太阳能光伏发电系统原理与应用技术：第1章 太阳能光伏发电系统概论
太阳能光伏发电系统及其应用48页PPT
• 春分日和秋分日赤道日辐射总量最大，向两 极递减，极点为零。
• 夏至日的日辐射总量从北回归线向南递减， 南极圈内为零；向北递增，北半球高纬最大 。
• 冬至日的日辐射总量从南回归线向北递减， 北极圈内为零；向南递增，南半球高纬最大 。
日照长度及其季节变化：一天之内的日照 长度越长，接收的太阳辐射越多。
1.核反应区：体积占1.6%，质量占50% 高温(800－1500万K)、高压
(3.3×1011atm)下的热核反应，氢核聚变成氦 核，释放巨大的能量。 2.辐射区：体积占一半，质量占49.9%
温度70万K，以辐射的形式向外传递能量。 3.对流区：体积占48.4%，质量仅占0.1%
温度70万K－6000K，以对流的形式将能量 传递到光球的底层，向外辐射。
的日珥、耀斑等的生、消、聚、散变化。
太阳黑子
地球
• 对太阳常数的影响： 太阳黑子活动强时，
太阳辐射强度增加，
太阳常数增大。
• 对近地面气候的影响： 统计分析为主，机理仍不清楚。例如：太
阳黑子低值年对应我国南涝北旱，高值年对 应南旱北涝。
大气圈顶太阳辐射时空分布的特点(W·m-2·d-1)
• 全年日辐射总量低纬大于高纬, 季节变化低 纬小于高纬。
二、太阳辐射能 (solar radiation)
1.太阳风 (solar wind)
太阳日冕以每天约5×107km的速度不断地 发射被电离的微粒子流，主要由电子和质子 组成，大约需3天到达地球。当吹到地球附 近时，与地磁场发生相互作用，产生大气电 离层的扰动和极光现象。
太阳风与地球磁场的相互作用
• 全年的总辐照量MJ/（m2.a）、 KW.h/（ m2.a）或全年日照小时数；
光伏发电系统概论
工程实例97-98年，S-W效应），以后发电量基本保持稳定。
2.BIPV技术和工程是可靠稳定的。
以上BIPV的诸多优势，将极大激励未来建筑光伏发电系统的发展
建筑光伏市场现状与未来趋势
100 80 60 40 20 0 德国
西班牙
意大利
法国
建筑光伏发电系统 地面发电系统
2019年欧洲建筑光伏发电和地面光伏发电系统比例
100 80
60
40
20
0 德国
西班牙 意大利
法国
美国
建筑光伏发电系统 地面发电系统
2019年欧美建筑光伏发电和地面光伏发电系统比例
2020年中国发展规划
PV Market by 2020
Market
Installed PV（MWp) Market Share（％）
东侧雨棚
区域
数量 个
区域细分
方格屋面
无阴影区 44 西边大阴影区
东边小阴影区
次桁架
中间无阴影区 52 西面大阴影区
东面小阴影区
主桁架
朝东 65
朝西
东南面无阴影区
基本站台 屋面
东南面有阴影区
1
东北面无阴影区
东北面有阴影区
效率比
85.60% 69.10% 80.70% 85.10% 74.40% 82.30% 24.50% 96.90% 85.60% 49.80% 85.60% 49.80%
图1-6是并网太阳能光伏发电系统的工作原理示意图。由太阳能电池组件方阵 将光能转化为电能，并经直流配线箱进入并网逆变器，有些类型的并网系统还要 配备蓄电池组储存直流电能。逆变器可以进行充放电控制、功率调节，交直流逆 变、并网保护切换。经逆变器输出的交流电供负载使用，多余电力可经变压器等 卖入公共电网。当并网系统因天气发电不足或负载用电量偏大时可以从公共电网 买电。系统还有监控、测试及显示系统，用于监控和检测系统工作状态，统计各 类数据。
太阳能光伏发电原理与实验
非晶硅太阳能电池
灵活 适应性强
光伏电池的效率
提高
不断进步
高水平
有效转化
总结
太阳能光伏发电原理是建立在光伏效应和P-N结 构基础上的。不同种类的光伏电池具有不同的材 料和工作原理，但它们都致力于将太阳能转化为 电能。随着技术的不断改进，光伏电池的效率得 到提高，为可再生能源的发展做出了重要贡献。
万用表
用于测量电池板 的输出电压和电
流
电线
用于连接太阳能 电池板与其他设
备
实验步骤
01 放置电池板
将太阳能电池板放置在充足的光照位置
02 连接电线
将电池板与万用表连接以测量输出
03 测量数据
记录电池板的输出电压和电流
实验数据分析
分析数据
计算电池板的输 出功率
改进方法
讨论改进实验的 方法
探讨误差
安全性
注意系统安全和稳定性 处理故障
设备维护
及时维护设备 保持系统运行稳定
总结
太阳能光伏发电系统设计是一个综合性的工程， 需要重视每个环节的设计和实施。仔细选择组件、 合理设计布局、严格安装调试、定期维护保养， 能够确保系统高效运行，为环境保护和可持续发 展做出贡献。
● 05
第五章 太阳能光伏发电的 环保与经济效益
系统设计
布局设计
考虑光照条件、 倾斜角度等因素
阴影处理
避免阴影对发电 效率的影响
连接方式
根据实际情况设 计连接方式
安装与调试
01 安装太阳能电池板
在光照充足条件下进行安装
02 连接逆变器
对系统进行调试和优化
03 系统调试
确保系统正常运行并实现电能输出
系统运行与维护
太阳能光伏发电系统原理与应用技术
太阳能光伏发电系统原理与应用技术一、引言在当今社会，能源问题日益成为人们关注的焦点。
传统的化石能源日益枯竭，同时也给地球环境带来了严重的污染。
寻找一种清洁、可再生的能源就成为了当务之急。
太阳能作为一种非常丰富的可再生能源，其应用前景广阔。
太阳能光伏发电系统作为太阳能利用的一种主要方式，在能源领域也备受关注。
本文将就太阳能光伏发电系统的原理与应用技术展开探讨。
二、太阳能光伏发电系统原理1. 太阳能光伏发电系统的基本构成太阳能光伏发电系统主要包括太阳能电池板、光伏逆变器、储能设备和配电系统等组成部分。
其中，太阳能电池板是太阳能光伏发电系统的核心部件，其作用是将太阳能转换为直流电能；光伏逆变器则是将直流电能转换为交流电能供电使用；而储能设备则可以将多余的电能储存起来，以应对没有太阳能供应的时候。
2. 太阳能电池板的工作原理太阳能电池板利用光能来产生电能，其主要工作原理是光生电效应。
当太阳光照射到太阳能电池板上时，光子会被太阳能电池板的半导体材料吸收，并激发出电子和空穴对。
这些电子和空穴对在电场的作用下，分别向两端移动，形成电流，从而产生了电能。
三、太阳能光伏发电系统应用技术1. 多晶硅和单晶硅太阳能电池随着技术的不断发展，太阳能电池的制备工艺也得到了极大的改进。
目前市场上主要的太阳能电池为多晶硅和单晶硅太阳能电池。
多晶硅太阳能电池通过将多晶硅棒切割成薄片来实现，而单晶硅太阳能电池则是利用单晶硅棒来生产。
这两种太阳能电池在光伏发电系统中应用广泛，且具有较高的转换效率和稳定性。
2. 太阳能光伏发电系统的并网技术随着太阳能光伏发电技术的不断发展，其并网技术也愈加成熟。
并网技术是指太阳能光伏发电系统将发电效果集中于电网内，以供应城市和居民的用电需求。
通过并网技术，太阳能光伏发电系统可以将多余的电能输送到电网中，从而实现供需平衡和能源优化利用。
3. 太阳能光伏发电系统的智能化管理随着物联网和大数据技术的发展，太阳能光伏发电系统的智能化管理也成为了发展趋势。
太阳能电池-工作原理、技术和系统应用的完整-太阳能电池课件-新南威尔士大学ppt课件
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太阳能电池概论
第一章 太阳能电池和太阳光
杂质半导体
n型半导体 Si Si Si Si
Si
P
Si
Si
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太阳能电池概论
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图中掺入的五 价P原子在晶体中替 代Si的位置，构成与 Si相同的四电子结构， 多出的一个电子在 杂质离子的电场范 围内运动。
第一章 太阳能电池和太阳光
杂质半导体
硅原子
Si
磷原子
水力
2001
2010
2020
2030
2040
太阳能电池概论
预计2040年太阳能电池占25%
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第一章 太阳能电池和太阳光
1.2 太阳能电池工作原理及发展概况
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1.2.1太阳能电池工作原理
太阳能 半导体材料
电能太阳能电池来自基本工作原理：光伏效应（Photovoltaic effect）
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太阳能电池概论
钱伯章 主编，《太阳能技术与应用/新能源技术丛书》，科学出版社，2010年； 赵雨等 主编，《太阳能电池技术及应用》，中国铁道出版社，2013年。
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太阳能电池概论
第一章 太阳能电池和太阳光
5
第一章 太阳能电池和太阳光
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太阳能电池概论
第一章 太阳能电池和太阳光
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主要内容
1.1 引言
1.2 太阳能电池工作原理及发展概况
纯净的单晶半导体 称为本征半导体。
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本征半导体
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太阳能电池概论
第一章 太阳能电池和太阳光
本征半导体中
价电子（热激发） 自由电子-空穴对
复合 平衡
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太阳能电池概论
本征半导体 16
太阳能光伏发电系统原理与应用技术习题答案
热斑效应：在一定条件下，一串联支路中被遮蔽的太阳能电池组件将被当做负载消耗其他被光照的太阳能电池组件所产生的部分能量或所有能量，被遮挡的太阳能电池组件此时将会发热，这就是热板效应。
热斑效应的防护：串联回路，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁路二极管Db，以避免串联回路中光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。
并联支路，需要串联一只防反二极管Ds ，以避免并联回路中光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所吸收，串联二极管在独立光伏发电系统中可同时起到防止蓄电池在夜间反充电的功能。
太阳高度角：太阳中心直射到地面的光线与当地水平面间夹角(h)，表示太阳的高度。
太阳方位角：太阳光线在地平面上的投影与当地子午线正南方的夹角，向西为正，向东为负，变化范围180；它表示太阳的方位，决定太阳光的入射方向。
大气质量m：太阳光线通过大气的实际距离与大气的垂直厚度之比，它是一个无量纲的量，用m表示。
峰值日照时数：是指将当地的太阳辐射量，折算成标准测试条件（辐照度1000W/m2）下的时数。
p-n结：n型半导体和p型半导体紧密接触，在交界处n区中电子浓度高，要向p区扩散，在n区一侧就形成一个正电荷的区域；同样，p区中空穴浓度高，要向n区扩散，p区一侧就形成一个负电荷的区域。
这个n区和p区交界面两侧的正、负电荷薄层区域称为“空间电荷区”，即p-n结。
光伏效应：p-n结及两边产生的光生载流子就被内建电场所分离，在p区聚集光生空穴，在n区聚集光生电子，使p 区带正电，n区带负电，在p-n结两边产生光生电动势。
上述过程通常称作光生伏特效应或光伏效应。
开路电压：受光照的太阳电池处于开路状态，光生载流子只能积累于p-n结两侧产生光生电动势，这时在太阳电池两端测得的电势差叫做开路电压短路电流：把太阳电池从外部短路测得的最大电流，称为短路电流，用符号Isc表示。
填充因子（FF）：表征太阳电池性能优劣的一个重要参数，它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比：太阳电池的结构;太阳电池是由p-n结构成的其上表面有栅线形状的上电极，背面为背电极，在太阳电池表面通常还镀有一层减反射膜（增加光的吸收率）。
太阳能光伏发电系统原理
太阳能光伏发电系统原理光伏发电系统是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。
这种技术的关键元件是太阳能电池。
太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电系统装置。
3.1光电效应概述光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。
这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。
3.2光生伏打效应概述及应用3.2.1光生伏打效应是指物体由于吸收光子而产生电动势的现象，是当物体受光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。
3.2.2光生伏打效应应用光生伏打效应主要是应用在半导体的PN结上，把辐射能转换成电能。
大量研究集中在太阳能的转换效率上。
理论预期的效率为24％。
由于半导体PN结器件在阳光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，也称光电池或太阳电池。
3.3太阳能电池及其太阳能组件3.3.1太阳能电池的工作原理太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。
这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
3.3.2太阳能电池的生产流程通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350～450μm的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。
如图1图1太阳能电池的生产流程3.3.3 太阳能电池的制造技术晶体硅太阳能电池的制造工艺流程如图2。
提高太阳能电池的转换效率和降低成本是太阳能电池技术发展的主流。
具体的制造工艺技术说明如下：（1）切片：采用多线切割，将硅棒切割成正方形的硅片。
（2）清洗：用常规的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或碱）溶液将硅片表面切割损伤层除去30－50um。
（3）制备绒面：用碱溶液对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备绒面。
（4）磷扩散：采用涂布源（或液态源，或固态氮化磷片状源）进行扩散, 制成PN＋结，结深一般为0.3－0.5um。
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本征半导体
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太阳能电池概论
第一章 太阳能电池和太阳光
本征半导体中
价电子（热激发） 自由电子-空穴对
复合 平衡
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太阳能电池概论
本征半导体 16
第一章 太阳能电池和太阳光
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在外电场作用下，电子的定向移动形成电流
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太阳能电池概论
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太阳能电池概论
第一章 太阳能电池和太阳光
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1941年Ohl展示了一种基于天然p-n结的光伏器件。 1946年Ohl研发出了硅制太阳能电池。
硅铸锭中，杂质在熔 融时分离形成天然的 p-n结。切割硅锭便可 制备太阳能电池。
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太阳能电池概论
早期太阳能电池 结构示意图
第一章 太阳能电池和太阳光
40
1954年贝尔实验室的三位科学家发现，在硅中掺杂一些杂 质后，硅对光更加敏感。他们共同研制出了第一块现代太阳 能电池，转换效率达到6%。这是太阳能电池发展史上一个 重要里程碑，为人造卫星提供了可贵的能源。
水力
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太阳能电池概论
预计2040年太阳能电池占25%
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第一章 太阳能电池和太阳光
1.2 太阳能电池工作原理及发展概况
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1.2.1太阳能电池工作原理
太阳能 半导体材料
电能
太阳能电池
基本工作原理：
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能源消耗增加自然生态破坏、人造气体增加环境恶 化（吸收7～13m辐射能，阻碍地球能量的正常逃逸 ）。
温室效应
图1-1 当地球和太阳都被视为黑体时，地球吸收和向外辐射的光谱能譜分布 （图中两条曲线的峰值已被归一化处理，并且水平轴坐标尺度是对数尺度）
温室效应
尽管因为其十足的实用性和经济性，太阳 能电池在今天被人们所使用着，但是使用太阳能发 电的潜在好处就是，光伏发电是所有发电方式中对 环境最友好的一种。发电对环境的影响，特别是温 室效应，是又一个促使人们研究太阳能发电的因素。 接下来将给出对温室效应的简短概述。
存了能量，让地球保暖。大气层使地球平均温度保持在
15°C左右，比月球的高33°C。
二氧化碳强烈地吸收波长在13-19微米波段的辐射，
而另外一种大气气体——水蒸气，能强烈吸收波长在4-7微
米波段的辐射。
大多数逃逸出地球的辐射的波长集中在7-13微米波段这个
“窗口”。
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温室效应
人类活动正在不断地向大气排放“人造气
体”，这些气体能吸收波长在7-13微米范围内的
辐射，特别是二氧化碳、甲烷、臭氧、氮氧化物以
及含氯氟烃（CFC’S）。这些气体阻碍了热能的正
常逃逸并有可能使地表温度升高。
现有的证据显示，到2030年，起效果的CO2水 平将是现在的两倍。致使全球温度升高1到4度。
这将引起风的流动模式和降雨量的变化，其结果可
些新兴平台。
第1章 太阳能光伏发电系统概论
太阳能光伏发电系统：
太阳太阳能太阳能电池蓄电池控制器 逆变器光伏发电系统 + 风光互补发电系统
1.1 太阳能光伏发电的重要意义
1.1.1世界能源危机日益加剧
能源需求量日益增加，化石能源的储量有限能源危机
中国及世界主要常规能源储量预测
1.1 太阳能光伏发电的重要意义
能源领域因为其燃烧化石燃料而成为温室气体 的最主要生产者，像光伏发电这种能够代替化石燃
料的技术必须得到越来越多的应用(Blakers et. al.,
1991)。
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过度依赖煤炭的结果
●过度依赖煤炭，环境影响更加严重。煤几乎满足了我国一 次能源需求的70%，66%的城市大气颗粒物的含量和 22%的城市的二氧化硫含量均超过国家空气质量二级标 准，在冬季这些污染物的浓度更大，通常为夏季的2倍， 环境专家估计，大气中90%的二氧化硫和70%的烟尘来 自于燃烧。
太阳能光伏发电系统 原理与应用技术
太阳能光伏发电系统原理与应用技术
使用教材： 何道清等.太阳能光伏发电系统原理与应用技术. 2012.
参考书籍： 1.杨金焕.太阳能光伏发应用技术.北京：电子工业出版社，2009. 2.周志敏、纪爱华.太阳能光伏发电系统设计与应用实例.
北京： 电子工业出版社， 2010. 3.谢建、马永刚.太阳能光伏发电工程实用技术.北京：化
能导致大陆内部变得干旱以及地球海平面上升。排
放的人造气体增长的越多，当然造成的影响就越严
重。
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温室效应
大气中，二氧化碳含量的上升（蓝线）与平 均温度（红线）的上升相聚在一起。
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温室效应
很显然，人类现在活动的规模已经达到了能 够影响地球环境和它对人类的吸引力的程度了。它 的副作用将是毁灭性的，在未来的几十年，那些对 环境影响很小以及不排放温室气体的技术将变得越 来越重要。
地球的温度是来自太阳的辐射跟从地球射 向太空的辐射达到平衡的结果。地球大气层的存在 和物质的构成强烈地影响着从地球排放出去的辐射。
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温室效应
1、如果我们地球像月球一样没有大气层，那么地球表面的
平均温度将下降到大约－18°C。
2、然而，自然形成的占大气质量百万分之270（270ppm）
的二氧化碳（CO2 ），吸收了飞向太空的辐射，也因此保
学工业出版社 2010. 4.沈辉、曾祖勤.太阳能光伏发电技术.北京：化学工业出
版社，2004. 5.王长贵、王斯成.太阳能光伏发电实用技术. 北京：化学
工业出版社，2010. 6.太阳能光伏发电技术相关网站
太阳能光伏发电系统原理与应用技术
教学内容和重点： •太阳及太阳能； •太阳能电池原理、特性、制作方法、使用和维护； •蓄电池的原理、特性、安装、使用和维护； •控制器的原理、结构、功能、操作调试方法； •逆变器的原理、结构、功能、操作调试方法； •光伏发电系统的组成、设计、安装调试及运行维护； •风光互补发电系统的组成、设计、安装调试及运行维
气质量和能见度等有重要的影响。
科学家用PM2.5：表示每立方米空气中这种颗粒的含量，这 个值越高，就代表空气污染越严重。
PM2.5产生的主要来源：是日常发电、工业生产、汽车尾 气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物，大多含有重金 属等有毒物质。 一般而言，粒径2.5微米至10微米的粗颗粒物主要来自道路 扬尘等；2.5微米以下的细颗粒物（PM2.5）则主要来自化 石燃料的燃烧（如机动车尾气、燃煤）、挥发性有机物等。
护； •实验。
考核方法（参考）： •课程成绩=平时(20%)+期末考试(80%)。
第1章 太阳能光伏发电系统概论
第1章 太阳能光伏发电系统概论
国务院常务会议审议并原则通过《国务院关于加快培育 和发展战略性新兴产业的决定》，七个产业被纳入战略性 新兴产业规划。(2010.9.8) 节能环保产业：为节约资源、保护环境提供技术、装备
和服务保障的产业； 高端装备制造产业：包括我国高速铁路等技术等； 生物产业：包括生物医药和生物农业等； 新材料产业：包括以纳米材料为代表的新材料的应用等 新能源汽车：包括燃料电池汽车、混合动力汽车、氢能
源动力汽车和太阳能汽车等； 新能源产业：太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质
能和核聚变能等的发现和应用； 新一代信息技术产业：互联网、云计算为技术基础的一
●煤废料的处理仍是问题。煤炭开发利用过程中产生的大量 的腐蚀性水、煤泥、灰渣和飞灰等，已构成对工农业生产 和生态环境的危害，成为制约所在地区可持续发展的一个
制约因素。
PM2.5 ：
PM2.5 ：是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也 称为可入肺颗粒物。它的直径还不到人的头发丝粗细的1/20。 虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空