作者：董宏
出版社：人民邮电出版社
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通信用光伏与风力发电系统试读：
前言
在我国改革开放以来近30年的时间里，通信业得到了超常规的快速发展，网络规模和容量已是世界之最。通信网络规模越大，越要注意网络安全。把网络管理好、维护好，是当前各电信运营商的主要工作之一。通信电源是通信网重要的子系统，是实现通信网络畅通的基础和保障。
当前，我国通信电源的标准规范已基本齐全，技术装备已经多次升级，创新技术含量大为提升，供电系统灵活多样，供电方式大大提高了可靠性，运行维护方式也发生了革命性的变革，实现了动力机房的集中监控、集中维护、集中管理和无人值守。
可靠性和节能是通信电源永恒的主题，而可靠性永远是第一位的。保障安全、优质、不间断供电是通信电源工作者的天职。随着通信技术的日新月异，通信网络规模的不断扩大，数据通信、IDC机房的供电和空调成为通信电源建设和维护管理的重点。在此情况下，加强通信电源团队的学习和培训显得更为迫切和重要。为了有利于从事通信电源技术维护和管理人员的学习提高，特组织编写了这套通信电源设备使用维护手册。丛书共10个分册：
第一分册 通信用交流变配电系统
第二分册 通信用柴油发电机组
第三分册 通信用直流系统
第四分册 通信用蓄电池
第五分册 通信用UPS及逆变器
第六分册 通信机房用空调设备
第七分册 通信系统防雷接地技术
第八分册 通信电源和环境的集中监控管理
第九分册 通信用光伏与风力发电系统
第十分册 通信电源的新型技术及产品
这套维护手册有三大特点，一是由一批具有丰富电源技术维护和管理经验的同志编写而成的，是大家运行维护和管理经验的结晶；二是紧密结合运行维护和管理工作中曾经出现的故障案例，进行了深入的分析，是付出沉重代价后而不可多得的经验教训的总结；三是既注重知识的系统性、完全性，更注重实用性和可读性，是动力维护规程的诠释。
这套维护手册的出版发行，对提高通信电源技术维护和管理总体水平，必将起到积极的作用。编者2008年1月前言
能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油和煤炭等矿物燃料为主要能源。随着矿物燃料的日益枯竭和全球环境的日益恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。解决能源危机可以有如下三种办法：一是提高燃烧效率以减少资源消耗，实现清洁煤燃烧以减少污染；二是开发新能源，积极利用再生能源；三是开发新材料、新工艺，最大限度地实现节能。太阳能和风能被看作是最有代表性的新能源和可再生能源，作为这两种能源的高级利用，太阳能发电和风力发电技术受到世界各国的高度重视。
太阳能分布广泛，可自由利用，取之不尽，用之不竭，是人类最终可以依赖的能源。而光伏发电技术是太阳能利用技术中最具发展前景的方式之一。它具有无污染、无噪声、安全可靠、故障率低、维护简便、建设周期短等优点。它是今后可替代矿物燃料的战略性能源，又是目前边远地区能源供应的一种有效的补充。随着矿物燃料的逐渐消耗，太阳能光伏发电技术将越来越显示出其重要性和发展潜力。
风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源，以其蕴藏量巨大、可以再生、分布广泛以及没有污染等优势而在各国发展迅速。全球的97风能约为2.74×10MW，其中可利用的风能为2×10MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。
在中国，风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。这些地区缺少煤炭及其他常规能源，更加适宜利用风力资源进行能源补充。
为了适应通信用太阳能发电和风力发电的需要，帮助我国通信电源工程技术人员更新知识，了解当前太阳能和风力发电技术发展趋势，系统掌握新能源新技术的基础理论知识，提高处理在日常维护过程中存在的各种故障及解决相关实际问题的能力，我们撰写了本书。
全书包括太阳能光伏发电、风力发电和混合发电三个部分，分别介绍太阳光伏发电和风力发电的工作原理、结构、系统类型、关键技术、设计、安装、运行方式、应用领域、日常维护以及故障处理等。全书分为10章：第1章至第5章为第一部分，介绍通信用光伏发电系统；第5章至第9章为本书第二部分，介绍通信用风力发电系统；第10章为第三部分，介绍通信用混合发电系统。本教材书第一部分由董宏编写，第二部分和第三部分由张飘编写。
本教材书在编撰过程中，得到了很多专业人士和厂商的支持。其中，广东珠江电信设备制造有限公司、深圳自恒系统实业有限公司为本书的编写提供了大量技术资料和帮助，青海电信、新疆电信、甘肃电信等电信公司的有关专业人士为我们提供了很多实用的维护经验。谨此，向所有关心和支持本书编撰工作的有关领导、专业人士以及设备厂商表示衷心的感谢。
由于水平所限，加之编写过程仓促，书中可能存在错误和疏漏之处，敬请广大读者不吝赐教。作者2007年12月第1章太阳能光伏发电概述1.1 太阳能概述
人类对太阳能的利用已有悠久历史，早在两千多年前的战国时期，人们就已经懂得用金属做成的凹面镜聚集太阳光点火，以后发展到使用玻璃放大镜聚光取火。那么太阳的能量是从哪里来的呢?
太阳是离地球最近的一颗巨大而灼热的星球，它的直径是地球直径的 109倍。质量为地球的33万倍。太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。太阳位于太阳系中心。太阳表面温度大约7为5 700℃，中心温度高达约2×10℃，压力约为2 000多亿大气压。由于太阳内部温度极高、压力极大，物质早已离化而呈等离子态；不同原子核的相互碰撞引起一系列核子反应，其中类似于氢弹爆炸的热核反应是太阳能量的主要来源。太阳的能量是向四面八方辐射的，每176秒钟投射到地球上的能量约为1.757×10J，相当于6×10吨标准煤。形象的比喻就是地球每天从太阳那里获得5 000多亿吨标准煤（5.18411×10吨标准煤）。按目前的发电水平可转换成电量1.41×151510kWh（1.41×10kWh）。遗憾的是，人类目前还没有能力将如此巨大的能量全部转换成电能。现在人们利用光伏发电技术已可以将少量的太阳能转换成电能并储存起来。地球海平面上的光照标准峰值强2度为1kW/m。
图1-1所示的是地球上的能流图。从图1-1可以看出，地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的矿物燃料（如煤、石油、天然气等），从根本上说也是远古以来储存下来的太阳能。所以，广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。1.2 太阳能光伏发电的基本原理
人们很早就发现，在太阳光照射下，一些特定的半导体内会产生自由电荷，这些自由电荷定向移动和积累并产生一定的电动势，可以向外电路提供电流。这种现象被称为光生伏特效应或光伏效应，它是制造太阳能电池的物理基础。
最早用于制造太阳能电池的半导体材料是晶体硅。直到目前为止，它仍然是用于制造太阳能电池的主要材料。以晶体硅材料为基础生产的太阳能电池（包括单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池）仍占据着主导地位，被广泛地用于各类光伏发电系统中。下面，我们以晶体硅为例，介绍太阳能电池的基本原理。它也可以作为了解其他太阳能电池工作原理的基础。6图1-1 地球上的能流图（单位10MW）
晶体硅太阳能电池的基本结构如图1-2所示。用扩散法在P型硅衬底上形成N型层，制成大面积PN结，再用真空蒸发法或化学沉积法在N型层上面淀积金属栅作为正面欧姆接触电极，在整个背面淀积金属作背面欧姆接触电极，就形成了一个晶体硅太阳能电池。为了减少光反射损失，一般再在整个上表面覆盖一层合适的减反射膜，从两面的金属接触电极上引出电极引线，便是一个单片太阳能电池。光照的上表面为一层N型层，称为顶层；基片材料为P型层，称为基区。
太阳能电池的基本原理是光生伏特效应，如图1-3所示，用适当波长的光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的PN结上时，在一定条件下，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子——电子和空穴。由于 PN 结势垒区存在较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴。在内建静电场的作用下，它们各向相反方向作漂移运动，结果使P区电势升高，N区电势降低，PN结两端形成光生电动势，这就是PN结的光生伏特效应。由于光照产生的非平衡载流子各向相反方向漂移，从而在内部构成自N区流向P区的光生电流，在PN结短路情况下构成短路电流密度；在开路情况下，PN结两端建立起光生电势差V，也即开路电压。如将0PN结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路。图1-2 晶体硅太阳能电池的基本结构图1-3 太阳能电池的基本原理图1.3 太阳能电池常规制造工艺
太阳能电池的种类很多，其制造工艺也很不一样。由于单晶硅太阳能电池是目前使用最广泛的太阳能电池之一，而且其制造工艺也比较成熟，所以这里重点介绍单晶硅太阳能电池的制造。
制造单晶硅太阳能电池一般需要经过如图1-4所示的工艺流程。下面，我们简单介绍其中几个主要的工艺过程。
1.拉制单晶棒材
硅是地球上蕴藏量仅次于氧的元素，但它在自然界中主要以砂子的形式存在。砂子的主要成分是二氧化硅。为了制作太阳能电池，第一步是要将石英砂提纯为冶金级的多晶硅。方法是将石英砂与碳混合，在高温电炉中加热进行氧化、还原反应，生成碳氧化合物，析出相对纯的熔融硅，把熔融硅置于器皿中快速冷却，形成冶金级多晶硅。图1-4 太阳能电池的工艺流程
为了制成单晶及更纯的硅，通常采用丘克拉斯基凝固工艺（CZ 法），如图1-5所示。将冶金级硅装入石英坩埚中加热熔融，并让装硅的坩埚缓慢旋转，再将一小块用作“种子”的定向单晶硅籽晶放入其中并与熔融硅表面接触。这样，熔融硅就会凝固在籽晶上，籽晶慢慢变大，最终形成直径75～125mm、大约l000mm长的圆柱形单晶硅棒。然后将单晶硅棒切割成0.2～0.4mm厚的薄片，就得到了制作太阳能电池的基片。图1-5 CZ法拉制单晶硅
2.掺杂及扩散制PN结
掺杂的目的是形成具有不同类型杂质浓度的平面区域，以便组成 PN 结。在N/P型同质结单晶硅太阳能电池中，可以用硼作为主要杂质的 P型硅材料为基片，再将杂质磷掺入基片，在其表面附近生成一薄层N型硅。
太阳能电池的基本结构如图1-6所示，包括电极、P 层、N 层以及减反射膜。结特性是影响光电转化效率的主要因素。图1-6 硅P—N结太阳能电池结构示意图
为了制作P型硅基片，可以在拉制单晶硅锭的时候，在坩锅里加入微量的掺杂剂硼（P型掺杂剂），这样拉制成的单晶硅锭切成薄片后就得到 P型硅基片。
为了在硅片表面形成不同的导电层，通常采用扩散的方法：在已经放好了经仔细清洗过的硅片的高温炉中，通以气体掺杂剂。掺杂原子在高温下会向晶片内热扩散。
通常，很多厂商采用POCl液态源开管扩散制结，这种方法制出3的结均匀性好，方块电阻的不均匀性小于10%，少子寿命大于10μs。其原理如下：
4POCl＋ 3O（过量）→ 2PO＋ 2Cl（气）32252
2PO＋5Si → 5SiO+ 4P252
近年来，ECN和Shell Solar共同开发了新的扩散工艺，其制作工艺采用红外加热的办法，大大提高了功效，扩散速度可以达到每秒完成一片电池。在Shell So1ar 的生产线上还看到，电池制作前，先在电池片周边涂上一圈绝缘胶，以保证扩散仅限于上表面，这样扩散完成之后就不必再腐蚀周边了。
3.制作上、底电极
一般来说，在扩散过程中，硅片的周边表面也会形成扩散层，使电池短路，必须除去。利用辉光放电中氟离子与硅原子发生反应，产生挥发性的产物SiF，可达到边缘腐蚀的目的。4
太阳能电池的电极是通过半导体与金属的接触制成的。理想的金属电极应无整流作用，无少子注入效应，而且其欧姆接触的接触电阻很小。在常规 PN结太阳能电池中，常在背面由金属化电极做成欧姆接触，在正面做成网格状电极，光可以从透明的网格间通过。制作电极的方法主要有真空蒸发镀膜法、化学镀膜法、印刷烧结法。所用的金属材料有铝、银、镍、钛等。
硅太阳能电池的上、底电极可用真空蒸发镀膜法制作。这种方法工艺成熟，操作方便，得到的电极接触电阻小，导电性能好。
金属电极与硅基片黏附的牢固程度是显示硅太阳能电池性能的重要指标；电池失效往往是由于电极的脱落，在电极制作过程中，必须严加注意。
4.蒸镀减反射膜
硅太阳能电池的表面是用化学抛光法制得的一个较为平整光滑的表面，对0.5～1.1μm波长范围内的光，有（超过）35%的光能因表面反射而损失掉了。为了减小这部分损失，往往在电池表面上涂上一层透明的减反射膜，达到提高光电流和光电转换效率的目的。
采用真空蒸发镀膜法、气相生长法和其他化学方法，在已制作好的太阳能电池正面镀上一层或多层透明介质膜，具有减少光反射的作用。同时对电池表面起到钝化和保护作用，减反射膜的特性要求是入射光波长范围的吸收率要小，物理与化学稳定性要好，能与硅牢固粘合，对潮湿空气及酸、碱气体有一定的抵抗能力，并且制作工艺简单，价格低廉。目前，实际使用的材料有一氧化硅、二氧化钛、氮化硅等。镀上一层减反射膜，可将入射光的反射率降低到10%左右，而两层减反射膜可将光的反射率降低到4%以下。
降低入射光反射率的另一个办法是采用“绒面”技术。有些化学腐蚀剂，例如氢氧化钠稀溶液等，对硅的不同晶面的腐蚀速度不同。经过这些腐蚀液处理后，电池表面会出现以4个面形成的正方锥。这些正方锥就像丛山那样密布于电池表面，肉眼看来好像是一块丝绒，因此称为“绒面”，如图1-7所示。
经“绒面”技术处理后，入射光投射到电池表面的机会增加了，第一次没有被吸收的光，经折射后投射到电池表面的另一个晶面上时仍然可能被吸收。这样，入射光的反射率可以减少到10%以内。如果再镀上一层减反射膜，反射率还可以进一步降低。图1-7 绒面技术减少反射
5.丝网印刷电极
太阳能电池制造的最后一道工序是印刷电极，一般采用丝网印刷法，采用银浆、铝浆来印制正面、背面电极以及互连条焊接带，再经高温烧结炉烘烧。
用丝网印刷技术来制作电池的电极可以降低成本和适应连续自动化生产。所谓丝网印刷是用涤纶薄膜等制成所需电极图形的掩膜，贴在丝网上，然后套在硅片上，用银浆、铝浆印刷出所需的电极图形，经过在真空和保护气氛中烧结，形成牢固的接触电极。我们通常看到的电池片正面（负极）一条条平行银线及背面（正极）的网格状铝线就是这样印制出来的。丝网印刷技术近年来不断改进，一些厂商开始采用印刷电路板的模板印刷工艺，太阳能电池的模板印刷必须采用双层模板以获得连续的、细而高的栅线。模板采用镍板激光刻槽制成，以保证模板的耐久和栅格的精度。普通丝网印刷工艺的栅线的宽度和高度，比双层模板印刷工艺制出的栅线的宽度和高度大得多。普通丝网印刷工艺的栅线的电阻率比用模板印刷工艺的电阻率要小一些。由于采用模板印刷工艺制造的电池减少了对光的遮挡，又一定程度上降低了接触电阻，所以这种电池的效率有所提高，大约提高3%。
电极印刷好后，整个太阳能电池制造过程也就完成了，在阳光下用导线接上电池正、负极，就有电流通过了。但要使太阳能电池能很好地满足用户需要，还须将太阳能电池片封装成太阳能电池组件。
经历上述工艺过程后，则可得到单体太阳能电池。单体太阳能电池的输出电压、电流和功率都很小，一般输出电压只有0.5V左右，输出功率只有1～2W。
6.太阳能电池的封装
太阳能电池片本身很脆，抗机械振动和抗撞击的能力很差，而且要求保证太阳能电池组件能在户外环境下使用20年以上，因而其组件必须具有良好的封装，以满足防风、防尘、防湿、防腐蚀等条件的要求。对太阳能电池失效的研究表明，问题往往出在封装。失效的原因有：封装材料与电池分离而使光接触变坏，导致电池效率下降；密封不好而渗入潮气；连接单体电池之间导电带的焊接工艺不当、焊接不牢或者助焊剂变质等。所以，封装工艺是整个太阳能电池制作过程中一个非常关键的工艺，其成本大约占整个太阳能电池成本的1/3。
太阳能电池组件的结构如图1-8所示。该组件是通过金属导电带焊接连接在一起的太阳能电池片，其上下两侧均为聚烯烃（EVA）膜，最上面是低铁钢化透明玻璃，背面则是聚氟乙烯（PVF）复合膜。将各层材料按顺序叠好后，放入层压机内进行热压封装。最上层的低铁钢化玻璃的透光率高，而且经长年紫外线照射也不会变色。EVA膜中加有抗紫外剂和固化剂，在热压处理过程中，固化形成具有一定弹性的保护层，并保证电池与钢化玻璃紧密接触。PVF复合膜具有良好的耐光、防湿、防腐性能。经层压封装后再在四周加上密封条，装上经过阳极氧化处理的铝合金框，就制成了太阳能电池组件。图1-8 太阳能电池组件结构1.4 太阳能光伏发电系统的优缺点
从太阳能获得电力，需通过太阳能电池进行光电转换来实现。它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下优点：（1）可靠。在恶劣的环境和气候条件下，光伏发电系统很少产生故障，因此光伏系统经常用在要求供电可靠性很高的场合。（2）耐用。目前，绝大多数太阳能电池组件的生产技术都足以保证使太阳能电池的性能至少10年不下降，太阳能电池组件可以发电25年或更长的时间。（3）维护费用低。在远离城镇的边远地区，为了维护或修理常规发电设备，需要将材料和人员运送到很远的地方，其费用很高。光伏系统只需要周期性进行检查以及很少的维护工作，维护费用比常规发电系统少得多。（4）无需燃料费用。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。理论计算太阳尚可维持数十亿年之久。光伏系统不需要燃料，从而免去了购买、运输和储存燃料的费用。（5）无噪声污染。光伏系统运动部件很少，基本没有噪声。（6）安装组件积木化。光伏系统便于用户根据自己的需要选择和调整发电系统的容量大小，安装灵活、方便。（7）安全。光伏系统不使用易燃的燃料，只要设计合理和安装适当，系统具有很高的安全性。（8）自主供电。离网运行的光伏发电系统具有供电的自主性和灵活性。有些用户采用光伏发电的原因就是欣赏该系统独立于公用电网的自主性。（9）非集中电网。小型分散的光伏发电站可减少由于公用电网故障给用户带来的不良影响及危害。（10）高海拔性能。在高海拔地区，随着日照的增强光伏系统的输出功率将增加，使用光伏发电非常有利。相反，由于空气稀薄，在高海拔地区使用柴油发电机时工作效率降低，机组的实际输出功率减少很多。
不足之处是：（1）能量能流密度低。太阳光照射到地球的能量能流密度低，2最大只有1kW/m，太阳能光伏发电要占用巨大面积。（2）日照不稳定。日照强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响，不能维持常量，系统获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。（3）初期投资高。由于太阳能电池生产成本高，光伏发电系统的初期投资大大增加，而独立运行的光伏系统使用蓄电池储能，进一步增加了系统建设费用和运行成本。因此，在设计时必须对光伏系统进行经济性评估和多种方案比较。（4）需要储能装置。为了保证夜间或某一时间用电，光伏发电系统需使用蓄电池储能；蓄电池组增加了系统成本、规模和维护工作量。（5）系统效率较低。目前，太阳能电池的能量转换效率较低，蓄电池充放电时有能量损失，加之系统传输损耗等，使光伏发电系统的总体效率不高。1.5 太阳能光伏发电的技术发展趋势
太阳能分布广泛，可自由利用，取之不尽，用之不竭，是人类最终可以依赖的能源。而光伏发电技术是太阳能利用技术中最具发展前景的方式之一。它具有无污染、无噪声、安全可靠、故障率低、维护简便、容量可大可小、建设周期短等优点。它既是今后可替代矿物燃料的战略性能源，又是目前边远地区能源供应的一种有效的补充。随着矿物燃料的逐渐消耗，太阳能光伏发电技术将越来越显示出其重要性和发展潜力。1.5.1 世界上光伏发电技术的发展概况
1839年，法国物理学家EdmondBecquerel意外地发现，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池在光照下会产生额外的电势，他将这种现象称为“光生伏打效应（Photovoltaic Effect）”。1873年，英国科学家WilouzhbySmith观察到对光敏感的硒材料，并推断出在光的照射下硒导电能力的增加正比于光通量。1880年，Charles Ffitts开发出以硒为基础的太阳能电池，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”。半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率最高，通常称这类光伏器件为“太阳能电池（Solar Cell）”。自此之后的几十年中，尽管太阳能电池能量转换效率低、生产成本高，科学家仍致力于硒太阳能电池的研究。
1954年，贝尔实验室的科学家们第一次用晶体硅材料制成了光伏电池，光电转换效率达到4%。始于20世纪50年代的空间发展计划成为光伏发电技术的第一个主要应用对象，而且光伏技术的发展也成为整个空间技术发展计划的一部分，对光伏技术的发展起到了巨大的推动作用。今天，几乎所有的人造卫星都是靠光伏电池供电，包括通信卫星、军事卫星和科学实验卫星。
计算机工业特别是半导体晶体管技术的发展同样对光伏电池的发展起到了积极的推动作用。制造光伏电池同制造晶体管所用的材料差不多，而且它们的工作原理也很相似。以往晶体管技术的发展往往为光伏技术的发展提供新的思路，而现在半导体工业也时常采用光伏技术的研究成果。
尽管有了很大的发展，到20世纪70年代，对大多数地面应用来说，光伏发电技术的成本仍然太高。20世纪70年代中期爆发了世界范围的能源危机，能源价格上升，引起人们对实用光伏发电技术新的兴趣。从那以后，各国政府和工业界的研究机构投入了大量资金和人力加强光伏发电技术的研究、开发。太阳能光伏发电技术从此快速发展，太阳能电池的研究在提高效率和降低成本两个方面都取得了较大进展。晶体硅太阳能电池的效率（商品太阳能电池组件）从20世纪70年代末的不到9%发展到90年代初的14%以上，而同期太阳能电池的价格则由每峰瓦27美元下降到5美元以下，如图1-9所示。图1-9 晶体硅太阳能电池效率和价格的变化
在太阳能电池的研究方面，各国科学家和研究人员不断地发展了一些新材料和新技术，提出新的工艺，使得新型太阳能电池层出不穷。除了晶体硅太阳能电池以外，还有非晶硅电池、硒铟铜（CIS）电池、碲化镉（CdTe）电池、砷化镓（GsAs）电池等。目前，在实验室条件下太阳能电池的最高效率已经超过30%（1nGaP/GaAs双结电池），见表1-1。表1-1 太阳能电池的实验室最高水平
太阳能电池效率的提高和价格的降低极大地推动了太阳能光伏发电技术的应用，除了继续在空间电源中占据主导地位外，太阳能电池的地面应用也越来越广泛。由开始时的海上导航、牧区电围栏、交通信号灯等特殊应用，逐渐发展到微波通信电源、石油管道阴极保护、村用电站甚至到太阳屋顶和大型兆瓦级并网光伏电站，见表1-2。表1-2 光伏发电技术的各种应用
太阳能电池的产量在整个20世纪70年代一直都很低，从20世纪80年代初开始持续稳定增长。1983年全世界太阳能电池产量为20MW，到1994年达到70MW。特别是近几年，世界太阳能电池产量呈现良好发展势头，年增长率都在30%以上，1998年达到157.8MW，如图1-10所示。图1-10 世界太阳能电池产量及增长率
目前，商品太阳能电池组件主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池三种，而占主导地位的是晶体硅太阳能电池（包括单晶硅和多晶硅太阳能电池）见表1-3。这两种太阳能电池的产量占总产量的80%左右。世界太阳能电池生产的地区分布见表1-4。表1-3 不同太阳能电池的产量表1-4 世界太阳能电池生产的地区分布（MW）1.5.2 我国光伏发电技术的现状
1.5.2.1 我国的太阳能资源
我国地处北半球欧亚大陆的东部，幅员辽阔，有丰富的太阳能资源，但随着纬度和地形、气候条件的不同，太阳能在全国的分布有很大的差别。我国各地的太阳能年辐射总量大约为3.3×106～8.4×22106kJ/m，其平均值为5.9×106kJ/m。
1.5.2.2 我国光伏发电技术的发展历程
我国于1958年开始研究太阳能电池；1971年首次成功地应用于我国发射的东方红二号卫星上，1973年开始将太阳能电池用于地面（天津港航标灯）。我国的光伏工业在20世纪80年代以前尚处于雏形，太阳能电池的年产量一直很低，价格也很昂贵。由于受到价格和产量的限制，市场的发展很缓慢，除了作为卫星电源，在地面上太阳能电池仅用于小功率电源系统，如航标灯、铁路信号系统、高山气象站的仪器用电、电围栏、黑光灯、直流日光灯等，功率一般在几瓦到几十瓦之间。
在“六五”（1981～1985）和“七五”（1986～1990）期间，国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给予支持，中央和地方政府在光伏发电领域投入了一定资金，从而使我国十分弱小的太阳能电池工业得到了巩固并在许多应用领域建立了示范，如微波中继站、部队通信系统、水闸和石油管道的阴极保护系统、农村载波电话系统、小型户用系统和村庄供电系统等。同时，在“七五”期间，国内先后从国外引进了多条太阳能电池生产线，除了一条1MW的非晶硅电池生产线P外，其他全是单晶硅电池生产线，使我国太阳能电池的生产能力猛增到4.5MW/年（实际年销售量达到0.5MW），售价也由“七五”初期PP的80元/W下降到40元/W左右，这对于光伏市场的开拓起到了积极PP的推动作用。太阳能电池已不再仅仅用于小功率电源系统，而开始广泛用于通信、交通、石油、农村电气化、民用产品等各个领域，光伏发电不但列入到国家的攻关计划，而且列入到国家的电力建设计划，并在一些重大工程项目中得到采用，如国家计委的“光明工程”、电力部的西藏无电县建设计划、西藏阿里光电计划、林业部的森林防火通信工程、邮电部的光缆工程、石油部的管道阴极保护工程、广电部的村村通工程等。2001年，我国的太阳能电池年实际年销售量已达4.5MW，累计用量超过20MW。PP
2002年，原国家计委启动了“西部省区无电乡通电计划”，即“送电到乡”工程，通过光伏和小型风力发电的方式，最终解决了西部七省区（西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙、陕西和四川）近800个无电乡的用电问题，光伏组件用量达到19.6MW，风力发电机P840kW。这一项目的启动大大刺激了光伏工业的发展，国内建起了P几条太阳能电池的封装线，使我国太阳能电池组件的年生产能力迅速达到100MW（组件封装能力），2002年当年销售量为20MW。截止PP到2003年年底，我国太阳能电池的累计装机已经达到 55MW。1995 P年以后，大部分非晶硅太阳能电池出口到国外；2003年，我国晶体硅太阳能电池也有一部分出口。
我国太阳能电池年产量和累计装机发展进程如图1-11所示。图1-11 我国太阳能电池年产量和累计装机发展进程
1.5.2.3 我国太阳能电池的技术发展状况
在政府科研计划的支持下，经过20多年的努力，我国光伏发电技术有了长足进步。表1-5列出了我国太阳能电池实验室的效率最高水平。表1-5 我国太阳能电池实验室最高效率水平
在光伏发电系统方面，我们对光伏发电专用逆变器，冲、放电控制器及专用检测仪器等都开展了研究与开发工作，并在光伏水泵、光伏通信系统、独立光伏电站和户用光伏系统等方面取得了运行经验。
1.5.2.4 光伏发电技术的应用及市场开发状况
国内太阳能电池产业发展的主要动力是光伏发电市场的需求。目前，光伏发电技术在我国主要有三类典型应用领域，下面简要说明。
1.通信领域及工业的应用
通信领域是目前我国光伏发电技术重要的应用领域，光伏发屯技术已广泛地应用于微波通信站、电视差转台、卫星通信地面站以及光缆工程等，太阳能电池在通信领域中的累计用量约占全部用量的36%左右。主要应用在以下几个方面：
微波中继站；
光缆通信系统；
无线寻呼台站；
卫星通信和卫星电视接收系统；
农村程控电话系统；
部队通信系统；
铁路和公路信号系统；
灯塔和航标灯电源；
气象、地震台站；
水文观测系统；
水闸阴极保护和石油管道阴极保护。
2.边远地区户用电源
我国是个发展中国家，地域辽阔，有许多边远省份和经济不发达地区。据统计，目前尚有约2000万户、近1亿农村人口还没有用上电，不少有电县严重缺电。这些地区的农牧民居住分散、远离电网，而且用电水平很低（人均年用电仅为 120kW·h），短期内不可能靠常规电力解决他们的用电问题，光伏发电技术是解决这些地区分散农牧民用电的有效途径。近几年来，在我国边远地区及游牧民集中地区，分散的户用光伏电源系统开始直接以商品的形式进入千家万户，显示出巨大的市场发展潜力。
农村和边远地区应用（大约占51%）：
独立光伏电站（村庄供电系统）；
小型风光互补发电系统；
太阳能户用系统；
太阳能照明灯；
太阳能水泵；
农村社团（学校、医院、饭馆、旅社、商店、卡拉OK歌舞厅等）。
3.光伏并网发电系统（4%）
当前尚处于试验示范阶段，全国总装机容量大约仅有约2MW。P
4.太阳能商品及其他应用（大约占到9%）
太阳帽；
太阳能充电器；
太阳能手表、计算器；
太阳能路灯；
太阳能钟；
太阳能庭院；
汽车换气扇；
太阳能电动汽车；
太阳能游艇；
太阳能玩具。
至2003年年底我国光伏发电市场划分情况见表1-6。表1-6 至2003年年底我国光伏发电市场划分情况1.5.3 太阳能光伏发电技术的发展趋势与前景
从太阳能光伏发电技术的发展历程可以看到，技术的发展和市场及应用的发展是相辅相成，互相促进的。自20世纪80年代中以来全球太阳能光伏电池市场进入稳定的成长期，除少数年份以外，其年平均增长率都在10%以上。
随着光伏发电技术的发展，太阳能电池的效率将不断提高，成本也将进一步降低。预计在今后10年或者更长的时间内，晶体硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池仍将占全球太阳能电池的主要份额，但一些新型电池如硒铟铜（CIS）电池和碲化镉（CdTe）电池等的产量将逐渐扩大到一定份额。
随着效率的提高和成本的不断降低，光伏发电技术的应用面将会越来越宽。由目前的小规模利用到大规模应用，由现有常规能源的补充发展为在能源结构中占据重要地位的替代能源，由目前主要在边远地区以独立运行系统方式存在发展到城市电网并联运行系统。特别是光伏发电系统和建筑物的结合，将根本改变光伏发电在世界能源体系中的从属地位，也将改变未来的能源利用模式包括电网的运行和管理模式。第2章太阳能光伏发电系统2.1 太阳能光伏发电系统的构成
太阳能发电系统主要由太阳能电池组件（阵列）、控制器、蓄电池、逆变器、负载等组成。其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。
1.太阳能电源系统
太阳能电池与蓄电池组成系统的电源单元，因此蓄电池性能直接影响着系统工作特性。（1）电池单元：由于技术和材料原因，单一电池的发电量是十分有限的，实用中的太阳能电池都是单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件（阵列）。单一电池是一只硅晶体二极管。（2）电能储存单元：太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存，蓄电池的特性影响着系统的工作效率和特性。蓄电池技术是十分成熟的，但其容量要受到末端所需电量、日照时间（发电时间）的影响。因此蓄电池安培小时容量由预定的连续无日照时间决定。
2.控制器
控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即 PWM 控制方式，使整个系统始终运行于最大功率点附近区域。2.2 太阳能光伏发电系统的主要供电类型
一块太阳能电池组件构成了一个发电单元，在阳光下接上负载就可以对外供电。太阳能光伏发电的一大优点就是光电阵列的模块化，可以根据需要组合成小至几瓦、几十瓦的小系统，大到几百千瓦甚至兆瓦级的电站。由于光伏发电受气候影响大，要保证通信系统的电源供应，太阳能组件就必需和蓄电池、控制器、逆变器等组成光伏发电系统。从结构特征上看，太阳能光伏发电系统可以分为三种基本类型：独立运行、并网型和混合型光伏发电系统。2.2.1 独立运行光伏发电系统
独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，其系统结构如图2-1所示。它主要用于无电网的边远地区及人口分散地区。由于必需配置蓄电池储能装置，所以整个系统的造价较高。
虽然光伏发电的成本仍然较高，但由于其可靠性高、维护费用低以及资源丰富、分布广泛，光伏发电技术在广大边远地区、无电地区以及人口分散的地区得到了广泛应用，在这些地区使用的光伏发电系统都属于独立运行系统。图2-1 独立运行的光伏发电系统框图
图2-1所示的独立运行系统可以有两种派生类型。一种是容量很小的小型光伏电源，由于容量较小，系统可省去逆变器，负载则需要选用直流负载，如直流灯等。另一种则是直接连接系统，即逆变器和蓄电池都省去不用，直接将光电阵列同负载连接，向负载供电。这要求负载同光电阵列的输出匹配相当好，或者负载对供电的稳定性和保证率没有什么要求。2.2.2 并网型光伏发电系统
在有公共电网的地区，光伏发电系统一般与电网连接，即采用并网运行方式，这要求逆变器具有同电网连接的功能，其结构框图如图2-2所示。并网型光伏发电系统的优点是可以省去蓄电池，而将电网作为自己的储能单元。由于蓄电池在存储和释放电能的过程中，伴随着能量的损失，而且蓄电池的使用寿命通常仅为5～8年，报废的蓄电池又将对环境造成污染，所以省去蓄电池后的光伏系统不仅可以大幅度降低造价，还可以具有更高的发电效率和更好的环保性能。
但即使这样，光伏系统的发电成本仍然会比电网中电力的发电成本高许多，必须由政府制定一些相关政策和法规，准许将其多余电力回馈给电网，并在价格上给予一些优惠。图2-2 并网运行的光伏发电系统框图2.2.3 混合型光伏发电系统
独立运行光伏发电系统在实际应用中经常会碰到这样的问题，即系统的供电保证率到底设计为多少为好?供电保证率设计得太低，无法满足和保证用户的用电要求；要提高供电保证率，则势必要大量增加系统中光电阵列的容量和蓄电池的容量，这将大幅度增加系统的造价和成本。
解决这个问题的一个比较好的方法是采用如图2-3所示的混合型光伏发电系统，即在系统中增加一台备用发电机组（在有供电线路时也可以采用市电）。当光电阵列发电不足或者蓄电池容量不足，所储存的电量已经耗尽时，可以启动备用发电机组。它既可用来直接给交流负载供电，又可通过一台整流器给蓄电池补充充电。图2-3 混合型光伏发电系统框图
在混合系统中，还可以由两种可再生能源发电技术构成混合系统。最常见的是风/光互补系统，这主要是因为风力资源和太阳光资源常常具有较好的互补特性。没有太阳的时候经常有风，没有风的时候常常有太阳。由于这种互补特性，风/光互补发电系统较之单一发电系统有着供电稳定性和保证率高的优点，系统的光电阵列容量和蓄电池容量也可以设计得低一些，使得整个系统的成本下降。
通信用的光伏发电系统通常也是混合型光伏发电系统。例如，某通信用光缆中继站的配电系统就是一个混合型光伏发电系统，如图2-4所示。图2-4 某电信用光缆中继站的混合型配电系统2.3 太阳能电池的特性及主要参数2.3.1 太阳能电池的主要参数
2.3.1.1 短路电流
当太阳能电池通过外电路直接短路时，流经外电路的电流称为太阳能电池的短路电流，用符号I表示。sc
从本质上来讲，太阳能电池的电流是由光照产生的非平衡载流子——电子和空穴，在内建静电场作用下的漂移运动而形成的。对于一个已经制成的太阳能电池，一定的光照条件所能激发产生的非平衡载流子——电子、空穴对也是一定的，不受外电路状况的影响。光电流I的特性很像一个恒流源，即使在外电路短路、输出电压为零的c情况下，输出电流也不会无限制地增加。
短路电流是太阳能电池能够向外电路提供的最大输出电流。当外电路电压不为零时，它的作用是正向偏置于太阳能电池的 PN 结上，所产生的暗电流同光电流的方向相反，抵消掉一部分光电流，使太阳能电池的输出电流降低。外电路电压越高，太阳能电池的总输出电流越小。
2.3.1.2 开路电压
太阳能电池组件在外电路开路情况下的端电压称为开路电压，用符号 V表示。在不存在有效力场的情况下，PN 结内建静电场是光oc生伏特效应的主要来源，内建静电场越强，它使光生非平衡电子和空穴各自向相反方向漂移，从而在半导体材料两端形成的光生电势就越高，在开路状态下形成的开路电压V也就越高。而内建电场的强弱oc又是同禁带宽度E直接相关的，E越大，V就越高。ggoc
除了内建静电场对开路电压的贡献以外，由于电子和空穴扩散系数不同而引起的光生电动势也对开路电压有一定的贡献。这种电动势称为丹倍电动势（Dember）。一般情况下丹倍电动势是很小的，但对于某些材料，例如非晶半导体材料，丹倍效应对开路电压V的贡oc献相对来说比较重要。
2.3.1.3 峰值功率
太阳能电池组件总的输出电功率等于其输出电压与工作电流的乘积。太阳能电池组件不同于具有电压源特性的蓄电池，蓄电池以相对恒定的电压产生电流，而太阳能电池组件可以在很宽的电压范围内产生电流。任何给定组件的输出性能都可以用特性曲线描述，称为太阳能电池组件的I－V曲线，该曲线展示出组件的输出电流与输出电压关系。图2-5是太阳能电池组件的典型I－V特性曲线实例，水平坐标代2表输出电压，垂直坐标代表输出电流，条件是太阳辐照度1000W/m2和电池温度25℃，通常称1000W/m为—个“峰值日照”。
在太阳能电池AV曲线上有3个具有重要意义的点，即最大功率点（V，I）、开路电压点（V，0）和短路电流点（0，I）。I-V曲mpmpocsc线上最大功率点标注为“V，I”，在这个工作点组件产生最大的mpmp2输出功率。太阳辐照度1 000W/m和电池温度25℃的运行条件已被广泛采用为标准化参数。从曲线上可以确定最大功率点的电压，即通过最大功率点向下延伸垂线，在电压刻度线上读取数值，图2-5所示曲线表示的最大功率点电压近似为17.3V。最大功率点的输出电流同样能够确定，方法是通过最大功率点向左延伸水平线，在电流刻度线上读取数值，图2-5所示曲线所示的最大功率点电流值近似为2.5A。用最大输出功率点电压乘以电流可以得到最大输出功率点的功率值。随着电压下降，输出功率减少；当超过最大功率点后，随着电压的增加，大多数组件的输出电流或输出功率将减少。开路电压（V）是当无oc电流从组件汲取时可能达到的最大电压，图2-5所示的开路电压大约是21.4V。短路电流（I）是组件在回路阻抗等于零，即外电路短路sc时能够达到的最大输出电流，图2-5所示曲线的短路电流值约为2.65A。在短路电流I或开路电压V的条件下，组件输出的功率均为0。scoc图2-5 功率太阳能电池组件的典型I－V特性曲线
I－V曲线上能使输出功率达到最大值P的工作点，称为最大功m率点。其对应的电压和电流为最大功率点电压V和最大功率点电流mpI。mp
P=IV （2-1）mmpmp2
在标准测试条件下，即在辐照强度为1 000W/m，大气质量为1.5（Aml.5），太阳能电池的结温为 25℃的环境中测得的太阳能电池的最大输出功率称为该太阳能电池的峰值功率，用符号W表示。峰P值功率W是表征太阳能电池输出能力和容量的一个很重要的参数。P
2.3.1.4 填充因子
太阳能电池输出特性的填充因子定义为：
它表示最大输出功率占以V和I为边长的矩形面积的百分比。ocsc填充因子是表征太阳能电池输出特性好坏的重要参数，它的值越高，表明太阳能电池输出曲线越趋近于矩形，电池的转换效率也越高。计算和实验证明，填充因子随开路电压 V的提高而提高。禁带较宽的oc半导体材料可得到较高的开路电压，因而有较高的填充因子。2.3.2 影响太阳能电池组件输出特性的主要因素
影响太阳能电池组件输出特性的主要因素是负载阻抗、日照强度、温度、阴影和晶体结构。
2.3.2.1 负载阻抗
太阳能电池阵列输出电压的确定取决于负载工作电压和功率大小，以及蓄电池标称电压等因素。例如，标称电压12V的光伏系统，组件工作电压范围选定在11.5～17.5V较为合适。为了给蓄电池充电，组件工作电压必须略高于蓄电池组端电压，具体电压数值的确定还需考虑蓄电池的类型和特定场地的太阳辐射水平。
图2-6示出了纯阻性负载与组件I－V特性曲线的匹配原理。如果负载阻抗R合适，则负载与组件的I－V特性处于最佳匹配，太阳能M电池组件可以运行在最大功率点P，此时组件工作效率最高；当负m载阻抗增加到R时，组件运行在高于最大功率点的电压水平，这时H输出电压增加少许，但电流明显下降，使组件输出功率减少，运行效率降低。当负载阻抗减小到R时，组件运行在低于最大功率点的电L压水平，这时输出电流略有上升，但电压急剧下降，同样使组件的输出功率减少、运行效率降低。图2-6 负载阻抗与组件特性匹配原理
感性负载（水泵或电动机）直接由太阳能电池阵列提供电能时，由于负载工作点经常改变，负载与阵列之间的阻抗匹配更为重要，为此，在大的感性负载系统中，应使用功率跟踪器。
2.3.2.2 日照强度
太阳能电池组件的输出功率与直接的太阳辐照度成比例，日照增强时，组件的输出功率也随之增加。日照强度变化对组件I－V特性曲线的影响如图2-7所示。从图2-7可以看出，如果保持I－V曲线的形状相似，随着日照水平下降，曲线将向下移动、组件输出电流减小。然而，日照强度变化时组件工作电压基本不变。图2-7 日照变化对组件I－V特性曲线影响
2.3.2.3 太阳能电池温度
太阳能电池组件温度较高时，工作效率降低。图2-8示出了较高的电池温度对组件性能的影响，I－V曲线形状虽没有改变，但是随着温度的升高曲线在向左移动，即组件温度上升工作电压下降。如果组件或阵列的最大功率点移动到低于负载工作电压时，输出点的温度对组件输出电流的影响流将明显减少。通常，在80～90℃，温度每上升1℃，组件的效率损失0.5%。因此，使太阳能电池板上下方的空气流动非常重要，这样可以将热量带走，避免太阳能电池因温度升高而损失效率。设计一种有利于组件冷却的安装方案十分必要，例如安装时电池板之间留有缝隙或分层安装等，都是组件散热较为简单的解决办法。应当选用高温性能好的太阳能电池组件或设计阵列时增加一些组件，以补偿由温度升高引起的电压损失。设计者要仔细查阅所选用的太阳能电池组件的 I－V 曲线，并就使用中的具体问题向厂商咨询。
2.3.2.4 阴影
阴影对太阳能电池组件性能的影响不可低估，一个局部阴影也会使输出功率明显减少。有些类型的组件对阴影极为敏感，图2-9所示曲线和表2-1的数据都显示出，在一个单晶硅电池组件上，一个单电池上的阴影可对整个组件的输出产生很大影响，例如，一个单电池被完全遮挡时，太阳能电池组件可减少输出75%。由于在组件电路里安装了二极管以减少阴影的影响，阴影的影响可能比展示在图2-9中的要小。但不能低估了局部阴影对太阳能电池性能的影响。表2-1 局部阴影对组件输出影响图2-8 温度对组件输出电流的影响图2-9 局部阴影对组件输出影响
设计和安装太阳能电池，首先要确保选择一个没有阴影的场地。如果阵列电池板上有可能产生阴影，设计者应考虑在安装时增加一些太阳能电池组件，以确保阵列产生的功率能够满足负载的需要。2.4 太阳能电池组件2.4.1 太阳能电池的串联和并联
单体太阳能电池的输出电压、电流和功率都很小，一般输出电压只有0.5V左右，输出功率只有1～2W，除了极个别情况以外很难得到实际应用，如图2-10（a）所示。为了提高输出功率，需要将多个单体太阳能电池合理地连接起来，并封装成太阳能电池组件，如图2-10（b）所示。在需要更大功率的场合往往还需要将多个太阳能电池组件连接成为太阳能电池阵（通常称之为“太阳能电池阵列”或“太阳能电池方阵”）向负载提供数值更大的电流、电压输出，如图2-10（c）所示。
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