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1序言太阳能光伏技术是利用半导体材料的光电效应将太阳能直接转化为电能的一种技术形式，是太阳能利用的一种重要形式。光伏发电技术近年来发展很快，成本持续下降。据EPIA、Greenpeace和德意志银行的预测，到2015年左右，光伏发电就可以做到每度电15美分，达到“平价上网”，即与常规发电成本相一致。届时，光伏发电的市场将会迅速增长太阳光伏发电优势明显，具体表现为以下几点：体积小、重量轻，单位重量比功率为50-1000W/kg；寿命长：20-50年（工作25年，效率下降20%）；零排放：无燃料消耗，无噪声，无污染；发电不用水（高倍聚光电池也如此），可在荒漠地区建设；运行可靠，无机械转动部件，使用安全，免维护，无人值守；太阳能资源永不枯竭（至少50亿年），各地区差异不大，可实现分布式电站；生产资料丰富，硅材料储量丰富，为地壳上除氧之外的丰度排列第二，达到26%之多；不单独占地：可以安装到建筑上；规模大小皆宜，可为10W-100GW，可以“搭积木”式建设和安装；安装容易，建设周期短，安装成本低；能量回收期短，只有0.8-3.0年，能量增值效应明显，达8-30倍；规律性强，可预测，调峰效果明显，调度比风力发电容易；降价潜力大。因此，太阳光伏发电具有最广阔的发展前景，是各国最着力发展的可再生能源技术之一。欧洲联合研究中心（JRC）对光伏发电的未来发展作出如下预测：2020年世界太阳能发电的发电量占世界总能源需求的1%，2050年占到20%，2100年则将超过50%。最近国外的研究报告指出，几年内我国将成为温室气体量排放最多的国家。世界银行估计，2020年我国由于空气污染造成的环境和健康损失将达到GDP总量的13%。为此，我国政府积极努力，承诺到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%。根据我国可再生能源中长期发展规划给出的数据，看出我国未来的能源和电力来源将是太阳能。我国太阳电池的研究开发始于1958年，1971年就成功地将自主研发的太阳电池首次应用于我国发射的东方红二号卫星上，于1973年开始将太阳电池用于地面。自1981年开始，太阳电池及其应用开始列入国家的科技攻关计划，通过“六五”（1981-1985年）到“十一五”（2006-2010年）六个五年计划，在太阳电池器件和应用技术方面取得了可喜的成绩；2000年以后国家科技部又启动了国家“863”计划和“973”计划，分别对光伏发电的产业化技术和基础性研究给予支持。2第一章户用太阳能电源太阳能户用电源系统主要是指办公楼、住宅等配合建筑安装的，为住户自身供电的小型光伏发电系统，一般由光伏电池板、蓄电池、充放电变换器和控制器构成。白天，发电系统对蓄电池进行充电；晚间，发电系统对蓄电池所储存的电能进行逆变放电，实现对住户负载的供电。太阳能户用电源由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。1.1太阳能电池板太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。一、太阳能电池发电原理太阳能电池是一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，现以晶体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。图1-1太阳能电池原理图当光线照射太阳能电池表面时，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。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。二、晶体硅太阳能电池的制作过程“硅”是我们这个星球上储藏最丰量的材料之一。自从19世纪科学家们发现了3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，晶体硅太阳能电池是近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。三、太阳能电池的应用上世纪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。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界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。太阳能光伏玻璃幕墙组件得应用越来越多，随着上海和北京的几个项目进入实质性运转，这种方式将会代替普通玻璃幕墙，它具有反射光强度小、保温性能好等特点！“请来小半屋顶的太阳光，就能把家里的电视机、电冰箱、微波炉……都带动起来！”中国首套专为家庭设计的太阳能光伏发电系统，已在上海莘庄某小区成功运行了100天，产生了令人惊奇的功效。这套装置的主人上海电力学院赵春江博士是一位太阳能专家。去年12月中旬，他在自己位于莘庄某小区一幢小高层顶层的三层复式建筑的屋面上安装了一套总面积22平方米的硅晶光伏电池板阵。100天来，这套系统为赵家“造”出了797度电。一旦进入夏秋季节，这些光电板的工作热情会更高，每天将能发出10来度电。女主人颇为自豪地说，“这套设备预计全年可产电3000度，足够全家电器的用电所需。”赵春江简要介绍了这套家用发电系统的优点。对国家，它可节省发3000度电所消耗的标准煤1140公斤，减少二氧化碳排放3.6吨。对个人，它的直接好处是“用电自主”，而且还无需任何日常维护。他表示，如果下述两个重要问题能够及时解决，那么这套具有许多优点的家用太阳能发电系统就能在上海，甚至在全国全面推广。首先，是必须抓紧制订标准和施工程序，让大家有章可循。更重要的是，有关部门应当拿出一个向居民适价采购“太阳电”的具体方案，以帮助安装家用太阳能发电系统的家庭降低投资成本。41.2太阳能控制器太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。太阳能控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时获得PV站的工作信息，又可详细积累PV站的历史数据，为评估PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。此外，太阳能控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控。太阳能控制器三大功能:1.功率调节功能。2.通信功能：1）简单指示功能2）协议通讯功能如RS485以太网,无线等形式的后台管理.3.完善的保护功能：电气保护反接,短路,过流等。1.3蓄电池一般为铅酸电池，一般有12V和24V这两种，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。太阳能硒光电池太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转换成电能的器件，又叫光伏器件。将太阳光能转换成电能的固体半导体器件，又称太阳能电池或光电池，是太阳电池阵电源系统的重要元件。主要有单晶硅电池和单晶砷化镓电池等。单晶硅太阳电池的基本材料为纯度达0.999999、电阻率在10欧·厘米以上的P型单晶硅。包括p-n结、电极和减反射膜等部分。受光照面加透光盖片（如石英或渗铈玻璃）保护，防止电池受外层空间范爱伦带内高能电子和质子的辐射损伤。单体电池尺寸从2×2厘米至5.9×5.9厘米，输出功率为数十至数百毫瓦，它的理论光电转换效率为20%，实际已达到11.2%～14.8%。单晶砷化镓太阳电池的理论光电转换效率为24%，实际达到18%。它能在高温、高光强下工作，耐辐射损伤能力高于硅太阳电池，但镓的产量较少，成本高。级联p-n结太阳电池是在一块衬底上叠加多个不同带隙材料的p-n结，带隙大的顶结靠光照面，吸收短波光，往下带隙依次减小，吸收的光波波长逐渐5增长，这种电池可以充分利用日光,光电转换效率大大提高。为了提高单体太阳电池的性能，可以采取浅结、密栅、背电场、背反射体、绒面和多层膜等措施。增大单体电池面积有利于减少太阳电池阵的焊接点，提高可靠性。日本制成了世界上第一架太阳能照相机,重量仅有475克,机内装有先进的太阳能电池系统,其蓄电池可连续使用4年。美国一家公司生产了一种新型的135太阳能照相机,它的光圈、速度均由微电脑自动控制,电力则由太阳能硒光电池提供,只要有光线就能供电使用。1.4逆变器在很多场合，都需要提供AC220V、AC110V的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。为能向AC220V的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。如一台逆变器输入了100瓦的直流电，输出了90瓦的交流电，那么，它的效率就是90％。图1-2正弦波逆变器原理图正弦波逆变器提供高质量的交流电，能够带动任何种类的负载，但技术要求和成本均高。准正弦波逆变器可以满足我们大部分的用电需求，效率高，噪音小，售价适中，因而成为市场中的主流产品。方波逆变器的制作采用简易的多谐振荡器，其技术属于50年代的水平，将逐渐退出市场。表1-1逆变器种类及特点种类特点方波逆变器修正波逆变器正弦波逆变器交流电压波形方波阶梯波正弦波优点线路简单，价格便宜，维修方便比方波有明显改善、高次谐波含量减少，当阶梯达到17个以上时输出波输出波形好、失真度很低，对收音机及通信设备干扰小、噪声低，此外6形可实现准正弦波，当采用无变压器输出时，整机效率很高。还有保护功能齐全，整机性能高等优点缺点高次谐波多，损耗大，噪声大，对收音机及通信设备干扰大。线路比较复杂，对收音机和某些通信设备仍有一些高频干扰。线路相对复杂、对维修技术要求高、价格较昂贵。一些使用电动机的电器或工具，如电冰箱、洗衣机、电钻等，在启动的瞬间需要很大的电流来推动，一旦启动成功，则仅需较小的电流来维持其正常运转。因此，对逆变器来说，也就有了持续输出功率和峰值输出功率的概念。持续输出功率即是额定输出功率；一般峰值输出功率为额定输出功率的2倍。必须强调，有些电器，如空调、电冰箱等其启动电流相当于正常工作电流的3-7倍。因此，只有能够满足电器启动峰值功率的逆变器才能正常工作。7第二章光伏电站2.1电站概况通过太阳能电池方阵将太阳能辐射能转换为电能的发电站称为太阳能光伏电站。太阳能光伏电站按照运行方式可分为独立太阳能光伏电站和并网太阳能光伏电站。图2-1型光伏电站（独立型、并网型）未与公共电网相联接独立供电的太阳能光伏电站称为离网光伏电站。主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为边远偏僻农村、牧区、海岛、高原、沙漠的农牧渔民提供照明、看电视、听广播等基本的生活用电，为通信中继站、沿海与内河航标、输油输气管道阴极保护、气象电站、公路道班以及边防哨所等特殊处所提供电源。独立系统由太阳电池方阵、系统控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等组成。与公共电网相联接且共同承担供电任务的太阳能光伏电站称为并网光伏电站。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化