第3讲 太阳能光伏发电原理(课件)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,上一讲回忆,波粒二象性；,“光能量的分布特性；,黑体辐射与普朗克分布；,太阳辐射的能量；,影响地面辐射能量的因素；,大气质量AM的定义及计算；,太阳高度角的定义计算；,地面辐射量的计算,第三讲 太阳能利用根本原理,PN,结与太阳能电池特性,2,、太阳能光伏原理,1839年，法国物理学家A.E.贝克勒尔A.E.Becqurel意外的发现：将两片金属浸入溶液构成的伏打电池，当受到阳光照射时会产生额外的伏打电动势。他把这种现象称为“光生伏打效应Photovoltaic effect，简称“光伏效应。,1883年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。以后，人们即把能够产生光生伏打效应的器件称为“光伏器件。因为半导体P-N结器件在太阳光照射下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为“太阳能电池Solar cell。,1954年，恰宾Charbin等人在美国贝尔 实验室第一次做出了光电转换效率6%的实用的单晶硅太阳能电池，开创了太阳能电池研究的新纪元。,光生伏特效应：简称“光伏效应，英文名称：Photovoltaic effect。,什么材料？,指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象,。,镜子？,金属导体？,绝缘体？橡胶？,液体？水？,半导体？二极管,？,太阳能光伏电池,现阶段进入民用领域的太阳电池主要是晶体硅太阳电池，占目前产量的90%以上。,薄膜太阳电池已被公认为未来太阳电池开展的主要方向之一，具有省材、低能耗，便于大面积连续生产、原材料丰富、无毒、无污染等优点，生产制造本钱低，在建筑光伏一体化BIPV、荒漠电站等方面具有广泛的应用前景，是目前研发领域的主要研究内容之一,6,晶体与非晶体：,有固定熔点的固体成为晶体；,非晶体会在某一温度范围内逐渐软化。,单晶与多晶：,始终按同一种排列重复生长的晶体,-,单晶；,多种晶粒排列组成的固体,多晶,单晶硅片,多晶硅片,1.1 半导体物理根底,能带理论：,共有化运动：原子共有电子的运动,轨道杂化,导、禁带宽度发生变化,1,，说锗晶体本身是电中性的，那掺入三价元素杂质后的,P,型半导体还是电中性的吗？,2,，入三价元素杂质的,N,形半导体如果还为电中性，为什么电子的数目较多？,3,，入五价元素杂质的,P,型半导体如果还为电中性，为什么空穴的数目较多？空穴在电场力的作用下还可以移动？那空穴到底指的是什么？,掺杂半导体：？,本征半导体intrinsic semiconductor)：完全不含杂质且无晶格缺陷的纯洁半导体称为本征半导体。,漂移与扩散,漂移,-,半导体在外电场的作用下，在载流子的热运动上叠加上的一个附加运动；,扩散,-,由,半导体中载流子的浓度差而引起的净位移；,PN结：将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体通常是硅或锗基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。,外接正偏电压：,外接正偏电压：,二极管整流,光垂直入射到半导体外表时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律：,Ix：距离外表x远处的光强,I0：入射光强,R：材料外表的反射率,：材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关,本征吸收与非本征吸收,本征吸收,-,半导体能带中位于价带的电子在吸收光子能量后越过禁带跃迁到导带而在价带中形成电子,-,空穴对的吸收：,非本征吸收,激子吸收,自由载流子吸收,杂质吸收,晶格震动吸收,a,、能带理论与半导体；,例题1：太阳能光伏电池的心脏是_,其内建电场的方向是由_指向_。,例题,2,：简述内建电场形成原理。,例题3：以下图是PN结的伏安特性，请描述该现象及其应用，并从内建电压与外电场方向的角度解释形成这一现象的原因。,开路电压,短路电流,填充因子,太阳能电池分类,光伏产业链,电池片,组件,石英砂,多晶硅料,多晶硅锭,单晶硅片,多晶硅片,离网发电系统,并网发电系统,高纯多晶硅的生产,石英砂,多晶硅料,流程示意图（西门子法）：,石英砂,冶金硅,三氯氢硅或四氯化硅,精馏除杂,高纯多晶硅,高纯多晶硅,：高纯棒状、块状硅，纯度可达,99.999,至,99.9999,，是制造太阳能电池,单晶硅片和多晶硅片的基本材料,焦炭,电炉,H,2,还原,直拉单晶硅棒和多晶硅锭的生产,多晶硅料,单晶硅棒,多晶硅锭,直拉法,定向凝固法和浇铸法,流程示意图：,直拉单晶硅棒：浆料,熔化,种晶,缩颈,放肩,等径,收尾,多晶硅锭：浇铸法：高纯硅料,熔化,浇铸,冷却；,直熔法：多晶硅,熔化,热交换,冷却,凝固,多晶硅,单晶硅片和多晶硅片的生产,单晶硅棒,多晶硅锭,单晶硅片,多晶硅片,流程示意图单晶硅片：,切断滚圆切方切片清洗检测包装,太阳能电池的生产,电池片,单晶硅片,多晶硅片,常规晶体硅太阳电池的根本制造流程：,制绒清洗扩散刻蚀去磷硅玻璃PECVD SiNx减反膜,丝网印刷和烧结分检测试包装,组件的生产,电池片,组件,流程示意图：,焊接,焊串,层叠,中测,层压,固化,装框和接线盒,终测,光伏发电系统,组件,离网发电系统,并网发电系统,光伏发电系统构成：,光伏阵列、控制器、逆变器、蓄电池、负载,太阳能电池各项损失,c,、太阳能光伏效率的影响因素,1.1,光的反射、折射和吸收,1,、太阳能利用光学原理,菲涅尔公式：,1.2,几何光学定律,光线,用来表示光的传播方向的直线。,注意理解几点：,1),画光线时必须有表示光的传播方向的箭头。,2),光线只代表光的传播方向 ，并不是实际存,在的东西，而光是实际存在的。,3),光线可代表很窄、平行光束的传播路径。,4),两条光线可代表一条光束的边缘。,5),用光线可代表光的会聚、发散或平行的性质。,、直线传播定律：在均匀介质中，光沿直线传播,应用：,1)光源可任意画出从光源发出的光线。,2)某光源发出的两条光线，根据光沿直线传播的性质，这两条光线的交点即是该发光体的位置。,3),眼睛根据光的直线传播确定物体的位置。,4)假设有一不透明物体在空间里，那么光线不能直接通过这一物体。,1.2.2 光的反射定律,光从一种均匀物质射到另一种均匀物质的外表时，光会改变传播方向，又返回到原先的物质中，这种现象叫光的反射定律。,反射定律,“三线同面，法线居中，两角相等,B,O,A,N,光的反射,反射光线、入射光线和法线,在,同一平面,上,反射角,等于,入射角,反射光线和入射光线分居法线的,两侧,练习,1,：,（,1,）,（,2,）,（,3,）,1中画出反射光线；2中画出入射光线,3中画出镜面。,漫反射,漫反射：假设反射面凹凸不,平，而平行光虽为平行光,束，反射光却四向分散。,无论单,向反射或漫射，皆遵循光的反射定律,。,1.2.3 光的折射定律,光由一种介质传入另一种介质时非垂直射入，前进方向会改变的现象。,原因：光在不同介,质,中，由,于,速率的不同，使得前,进,方向改,变,。,1入射线、折射线与法线在同一平面上。,2光自光速快的介质，传入光速慢的介质时，其折射线偏向法线。即折射角小于入射角。,3光自光速慢的介质，传入光速快的介质时，其折射线偏离法线，及折射角大於入射角。,例题2：以下哪些提高太阳能电池效率的措施是通用改善光学性能。,A，绒面电池 B，正面上下结太阳电池,C，退火和吸杂 D，优质减反射膜,2,、电学性质,例题,3,：,在衡量太阳电池输出特性参数中，表征最大输出功率与太阳电池短路电流和开路电压乘积比值的是,_,。,A,转换效率,B.,填充因子,C.,光谱响应,D.,方块电阻,第三章：太阳能电池的特性,3.1,理想太阳能电池,3.2,太阳能电池的参数,3.3,电阻效应,3.4,其他效应,3.5,对太阳能电池的测量,2024/11/25,40,3.1.1,理想太阳能电池太阳能电池的结构,太阳能电池是一种能直接把太阳光转化为电的电子器件。入射到电池的太阳光通过同时产生电流和电压的形式来产生电能。这个过程的发生需要两个条件，首先，被吸收的光要能在材料中把一个电子激发到高能级，第二，处于高能级的电子能从电池中移动到外部电路。在外部电路的电子消耗了能量然后回到电池中。许多不同的材料和工艺都根本上能满足太阳能转化的需求，但实际上，几乎所有的光伏电池转化过程都是使用组成 pn结形式的半导体材料来完成的。,2024/11/25,41,3.1.1,理想太阳能电池太阳能电池的结构,太阳能电池的横截面,减反射膜,前端接触电极,发射区,基区,背接触电极,电子空穴对,太阳能电池运行的根本步骤：,光生载流子的产生,光生载流子聚集成电流,产生跨越太阳能电池的高电压,能量在电路和外接电阻中消耗,3.1.1,理想太阳能电池太阳能电池的结构,2024/11/25,43,3.1.2,理想太阳能电池光生电流,在太阳能电池中产生的电流叫做“光生电流，它的产生包括了两个主要的过程。,第一个过程是吸收入射光子并产生电子空穴对。电子空穴对只能由能量大于太阳能电池的禁带宽度的光子产生。然而，电子在p型材料中和空穴在n型材料中是处在亚稳定状态的，在复合之前其平均生存时间等于少数载流子的寿命。如果载流子被复合了，光生电子空穴对将消失，也产生不了电流或电能了。,2024/11/25,44,3.1.2,理想太阳能电池光生电流,第二个过程是pn结通过对这些光生载流子的收集，即把电子和空穴分散到不同的区域，阻止了它们的复合。pn结是通过其内建电场的作用把载流子分开的。如果光生少数载流子到达pn结，将会被内建电场移到另一个区，然后它便成了多数载流子。如果用一根导线把发射区跟基区连接在一起使电池短路，光生载流子将流到外部电路。,“收集概率描述了光照射到电池的某个区域产生的载流子被pn结收集并参与到电流流动的概率，它的大小取决于光生载流子需要运动的距离和电池的外表特性。在耗散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的，因为在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。在原来电场的区域，其收集概率将下降。当载流子在与电场的距离大于扩散长度的区域产生时，那么它的收集概率是相当低的。相似的，如果载流子是在靠近电池外表这样的高复合区的区域产生，那么它将会被复合。下面的图描述了外表钝化和扩散长度对收集概率的影响。,理想太阳能电池收集概率,理想太阳能电池收集概率,对收集概率的计算，红线代表发射区的扩散长度，蓝线代表基区的发射长度。,前端外表,在高复合率的情况下，其外表的收集概率很低。,低扩散长度的太阳能电池。,电池中距离外表的距离,弱钝化的太阳能电池,强钝化的太阳能电池,在耗散区的收集概率相同,背外表,收集概率,收集概率与载流子的生成率决定了电池的光生电流的大小,。光生电流大小等于电池各处的载流子生成速率乘以该处的收集概率。下面是硅在光照为,AM1.5,下光生电流的方程，包括了生成率和收集概率。,收集概率,生成率,在电池中的距离,理想太阳能电池收集概率,2024/11/25,48,在1.5光谱下硅的生成速率。注意，电池外表的生成率是最高的，因此电池对外表特性是很敏感的。,理想太阳能电池收集概率,2024/11/25,49,理想太阳能电池收集概率,收集概率的不一致产生了光生电流的光谱效应。例如，外表的收集概率低于其他局部的收集概率。比较以下图的蓝光、红光和红外光，蓝光在硅外表的零点几微米处几乎被全部吸收。因此，如果顶端外表的收集概率非常低的话，入射光中蓝光将不对光生电池做出奉献。,上图显示了不同波长的光在硅材料中的载流子生成率。波长0.45m的蓝光拥有高吸收率，为105cm-1，也因此它在非常靠近顶端外表处被吸收。波长0.8m的红光的吸收率103cm-1，因此其吸收长度更深一些。1.1m红外光的吸收率为103cm-1，但是它几乎不被吸收因为它的能量接近于硅材料的禁带宽度。,理想太阳能电池收集概率,归一化的,E-H,对生成率,所谓“量子效率，即太阳能电池所收集的载流子的数量与入射光子的数量的比例。量子效率即可以与波长相对应又可以与光子能量相对应。如果某个特定波长的所有光子都被吸收，并且其所产生的少数载流子都能被收集，那么这个特定波长的所有光子的量子效率都是相同的。而能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零。以下图将描述理想太阳能电池的量子效率曲线。,理想太阳能电池量子效率,2024/11/25,52,理想太阳能电池量子效率,总量子效率的减小是由反射效应和过短的扩散长度引起的。,理想量子效率曲线,能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以长波长的量子效率为零。,量子效率,前端表面复合导致蓝光响应的减小。,红光响应的降低是由于背表面反射、对长波光的吸收的减少和短扩散长度,以下图为硅太阳能电池的量子效率。通常，波长小于350nm的光子的量子效率不予测量，因为在1.5大气质量光谱中，这些短波的光所包含能量很小。,尽管理想的量子效率曲线是矩形的如上图，但是实际上几乎所有的太阳能电池的都会因为复合效应而减小。影响收集效率的因素同样影响着量子效率。例如，顶端外表钝化会影响靠近外表的载流子的生成，而又因为蓝光是在非常靠近外表处被吸收的，所以顶端外表的高复合效应会强烈地影响蓝光局部量子效率。相似的，绿光能在电池体内的大局部被吸收，但是电池内过低的扩散长度将影响收集概率并减小光谱中绿光局部的量子效率。,硅太阳能电池中，“外部量子效率包括光的损失，如透射和反射。然而，测量经反射和透射损失后剩下的光的量子效率还是非常有用的。“内部量子效率指的是那些没有被反射和透射且能够产生可收集的载流子的光的量子效率。通过测量电池的反射和透射，可以修正外部量子效率曲线并得到内部量子效率。,理想太阳能电池量子效率,2024/11/25,54,“光谱响应在概念上类似于量子效率。量子效率描述的是电池产生的光生电子数量与入射到电池的光子数量的比，而光谱响应指的是太阳能电池产生的电流大小与入射能量的比例。以下图将描述一光谱响应曲线。,理想的光谱响应,硅太阳能电池的响应曲线。,能量低于禁带宽度的光不能被吸收，所以在长波长段的光谱响应为零。,光谱响应,理想太阳能电池光谱响应,2024/11/25,55,理想的光谱响应在长波长段受到限制，因为半导体不能吸收能量低于禁带宽度的光子。这种限制在量子效率曲线中同样起作用。然而，不同于量子效率的矩形曲线，光谱响应曲线在随着波长减小而下降。因为这些短波长的光子的能量很高，导致光子与能量的比例下降。光子的能量中，所有超出禁带宽度的局部都不能被电池利用，而是只能加热电池。在太阳能电池中，高光子能量的不能完全利用以及低光子能量的无法吸收，导致了显著的能量损失。,光谱响应是非常重要的量，因为只有测量了光谱响应才能计算出量子效率。公式如下：,理想太阳能电池光谱响应,SR,（光谱响应）,2024/11/25,56,被收集的光生载流子并不是靠其本身来产生电能的。为了产生电能，必须同时产生电压和电流。在太阳能电池中，电压是由所谓的“光生伏打效应过程产生的。pn结对光生载流子的收集引起了电子穿过电场移向n型区，而空穴那么移向p型区。在电池短路的情况下，将不会出现电荷的聚集，因为载流子都参与了光生电流的流动。,然而，如果光生载流子被阻止流出电池，那pn结对光生载流子的收集将引起n型区的电子数目增多，p型区的空穴数目增多。这样，电荷的分开将在电池两边产生一个与内建电场方向相反的电场，也因此降低了电池的总电场。,理想太阳能电池光伏效应,2024/11/25,57,理想太阳能电池光伏效应,因为内建电场代表着对前置扩散电流的障碍，所以电场减小的同时也增大扩散电流。穿过pn结的电压将到达新的平衡。流出电池的电流大小就等于光生电流与扩散电流的差。在电池开路的情况下，pn结的正向偏压处在新的一点，此时，光生电流大小等于扩散电流大小，且方向相反，即总的电流为零。当两个电流到达平衡时的电压叫做“开路电压。,下面动画展示了载流子分别在短路和开路情况下的流动情况。,动画显示了太阳能电池分别在热平衡、短路和开路下的载流子运动状态。请注意不同情况下，流过pn结的电流的不同。在热平衡下光照为零，扩散电流和漂移电流都非常小。而电池短路时，pn结两边的少数载流子浓度以及由少数载流子决定大小的漂移电流都将增加。在开路时，光生载流子引起正向偏压，因此增加了扩散电流。因为扩散电流和漂移电流的方向相反，所以开路时电池总电流为零。,理想太阳能电池光伏效应,2024/11/25,59,太阳能电池的参数 电池的伏安曲线,太阳能电池的伏安曲线是电池二极管在黑暗时的伏安曲线与光生电流的叠加。光的照射能使伏安曲线移动到第四象限，意味着能量来自电池。用光照射电池并加上二极管的暗电流，那么二极管的方程变为：,式中,I,L,为光生电流。,第一象限的伏安曲线方程为：,2024/11/25,60,太阳能电池的参数 电池的伏安曲线,动画展示了光对一个,pn,结的电流电压特性的影响。,没有光照时，太阳能电池与普通二极管的电性能没什么不同。,点击继续,接下来的几节将讨论几个用于描述太阳能电池特性的重要参数。短路电流ISC，开路电压VOC，填充因子FF和转换效率都可以从伏安曲线测算出来的重要参数。,太阳能电池的参数短路电流,短路电流是指当穿过电池的电压为零时流过电池的电流或者说电池被短路时的电流。通常记作ISC。,太阳能电池的伏安曲线,短路电流,I,SC,是电池流出的最大电流，此时穿过电池的电压为零。,电池产生的电能,短路电流源于光生载流子的产生,和,收集。对于电阻阻抗最小的理想太阳能电池来说，短路电流就等于光生电流。因此短路电流是电池能输出的最大电流。,2024/11/25,62,短路电流的大小取决于以下几个因素：,太阳能电池的外表积。要消除太阳能电池对外表积的依赖，通常需改变短路电流强度JSC单位为mA/cm2而不是短路电流。,光子的数量即入射光的强度。电池输出的短路电流ISC的大小直接取决于光照强度在入射光强度一节有讨论。,入射光的光谱。测量太阳能电池是通常使用标准的1.5大气质量光谱。,电池的光学特性吸收和反射光学损耗一节已讨论过,电池的收集概率，主要取决于电池外表钝化和基区的少数载流子寿命。,太阳能电池的参数短路电流,2024/11/25,63,在比较相同材料的两块太阳能电池时，最重要的参数是扩散长度和外表钝化。对于外表完全钝化和生成率完全相同的电池来说，短路电流方程近似于：,JSC=qG(Ln+Lp),式中G代表生成率，而Ln和Lp分别为电子和空穴的扩散长度。尽管此方程以与多数太阳能电池的实际情况不太相符的假设为前提的，但这并不阻碍我们从这个方程看出，短路电流很大程度上取决于生成率和扩散长度。,在AM1.5大气质量光谱下的硅太阳能电池，其可能的最大电流为46mA/cm2。实验室测得的数据已经到达42mA/cm2，而商业用太阳能电池的短路电流在28到35mA/cm2之间。,太阳能电池的参数短路电流,2024/11/25,64,开路电压VOC是太阳能电池能输出的最大电压，此时输出电流为零。开路电压的大小相当于光生电流在电池两边加的正向偏压。开路电压如以下图伏安曲线所示。,太阳电池的参数开路电压,开路电压是太阳能电池的最大电压，即净电流为零时的电压。,2024/11/25,65,上述方程显示了VOC取决于太阳能电池的饱和电流和光生电流。由于短路电流的变化很小，而饱和电流的大小可以改变几个数量级，所以主要影响是饱和电流。饱和电流I0主要取决于电池的复合效应。即可以通过测量开路电压来算出电池的复合效应。实验室测得的硅太阳能电池在AM1.5光谱下的最大开路电压能到达720mV，而商业用太阳能电池通常为600mV。,太阳电池的参数开路电压,通过把输出电流设置成零，便可得到太阳能电池的开路电压方程：,2024/11/25,66,短路电流和开路电压分别是太阳能电池能输出的最大电流和最大电压。然而，当电池输出状态在这两点时，电池的输出功率都为零。“填充因子，通常使用它的简写“FF，是由开路电压VOC和短路电流ISC共同决定的参数，它决定了太阳能电池的输出效率。填充因子被定义为电池的最大输出功率与开路VOC和ISC的乘积的比值。从图形上看，FF就是能够占据IV曲线区域最大的面积。如以下图所示。,太阳能电池的参数,填充因子,2024/11/25,67,太阳能电池的参数,填充因子,输出电流红线和功率的蓝线图表。同时标明了电场的短路电流ISC点、开路电压VOC点以及最大功率点Vmp，Imp，点击图片可以看到当电池的填充因子变小时曲线是如何变化的。,FF是对伏安曲线的矩形面积的测量，那么电压高的太阳能电池，其FF值也可能比较大，因为伏安曲线中剩余局部的面积会更小。要计算电池的FF可以对电池的功率进行求导，令其值为零，便可找出功率最大时的电压电流值了。即：,dIV/dV=0,并给出：,太阳能电池的参数,填充因子,2024/11/25,69,上述方程显示了电池的开路电压越高，填充因子就越大。然而，材料相同的电池的开路电压，它们的变化也相对较小。例如，(At one sun)在一个AM1.0下，实验室硅太阳能电池和典型的商业硅太阳能电池的开路电压之差大约为120mV，填充因子分别为0.85和0.83.然而，不同材料的电池的填充因子的差异那么可能非常大。例如，GaAs太阳能电池的填充因子能到达0.89。,太阳能电池的参数,填充因子,然而，单从上面的步骤并不能得出一个简单或近似的方程。上面的方程只与VOC和Vmp，所以还需要额外的能求出Imp和FF的方程。一个比较常使用的经验方程是：,2024/11/25,70,上述方程还说明了理想因子也叫n因子的重要性。理想因子是描述pn结质量和电池的复合类型的测量量。对于复合类型那一节所讨论的简单的复合来说，n的值为1。然而对于其它特别是效应很强的复合类型来说，n的值应该为2。大的n值不仅会降低填充因子，还会因为高复合效应而降低开路电压。,上述方程中一个重要的限制是，它求出的只是最大填充因子，然而实际上因为电池中寄生电阻的存在，填充因子的值可能会更低一些。因此，测量填充因子最常用的方法还是测量伏安曲线，即最大功率除以开路电压与短路电流的乘积。,FF=VmpImp/VOCISC ,太阳能电池的参数,填充因子,2024/11/25,71,发电效率是人们在比较两块电池好坏时最常使用参数。效率定义为电池输出的电能与射入电池的光能的比例。除了反映太阳能电池的性能之外，效率还决定于入射光的光谱和光强以及电池本身的温度。所以在比较两块电池的性能时，必须严格控制其所处的环境。测量陆地太阳能电池的条件是光照AM1.5和温度25C。而空间太阳能电池的光照那么为AM0。近几年的太阳能电池最高效率表将在太阳能电池效率测量结果一节中给出。,下式为计算发电效率的方程：,Pmax= VOCISC FF ,=Pmax/Pin = VOCISC FF /Pin,太阳能电池的参数,效 率,2024/11/25,72,直线斜率的倒数就是特征电阻。,太阳能电池的特征电阻就是指电池在输出最大功率时的输出电阻。如果外接负载的电阻大小等于电池本身的输出电阻，那么电池输出的功率到达最大，即工作在最大功率点。此参数在分析电池特性，特别是研究寄生电阻损失机制时非常重要。,图上的公式还可代之以：,R,CH,=,V,OC,/,I,SC,电阻效应 太阳能电池的,特征电阻,2024/11/25,73,电池的,电阻效应,以在电阻上消耗能量的形式,降低,了电池的,发电效率,。其中最常见的寄生电阻为串联电阻和并联电阻。从下面的电池等效电路便可看出串联和并联电阻。,在大多数情况下，当串联电阻和并联电阻处在典型值的时候，寄生电阻对电池的最主要影响便是减小填充因子。串联电阻和并联电阻的阻值以及它们对电池最大功率点的影响都决定于电池的几何结构。在太阳能电池中，电阻的单位是cm2。由欧姆定律可以求出单位面积的阻值，R cm2 =V/J。,电阻效应,寄生电阻效应,74,太阳能电池中，引起串联电阻的因素有三种：第一，穿过电池发射区和基区的电流流动；第二，金属电极与硅之间的接触电阻；第三便是顶部和背部的金属电阻。串联电阻对电池的主要影响是减小填充因子，此外，当阻值过大时还会减小短路电流。下面动画描述了串联电阻对伏安曲线的影响。,串联电阻对FF的影响。此电池的外表积为1cm2 。,电阻效应串联电阻,2024/11/25,75,串联电阻并不会影响到电池的开路电压,，因为此时电池的总电流为零，所以串联电阻也为零。然而，在接近开路电压处，伏安曲线会受到串联电阻的强烈影响。一种直接估计电池的串联电阻的方法是找出伏安曲线在开路电压处的斜率。,计算太阳能电池的最大功率的方程,如下：,电阻效应串联电阻,若定义 为标准（,normalized,）串联电阻，,2024/11/25,76,我们假设开路电压和短路电流没有受到串联电阻的影响，那么可以算出串联电阻对填充因子的影响：,在上述方程中，我们把没有受串联电阻影响的填充因子用符号FF0表示，而FF那么用FFs代替。那么方程改为：,而下面以实验为根底的方程能更加精确地表示FF0与FFS之间的关系：,FFs=FF01-1.1rs+r2s/5.4 此式在rs10时有效。,电阻效应串联电阻,2024/11/25,77,并联电阻,R,SH,造成的显著的功率损失通常是由于制造缺陷引起的，而不是糟糕的电池设计。小的并联电阻以分流的形式造成功率损失。此电流转移不仅减小了流经,pn,结的电流大小，同时还减小了电池的电压。在光强很低的情况下，并联电阻对电池的影响最大，因为此时电池的电流很小。下面的动画将展示小并联电阻对电池的影响：,此电池的外表积为1cm2。通过测量伏安曲线在接近短路电流处的斜率可以估算出电池内并联电阻的值。,电阻效应并联电阻,2024/11/25,78,计算并联电阻对填充因子的影响与计算串联电阻对填充因子的影响时所使用的方法相似。即最大功率近似等于无并联电阻时的功率减去并联电阻所消耗的功率。方程如下：,这里把,r,sh,=,R,sh,/,R,CH,定义为标准并联电阻。,电阻效应并联电阻,2024/11/25,79,我们假设开路电压和短路电流都没有受并联电阻的影响，那么可计算出并联电阻对填充因子的影响：,同样，对没有被并联电阻影响的填充因子，我们用FF0表示，而FF那么改用FFsh表示：,FFsh=FF01-1/rsh,下面将列出更加精确的以实验为根底的方程,此方程在,r,sh,0.4,时有效,电阻效应并联电阻,80,当并联电阻和串联电阻,同时存在,时，太阳能电池的电流与电压的关系为：,而电池的等效电路图为：,电阻效应串、并联电阻的共同影响,式中IL为光生电流。,第一象限的伏安曲线方程为：,81,上式中FFs=FF01-1.1rs+r2s/5.4,那么将上面的方程结合后得到FF：,电阻效应串、并联电阻的共同影响,结合串联电阻和并联电阻的影响，总的方程为,：,2024/11/25,82,像所有其它半导体器件一样，,太阳能电池对温度非常敏感,。温度的升高降低了半导体的禁带宽度，因此影响了大多数的半导体材料参数。可以把半导体的禁带宽度随温度的升高而下降看成是材料中的电子能量的提高。因此破坏共价键所需的能量更低。在半导体禁带宽度的共价键模型中，价键能量的降低意味着禁带宽度的下降。,其他效应温度效应,2024/11/25,83,其他效应温度效应,在太阳能电池中，受温度影响最大的参数是开路电压。温度的改变对伏安曲线的影响如以下图所示。,短路电流,I,SC,提高幅度很小,温度较高的电池,开路电压,V,oc,下降幅度大,开路电压随着温度而减小是因为I0对温度的依赖。关于pn结两边的I0的方程如下：,式中，q为一个电子的电荷量；D为硅材料中少数载流子的扩散率；L为少数载流子的扩散长度；ND为掺杂率；ni为硅的本征载流子浓度。,在上述方程中，许多参数都会受温度影响，其中影响最大的是本征载流子浓度ni。本征载流子浓度决定于禁带宽度禁带宽度越低本征载流子浓度越高以及载流子所拥有的能量载流子能量越高浓度越高。,其他效应温度效应,2024/11/25,85,其他效应温度效应,关于本征载流子的方程为：,式中，T表示温度，h和k都是常数，me和mh分别是电子和空穴的有效质量；EG0为禁带宽度，B是也是一个常数，但根本不受温度影响。把这个方程带回到求解电流的方程中，并假设温度对其它参数的影响忽略不计，那么：,式中,B,为一个不受温度影响的常数。常数,，被用来代替数字,3,以把其它参数可能受温度的影响包括进去。对于温度接近于室温的硅太阳能电池来说，温度每升高,10,C,，,I,0,将升高将近一倍。,把上述方程代入到,V,OC,的方程中，便可计算出,I,0,对开路电压的影响。,其他效应温度效应,其中，,V,G,0,=,E,G,0,/q,。,2024/11/25,87,此方程显示，太阳能电池的温度敏感性取决于开路电压的大小，即电池的电压越大，受温度的影响就越小。,对于硅，EG0为1.2eV，取=3，那么开路电压的变化为大约2.2mV/C。,其他效应温度效应,我们假设dVOC /dT不受dISC /dT的影响，那么,2024/11/25,88,其他效应温度效应,同时，,硅电池的填充因子,FF,受温度的影响为：,当温度升高时，短路电流,I,SC,会轻微地上升，因为当禁带宽度,E,G,减小时，将有更多的光子有能力激发电子空穴对。然而，这种影响是很小的，下面的方程说明,硅太阳能电池中短路电流受温度影响程度,：,而,温度对最大输出功率,P,m,的影响,为：,南极洲，正在测量太阳能电池的效率。太阳能电池喜欢阳光明媚寒冷天气。,其他效应温度效应,2024/11/25,90,改变入射光的强度将改变所有太阳能电池的参数，包括短路电流、开路电压、填充因子FF、转换效率以及并联电阻和串联电阻对电池的影响。通常用多少个太阳来形容光强，比方一个太阳就相当于AM1.5大气质量下的标准光强，即1KW/m2。如果太阳能电池在功率为10KW/m2的光照下工作，也可以说是在10个太阳下工作，或10X。被设计在一个太阳下工作的电池板叫“平板电池，而那些使用聚光器的电池叫“聚光太阳能电池。,其他效应光强效应,2024/11/25,91,其他效应光强效应,聚光对太阳能电池的伏安特性的影响。,短路电流,I,SC,随着聚光呈线性上升,FF,可能会因串联电阻的上升而下降,开路电压随光强呈对数上升,聚光太阳能电池,聚光太阳能电池是一种在光强大于一个太阳的光照下工作的太阳能电池。入射太阳光被聚焦或透过光学器件形成高强度的光束射到小面积的太阳能电池中。聚光太阳能电池有几个潜在的优势，包括比平板太阳能电池更高的转换效率和更低的本钱。电池的短路电流大小与光的强度成线性关系，因此在10个太阳照射下的电池短路电流是在一个太阳照射下的十倍。然而，这种改变并没有带来转换效率的提升，因为入射功率也随光强呈线性提高。相反，由于开路电压与短路电流呈对数关系，转换效率得以提升。因此，在聚光条件下，VOC随着光强上升呈对数形式增加，如下式所示：,式中,X,代表入射光的强度。,其他效应光强效应,2024/11/25,93,因为只需小面积的太阳能电池，所以聚光太阳能电池系统的本钱比功率相同的平板太阳能电池系统要低。聚光电池的效率优势可能会因串联电阻的增加而有所下降，因为短路电流成线性增加，同时电池的温度也迅速上升。由短路电流引起的损失的大小与电流的平方成正比，那么串联电阻造成的能量损失大小与光强的平方成正比。,低光强,在光强变低时，并联电阻对电池的影响将慢慢变大。因为通过电池的前置偏压和电流会随着光的强度的减小而减小，而电池的等效电阻也将开始接近并联电阻的大小。当这两种电阻大小相近时，分流到并联电阻的电流将增加，即增加了并联电阻的能量损失。结果是，在多云的天气下，并联电阻高的太阳能电池能比并联电阻低的太阳能电池保存更大局部的电流。,其他效应光强效应,2024/11/25,94,测量太阳能电池性能最常用最根本的方式是，在精确控制的光源照射下测量电池的伏安曲线，并严格控制电池的温度。以下图展示了测量伏安曲线的装置。,测试,IV,曲线的装置原理图,因为太阳能电池对光强和温度都很敏感，所以在测试的时候这种条件都需要仔细控制。对于光源，光谱和光强这两个数据都要知道，并且要控制在标准,AM1.5,光谱上。世界上有几个实验室专门从事对太阳能电池的测量，只有从这些实验室测量出的结果才能被认为是官方的结果。,光源接近,AM1.5,光源由计算机控制,温度控制试验台把电池温度控制在,25,太阳能电池的测量,/,测试,2024/11/25,95,最高太阳能电池转换效率结果将定期发布在?光伏进展?的“太阳能电池效率表一栏中，我们将在本电子教程的“太阳能电池效率结果一节里给出一个样本，仅供参考。而非正规的测量将使用控制精度较低的光源，并利用参考电池来校对光源。所谓参考电池，即电气性能和光学性能都尽可能与与被测电池相近，并且已经在标准光源下测试过的太阳能电池。电气性能和光学性能的相近能保证两个电池的光谱响应能很好的匹配。如果参考电池的输出电流被设置成在标准光源下的测量电流，那么被测电池的输出电流将与在标准AM1.5光谱下的测量结果大小相当。除了仔细调整光源外，还需要精确测量系统中其它几个的特征。四点探针是用来消除测试线中的串联电阻，和探头-电池之间的接触电阻的影响的器材。此外，被测电池经冷却使温度保持在25C。,太阳能电池的测量,/,测试,2024/11/25,96,风能根本原理及设备,新能源第四讲,1,、风,-,风的产生,1.2.,风成为资源的条件,风能；,E=1/2mV,2,风能密度；,W=E/S=1/2V,3,风向与风频；,通过对测风塔的数据进行分析，得出代表年50m80m高度的年平均风速、风功率密度。根据?风电场风能资源测量方法?GB-T18710-2002可以判断风功率密度等级，一般来说，风功率密度到达3级以上，风电场才有开发价值。,各测风塔的风能主要集中某几个扇区，盛行风向稳定，才有利于风能资源的有效利用。,根据风电场6585m轮毂高度处50年一遇最大风速，风电场风机轮毂高度处15m/s风速区间的湍流强度，判定风电场工程可以选择的风力发电机组类别。,1.3 风的测量,1.4 风能资源,2. 风机的工作原理,2.2 攻角与失速,连续流动：,动量方程：,能量守恒：,2.3 风机效率-贝茨理论,2.3 风机效率-其他因素,叶尖速比：叶尖圆周速度与来流风速之比；,2.3 风机效率-其他因素,实度：风轮叶片面积与扫风面积之比；,2.3 风机效率-其他因素,风力机为什么那么大？,需要大型重卡才运送一片叶片,和人的大小比照,大家都知道风是时有时无，而且大小方向随时都变化的，以至于风力发电机发出的电时有时无，电压和频率也不稳定，这样就没有实际应用价值了。,一阵狂风吹来，风轮越转越快，系统就会被吹跨,为了解决这些问题，现代风机增加了：,齿轮箱,、,偏航系统,、,液压系统,、,刹车系统,和,控制系统,等。,4-3,、风能发电设备,发电机,(一)典型风力发电机组的系统组成,齿轮箱：可以将很低的风轮转速变为很高的发电机转速，同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出,偏航系统：可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向,液压系统：就是用于调节叶片桨矩、阻尼、停机、刹车等状态下使用。,控制系统：是现代风力发电机的控制中枢，就像人的大脑。要在恶劣的条件下，根据风速、风向对系统加以控制，当风速到达3米/秒时开始发电，12.5米/秒时能发出额定功率的电能，25米/秒时自动停机，现代风机的存活风速为60-70米/秒,113,二发电机,微型及容量在10kW以下的小型风力发电机组，采用永磁式或自励式交流发电机，经整流后向负载供电及向蓄电池充电；,容量在l00kw以上的并网运行的风力发电机组，那么应用同步发电机或异步发电机：,115,定桨距失速调节型风力发电机,定桨距是指叶片被固定安装在轮毂上，其桨距角叶片上某一点的弦线与转子平面间的夹角固定不变,变桨距调节型风力发电机,变桨距是指安装在轮毂上的叶片,可以借助控制技术改变其桨距角的大小,现将当前世界市场上流行的几种风电机作一介绍：,调节型风力发电机的功率曲线比照图,变速恒频是指在风力发电的过程中，发电机的转速可以随风速而变化,然后通过适当的控制措施使其发出的电能变为与电网同频率的电能送入电力系统,变速恒频风力发电机系统,1风力机可以最大限度的捕获风能，因而发电量较恒速恒频风力发电机大；,2较宽的转速运行范围，以适应因风速变化引起的风力机转速的变化；,3采用一定的控制策略可以灵活调节系统的有、无功功率；,4可抑制谐波，减少损耗，提高效率。其主要问题是由于增加了交直交变换装置，大大增加了设备费用。,变速恒频风力发电系统的优点非常突出,20世纪70年代以来，随着世界性能源危机和环境污染日趋严重，在风力发电技术研究和应用上投入了相当大的人力及资金，研制出了高效、可靠的风力发电机，为风电的大规模开展提供了条件。,当前世界风电机技术开展的主要趋势,风电机大容量开展,风电场向近海开展,风机技术开展趋势,由于陆上风电机受运输、安装等条件的限制，2MW的单机容量是风电机开展的极限，这主要是因为到了2MW的容量，其桨叶长度将到达6070m。这将使陆上运输极为困难；安装用的吊车容量将超过12001400吨。这种容量的吊车，除了在欧美等兴旺地区也仅有有限的几台外，其余地区根本没有。同时在西欧等兴旺地区人口密度较稠密，安装风电场的地点也受到较大的限制。人们很自然地把眼光放在海上风电场。为了适应海上风电场的开展，欧盟于1999年6月在阿姆斯特丹发布20002021年能源白皮书，其中将开发35MW容量等级的风电机作为其工作的重点之一。,在海上建成的大型风力发电机群,3. 风力机功率的控制,桨距：叶片在叶轮上的安装角度；,定桨距调节方式,变桨距调节方式,4.风力机的其他组成系统,风能练习题,1、风的功率是一段时间内测的能量。,2、风能的功率与空气密度成正比。,3、风能利用系数是衡量一台风力发电机从风中吸收能量的百分率。 ,4、变桨距调节是为了控制风力机的迎风性。,5、一般风电机叶片数量越多功率越大 。,6、风轮确定后它所吸收能量它所吸收能量的多少主要取决于空气速度的变化情况。,7、对风力发电而言风速越大越好。,8、沿叶片径向的攻角变化与风力机输出功率无关。,9、偏航齿轮的功能和原理让机舱能在塔架上转动。,10、攻角越大升力就越大，但升力增大的速率越小。,选择题,1、风能的大小与风速的 成正比。( ),A、平方； B、立方； C、四次方； D、五次方。,2、风能是属于 的转化形式。( ),A、太阳能； B、潮汐能； C、生物质能； D、其他能源。,3、风力发电机组规定的工作风速范围一般是 。 ( ),A、018m/s; B、025m/s； C、325m/s； D、630m/s。,4、风力发电机工作过程中，能量的转化顺序是 。( ),A、风能动能机械能电能； B、动能风能机械能电能；,C、动能机械能电能风能； D、机械能风能动能电能。,5、如以下图，为某风场一天的风玫瑰图，那么该天的主导风向为 。( ),A、西南风 B、西北风,C、东南风 D、东北风,6、风能利用率Cp最大值可达 。( ),A、45%； B、59%； C、65%； D、80%。,7、风力发电机风轮吸收能量的多少主要取决于空气 的变化。,A、密度; B、速度； C、湿度； D、温度。,计算题,某风力发电机组的风轮直径为40m，在风速为10m/s时，该风力发电机组可能输出的最大功率是多少，当其实际输出功率为340kW时，该风机的风能利用系数是多少空气密度取1.2 ？,四、染料敏化TiO2太阳能电池的手工制作,1.制作二氧化钛膜,(1)先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨,(2)接着用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂膜,3)把二氧化钛膜放入酒精灯下烧结1015分钟，然后冷却,2.利用天然染料为二氧化钛着色,如下图，把新鲜的或冰冻的黑梅、山梅、石榴籽或红茶，加一汤匙的水并进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要5分钟，直到膜层变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀，可以再放进去浸泡5分钟，然后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻轻地擦干。,3.制作正电极,由染料着色的TiO2为电子流出的一极即负极。正电极可由导电玻璃的导电面涂有导电的SnO2膜层构成，利用一个简单的万用表就可以判断玻璃的那一面是可以导电的，利用手指也可以做出判断，导电面较为粗糙。如下图，把非导电面标上+，然后用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。,4.参加电解质,利用含碘离子的溶液作为太阳能电池的电解质，它主要用于复原和再生染料。如下图，在二氧化钛膜外表上滴加一到两滴电解质即可。,5.组装电池,把着色后的二氧化钛膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子的电解质，然后把正电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。把两片玻璃稍微错开，用两个夹子把电池夹住，两片玻璃暴露在外面的局部用以连接导线。这样，你的太阳能电池就做成了。,6.电池的测试,在室外太阳光下，检测你的太阳能电池是否可以产生电流。,一、太阳能光伏发电系统的组成,电池片,组件,系统,封装,上盖,底板,边框,结合胶,平衡系统,阵列,二、太阳能光伏发电系统分类,聚光太阳能,非聚光太阳能,独立系统,并网系统,混合系统,二、太阳能光伏发电系统分类,独立系统小,Small DC;,Simple DC;,直流负载；,结构简单；,二、太阳能光伏发电系统分类,独立系统大,Large DC;,AC/DC;,最完整、最复杂、最完善！,二、太阳能光伏发电系统分类,并网,系统,混合,系统,系统性最强、可靠性最高！,非混合,系统,三、光伏系统的设计,用能特点分析,系统形式优化,负载计算,确定蓄电池容量,太阳能电池功率确定,方阵设计,太阳能资源分析,设备选型,施工组织,案例1：10kW隧道照明系统,Step 1,：负载分析,1,、,24,小时照明；,2,、全直流负载；,3,、可靠性要求较高；,4,、其他形式能源困难；,5,、选用,LED,光源；,6,、每盏灯,30W,；,7,、驱动电压,24V,Step 2,：负载计算,根本负荷：,选用多大的太阳能发电装置？,负荷波动,气象条件,昼夜分布,满足峰值要求,充电负载,光照时间、四季变化,损耗和余量,线损、设备损耗、参数变化,Step 2：太阳能资源分析,QX/T 2006：太阳能资源评估方法,式中：,为日天文辐射总量，单位为 ；,为周期246060s；,为太阳常数 ；,为日地相对距离；,为日落时角， ；,为地理纬度；,为太阳赤纬 。,Step 3,：蓄电池容量计算,F:蓄电池效率系数取1.05；,P0：平均负荷容量；,L：蓄电池维修保养率；,U：蓄电池放电深度；,Ka：各项损失系数，取0.70.8；,可简化为：,Step 4,：太阳能电池功率确定,最短光照时间为6小时，最长连续阴雨时间为5天，阴雨时白天的太阳能功率将为晴天时的70%，请计算选用多大的太阳能发电装置？,Step 5,：方阵的设计,Step 6,：平衡组件的选择,案例,2,：,10mwp,太阳能并网电站,德国2007年的PV上网电价法规促进本钱降低,系统类型,不同规模光伏系统的上网电价，欧元,/kWh,30kWp,30-100kWp,100kWp,建筑屋顶,0.574,0.546,0.540,建筑幕帘,0.624,0.596,0.590,地面系统,0.457,德国2004年1月起的光伏发电上网电价修正,上网价格,/ kWh,100kWp,建筑物和隔音墙,49.21,欧分,46.82,欧分,46.30,欧分,光伏建筑集成,地面系统,5,欧分,地面系统,37.96,欧分,147,?上网电价法 ?的普及与扩大,局部实施上网电价法的国家,国家和地区,上网电价，,欧元,/kWh,实施时间,德国,0,55(,平均,),20,比利时,0,45,20,希腊,0,49,20,意大利,0,45,20,葡萄牙,0,44,15,西班牙,0,42,25,华盛顿州,(US,）,0,43,（美元）,10,加州（,US,）,0,50,（美元）,3,韩国,0,58,15,148,