转载：硅太阳能电池工作原理

硅太阳能电池工作原理

Solar Cell  Principle

   本征半导体

原子最外层的电子为价电子，硅原子的外层电子壳层中有4个价电子，在硅晶体中每个原子有4个相邻原子，硅原子和每一个相邻硅原子共享2个价电子，从而形成稳定的8原子结构。见图1左图。

图1--本征半导体示意图

硅原子的外层的电子受原子核的束缚比较小，在光照或温度作用下得到足够的能量时，会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来位置留出一个空穴。电子带负电，空穴带正电，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。见图1右图。

在常温下，纯净的硅晶体中电子和空穴的数目极少，导电性极差。称这种纯净晶体为本征半导体。

   N型半导体与P型半导体

在纯净的硅晶体中掺入少量的杂质，即5价元素磷（或砷，锑等），由于磷原子具有5个价电子，所以1个磷原子同相邻的4个硅原子结成共价键时，还多余1个价电子，这个价电子很容易挣脱磷原子核的吸引而变成自由电子。掺入了5价元素的硅晶体变成了电子导电类型的半导体，也称为Ｎ型半导体，见图２左。

图2--Ｎ型半导体与P型半导体

在Ｎ型半导体中，除了由于掺入杂质而产生大量的自由电子以外，还有由于热激发而产生少量的电子-空穴对。然而空穴的数目相对于电子的数目是极少的，所以在Ｎ型半导体材料中，空穴数目很少，称为少数载流子，而电子数目很多，称为多数载流子。

同样如果在纯净的硅晶体中掺入少量的杂质，即3价元素，如硼（或鋁、镓或铟等），这些3价原子的最外层只有3个价电子，当它与相邻的硅原子形成共价键时，还缺少1个价电子，因而在一个共价键上要出现一个空穴，因此掺入3价杂质的4价半导体，也称为P型半导体，见图2右。

对于P型半导体，空穴是多数载流子，而电子为少数载流子。

   PN结

若将Ｐ型半导体和Ｎ型半导体两者紧密结合，联成一体时，由导电类型相反的两块半导体之间的过渡区域，称为 PN 结。在PN 结两边，由于在P型区内，空穴很多，电子很少；而在N型区内，则电子很多，空穴很少。由于交界面两边，电子和空穴的浓度不相等，因此会产生多数载流子的扩散运动。

扩散运动是基于电子相互排斥和相互碰撞理论建立的，同层次轨道上的电子会自动从电子相对集中的地方流向电子稀少的地方，这一流向不需要外界的电场作用。扩散运动的动力应与同层次轨道中载流子浓度的变化率（也叫浓度梯度）成正比。

下面的图3与图4是P型半导体与N型半导体接触相互扩散的示意图，图中仅表现掺杂的原子，在P型半导体中为3价的硼原子与它的空穴，在N型半导体中为5价的磷原子与它的自由电子。

图3是Ｐ型半导体和Ｎ型半导体两者刚靠在一起的瞬间，由于N型半导体的多数载流子自由电子浓度远大于P型半导体内自由电子浓度，这些电子将向P型半导体扩散。同样由于P型半导体的多数载流子空穴浓度远大于N型半导体内空穴浓度，这些空穴将向N型半导体扩散。

图3--自由电子与空穴扩散

扩散的过程为：在靠近交界面附近的N区中，电子越过交界面与P区的空穴复合，使P区出现一批带负电荷的硼元素的离子。同时在N型区内，由于跑掉了一批电子而呈现带正电荷的磷元素离子。

同样可解释为：在靠近交界面附近的P区中，多数载流子空穴越过交界面与N区的电子复合，从而使N区出现一批带正电荷的磷元素离子。同时在P型区内，由于跑掉了一批空穴而呈现带负电荷的硼元素的离子。

图4--扩散形成PN结

扩散的结果是在交界面的一边形成带正电荷的正离子区，而交界面另一边形成带负电荷的负离子区，称为空间电荷区，这就是PN 结，是一层很薄的区域。

在PN 结内，由于两边分别积聚了负电荷和正电荷，会产生一个由正电荷指向负电荷的电场，即由N区指向P区的电场，称为内建电场（或称势垒电场)。

   光生伏打效应

室温下从硅的原子的价电子层中分离出一个电子需要1.12eV的能量，该能量称为硅的禁带宽度。分离过程称为激发，被分离出来的电子是自由电子，能够自由移动并传送电流。半导体在太阳光照耀下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使半导体中原子的价电子受到激发而成为自由电子，形成光生电子-空穴对，也称光生载流子。

太阳能电池由PN结构成，在P区、空间电荷区和N区都会产生光生电子-空穴对，这些电子-空穴对由于热运动，会向各个方向迁移。 

在空间电荷区产生的与迁移进来的光生电子-空穴对被内建电场分离，光生电子被推进N区，光生空穴被推进P区。在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为0。

在N区，光生电子-空穴产生后，光生空穴便向PN 结边界扩散，一旦到达 PN结边界，便立即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入P区，而光生电子（多数载流子）则被留在N区。

同样，P区中的光生电子也会向PN结边界扩散，并在到达PN结边界后，同样由于受到内建电场的作用而在电场力作用下作漂移运动，进入N区，而光生空穴（多数载流子）则被留在P区。

因此在PN结两侧形成了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使P型层带正电，N型层带负电，因此产生了光生电动势。这就是“光生伏打效应”（简称光伏）。

   太阳能电池与主要特性

太阳能电池发电原理是光生伏打效应，故太阳能电池也叫光伏电池。

太阳能电池由PN结构成，将负载电阻RL连接到PN结两端，构成一个回路，图5是这个回路的示意图。

图5--光伏电池原理

当太阳光照在太阳电池上产生光生电动势，就有电路流过负载电阻RL，被PN结分开的过剩载流子中就有一部分把能量消耗于降低PN结势垒，用于建立工作电压U，而剩余部分的光生载流子则用来产生光生电流I。

常用的太阳电池的主要特性是伏安特性，图6的左图是硅太阳电池的伏安特性，图中曲线是在一定强度阳光照射下的伏安特性曲线。

当把太阳电池短路，即RL = 0，输出电压为0，则所有可以到达PN结的过剩载流子都可以穿过PN结，并因外电路闭合而产生了最大可能的电流，该电流称为短路电流Isc。

如果使太阳电池开路，即负载电阻 RL 无穷大，通过电流为0，则被PN结分开的全部过剩载流子就会积累在PN结附近，于是产生了最大光生电动势的开路电压Voc。

图6--光伏电池伏安特性曲线

太阳电池在光照不同时的伏安特性曲线也不同，在图6右图中有三根在不同光照强度（辐照度）下的伏安特性曲线，显示了太阳电池的光照特性。在三种不同的光照强度下，太阳电池的开路电压V1、V2、V3相差不大，单片硅太阳电池在常温下的开路电压约为0.45V至0.6V。主要特性是短路电流Isc与照射光的辐照度成正比，显然辐照度越强，输出电流越大，且输出电流有一定的恒流性。

太阳电池的等效电路可以用一个恒流电源与一个二极管并联表示，恒流电源决定着太阳电池的输出电流，二极管则影响开路电压。恒流电源输出电流为Iph，流过二极管的正向电流称为暗电流ID。实际上由于器件存在漏电，就要并上旁路电阻Rsh；由于器件体电阻和电极的欧姆电阻要加上串联电阻Rs。图7就是一个完整的等效电路，图中R是负载电阻，V是负载电阻上的电压，I是通过负载电阻的电流。

图7--太阳电池的等效电路

当太阳电池的负载电阻RL值变化时，通过电流与电压的关系按其伏安曲线变化，见图8，RL较小时，通过电流为I3，电压为V3；RL较大时，通过电流为I1，电压为V1。

太阳电池的输出功率是RL上电流与电压乘积，不同的RL值有不同的输出功率，图8中蓝色虚线是电池的输出功率对应输出电压的变化曲线，RL在某个值时，可得到最大输出功率，此时电流为Im，电压为Vm时，在曲线上对应的点M称为该太阳电池的最佳工作点，功率电压曲线在该点为最大值Pm，硅太阳电池的Vm约为0.5伏。

图8--光伏电池伏安特性曲线与最大功率曲线

太阳电池的光电转换效率为电池的最大输出功率与该电池接收的全部辐射功率的百分比。测试使用的阳光辐射强度为800W/m2至1000W/m2。

太阳电池还有一些特性，如开路电压Uoc随温度升高而降低等。需了解其他特性请另找参考资料。

   太阳电池的分类

太阳电池主要分为晶体硅太阳电池与薄膜太阳电池，晶体硅太阳电池又分为单晶硅太阳电池与多晶硅太阳电池，薄膜太阳电池种类较多，主要是非晶硅太阳电池。

单晶硅太阳电池

单晶硅太阳电池由单晶硅片制造，在单晶硅材料中，硅原子在空间呈有序的周期性排列，具有长程有序性。这种有序性有利于太阳能电池的转换效率的提高，目前单晶硅太阳电池转换效率为14%-17%，最高达24%。单晶硅太阳电池生产工艺成熟，广泛应用在航天，高科技产品中。但单晶硅太阳电池制造过程复杂，制造需要的能耗大，成本高。

多晶硅太阳电池

多晶硅材料则是由许多单晶颗粒（颗粒直径为数微米至数毫米）的集合体。各个单晶颗粒的大小，晶体取向彼此各不相同，其转换效率约13%至15%，最高达20%。多晶硅太阳电池比单晶硅太阳电池生产时间短，制造成本低，在市场上有重要地位。

非晶硅太阳电池

非晶硅太阳电池采用很薄的非晶硅薄膜（约1 mm厚）制造，硅材料消耗很少，可直接在大面积的玻璃板上淀积生成硅半导体薄膜，制备非晶硅的工艺和设备简单，制造时间短，能耗少，适于大批生产。

非晶硅太阳电池的转换效率5%-8%，最高达13%，特点是在弱光下也能发电。非晶硅太阳电池的主要缺点是稳定性稍差。但价廉与弱光发电使它广泛用在民用产品中。
 

太阳能电池与组件

Solar Cell and module

   硅太阳能电池

硅太阳能电池采用硅晶体薄片制作，片厚约0.2mm，硅晶体薄片的尺寸一般为156mm×156mm（6英寸）或125mm×125mm（5英寸）。图1是单晶硅与多晶硅晶体薄片的照片（照片来自网络），左图是6英寸的单晶硅片，右图是5英寸的多晶硅片。

图1--单晶硅与多晶硅片

  在硅晶体薄片表面制作PN结，在上下表面做电极构成太阳能电池。图2是硅太阳能电池的结构示意图，该图显示的仅是硅太阳能电池的一小块截体。电池主体是PN结，为了防止硅晶体薄片对太阳光产生反射，把上表面制成无反射的绒面；为进一步减小反射，在上面还要敷一层透明的减反射膜；在电池上表面有电极线与N型半导体连接，在电池下表面有电极线与P型半导体连接。为了清晰显示层次，图中对N型半导体、绒面、减反射膜的厚度进行了放大，实际是很薄的。

图2--硅太阳电池的结构示意图

制作太阳能电池的硅晶体为掺杂3价硼的P型半导体，主要制作流程是：

1. 抛光清洗  

对硅片表面进行化学抛光并进行清洗。我们把朝向太阳的一面称为上表面，把背向太阳的一面称为下表面。

2. 制作绒面 

光滑的硅晶体薄片表面会反射掉部分太阳光，见图3左图，为了防止对太阳光产生反射，要在薄片上表面用化学腐蚀生成凸凹面，凸凹面好像无数的金字塔排列在一起，使太阳光尽量射入硅晶体，见图3右图。只是这些金字塔非常细微，高约10μm，可使硅晶体薄片上表面反射大大减少，较全面的吸收太阳光。

图3--金字塔绒面减少太阳光的反射

3. 扩散制结 

在P型硅晶体薄片的绒面上表面扩散5价的磷，在绒面下生成0.3至0.5μm深的N型半导体，这样，在硅晶体薄片的上表面是N型半导体，在硅晶体薄片的下表面是P型半导体，交界面附近就是PN结，见图4。

4. 刻蚀去边 

为防止上下表面短路，必须把硅晶体薄片周边因制结生成的扩散层去除。同时还要去除在硅片表面因扩散生成的磷硅玻璃与氧化物残迹。

5. 制作减反射膜 

虽有绒面，但仍有经过二次或三次反射出去的太阳光，为进一步减少对光线的反射，还要在上表面沉积一层减反射薄膜，成分主要是和Si3N4（氮化硅）或TiO2（氧化钛），生成蓝色透明薄膜，膜厚为75nm至80nm，见图4。

图4--硅太阳电池的上表面结构示意图

6. 制作上下电极  

在上下表面制作连接外电路的电极，上电极要尽量减少对射入光线的遮挡，使用多根细线（栅线）把电流汇集到较粗的引出线（主线），上电极线主要采用银浆丝网印刷的方法制作。下电极用银铝浆丝网印刷宽的母线，然后再在整片上印一层铝浆做反射层，把穿透过来的光子反射回去。

为了使银、铝浆电极与硅材料完全紧密接触，还需通过烧结过程，烧结使双方材料表面的原子相互融入，特别是可以烧穿减反射膜，使上电极与硅半导体紧密接触。

图5是单片单晶硅太阳能电池与多晶硅太阳能电池图片，电池片上横的细线是栅线，竖的粗线是主线。

图5--硅太阳电池片

太阳能电池的每一个生产环节都要进行严格的质量检查，不让有缺陷的产品进入下个生产环节，太阳能电池最后一个环节是电气性能性能检测，也就是通过测量得到太阳能电池的伏安特性曲线。要测量主要参数是开路电压、短路电流、最大功率点、最佳工作电压、最佳工作电流、转换效率等。最后根据外观与所测参数对电池进行分级分类。

   太阳能电池组件

单个硅太阳能电池片的输出电压约0.4伏，必须把若干太阳能电池片经过串联后才能达到可供使用的电压，并联后才能输出较大的电流。多个太阳能电池片串并联进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，太阳电池组件是太阳能发电系统的基本组成单元。

图6是一块太阳能电池组件，也就是常说的太阳能电池板。

图6--太阳电池组件

太阳电池组件的主要生产过程如下。

1. 电池分选

为提高电池片的利用率，将性能一致或相近的电池片组合在一起，应根据其性能参数进行分类；电池测试即通过测试电池片的输出参数（电流和电压）的大小对其进行分类。

2. 电池片的焊接

汇流带为镀锡的铜带，使用电烙铁和焊锡丝将汇流带焊接到电池上面（负极）的主线上，伸出的汇流带将与后面的电池片的背面电极相连。

通过背面焊接将N张片电池串接在一起形成一个电池串，称为串焊，使用电烙铁和焊锡丝将单片焊接好的电池的上面电极（负极）的伸出端焊接到下一个电池的下电极（正极）上，见图7上图，图7下图是以焊好的3个电池片。图7中各零件相互间的尺寸比例与实际有较大差别，仅为示意图。

图7--电池片的焊接

将串接在一起的整个电池串的正负极焊接出引线，并检验整个电池串的特性，修理有问题的电池串。

3. 叠层

太阳能电池组件的种类较多，按照封装材料和工艺的不同与用途的不同，封装方式也不同，下面介绍的是普通硅太阳能电池的常用封装方式。

在电池串的上面采用钢化玻璃封装，有很高的强度与很好的透光性，可有效地保护电池片；电池片的下面采用有良好绝缘性能、能抗紫外线抗环境侵蚀的热塑聚氯乙烯复合膜（TPT）做背面:三者之间采用热融胶粘膜（EVA）进行粘接，EVA透光率高，并有柔韧、耐冲击、耐腐蚀，在热压下熔融固化后有很好的粘合性。封装的层次见图8.

图8--太阳能电池组件叠层结构

将电池串、钢化玻璃和切割好的EVA 、TPT背板按照一定的层次敷设好，敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置，调整好电池间的距离，准备层压。

4、组件层压

将敷设好的电池组件放入层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使EVA熔化将电池、玻璃和TPT背板粘接在一起；最后冷却取出组件。层压工艺是太阳能电池组件生产的关键一步，层压温度和层压时间根据EVA的性质决定。

层压时EVA熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边，所以层压完毕应将其切除。

7、装框

类似与给玻璃装一个镜框；给玻璃组件装铝框，增加组件的强度，进一步的密封电池组件，延长电池的使用寿命。边框和玻璃组件的缝隙用硅酮树脂填充，各边框间用角键连接。
在组件背面引线处粘接一个接线盒，以利于电池与其他设备或电池间的连接。

图9是封装好的单晶硅太阳能电池组件正面与反面，图10是封装好的多晶硅太阳能电池组件正面与反面，在反面可看到电池接线盒。

图9--单晶硅太阳能电池组件正面与反面（照片来自网络）

图10--多晶硅太阳能电池组件正面与反面（照片来自网络）

太阳能电池组件也就是常说的太阳能电池板，作为太阳能发电场用的尺寸较大，大的可达2米长1米宽，一般为1.5m长，0.8m左右。也可根据需要做成不同尺寸、不同电压、不同形状的组件，见图11。

图11--多种尺寸的太阳能电池组件（照片来自网络）

9、组件测试

测试的目的是对电池的输出功率进行标定，测试其输出特性，确定组件的质量等级。在标准光照条件（辐照度1000W/m²）下的输出电压一般为30至50伏，短路电流约10安培。
在实际应用中，若干电池组件安装在同一个支架上，串并连接后输出，通常把这些组合在一起的太阳能电池称为太阳能电池阵列（方阵）。

图12是太阳能电池与太阳能电池组件的图形符号，符号是普通电池符号加个圆圈，极性与普通电池一样，图12下方是太阳能电池组件或阵列的常用画法。

图12--太阳电池与组件的图形符号

半导体光电子元器件

Optoelectronic devices

利用半导体光-电子（或电-光子）转换效应制成的各种功能器件称为半导体光电子器件，半导体光电子器件有多种形式，这里仅介绍利用光电导效应与光生伏特效应制作的器件。

   光敏电阻

某些半导体材料在光照射时，透到材料内部的光子能量足够大，一些电子吸收光子的能量，从原来的束缚态变成导电的自由态，这时在外电场的作用下，流过半导体的电流会增大，即半导体的电导会增大，这种现象叫光电导效应。

光敏电阻就是具有光电导效应的电阻器件，该器件的电阻随光照加强而减小，图1就是光敏电阻器件结构图。上图是光敏电阻芯片的俯视图，下图是芯片的剖面图，为看清楚，图中半导体光敏层与金属电极层加厚许多倍。

图1--光敏电阻结构图

用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体物质,在陶瓷或玻璃基板上均匀地敷上一层薄的半导体物质，作为半导体光敏层。在光敏层上面有两个金属电极，电极是蒸镀的金或其他金属薄膜，电极呈梳状，梳齿交错排列，两梳齿极间有间隙，露出光敏层，弯曲的间隙加长了两电极的宽度，以提高灵敏度，两电极连接两根金属引出线（引脚）。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层透明膜，膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大，并起到防潮等保护作用，金属薄膜电极通过引出线接入电路。

图2是光敏电阻器件芯片与外观图，左图是光敏电阻管芯的结构图，右图是封装好的光敏电阻。

图2--光敏电阻器件芯片与外观图

图3是光敏电阻的实验电路图与图形符号。 在实验中，没有光照在光敏电阻时，电流表读数为0，随光照加强，光敏电阻阻值减小，电流表读数加大。光敏电阻的文字符号是RL或RG或R。

图3--光敏电阻的图形符号

图4是光敏电阻的一个应用电路图，当环境光亮度下降时，该电路可启动继电器接通照明电路。由RP、RL组成的分压电路与R1、R2组成的分压电路输入运算放大器A进行比较，当环境光亮度下降到设定值时，光敏电阻RL阻值上升，分压点电压高于R2上的电压，放大器A输出低电位，三极管Q导通，继电器K的常开触点闭合，照明灯点亮。调整可变电阻RP可改变设定值。

图4--暗激发光控电路

   光敏二极管

某些由PN结构成的半导体材料在无光照时，半导体PN结内部存在自有电场。当光照射在PN结及其附近时，在能量足够大的光子作用下，在结区及其附近会产生少数载流子（电子与空穴对）。载流子在结区外时，靠扩散进入结区；在结区中时，则因电场E的作用，电子漂移到N区，空穴漂移到P区。结果使N区带负电荷，P区带正电荷，产生附加电动势，此电动势称为光生电动势，此现象称为光生伏特效应。更多有关内容参见“光伏电池原理”课件，在此不再介绍。

在本课件介绍的是采用光生伏特效应制造的光电子器件，图5是根据不同用途制造的不同外形、不同安装方式的光伏电池，这些光电子器件不是用来发电的，仅是作为对光的检测元件使用，通常称它们为光电二极管或光敏二极管。图6左边上方是光电二极管的图形符号，仅用在检测或控制电路中；图6左边下方是光伏电池的符号，表示太阳电池或太阳电池组件，也可用在检测或控制电路中。

图5--多种规格的光电二极管（图片来自网络）

由于光伏电池输出电流相对于光照强度有好的线性，特别是短路电流，采用运算放大器可以把短路电流变化转变为电压变化。图6右图是光电二极管电流电压转换电路，通过对输出电压的检测就可以得到光照强度。有关运算放大器的工作原理这里不介绍了，请另找参考资料。

图6--光电二极管电流电压转换电路

在太阳能设备跟踪系统中常用4象限光电池对太阳方位进行检测，图7是不同外形与规格的4象限光电池。

图7--4象限光电池（图片来自网络）

4象限光电池一般是圆形光伏电池片构成，圆形光伏电池片被分割成4个独立的扇形，图8左图是电池片结构，D1、D2、D3、D4是4个独立的光电池。图8右图是4个电池片用4个运算放大器分别进行电流/电压转换的电路示意图。

有一些4象限光电池器件附带放大器，把4个电池片的电流分别转换成电压输出，使用非常方便。图9就是这种4象限光电池器件的照片，称为4象限带前放探测器。

图8--4象限光电池片与放大器

图9--4象限带前放探测器（图片来自网络）

 

太阳能电池最大功率点跟踪

Maximum Power Point Tracking （MPPT）

本课件介绍太阳能光伏电池的最大功率点跟踪控制MPPT(Maximum Power Point Tracker)。最大功率点跟踪可进一步提高太阳能电池的转换效率,充分利用光伏阵列转换的能量。

   太阳能电池的伏安特性分析

为什么要进行最大功率点跟踪，要从太阳能电池的伏安特性说起，下面以某品牌高效硅太阳能电池组件为例进行介绍，图1是该组件在光照强度（辐照度）为800W/m2，电池温度为25度时的特性曲线，图中红色实线是伏安特性曲线，红色虚线是电压功率曲线。在“硅太阳能电池工作原理”一节已介绍过，电池组件的输出功率随电压的变化曲线按电压功率曲线变化，在输出电压为Um，输出电流为Im时，输出功率最大，此点称为太阳能电池的最大功率点。

图1--光伏电池伏安特性曲线与电压功率曲线

图1仅是光照强度为800W/m2，电池温度为25度时的特性曲线，但光照强度与温度发生变化时曲线会发生变化。图2是该电池组件在电池温度为25度时在不同日照强度下的伏安特性曲线与电压功率曲线。图中黄色实线是光照强度为1000W/m2时的伏安特性曲线，黄色虚线是光照强度为1000W/m2时的电压功率曲线，此时最大功率输出为320W，在伏安特性曲线上的小圆点是最大功率点。

图2--不同辐照下的伏安特性曲线与电压功率曲线

在图2中还有几组不同光照强度的曲线，例如光照强度为400W/m2时最大功率输出为125W。

总的特点是当光照强度增加时，太阳能电池的开路电压变化不大，短路电流增加，最大输出功率增加。

图3是该组件在光照强度为1000W/m2时，不同电池温度时的电压功率曲线。当电池温度为10度时，其伏安特性曲线如粉红色实线所示，电压功率曲线如粉红色虚线所示，此时最大输出功率为340W；当电池温度为55度时，其伏安特性曲线如绿色实线所示，电压功率曲线如绿色虚线所示，此时最大输出功率为280W。

图3--不同温度的伏安特性曲线与电压功率曲线

可见其主要特点是电池温度增加时，太阳能电池的开路电压下降，短路电流稍有增加，最大输出功率减小。

   太阳能电池最大功率点跟踪

最大功率点跟踪控制MPPT使太阳能电池板能在各种不同的日照和温度环境下有效地跟踪最大功率点，是使用合适的MPPT 控制算法控制电池板尽可能地工作在最大功率点上。本课件只就常用的3种方法的工作原理作简单介绍。

图4是太阳能电池最大功率点跟踪控制主要组成框图，主要通过采集电池阵列的输出电压与电流，根据相应控制算法，调整变换器的输出来改变电池阵列的输出电压，达到对最大功率点的跟踪。变换器输出端的电压与电流检测用于计算机对输出控制的参考。

图4--最大功率点跟踪控制主要组成框图

   恒电压跟踪CVT(Constant Voltage Tracker )

在图2中可看到，当温度一定时，各曲线的最大功率点基本在一根垂直线上，只要找到这条垂直线，确定电压值Um，通过对负载的控制使电池板输出维持在Um，就可以保证电池板在大多数光照条件下工作在最大功率点。

CVT方法具有控制简单,可靠性高,稳定性好，易于实现等优点，由于这种跟踪方式忽略了温度对太阳能电池开路电压的影响。以单晶硅太阳能电池为例，当环境温度每升高1 ℃时，其开路电压下降率为0.35%～0.45%，对于四季温差或日温差比较大的地区，该方式不能在所有的温度环境下跟踪最大功率。

CVT方法的优点：控制方法简单、稳定性较高、易于实现。

CVT方法的缺点：由于没有考虑太阳能电池温度对开路电压的影响，当电池温度变化较大时能量损失较大。

CVT方法只是一种近似的最大功率跟踪方法，实用在环境温度变化不大、日照稳定的地区的小型光伏系统。

一个简单简单的方法，可在电池板附近设置环境温度检测，根据环境温度值与经验来修正Um值，可在一定程度上弥补温度变化带来的功率损失。

   扰动观察法（Perturbation and Observation method）

扰动观察法也称为登山法，是一个自然寻优过程，目前应用较多。其原理是在光伏阵列正常工作时，每隔一定的时间用较小的步长改变太阳能电池的输出电压，方向可以是增加也可以是减少，并检测功率变化方向，来确定寻优方向，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继续“干扰”，如果输出功率减小，就改变其扰动方向，如此不停地周而复始,使太阳能电池板动态地工作在最大功率点的附近。

显然系统工作点无法稳定运行在最大功率点上，只能在最大功率点附近振荡运行，而振荡的幅值则由步长决定。若扰动步长过大，跟踪的速度快，但在最大功率点附近的振荡幅度比较大，可能造成较大功率损失；若步长过小，功率损失会小些，但跟踪的速度会慢，系统的响应速度降低。当日照随时间变化不快时，此算法是非常有效；当光强发生突变时，可能得到错误的跟踪方向。如果步长太小时会难以引起功率变化，无法判别寻优方向。

扰动观察法的优点：原理简单，测量参数少，转换效率高，硬件实现较为方便。

扰动观察法的缺点：步长对控制精度和速度影响较大，系统工作点无法稳定在最大功率点上，会导致部分功率损失；对外界环境变化的响应能力较差，故只适用于光强变化小的环境。

改进方法是在系统起动初期，或扰动引起的功率变化太小时可加大扰动步长，以尽快找到寻优方向，待系统稳定后再减小步长。这样可减小功率的损失。

   电导增量法（Incremental ConductanceMethod）

电导增量法是通过比较太阳能电池的瞬时电导和电导的变化量来计算最大功率点的方法，目前应用也较多，其原理如下。

在图5中有一条太阳能电池板的电压功率曲线，曲线上有3个点，在曲线最顶处是最大功率点，对应电压为Um，根据数学知识，在最大功率点曲线的斜率为零，也就是dp/du=0；在电池板输出电压大于Um时，曲线的斜率为负，dp/du＜0，如右侧点；在电池板输出电压小于Um时，曲线的斜率为正，dp/du＞0，如左侧点。

图5--太阳能电池的最大功率点

于是可以通过判断dp/du的值来判断电池板的工作点位置。

            

计算的主要流程见图6，当前时刻t的电压为Ut，电流为It；上次计算后进行控制的电压为Ut-1，电流为It-1；ΔU是电压修正的步长，Utk为当前计算后应控制的电压。

首先判断dU与dI是否同时为0，同时为0则表示已工作在最大功率点，保持Utk值仍为Ut-1值；如果dU=0，dI≠0，则通过判断dI的正负来修正Ut-1值为Utk值；如果dU=0，则根据dI/dU与-I/U之间的大小关系来修正Ut-1值为Utk值。

图6--电导增量法计算处理框图

电导增量法的优点：在光照和温度变化时，太阳能电池阵列的输出电压能平稳地追随环境变化，使太阳能光伏阵列最后稳定在最大功率点附近的某个点，而不是来回的跳动，电压波动较扰动观察法小，控制精确，响应速度较快。

电导增量法的缺点：对硬件的要求特别是对传感器的精度要求比较高，整个系统造价较高。

以上介绍了最大功率点跟踪控制常用算法恒定电压法、电导增量法、扰动观测法的原理，除此之外还有基于扰动观测法的改进自适应算法、利用数学模型或查表方法确定最大功率点的方法等等，本课件就不一一介绍了，有兴趣的网友请另参考资料。

固定安装式太阳电池阵列

Fixed-Mounted Solar Array

   太阳能电池的固定安装

大多数太阳电池采用固定安装，为了获得较强的太阳光辐射，由电池组件组成的电池板应向南方倾斜（北半球），用支架支撑固定，与地面角度为本地纬度值最好，对于在屋顶安装，也要尽量满足这个要求。

图1是常用的地面安装固定方式示意图，采用双排立柱（支架）固定电池板。

图1--双排立柱固定安装太阳电池组件 

图2是采用单排立柱（支架）固定电池板（为显示支架结构，电池组件以半透明显示）。

图2--采用单排立柱固定电池板 

图3是采用三角形支架固定电池板。

图3--采用三角形支架固定电池板

固定安装费用少，结实可靠，图4是网络上的大型太阳电池方阵照片，是由许多固定安装的太阳能电池阵列组成。

图4--大型太阳电池方阵

太阳能光伏电站往往由多块电池阵列组成，阵列间的距离对电站的输出功率和转换效率有较大的影响，如安装不妥，后排的太阳光将被前排遮挡。与阵列间距密切相关的是太阳高度角。太阳高度角是指对于地球上的某个地点在某一时刻太阳光的入射方向线和地平面之间的夹角；太阳方位角是阳光的入射方向线在地面的投影线与南北方向线间的夹角。

图5是计算太阳能电池板间距的示意图，L为电池阵列的高度，其南北方向影子的长度为Ls（到后面阵列的距离）。一般来说，为使太阳电池输出功率不受影响，应保证在影子最长的冬至日，从午前9:00 至午后15: 00，前板的影子不会遮挡后板。冬至时太阳能电池板安装地点在9时或15时的太阳高度角h与太阳方位角α可通过计算得到，由于计算较复杂，这里不做介绍。可以查阅“冬至太阳位置图表（请另找资料）”得到。根据这些数据可计算出影子的倍率R:

式中:

R——— 影子倍率           L——— 阵列高度

Ls——— 影子长度          h——— 太阳高度角

α——— 太阳方位角        e-——组件最低点与地面距离，不宜低于0.3m

图5--太阳能电池板间距计算图

根据上式

      LS = L·ctgh·cosα

即可计算出间距Ls。下表为计算出的间距（影子倍率）供大家参考。

    太阳能电池在建筑物上安装

一般住宅可把太阳能电池板固定安装在朝阳面的屋顶，见图6。

图6--安装在屋顶的太阳能电池板

大面积的平顶建筑物非常适宜铺装太阳能电池板，在纬度较低的地区可直接平铺，见图7。

图7--平铺在屋顶的太阳能电池板（照片来自网络）

在纬度较高的地区的平顶建筑物宜将太阳能电池板向南倾斜安装，见图8。

图8--在平屋顶上倾斜安装的太阳能电池板

在纬度较高的地区，可在朝南（北半球）墙面安装太阳能电池板，见图9。

图9--在垂直墙面安装的太阳能电池板

把薄膜太阳能电池夹在玻璃板中间制作成光伏幕墙，把幕墙安装在建筑物外表，这样的建筑物称为光伏建筑，是目前所有利用太阳能的方式中最重要、最理想、最具应用前景的技术之一。图10为光伏幕墙建筑。

图10--光伏幕墙建筑

   安装太阳能电池发电系统的基本条件

对于家用或小型太阳能发电装置主要根据需要并参考当地太阳的辐照条件进行建设，但对较大的光伏电站，要考虑的条件就较多了。

   日照条件

太阳能系统设计不仅要考虑直射到电池板太阳辐射强度值，也需要年平均太阳辐射总能量值（MJ/m2a）与年日照时数（h），这是考虑太阳能系统的经济效益的主要参考值。我国将太阳能资源分为4个等级，见下表。

中国的太阳能资源较丰富，有三分之二以上地区的年太阳辐照量超过5000MJ/m2，年日照时数在2200h（小时）以上。

   环境条件

可提供的场地，包括屋顶、墙面，保证光伏电站所需的空间与安装条件。对于并网型光伏电站还要考虑与输电线路的距离（包括变电站）。

   气象条件

1. 温度：太阳能电池具有较大的温度系数，较大的光伏电站采用较多组件并串输出高达数百伏的电压，对于一个输出800V的电池阵列，当温度从常温降至-20度时开路电压降增加15%，将增加120V左右，输出功率也增加许多，在最大功率点跟踪与逆变器容量方面要充分考虑温度的变化。温度升高时电池板的散热也是问题，散热不好会使输出功率进一步减少。

2、风速 ：根据当地的风速、风向计算风压，风压值将直接影响电池板支架与基础的设计与安装。

3、降水与降雪：组件下沿的高度一定要高于最大积雪深度，不然可能存在组件被埋在雪里的可能；积雪深度还用来计算雪压值。

冰雹多发区要考虑电池板的承受能力。

干旱地区蒸发量远大于降水量，水源多来自水井，需开挖深水井，还可能是有腐蚀性的碱性水，这对清洗板子都成问题。

4、恶劣天气：进行避雷方案设计时需参考多年平均雷暴日数；多年平均沙尘暴日数、多年平均扬沙日数决定光伏电站的清洗频率；灰尘遮挡与多年平均霾日数也是造成系统效率损失的重要参考值。

5、冻土深度：在进行设计时，电池板支架基础的深度要在冻土层以下，以保证支架基础的稳定性。