l 17世纪后期，牛顿认为光是由世纪后期，牛顿认为光是由微小粒子微小粒子组成的；组成的；l 19世纪早期，杨和菲涅耳发现了光的干涉效应，表面光是由世纪早期，杨和菲涅耳发现了光的干涉效应，表面光是由波波组成的；组成的；l 19世纪世纪60年代，麦克斯韦的年代，麦克斯韦的电磁辐射理论电磁辐射理论被接受，光被认为是由不同被接受，光被认为是由不同
3、波长组成的电磁波谱中的一部分；波长组成的电磁波谱中的一部分；l 1905年，爱因斯坦阐释了光电效应，他指出光是由不连续的粒子或能年，爱因斯坦阐释了光电效应，他指出光是由不连续的粒子或能量子组成的。既是粒子又是波，光同时具有这两种对立而互补的性质，量子组成的。既是粒子又是波，光同时具有这两种对立而互补的性质，这一观点现已被广泛接受。这一理论也被称为这一观点现已被广泛接受。这一理论也被称为波粒二象性波粒二象性，且可总结，且可总结为下列等式：为下列等式：E=hf=hc/E是光子能量，是光子能量，是波长，是波长，h是普朗克常量（是普朗克常量（6.62610-34J s）,c是光速是光速（3.00108
4、m/s）第一章第一章 太阳光的特性太阳光的特性1.2 黑体辐射黑体辐射l 黑体对于辐射来说是一个理想的吸收体或发射体。当它被加热后，开黑体对于辐射来说是一个理想的吸收体或发射体。当它被加热后，开始发光，也就是说，开始发出电磁辐射。始发光，也就是说，开始发出电磁辐射。l 金属温度越高，发射的光的波长越短，发光的颜色由最初的红色逐渐金属温度越高，发射的光的波长越短，发光的颜色由最初的红色逐渐变为白色。变为白色。第一章第一章 太阳光的特性太阳光的特性1.3 太阳及其太阳及其辐射辐射l 太阳是一个通过其中心的核聚变反应产生热量的气体球，内部温度高太阳是一个通过其中心的核聚变反应产生热量的气体球，内部温
5、度高达达2107K；l 太阳内部强烈的辐射被靠近太阳表面的一层氢离子所吸收；太阳内部强烈的辐射被靠近太阳表面的一层氢离子所吸收；l 能量以对流的形式穿透通过这层光阻，然后再太阳的外表面重新向外能量以对流的形式穿透通过这层光阻，然后再太阳的外表面重新向外辐射；辐射；第一章第一章 太阳光的特性太阳光的特性1.4 太阳的辐射太阳的辐射l 虽然太阳的表面辐射水平几乎恒定，但是当到达地球表面时，太阳光虽然太阳的表面辐射水平几乎恒定，但是当到达地球表面时，太阳光受地球大气层的吸收和散射作用影响强烈因而成为变量；受地球大气层的吸收和散射作用影响强烈因而成为变量；l 当天空晴朗，太阳在头顶直射且阳光在大气中经
6、过的光程最短时，到当天空晴朗，太阳在头顶直射且阳光在大气中经过的光程最短时，到达地球表面的太阳辐射最强。达地球表面的太阳辐射最强。l 大气光学质量大气光学质量AM（air mass）AM=1/coszl AM1.5为光伏业界的标准为光伏业界的标准 （z=48.2）第一章第一章 太阳光的特性太阳光的特性l 任何地点的大气光学质量可以由下列公式估算：任何地点的大气光学质量可以由下列公式估算：AM=1+(s/h)2 s是高度为是高度为h的竖直杆的投影长度的竖直杆的投影长度第一章第一章 太阳光的特性太阳光的特性l 太阳光在大气层外（即大气光学质量为零或者太阳光在大气层外（即大气光学质量为零或者AM0）
7、和）和AM1.5时的光时的光谱能谱分布如下图所示。谱能谱分布如下图所示。l AM0从本质上来说是不变的，将它的功率密度在整个光谱范围积分的从本质上来说是不变的，将它的功率密度在整个光谱范围积分的总和，称作太阳常数，它的公认值是总和，称作太阳常数，它的公认值是 =1.3661 kW/m2第一章第一章 太阳光的特性太阳光的特性l通常情况下，将来自太阳本身的直射光束和来自天空的漫射光分开通常情况下，将来自太阳本身的直射光束和来自天空的漫射光分开进行考虑，两者的总和被称作全局辐射（或称总辐射）；进行考虑，两者的总和被称作全局辐射（或称总辐射）；l附录附录A给出的表格描述了在大气光学质量为给出的表格描述
8、了在大气光学质量为AM1.5时，位于地面上的时，位于地面上的一个仰角为一个仰角为37，面向赤道平面所接收到的全局辐照量和波长的对，面向赤道平面所接收到的全局辐照量和波长的对比；比；l不同种类的太阳电池对不同波长的光响应各不相同，附录不同种类的太阳电池对不同波长的光响应各不相同，附录A能被用来能被用来估算不同电池的潜在输出电力；估算不同电池的潜在输出电力；l对附录对附录A的光谱的光谱而言，总的能量密度，也就是对整个波长范围的功率而言，总的能量密度，也就是对整个波长范围的功率密度的积分，接近密度的积分，接近970W/m2。这个光谱或能量密度为。这个光谱或能量密度为1000W/m2的的“归一化归一化
9、”光谱是现阶段划分光伏产品等级的标准。光谱是现阶段划分光伏产品等级的标准。第一章第一章 太阳光的特性太阳光的特性1.5 直接辐射和漫射直接辐射和漫射l 当到达地球表面时，穿过地球大气层的太阳光被减少或削弱了大约当到达地球表面时，穿过地球大气层的太阳光被减少或削弱了大约30%，其影响因素如下：，其影响因素如下：（1）大气中分子的瑞利散射，对短波长光而言更为明显；）大气中分子的瑞利散射，对短波长光而言更为明显；（2）烟雾和尘埃粒子的散射；）烟雾和尘埃粒子的散射；（3）大气中气体的吸收，如氧气，臭氧，水蒸气和二氧化碳。）大气中气体的吸收，如氧气，臭氧，水蒸气和二氧化碳。l O3强烈吸收波长低于强烈吸
10、收波长低于0.3m的光波，大气层中的光波，大气层中O3的损耗使得更多的的损耗使得更多的短波长的光到达地球表面，对生物系统会产生有害的影响；短波长的光到达地球表面，对生物系统会产生有害的影响；l 1m左右的吸收光谱带，是通过左右的吸收光谱带，是通过水蒸气吸收产生的，水蒸气吸收产生的，CO2吸收更长吸收更长波长的光波。波长的光波。第一章第一章 太阳光的特性太阳光的特性l大气的散射作用导致了从天空中不同方向射来的漫射太阳光。由于大大气的散射作用导致了从天空中不同方向射来的漫射太阳光。由于大部分有效散射发生在短波长范围里，漫射辐射在自然光谱的蓝端区域部分有效散射发生在短波长范围里，漫射辐射在自然光谱的
11、蓝端区域起主导作用，因此起主导作用，因此天空呈现蓝色天空呈现蓝色；lAM1辐射在天空晴朗时大约有辐射在天空晴朗时大约有10%漫射辐射成分，漫射所占的百分漫射辐射成分，漫射所占的百分比随着大气光学质量或者天空的阴云程度的增加而增加。比随着大气光学质量或者天空的阴云程度的增加而增加。第一章第一章 太阳光的特性太阳光的特性l 云层云层是太阳光在大气中衰减和产生散射的一个要因；是太阳光在大气中衰减和产生散射的一个要因；l 积云积云，或处于低空体积较大的云层能够非常有效地阻挡太阳光；，或处于低空体积较大的云层能够非常有效地阻挡太阳光；l 但是，大约有一半被积云阻挡的直接辐射能够以但是，大约有一半被积云阻
12、挡的直接辐射能够以漫射辐射漫射辐射的形式重新的形式重新到达地面；到达地面；l 卷云卷云，或稀薄的高处云层，对阳光的阻挡就不是那么有效了，大约，或稀薄的高处云层，对阳光的阻挡就不是那么有效了，大约2/3被阻挡的直接辐射能够转换成为漫射辐射；被阻挡的直接辐射能够转换成为漫射辐射；l 在完全阴云的天气，没有直接日照，到达地球表面的辐射大部分是漫在完全阴云的天气，没有直接日照，到达地球表面的辐射大部分是漫射辐射。射辐射。第一章第一章 太阳光的特性太阳光的特性1.6 温室效应温室效应l 为了保持地球的温度，地球从太阳获得的能量必须与地球向外的热辐为了保持地球的温度，地球从太阳获得的能量必须与地球向外的热
13、辐射能量相等；射能量相等；l 与阻碍入射辐射类似，大气层也阻碍向外的辐射；与阻碍入射辐射类似，大气层也阻碍向外的辐射；l 水蒸气强烈吸收波长为水蒸气强烈吸收波长为4-7m波段的光波；波段的光波；l CO2主要吸收的是主要吸收的是13-19m；l 大部分的出射辐射（大部分的出射辐射（70%）从）从7-13m的的“窗口窗口”逃逸。逃逸。第一章第一章 太阳光的特性太阳光的特性l 如果我们居住的地表像在月球上一样没有大气层，地球表面的平均温如果我们居住的地表像在月球上一样没有大气层，地球表面的平均温度将大约是度将大约是-18。l 大气层中有天然背景水平为大气层中有天然背景水平为270ppm的的CO2，
14、这使得地球的平均温度，这使得地球的平均温度大约在大约在15，比月球表面平均温度高处，比月球表面平均温度高处33。第一章第一章 太阳光的特性太阳光的特性l 人类的活动增加了大气中人类的活动增加了大气中“人造气体人造气体”的排放，这些气体吸收波长的的排放，这些气体吸收波长的范围是在范围是在7-13m，特别是二氧化碳、甲烷、臭氧、氮氧化物、氯氟碳，特别是二氧化碳、甲烷、臭氧、氮氧化物、氯氟碳化物（化物（CFC）等，这些气体阻碍了能量的正常逃逸，被认为是造成地）等，这些气体阻碍了能量的正常逃逸，被认为是造成地表温度升高的原因；表温度升高的原因；l 燃烧矿物燃料的能源产业是产生温室气体的主要源头，因此需
15、要发展燃烧矿物燃料的能源产业是产生温室气体的主要源头，因此需要发展新能源技术，例如新能源技术，例如光伏光伏。第一章第一章 太阳光的特性太阳光的特性1.7 日照数据及日照数据及估算估算l 峰值日照小时数：峰值日照小时数：全天所接收到的太阳辐射，早晨时候为低强度，在正午时候达到峰值，全天所接收到的太阳辐射，早晨时候为低强度，在正午时候达到峰值，午后又逐渐降低。这些不断变动的日照数据在累加后，被压缩到一个日午后又逐渐降低。这些不断变动的日照数据在累加后，被压缩到一个日照水平等同于正午辐射强度的缩减的时间段里。照水平等同于正午辐射强度的缩减的时间段里。假设一天的正午日照水平（峰值日照）估算为假设一天的正午日照水平（峰值日照）估算为1.0kW/m2，那么峰值，那么峰值日照小时数在数值上将等同与该天的总日照量，总日照量单位是日照小时数在数值上将等同与该天的总日照量，总日照量单位是kWh/m2。
