《光伏发电技术系列讲座_1_光伏发电原理及发展现状9928.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光伏发电技术系列讲座_1_光伏发电原理及发展现状9928.docx（18页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 本文由lmj2003126贡献 ppdf文档档可能在WWAP端浏浏览体验不不佳。建议议您优先选选择TXTT，或下载载源文件到到本机查看看。 技术讲座座 王王宏华光伏发电电原理及发发展现状 光光伏发电技技术系列讲讲座 （ 1） 光光伏发电原原理及发展展现状 王王宏华 （ 河海大学学 自动化化工程系， 江苏 南南京 21100988） 摘 要： 阐阐述了太阳阳能光伏发发电系统的的基本结构构和工作原原理， 综综述了国内内外光伏发发电技术的的发 展展现状及发发展趋势。 关键词： 太阳能能； 光伏伏电池； 光伏阵列列； 光伏伏发电系统统 52776（ 22010） 0401186044 中图分分类号：
2、 TK511 文献标标志码： A 文章章编号： 16711The Seriies oof Leecturres oon Phhotovvoltaaic PPowerr Tecchnollogy（ Partt 1） PPrincciplee andd Devveloppmentt of Phottovolltaicc Powwer WWANG Hongghua （ Deeparttmentt of Autoomatiion EEnginneeriing，HHohaii Uniiverssity，NNanjiing 22100998，Chhina） Absttractt： Thhis ppaper
3、r desscribbes tthe pprincciplee andd strructuure oof phhotovvoltaaic ppowerr sysstem，aand ppreseents the lateest ddevellopmeent ttrendd aand rreseaarch proggresss of phottovolltaicc powwer ttechnnologgies KKey wwordss： soolar enerrgy； solaar ceell； phottovolltaicc arrray； phottovolltaicc powwer ssys
4、teem 00 引引言 众众所周知， 太阳能是是一种用之之不竭、 储量巨大大的清洁 可可再生能源源， 每天天到达地球球表面的辐辐射能量相相当于数亿亿万 1 桶桶石油燃烧烧的能量 ， 太阳阳能开发与与利用正逐逐步成为各各 国政府府重点发展展的战略。热热能和光能能利用是太太阳能应用用 。“光伏发电电” 的两种种重要形式式 是利用用光伏电池池的光伏效效 应将太太阳光的光光能直接转转换为电能能的一种可可再生、 无污染 正在全球球范围内迅迅猛发展， 其不仅要要替代部 的发电方方式， 分分化石能源源， 而且且未来将成成为世界能能源供应的的主体， 是世 界界各国可再再生能源发发展的重点点。本文阐阐述了太阳阳
5、能光伏 发电系统统的基本结结构和工作作原理， 综述了国国内外光伏伏发电 技技术的发展展现状及发发展趋势。 图1 单单晶硅光伏伏电池发电电原理 11 光光伏电池的的原理及发发展现状 PP， 区分分别带正、 N 负电电， 于是是产生由 N 区指指向 P 区的光生生 则有电电流从 PP 区流出出， 经负负载从 电电动势； 当外接负负载后， N 区流流入光伏电电池。 II 图 22 为光伏伏电池等效效电路， 其中，pph 为与与光伏电池池面 22 积、 入射光辐辐照度成正正比的光生生电流 （ 1 cmm 硅光伏伏电池 1 I N 的 I ph 值值为 166 330 mAA ） ； I DD ，shh
6、 分别为为 P- 结的正向向电 11839 年， 国国 的 EEdmonnd Beecqueerel 发 现 了“光 伏 效 法 ， 应” 即光照照能使半导导体材料内内部的电荷荷分布状态态发生变 N 化而而产生电动动势和电流流。光伏电电池是基于于半导体 P- 结结 接受太太阳光照产产生光伏效效应， 直直接将光能能转换成电电能的能 量转换器器。19554 年， 美国 BBell 实验室的的 G Pearrson 等发 其其原理如图图 1 所所示。 明明了单晶硅硅光伏电池池， 图 1 中， 太阳光照照射到光伏伏电池表面面， 其吸吸收具有一一 在内部部产生处于于非平衡状状态的电子子 空空穴 定能能量
7、的光子子， N 对； 在在 P- 结内建电电场的作用用下， 电电子、 空空穴分别被被驱向 NN， 区， P N 从而在 P- 结结附近形成成与内建电电场方向相相反的光 N 生电电场； 光光生电场抵抵消 P- 结内建建电场后的的多余部分分使 作作者简介： 王宏华华（ 19963 流流、 漏电电流； 串串联电阻 R S 主要由电电池体电阻阻、 电极极导体电 阻等组成成（ R S 一般般 11 ） ； 旁漏电阻阻 R ssh 由硅硅片边缘不不清 洁或或体内缺陷陷所致（ R shh 一般为为几 k） ； RL 为为外接负载载电 I U 电流流； 当负负载开路 阻，L ， O 分别为光光伏电池输输出电压
8、、 （ R L = ） 时时，U OO 即为开开路电压 U occ ， 其其与环境温温度成反 22 比、 与电池面面积无关（ 在 1000 mWW / ccm 的光光谱辐照度度下， 硅硅 22 光伏伏电池的 U occ 一般为为 4500 6600 mmV ） 。 与与图 2 对应的光光伏电池解解析模型为为 1 ： ） ， 江苏苏泰州人， 男， 博博士， 现现为河海大大学教授、 博士生导导师。研究究方向为新新型交直流流电力传动动等。 hhttp： ZZHDD chhinajjournnal net cn Emaiil： ZZZHD chaainajjournnal net cn机机械制造与与自
9、动化 1866 技术讲座座 王王宏华光伏发电电原理及发发展现状 图 3 表明， 一定的温温度、 照照度下， 光伏电池池对应存在在一 P max = U pmaxx I ppmax ） ， 个可能的的最大功率率输出运行行点（ 但但实际 工工作点则是是光伏电池池伏安特性性与负载伏伏安特性的的交点。 R* RR 图 33（ a） 中， 给给出了 33 条不同同阻值 RR L1 ， L ， L22 的电阻阻负载 其其与光伏电电池伏安特特性的 33 伏安特特性（ RR L1 R L R L22 ） ， M， 个个交点 AA， B 则为对应应的 3 个实际工工作点， 只有当负负载 * 电阻 RR L =
10、R LL 时光伏伏电池才运运行在最大大功率点 M， 输输出最 图图2 光伏伏电池等效效电路 II L = I pph I D I sh II ph = I sc SS + CC T （ T T reef ） 1 0000 大功功率 P max （ U pmaxx I ppmax ） 。事事实上，光光伏电池的的短路电流流与 辐照照度成正比比， 开路路电压与温温度成反比比，辐照度度增加、 温 3， 11- 122 ， 度降低将将使其最大大功率增加加 故随着着天气（ 辐照度、 温度） 变化， 应实时调调整负载的的伏安特性性使其相交交于光伏 “最大功率率点 电池池伏安特性性的最大功功率输出点点处， 以
11、以实现 。 跟踪（ MPPTT） ” 自 11954 年实用光光伏电池问问世至今， 晶体硅光光伏电池 占了光伏伏电池总产产量的 880% 以以上， 广广泛应用的的单晶硅光光 伏电池池光电转换换效率已接接近 255% ； 多晶硅光光伏电池的的光 电转转换效率虽虽较低， 但其材料料成本较低低， 可望望成为主导导产 2， 11- 5 。随着着光伏产业业的迅猛发发展， 具具有半导体体材 品之之一 料消消耗少、 易批量生生产、 低低成本、 对弱光转转化率高、 易实现 光伏建筑筑一体化等等优势的薄薄膜光伏电电池成为第第二代光伏伏 19776 年问问世的非晶晶硅薄膜光光伏电 电电池研发的的重点， 其中， 池
12、实验室室效率已达达 12 8% ； 200 世纪 80 年年代兴起的的铜铟 5 。 硒（ CIS） 多晶薄膜膜光伏电池池实验室效效率已接近近 20% 进入 21 世世纪， 以以提高光电电转换效率率、 降低低成本为目目标的第 如叠层、 玻璃窗式式、 纳米米光伏电池池等研究方方 三代光光伏电池， 5 1， 。 兴未未艾 2 * II D = I DD0 （ qqE T 3 nnkg（ T1 1 ） q（ U o + I L R S ） ） e e 1 reff T TT reff nkTT II sh = UUo + II RRs R sh II 上式中中，sc 为 R L = 0 时 的 短 路
13、 电 流 （ A） ； T 为为 环 境境 温 度度 （ KK） ； T reef 为参参考温度（ 一般取 298 K） ； S 为为实际太阳阳光辐 22 229 照度度（ W / m ） ； C T 为温度系系数（ AA / KK） ； q = 1 66 10 C； kk = 1 38 10 233 J / K； n，D00 分别为为二极管排排放系数、 I 反向向电 流； E gg 为表征征半导体禁禁带宽度的的常量（ V） 。 实用中， 为了满足足负载需要要的电压、 电流， 需将多个个容 并联联成数瓦到到数百瓦的的光伏模 量较小的的单体光伏伏电池串、 块（ 其其输出电压压一般在十十几 几十
14、VV） ， 进一步可可将多个 并联成光光伏阵列。图图 3 为为在环境温温度 255 光伏模模块串、 2 （ T = 298 K） ， 太阳光辐辐照度 SS = 11 0000 W / m 条条件下某光光 1 伏模块（ 其解析模模型参数参参见文献 ） 的的仿真输出出特性。 22 22 1 光光伏发电系系统的结构构和工作原原理 离离网型光伏伏发电系统统 离离网型光伏伏发电系统统亦称为独独立光伏发发电系统， 4 图 为为其典型结结构示意图图。 图图4 离离网型光伏伏发电系统统 图图 4 中中的蓄电池池是离网型型光伏发电电系统中必必不可少 图3 光光伏电池输输出特性 的储能器器件， 光光伏阵列受受太阳
15、光照照发出的电电能通过控控制 DCC 器、 / DCC 变换器器对蓄电池池进行高效效、 快速速充电； 而蓄电 池储存的的电能可通通过放电器器向直流负负载馈电或或经 DCC / AAC 1877 MMachiine BBuildding AA utoomatiion，AA pr 20100， 4） ： 1886 189 39（ 技术讲座座 王王宏华光伏发电电原理及发发展现状 11 20007 年则则增至 33 7333 MW 22。近年年 年产量量为 1663 33 MW， 来， 世世界光伏产产业以每年年超过 330% 的的速度递增增， 成为为发展 变变换向交流流负载供电电。控制器器根据当前前工
16、况通过过对 DCC / DDC 变换换 器 控控 制 调调 整 光光 伏 阵阵 列 等等 效 负负 载 的的 大 小小， 现 实 MPPPT； 另一方面面， 控制制器采用正正弦波调制制 （ SSPWM） 或空 间间矢量脉宽宽调制（ SVPWWM） 技技术对电压压源型 DDC / AC 逆逆变 器进进行控制以以输出总谐谐波畸变率率低、 稳稳定可靠的的交流电。 防反充二二极管可防防止蓄电池池对光伏阵阵列放电， 以避免反反向 电流流损坏光伏伏阵列。 电地区 系统 离离网型光伏伏发电系统统主要应用用于远离公公共电网的的无 2 或或容量较小小 （ 一一般不超过过几百瓦） 的户用光光伏 1 速速度最快的的
17、行业之一一。到 22009 年底， 全球光伏伏发电装机机容 6 当当年新增装装机约为 700 万千瓦 。 量累累计达 22 3000 万千瓦瓦， 近年年来， 并并网光伏发发电的应用用比例快速速增长， 已成为 并网光伏伏系统比例例仅为 光光伏发电的的主导市场场。19996 年， 7 99% ， 20077 年则增增加至 880% 左左右。目前前， 而 光伏与建建筑 相结结合的分布布式并网系系统市场份份额远大于于大型联网网光伏 电电站； 而而大型联网网光伏电站站是可再生生能源发电电的重要发发展 方向向， 其容容量可达 MW 或或 GW 级， 所所发电能可可直接并入入高 113 。据据国际能源源组织
18、（ IEA） 预测 ： 22020 年世 22040 年则占总总发 界光光伏发电的的发电量占占总发电量量的 1% ， 。 22 2 并并网型光伏伏发电系统统 并并网型光伏伏发电系统统与公共电电网相联接接， 其典典型结构 压压电网 11 7， 电电量的 220% 。 我国对光光伏电池的的研究始于于 19558 年。220 世纪纪 80 年 代以以前， 光光伏电池年年产量一直直低于 110 kWW。进入 21 世世纪 20000 年年光伏电 以来， 我国光伏伏产业的生生产能力快快速扩大， 3 MWW； 20007 年年， 成为为世界最大大的光伏电电 池年产产量猛增至至 池生产产国， 占占世界总产产
19、量的 227 22% ； 20088 年产量量达 2 000 155 MWWP， 仍仍居世界第第一 。22007 年， 无无锡尚德位位居世界光光 伏电池池生产厂产产量第 33。20007 年， 我国光伏伏发电装机机容量 累累计达 110 万千千瓦； 22008 年约为 15 万万千瓦； 20099 年则增增为 311 万千瓦瓦。目前， 我国光伏伏发电系统统主要为离离网型， 今后 将将逐步向并并网型光伏伏发电系统统方向发展展。据可可再生能 ， 源中中长期规划划 到 20200 年全国国建成 22 万个屋屋顶光伏发发电 项目目， 总容容量 1000 万千千瓦 2 示示意图如图图 5 所所示。 图图
20、5 并并网型光伏伏发电系统统（ 两级级式） 图图 5 中中， 实现现 MPPPT 的前前级 DCC / DDC 变换换控制与实实现 并网网控制的后后级 DCC / AAC PWWM 控制制独立， 降低了后后 逆变、 在提 级级逆变器并并网工作与与光伏阵列列输出功率率的相互影影响， 高高太阳能利利用率的同同时， 提提高并网电电流品质 12 。 。 综综观世界光光伏发电技技术几十年年来的发展展历程， 呈现出 2， 17 1- 113： 晶晶体硅光伏伏电池光电电转换效率率和生 如如下发展趋趋势 产技技术水平持持续提高； 随着晶晶体硅光伏伏电池的硅硅片厚度不不 硅材料料消耗不断断减小， 光伏电池池生产
21、成本本大幅降 断降低， CIS 非晶硅、 等薄膜光光伏电池已已逐步进入入市场， 随 低； CdTTe、 着着薄膜光伏伏电池技术术不断进步步， 薄膜膜光伏电池池的市场份份额 将快快速增长； 多晶硅硅薄膜光伏伏电池的光光电转换效效率不断接接 成本远远低于晶体体硅光伏电电池， 发发展前景 近晶体硅硅光伏电池池， 广阔阔； 叠层层、 量子子点、 多多能带、 热光伏、 多载流子子光伏电池池等 方兴兴未艾的新新一代光伏伏电池将克克服第一代代硅光伏电电池成本 第二代非非晶硅等薄薄膜光伏电电池光电转转换效率低低的局限， 高、 且且有原材料料丰富、 无毒等优优点； 光光伏发电产产业专用设设备和仪 光伏电池池生产
22、规模模及生产能能力快速 器制造技技术不断进进步， 增增长， 光光伏模块价价格大幅降降低； 并并网型光伏伏发电的应应用比例 不断增加加， 逐步步成为光伏伏发电的主主流，光伏伏系统与建建筑相 结结合的太阳阳能建筑逐逐步进入商商品化生产产时期。 尽管与传传统发电方方式相比， 目前光伏伏发电的成成本仍偏 高， 尚尚不具备大大规模商业业开发的条条件， 但但以太阳能能为主体 可以预测测 的新能能源将成为为 21 世纪世界界能源供应应的主体， 随着光伏伏产业的快快速发展， 光伏发电电的成本将将不断下降降并 逐步步逼近传统统发电成本本的水平， 从而成为为具备竞争争能力的 133 可再再生能源 。 参考考文献：
23、 1赵赵争鸣， M 刘刘建政， 孙晓瑛， 太阳能光光伏发电及及其应用 等等 1 版 北北京： 科科学出版社社， 20005 Emaiil： ZZZHD chaainajjournnal net cn机机械制造与与自动化 并并网型光伏伏发电系统统具有太阳阳能利用率率高、 可可省略蓄 电池储能能环节、 发电成本本较独立型型光伏发电电显著降低低等优 点点 10 ， 其是光伏伏发电技术术发展的趋趋势， 主主要有大型型联网光 伏伏电站和住住宅联网型型光伏系统统两大类， 其中， 光伏系统统与 建筑筑相结合（ BAPVV） 的住住宅屋顶联联网型光伏伏系统已成成为 光伏伏产业的一一个热点 4 2， 。 并并网
24、型 光光 伏 发发 电 系系 统 的的 关 键键 技 术术 包 括括 光 伏伏 阵 列列 MPPPT、 变变、并 网网 控 制制、并 网网 保 护护 及 孤孤 岛 效效 应 检检 逆 测测等 1111， 122 。 33 光光伏发电技技术的发展展趋势 “光伏效应应” 光伏发发电技术研研究始于 18399 年 的的发现。 11954 年，G Peaarsonn 等开发发出光电转转换效率为为 6% 的单晶 硅光伏电电池， 其其为现代晶晶体硅光伏伏电池的雏雏形。目前前， 高 效晶体硅硅光伏电池池和各类薄薄膜光伏电电池是世界界光伏产业业 的热点点之一 3 1- 。 在在光伏发电电技术开发发之初的 20
25、 世世纪 700 年代， 由于制 光伏发电电仅用于人人造卫星、 海岛灯塔塔等场所， 造成本高高， 22 19976 年年全球光伏伏电池 年年产量仅几几百千瓦 。220 世纪纪 80 年年代以来， 随着光伏伏电池技术术的不断进进步、 成成本不断降降低 （ 20033 年， 国际市场场光伏模块块的售价已已降至 22 5 3 美元 / 瓦； 20088 年， 美国 FFirstt Sollar 公公司 CddTe 薄薄膜光伏电电池成本 为 1 美元 / 瓦） ， 光伏伏产业迅猛猛发展，11997 年全球光光伏电池 1888 hhttp： ZZHDD chhinajjournnal net cn 技术
26、讲座座 王王宏华光伏发电电原理及发发展现状 22009（ 3） ： 18 技术， 111尹淞 太 阳阳能 光 伏 发电电主 要 技 术与与进展 电电 力技 术， JJ 20009（ 10） 12李李畸勇 基于模糊糊控制的最最大功率点点跟踪三相相光伏发电电系 D 20110 统统研究 南京京： 河海海大学博士士学位论文文， 13赵赵玉文， 吴达成，王王斯成， 中国光伏伏产业发展展研究报告告 等 （ 2000620077） （ 上） 太太阳能， J 22008（ 6） ： 11118 14马胜红， 李斌， 陈东兵， 加速开拓拓国内光伏伏市场的可可行性 等等 J 20009（ 112） 分析 太太阳
27、能， 155马胜红红， 李斌斌， 陈东东兵， 加加速开拓中中国国内光光伏市场的的必 等 J 20099（ 100） 要性和紧紧迫性 太阳阳能， 16杨萍 薄膜太阳阳电池市场场发展评析析 太阳能， J 22009（ 11） 17邓邓菊莲， J 崔崔海昱， 王志刚， 第三代太太阳电池技技术 太阳 等 22008（ 3） 能， 2王王长贵， M 王王斯成 太阳能光光伏发电实实用技术 22 版 北京： 20099 化学学工业出版版社， 3冯冯垛生， 主编， 宋金莲， 赵慧， 林珊， 等编著 太阳能能发电原理理 M 20077 与应应用 1 版版 北京京： 人民民邮电出版版社， 4蔡蔡宣三 太阳能光光伏
28、发电发发展现状与与趋势 电电力电子， J 22007（ 2） ： 36 55殷志刚刚 太阳阳能光伏发发电材料的的发展现状状 可再生能能源， JJ 20008（ 5） ： 17220 6王王乾坤， N 方方彤 世世界太阳能能光伏发电电发展剖析析 国家电网网 20110- 227 005报， 7尹璐， J 赵争鸣 光伏并并网技术与与市场现状与发发展 变 22008（ 10） ： 34439 频器世界界， 8刘道道春 太太阳能光伏伏发电技术术及其发展展前景 大众众用电， J 22009（ 3） ： 19220 9庾庾晋 太太阳能光伏伏发电存在在的问题及及促进措施施 光源与 J 22010（ 1） ：
29、 42444 照照明， 10尹淞， J 郝郝继红 我国太阳阳能光伏发发电技术应应用综述 电电力 收收稿日期： 20110 07 19 權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權 更更 正正 刊刊登在本刊刊 20110 年第第 3 期期第 611 页上的的图 4 应为： 图图4 三三针法测量量同一种螺螺纹单一中中径三种情情况的单针针局部图 公公式 dd0最佳 = pp 2coos /2 应应为： dd0最佳 = pp 2coos /2 （ 3） 特特此更正， 并向作者者表示歉意意。 机械制造造与自动化化 编辑辑部 MMachii
30、ne BBuildding A uttomattion，AA pr 20100， 4） ： 1886 189 39（ 1899 11本文由llmj200031226贡献 ppdf文档档可能在WWAP端浏浏览体验不不佳。建议议您优先选选择TXTT，或下载载源文件到到本机查看看。 技术讲座座 王王宏华光伏发电电原理及发发展现状 光光伏发电技技术系列讲讲座 （ 1） 光光伏发电原原理及发展展现状 王王宏华 （ 河海大学学 自动化化工程系， 江苏 南南京 21100988） 摘 要： 阐阐述了太阳阳能光伏发发电系统的的基本结构构和工作原原理， 综综述了国内内外光伏发发电技术的的发 展展现状及发发展趋势
31、。 关键词： 太阳能能； 光伏伏电池； 光伏阵列列； 光伏伏发电系统统 52776（ 22010） 0401186044 中图分分类号： TK511 文献标标志码： A 文章章编号： 16711The Seriies oof Leecturres oon Phhotovvoltaaic PPowerr Tecchnollogy（ Partt 1） PPrincciplee andd Devveloppmentt of Phottovolltaicc Powwer WWANG Hongghua （ Deeparttmentt of Autoomatiion EEnginneeriing，HHoh
32、aii Uniiverssity，NNanjiing 22100998，Chhina） Absttractt： Thhis ppaperr desscribbes tthe pprincciplee andd strructuure oof phhotovvoltaaic ppowerr sysstem，aand ppreseents the lateest ddevellopmeent ttrendd aand rreseaarch proggresss of phottovolltaicc powwer ttechnnologgies KKey wwordss： soolar enerrg
33、y； solaar ceell； phottovolltaicc arrray； phottovolltaicc powwer ssysteem 00 引引言 众众所周知， 太阳能是是一种用之之不竭、 储量巨大大的清洁 可可再生能源源， 每天天到达地球球表面的辐辐射能量相相当于数亿亿万 1 桶桶石油燃烧烧的能量 ， 太阳阳能开发与与利用正逐逐步成为各各 国政府府重点发展展的战略。热热能和光能能利用是太太阳能应用用 。“光伏发电电” 的两种种重要形式式 是利用用光伏电池池的光伏效效 应将太太阳光的光光能直接转转换为电能能的一种可可再生、 无污染 正在全球球范围内迅迅猛发展， 其不仅要要替代部 的
34、发电方方式， 分分化石能源源， 而且且未来将成成为世界能能源供应的的主体， 是世 界界各国可再再生能源发发展的重点点。本文阐阐述了太阳阳能光伏 发电系统统的基本结结构和工作作原理， 综述了国国内外光伏伏发电 技技术的发展展现状及发发展趋势。 图1 单单晶硅光伏伏电池发电电原理 11 光光伏电池的的原理及发发展现状 PP， 区分分别带正、 N 负电电， 于是是产生由 N 区指指向 P 区的光生生 则有电电流从 PP 区流出出， 经负负载从 电电动势； 当外接负负载后， N 区流流入光伏电电池。 II 图 22 为光伏伏电池等效效电路， 其中，pph 为与与光伏电池池面 22 积、 入射光辐辐照度
35、成正正比的光生生电流 （ 1 cmm 硅光伏伏电池 1 I N 的 I ph 值值为 166 330 mAA ） ； I DD ，shh 分别为为 P- 结的正向向电 11839 年， 国国 的 EEdmonnd Beecqueerel 发 现 了“光 伏 效 法 ， 应” 即光照照能使半导导体材料内内部的电荷荷分布状态态发生变 N 化而而产生电动动势和电流流。光伏电电池是基于于半导体 P- 结结 接受太太阳光照产产生光伏效效应， 直直接将光能能转换成电电能的能 量转换器器。19554 年， 美国 BBell 实验室的的 G Pearrson 等发 其其原理如图图 1 所所示。 明明了单晶硅硅
36、光伏电池池， 图 1 中， 太阳光照照射到光伏伏电池表面面， 其吸吸收具有一一 在内部部产生处于于非平衡状状态的电子子 空空穴 定能能量的光子子， N 对； 在在 P- 结内建电电场的作用用下， 电电子、 空空穴分别被被驱向 NN， 区， P N 从而在 P- 结结附近形成成与内建电电场方向相相反的光 N 生电电场； 光光生电场抵抵消 P- 结内建建电场后的的多余部分分使 作作者简介： 王宏华华（ 19963 流流、 漏电电流； 串串联电阻 R S 主要由电电池体电阻阻、 电极极导体电 阻等组成成（ R S 一般般 11 ） ； 旁漏电阻阻 R ssh 由硅硅片边缘不不清 洁或或体内缺陷陷所致
37、（ R shh 一般为为几 k） ； RL 为为外接负载载电 I U 电流流； 当负负载开路 阻，L ， O 分别为光光伏电池输输出电压、 （ R L = ） 时时，U OO 即为开开路电压 U occ ， 其其与环境温温度成反 22 比、 与电池面面积无关（ 在 1000 mWW / ccm 的光光谱辐照度度下， 硅硅 22 光伏伏电池的 U occ 一般为为 4500 6600 mmV ） 。 与与图 2 对应的光光伏电池解解析模型为为 1 ： ） ， 江苏苏泰州人， 男， 博博士， 现现为河海大大学教授、 博士生导导师。研究究方向为新新型交直流流电力传动动等。 hhttp： ZZHDD
38、chhinajjournnal net cn Emaiil： ZZZHD chaainajjournnal net cn机机械制造与与自动化 1866 技术讲座座 王王宏华光伏发电电原理及发发展现状 图 3 表明， 一定的温温度、 照照度下， 光伏电池池对应存在在一 P max = U pmaxx I ppmax ） ， 个可能的的最大功率率输出运行行点（ 但但实际 工工作点则是是光伏电池池伏安特性性与负载伏伏安特性的的交点。 R* RR 图 33（ a） 中， 给给出了 33 条不同同阻值 RR L1 ， L ， L22 的电阻阻负载 其其与光伏电电池伏安特特性的 33 伏安特特性（ RR
39、L1 R L R L22 ） ， M， 个个交点 AA， B 则为对应应的 3 个实际工工作点， 只有当负负载 * 电阻 RR L = R LL 时光伏伏电池才运运行在最大大功率点 M， 输输出最 图图2 光伏伏电池等效效电路 II L = I pph I D I sh II ph = I sc SS + CC T （ T T reef ） 1 0000 大功功率 P max （ U pmaxx I ppmax ） 。事事实上，光光伏电池的的短路电流流与 辐照照度成正比比， 开路路电压与温温度成反比比，辐照度度增加、 温 3， 11- 122 ， 度降低将将使其最大大功率增加加 故随着着天气（
40、 辐照度、 温度） 变化， 应实时调调整负载的的伏安特性性使其相交交于光伏 “最大功率率点 电池池伏安特性性的最大功功率输出点点处， 以以实现 。 跟踪（ MPPTT） ” 自 11954 年实用光光伏电池问问世至今， 晶体硅光光伏电池 占了光伏伏电池总产产量的 880% 以以上， 广广泛应用的的单晶硅光光 伏电池池光电转换换效率已接接近 255% ； 多晶硅光光伏电池的的光 电转转换效率虽虽较低， 但其材料料成本较低低， 可望望成为主导导产 2， 11- 5 。随着着光伏产业业的迅猛发发展， 具具有半导体体材 品之之一 料消消耗少、 易批量生生产、 低低成本、 对弱光转转化率高、 易实现 光
41、伏建筑筑一体化等等优势的薄薄膜光伏电电池成为第第二代光伏伏 19776 年问问世的非晶晶硅薄膜光光伏电 电电池研发的的重点， 其中， 池实验室室效率已达达 12 8% ； 200 世纪 80 年年代兴起的的铜铟 5 。 硒（ CIS） 多晶薄膜膜光伏电池池实验室效效率已接近近 20% 进入 21 世世纪， 以以提高光电电转换效率率、 降低低成本为目目标的第 如叠层、 玻璃窗式式、 纳米米光伏电池池等研究方方 三代光光伏电池， 5 1， 。 兴未未艾 2 * II D = I DD0 （ qqE T 3 nnkg（ T1 1 ） q（ U o + I L R S ） ） e e 1 reff T
42、 TT reff nkTT II sh = UUo + II RRs R sh II 上式中中，sc 为 R L = 0 时 的 短 路 电 流 （ A） ； T 为为 环 境境 温 度度 （ KK） ； T reef 为参参考温度（ 一般取 298 K） ； S 为为实际太阳阳光辐 22 229 照度度（ W / m ） ； C T 为温度系系数（ AA / KK） ； q = 1 66 10 C； kk = 1 38 10 233 J / K； n，D00 分别为为二极管排排放系数、 I 反向向电 流； E gg 为表征征半导体禁禁带宽度的的常量（ V） 。 实用中， 为了满足足负载需要要
43、的电压、 电流， 需将多个个容 并联联成数瓦到到数百瓦的的光伏模 量较小的的单体光伏伏电池串、 块（ 其其输出电压压一般在十十几 几十 VV） ， 进一步可可将多个 并联成光光伏阵列。图图 3 为为在环境温温度 255 光伏模模块串、 2 （ T = 298 K） ， 太阳光辐辐照度 SS = 11 0000 W / m 条条件下某光光 1 伏模块（ 其解析模模型参数参参见文献 ） 的的仿真输出出特性。 22 22 1 光光伏发电系系统的结构构和工作原原理 离离网型光伏伏发电系统统 离离网型光伏伏发电系统统亦称为独独立光伏发发电系统， 4 图 为为其典型结结构示意图图。 图图4 离离网型光伏伏发电系统统 图图 4 中中的蓄电池池是离网型型光伏发电电系统中必必不可少 图3 光光伏电池