科普知识： 太阳能光伏知识 点击：7257 | 回复：69
发表于：2008-06-23 16:52:09
楼主
收集了一些，觉得在业余时间看看也还不错，特贴出来与大家共享。
1、 太阳能电池发电原理: 太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅， 非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现已晶体硅为例描述光发电过程。 P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。
如图1所示。
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当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。
2、晶体硅太阳电池的制作过程: "硅"是我们这个星球上储藏最丰富的材料之一。自从上个世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维，20世纪末，我们的生活中处处可见"硅"的身影和作用,晶体硅太阳电池是近15年来形成产业化最快的。生产过程大致可分为五个步骤:a)提纯过程 b)拉棒过程 c)切片过程 d)制电池过程 e)封装过程. 如下图所示：
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3、太阳电池的应用: 上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术－－－－-通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯，太阳能发电户用系统,村寨供电的独立系统，光伏水泵（饮水或灌溉）,通信电源，石油输油管道阴极保护，光缆通信泵站电源,海水淡化系统，城镇中路标、高速公路路标等。在世纪之交前后期间，欧美等先进国家光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势。光伏电源系统的组成：
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4、太阳电池基本性质: a） 光电转换效率η％:评估太阳电池好坏的重要因素。 目前：实验室η≈24％，产业化：η≈15％。 b）单体电池电压V：0.4V－－-0.6V 由材料物理特性决定。 c）填充因子FF％：评估太阳电池负载能力的重要因素。
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阴影部分为负载面积，填充因子的数学表达形式：
FF=(Im*Vm)/(Isc*Voc)
其中：Isc－－短路电流, Voc－－开路电压, Im－－最佳工作电流, Vm－－最佳工作电压; d）标准光强与环境温度 地面：AM1.5光谱,1000W/m2,t=25℃; e）温度对电池性质的影响 。 例如：在标准状况下，AM1.5光强， t=25℃ 某电池板输出功率测得为100Wp，如果电池温度升高至45℃时，则电池板输出功率就不到100Wp.
5．太阳能"光—电转换"： 一束光照在半导体上和照在金属或绝缘体上效果截然不同。由于金属中自由电子如此之多，以致光引起的导电性能的变化完全可忽略。绝缘体在很高温度下仍未能激发出更多的电子参加导电。而导电性能介于金属和绝缘体之间的半导体对体内电子的束缚力远小于绝缘体，可见光的光子能量就可以把它从束缚激发到自由导电状态，这就是半导体的光电效应。当半导体内局部区域存在电场时，光生载流子将会积累，和没有电场时有很大区别，电场的两侧由于电荷积累将产生光电电压，这就是光生伏特效应，简称光伏效应。太阳电池就是利用这种效应制成的。
当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子—空穴对。这样，光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在P—n结，则在P型和n型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向n区，空穴驱向P区，从而使得n区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P—n结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。光生电场的一部分除抵销势垒电场外，还使P型层带正电，n型层带负电，在n区与p区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和n型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。
制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。
所以，将入射太阳光能转换成电能的半导体器件称为太阳能电池。它一般由两种不同导电类型的同质或异质半导体构成。目前，在空间或地面获得应用的只有硅电池，研究得比较成熟的还有砷化镓电池、硫化镉电池。硅太阳能电池是1954年由美国皮尔逊等人首次制成，1958年首次应用在“先锋1号”卫星上。1958年，我国亦开始研究太阳能电池，在1971年3月发射的科学实验卫星上首次应用，随着硅电池制造成本的逐年降低和技术的日益成熟，太阳能电池必将获得更广泛的应用。
6．太阳电池的应用的主要领域：
1.用户太阳能电源：（1）小型电源10-100W不等，用语边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；（2）3-5KW家庭屋顶并网发电系统；（3）光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉。
2. 交通领域：如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。
3. 通讯/通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。
4. 石油、海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。
5.家庭灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。
6.光伏电站：10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。
7.太阳能建筑：将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向。
8.其他领域包括：（1）与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；（2）太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；（3）海水淡化设备供电；（4）卫星、航天器、空间太阳能电站等。
目前美国、欧洲各国特别是德国及日本、印度等都在大力发展太阳电池应用，开始实施的"十万屋顶"计划、"百万屋顶"计划等，极大地推动了光伏市场的发展，前途十分光明。
FF=(Im*Vm)/(Isc*Voc)
其中：Isc－－短路电流, Voc－－开路电压, Im－－最佳工作电流, Vm－－最佳工作电压; d）标准光强与环境温度 地面：AM1.5光谱,1000W/m2,t=25℃; e）温度对电池性质的影响 。 例如：在标准状况下，AM1.5光强， t=25℃ 某电池板输出功率测得为100Wp，如果电池温度升高至45℃时，则电池板输出功率就不到100Wp.
5．太阳能"光—电转换"： 一束光照在半导体上和照在金属或绝缘体上效果截然不同。由于金属中自由电子如此之多，以致光引起的导电性能的变化完全可忽略。绝缘体在很高温度下仍未能激发出更多的电子参加导电。而导电性能介于金属和绝缘体之间的半导体对体内电子的束缚力远小于绝缘体，可见光的光子能量就可以把它从束缚激发到自由导电状态，这就是半导体的光电效应。当半导体内局部区域存在电场时，光生载流子将会积累，和没有电场时有很大区别，电场的两侧由于电荷积累将产生光电电压，这就是光生伏特效应，简称光伏效应。太阳电池就是利用这种效应制成的。
当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子—空穴对。这样，光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在P—n结，则在P型和n型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向n区，空穴驱向P区，从而使得n区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P—n结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。光生电场的一部分除抵销势垒电场外，还使P型层带正电，n型层带负电，在n区与p区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和n型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。
制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。
所以，将入射太阳光能转换成电能的半导体器件称为太阳能电池。它一般由两种不同导电类型的同质或异质半导体构成。目前，在空间或地面获得应用的只有硅电池，研究得比较成熟的还有砷化镓电池、硫化镉电池。硅太阳能电池是1954年由美国皮尔逊等人首次制成，1958年首次应用在“先锋1号”卫星上。1958年，我国亦开始研究太阳能电池，在1971年3月发射的科学实验卫星上首次应用，随着硅电池制造成本的逐年降低和技术的日益成熟，太阳能电池必将获得更广泛的应用。
6．太阳电池的应用的主要领域：
1.用户太阳能电源：（1）小型电源10-100W不等，用语边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；（2）3-5KW家庭屋顶并网发电系统；（3）光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉。
2. 交通领域：如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。
3. 通讯/通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。
4. 石油、海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。
5.家庭灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。
6.光伏电站：10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。
7.太阳能建筑：将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向。
8.其他领域包括：（1）与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；（2）太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；（3）海水淡化设备供电；（4）卫星、航天器、空间太阳能电站等。
目前美国、欧洲各国特别是德国及日本、印度等都在大力发展太阳电池应用，开始实施的"十万屋顶"计划、"百万屋顶"计划等，极大地推动了光伏市场的发展，前途十分光明。
这位老兄说的对,这帖子过了2年,当时全国铺天盖地的大规模建设硅片厂,现在看看全国的形式怎么样,估计停产和倒闭的加一起占到百分之八十左右吧,剩下的日子也好过不到哪里去了,举个例子,从07年的暴利时代一张硅片卖80RMB,到现在卖接近成本价8块,这日子好过吗?加上去年年底美国对中国的硅片进行反倾销调查以来,到上个星期美国正式裁决对中国出口的硅片进行征收百分之五十到百分之二百五的关税,这日子也好过不到哪里去,说的乐观点讲,现在是行业洗牌的时机,07年暴利时代的时候,有钱的老板和集团都纷纷进入这行,直接导致最后的价格战,已至于间接把美国本土的三大光伏厂家给弄倒了<这话是套用美国的说辞>
发表于：2012-06-02 23:42:38
65楼
回复内容：
对：Piston关于好帖收藏了，顶起来据说太阳能光伏产品虽则绿色低碳，但只是着眼于应用而言的，其制造过程也是环境、能耗代价极高的！以至于欧洲国家花钱买中国的太阳能产品用但不自己制造?内容的回复：
这位老兄说的对,这帖子过了2年,当时全国铺天盖地的大规模建设硅片厂,现在看看全国的形式怎么样,估计停产和倒闭的加一起占到百分之八十左右吧,剩下的日子也好过不到哪里去了,举个例子,从07年的暴利时代一张硅片卖80RMB,到现在卖接近成本价8块,这日子好过吗?加上去年年底美国对中国的硅片进行反倾销调查以来,到上个星期美国正式裁决对中国出口的硅片进行征收百分之五十到百分之二百五的关税,这日子也好过不到哪里去,说的乐观点讲,现在是行业洗牌的时机,07年暴利时代的时候,有钱的老板和集团都纷纷进入这行,直接导致最后的价格战,已至于间接把美国本土的三大光伏厂家给弄倒了<这话是套用美国的说辞>
还有就是太阳能光伏产品虽则绿色低碳，但只是着眼于应用而言的，其制造过程也是环境、能耗代价极高的！主要是废水废气的排放,和消耗大量的电力,
以至于欧洲国家花钱买中国的太阳能产品用但不自己制造? 这话也对,像多晶铸锭炉,市场占有率最大做的最好,卖的最贵的是美国的GT和德国的ALD,开方机用的最多的是瑞士的HCT吧,切片机应该是瑞士的MB和日本的NTC,东京制纲,国内的单晶炉用的多的应该是北京京运通和上海汉虹的吧,这是我所了解的,中国的铸锭炉和开方机,切片机都是仿造的比较多，但是仿的并不成功,精度不行,,,,,,,
其实最重要的一点是,去年的欧债危机,导致欧洲各国减少或取消对光伏电站的补贴.导致出口的萎缩,直接的暴露出了国内光伏行业严重产能过剩的问题,持续的不景气导致大量的光伏厂家倒闭或停产.
衡量硅片好坏的一个最重要的参数是转换率,单晶高点,但是产量上不去,多晶产量是大,但是转换率目前只能做到百分之十七左右,还停滞不前,这个导致太阳能发电发展的一个瓶颈问题,转换率不提高上去的话,太阳能发电还是不会大规模的搞的.
再说建设一个电站,先期的投入太大,而且寿命不长,据说是15年左右,这也是困扰着个人不会考虑投资建设小型家庭电站的问题,除非是政府补贴大部分,上面说过了，07年上半年以前,欧洲有很多国家就是这样搞的，政府补贴,鼓励建设的,欧债危机爆发后此项目就停止了.
最后说下,我是在光伏行业的,属于中间工序吧,就是从原料到硅片的这个过程,下面简介下这个流程.
原料硅－－－－－－-酸洗－－－－－－－－铸锭－－－－－－－－开方－－－－－－－－-切段－－－－－－去头尾－－－－－－-磨面－－－－－－－－倒角－－－－－－-粘胶－－－－－－－－切片－－－－－－-预冲洗－－－－－－－－脱胶－－－－－－－－－－超声清洗－－－－－－－－-检验－－－－－－－－打包 就是硅片了. 后道就是组件厂的工序了.
艾,打字打累了,也不早了,该睡了,
发表于：2012-11-10 23:07:00
69楼
引用 五代重歼 的回复内容：接上贴3 最大功率跟踪控制MPPT MPPT的实质是一种自寻优过程【4】，常用的方法有固定电压跟踪法、扰动观测法、导纳微增法和间歇扫描跟踪法。笔者采用的是间歇扫描跟踪法。其核心思想是定时扫描一段(一般为0.5倍～0.9倍的开路电压1阵列电压，同时记录不同电压下对应的阵列输出功率值，然后比较不同点太阳电池阵列的输出功率，得出最大功率点。笔者对间歇扫描法进行了改进，即在较短时间间隔内只在缩小的跟踪范围内(Vm-0.1Voc和Vm+0.1Voc)扫描1次。其中Vm和Voc分别是太阳能电池阵列的最大功率点工作电压和阵列开路电压。每隔一段较长时间后再在整个跟踪范围内对各工作点扫描1次。改进后的间歇扫描法控制既保持了跟踪的控制精度又提高了系统运行的稳定性。 4 反孤岛效应控制方法 所谓孤岛现象【1】是指：当电网供电因故障事故或停电维修而跳脱时，各个用户端的分布式并网发电系统（如：光伏发电、风力发电、燃料电池发电等）未能即时检测出停电状态而将自身切离市电网络，而形成由分布电站并网发电系统和周围的负载组成的一个自给供电的孤岛，如图所示: 孤岛一旦产生将会危及电网输电线路上维修人员的安全；影响配电系统上的保护开关的动作程序，冲击电网保护装置；影响传输电能质量，电力孤岛区域的供电电压与频率将不稳定；当电网供电恢复后会造成的相位不同步；单相分布式发电系统会造成系统三相负载欠相供电。因此对于一个并网系统必须能够进行反孤岛效应检测。 孤岛检测标准 电压和频率触发标准 根据专用标准 IEEE Std.2000-929【2】和UL1741规定，所有的并网逆变器必须具有反孤岛效应的功能，同时这两个标准给出了并网逆变器在电网断电后检测到孤岛现象并将逆变器与电网断开的时间限制，如表1. 孤岛分析模型 此外，IEEE Std.2000-929还给出一套标准的孤岛测试模型【3】。具体的反孤岛逆变器测试电路如图2所示，测试电路主要由电网，RLC负载和并网逆变器以及电网隔离开关组成，检测点在电网隔离开关和负载开关之间，其中在选择RLC参数时牵涉到电路的品质因数Q值的选取问题【4】，过高的Q值使电路有朝着并保持于谐振频率处工作的趋势。在使用相位或频率扰动反孤岛检测时，Q值越高，相应的漂移量越小。因此在进行反孤岛测试时，太小或太大的Q值都是不实际和不可取的。IEEE P929工作组成员和十几位电网工程师经过讨论认为选取Q=2.5符合电网的实际情况。 孤岛检测方法 孤岛检测方法分为两类:第一类称为被动检测,即通过观察电网的电压、频率以及相位的变化来判断有无孤岛产生。第二类为主动检测,如频率、相位偏移和输出功率变化测量等。如果光伏系统供电量与电网负载需求相差较大，在孤岛产生后，负载端的电压及频率会发生较大的变动，此时可以利用被动式的检测方法来检测。若光伏系统供电量与负载需求匹配或差别不大时，则在孤岛产生以后，负载端的电压及频率变化量很小，被动式的检测方法就会失效，为此，必须采用主动式的检测方法。 例如主动频率偏移法【5】（AFD），就是通过偏移市电电压采样信号的频率来作为逆变器的输出电流频率，造成对负载端电压频率的扰动，即而由频率保护电路来检测出孤岛现象。电流控制量为： 其中， f k–1 为上一周期电压频率值，Δf 为频率偏移量，time 为系统时间， 1 T 为负载电压正弦波正向穿越零点时间。对于功率因数为1 的光伏并网系统，当孤岛产生以后，负载电压与电流的相位差φ 由并联RLC 电路参数和频率f 决定： 如图所示，在孤岛产生以后，稳定频率60Hz 时，负载电压落后电流相位角为－16.72°，采用主动频率偏移后，输出电流起始角保持为0，减小逆变器输出电流频率从而负载端电压频率相应变小，最终导致频率保护电路动作。但是，随着电流频率的减小，负载曲线的φ 角也越来越小，对于一定的负载，在频率保护电路动作之前，负载φ 角可能已经为0，从而到达谐振频率处即负载稳定工作点，AFD 检测失效。 主动相位偏移法【6】 (APD),即通过改变输出电流起始相位来达到改变输出电压频率的目的.而对于特定的纯阻性负载,输出电流起始相位的变化不会改变输出电压的频率,频率保护电路不会动作,使得检测失效。 笔者使用了一种正反馈频率扰动的反孤岛检测方法。该方法的主要思想是首先判断当前电网电压频率的漂移方向，然后周期性地对输出电流频率施以相应的扰动。同时观测实际输出电流频率。当输出电流频率跟随扰动信号变化即输出电流频率可由并网逆变器控制时，就成倍增加扰动量。以达到使输出电流频率快速变化而触发反孤岛频率检测的目的。5 实验 笔者对500W光伏并网逆变器进行了测试。采用8块额定功率为50W的多晶硅太阳电池阵列串连，输入电压为100VDC-170VDC，输出电压为220VAC，输出频率为50Hz。输入侧分别用安培表和伏特表测量太阳电池的输入电压和电流，输出侧采用FLUKE 43B型电能质量分析仪检测并网逆变器输出交流电压和电流的参数和波形。由于输出交流电流值太小，因此采用在电流探头上绕8匝后测量。 测试结果是太阳电池的输出电压基本在122V左右，输出电流为2A，输出功率为244W。由测试结果可以看出。逆变器的输出电压为230.9V，输出功率为1.45kW／8=181.2W，所以逆变器的效率为0.74，逆变器的效率包括DC-DC变换和DC-AC变换及辅助电源的总效率。逆变器输出功率因数为0.97，基本保持与网压同频和同相。输出电流的基波分量占电流总量的99.6％，输出的电能质量是令人满意的。
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