| 硅太陽能電池工作原理 | | Solar Cell Principle | 本征半導體 | 原子最外層的電子為價電子，硅原子的外層電子殼層中有4個價電子，在硅晶體中每個原子有4個相鄰原子，硅原子和每一個相鄰硅原子共享2個價電子，從而形成穩定的8原子結構。見圖1左圖。 | 
圖1--本征半導體示意圖 | 硅原子的外層的電子受原子核的束縛比較小，在光照或溫度作用下得到足夠的能量時，會擺脫原子核的束縛而成為自由電子，并同時在原來位置留出一個空穴。電子帶負電，空穴帶正電，在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數目是相等的。見圖1右圖。 在常溫下，純凈的硅晶體中電子和空穴的數目極少，導電性極差。稱這種純凈晶體為本征半導體。 | | N型半導體與P型半導體 | | 在純凈的硅晶體中摻入少量的雜質，即5價元素磷（或砷，銻等），由于磷原子具有5個價電子，所以1個磷原子同相鄰的4個硅原子結成共價鍵時，還多余1個價電子，這個價電子很容易掙脫磷原子核的吸引而變成自由電子。摻入了5價元素的硅晶體變成了電子導電類型的半導體，也稱為Ｎ型半導體，見圖２左。 | 
圖2--Ｎ型半導體與P型半導體 | 在Ｎ型半導體中，除了由于摻入雜質而產生大量的自由電子以外，還有由于熱激發而產生少量的電子-空穴對。然而空穴的數目相對于電子的數目是極少的，所以在Ｎ型半導體材料中，空穴數目很少，稱為少數載流子，而電子數目很多，稱為多數載流子。 同樣如果在純凈的硅晶體中摻入少量的雜質，即3價元素，如硼（或鋁、鎵或銦等），這些3價原子的最外層只有3個價電子，當它與相鄰的硅原子形成共價鍵時，還缺少1個價電子，因而在一個共價鍵上要出現一個空穴，因此摻入3價雜質的4價半導體，也稱為P型半導體，見圖2右。 對于P型半導體，空穴是多數載流子，而電子為少數載流子。 | | PN結 | 若將Ｐ型半導體和Ｎ型半導體兩者緊密結合，聯成一體時，由導電類型相反的兩塊半導體之間的過渡區域，稱為 PN 結。在PN 結兩邊，由于在P型區內，空穴很多，電子很少；而在N型區內，則電子很多，空穴很少。由于交界面兩邊，電子和空穴的濃度不相等，因此會產生多數載流子的擴散運動。 擴散運動是基于電子相互排斥和相互碰撞理論建立的，同層次軌道上的電子會自動從電子相對集中的地方流向電子稀少的地方，這一流向不需要外界的電場作用。擴散運動的動力應與同層次軌道中載流子濃度的變化率（也叫濃度梯度）成正比。 下面的圖3與圖4是P型半導體與N型半導體接觸相互擴散的示意圖，圖中僅表現摻雜的原子，在P型半導體中為3價的硼原子與它的空穴，在N型半導體中為5價的磷原子與它的自由電子。 圖3是Ｐ型半導體和Ｎ型半導體兩者剛靠在一起的瞬間，由于N型半導體的多數載流子自由電子濃度遠大于P型半導體內自由電子濃度，這些電子將向P型半導體擴散。同樣由于P型半導體的多數載流子空穴濃度遠大于N型半導體內空穴濃度，這些空穴將向N型半導體擴散。 | 
圖3--自由電子與空穴擴散 | 擴散的過程為：在靠近交界面附近的N區中，電子越過交界面與P區的空穴復合，使P區出現一批帶負電荷的硼元素的離子。同時在N型區內，由于跑掉了一批電子而呈現帶正電荷的磷元素離子。 同樣可解釋為：在靠近交界面附近的P區中，多數載流子空穴越過交界面與N區的電子復合，從而使N區出現一批帶正電荷的磷元素離子。同時在P型區內，由于跑掉了一批空穴而呈現帶負電荷的硼元素的離子。 | 
圖4--擴散形成PN結 | 擴散的結果是在交界面的一邊形成帶正電荷的正離子區，而交界面另一邊形成帶負電荷的負離子區，稱為空間電荷區，這就是PN 結，是一層很薄的區域。 在PN 結內，由于兩邊分別積聚了負電荷和正電荷，會產生一個由正電荷指向負電荷的電場，即由N區指向P區的電場，稱為內建電場（或稱勢壘電場)。 | | 光生伏打效應 | 室溫下從硅的原子的價電子層中分離出一個電子需要1.12eV的能量，該能量稱為硅的禁帶寬度。分離過程稱為激發，被分離出來的電子是自由電子，能夠自由移動并傳送電流。半導體在太陽光照耀下，能量大于半導體禁帶寬度的光子，使半導體中原子的價電子受到激發而成為自由電子，形成光生電子-空穴對，也稱光生載流子。 太陽能電池由PN結構成，在P區、空間電荷區和N區都會產生光生電子-空穴對，這些電子-空穴對由于熱運動，會向各個方向遷移。 在空間電荷區產生的與遷移進來的光生電子-空穴對被內建電場分離，光生電子被推進N區，光生空穴被推進P區。在空間電荷區邊界處總的載流子濃度近似為0。 在N區，光生電子-空穴產生后，光生空穴便向PN 結邊界擴散，一旦到達 PN結邊界，便立即受到內建電場的作用，在電場力作用下作漂移運動，越過空間電荷區進入P區，而光生電子（多數載流子）則被留在N區。 同樣，P區中的光生電子也會向PN結邊界擴散，并在到達PN結邊界后，同樣由于受到內建電場的作用而在電場力作用下作漂移運動，進入N區，而光生空穴（多數載流子）則被留在P區。 因此在PN結兩側形成了正、負電荷的積累，形成與內建電場方向相反的光生電場。這個電場除了一部分抵消內建電場以外，還使P型層帶正電，N型層帶負電，因此產生了光生電動勢。這就是“光生伏打效應”（簡稱光伏）。 | | 太陽能電池與主要特性 | 太陽能電池發電原理是光生伏打效應，故太陽能電池也叫光伏電池。 太陽能電池由PN結構成，將負載電阻RL連接到PN結兩端，構成一個回路，圖5是這個回路的示意圖。 | 
圖5--光伏電池原理 | 當太陽光照在太陽電池上產生光生電動勢，就有電路流過負載電阻RL，被PN結分開的過剩載流子中就有一部分把能量消耗于降低PN結勢壘，用于建立工作電壓U，而剩余部分的光生載流子則用來產生光生電流I。 常用的太陽電池的主要特性是伏安特性，圖6的左圖是硅太陽電池的伏安特性，圖中曲線是在一定強度陽光照射下的伏安特性曲線。 當把太陽電池短路，即RL = 0，輸出電壓為0，則所有可以到達PN結的過剩載流子都可以穿過PN結，并因外電路閉合而產生了最大可能的電流，該電流稱為短路電流Isc。 如果使太陽電池開路，即負載電阻 RL 無窮大，通過電流為0，則被PN結分開的全部過剩載流子就會積累在PN結附近，于是產生了最大光生電動勢的開路電壓Voc。 | 
圖6--光伏電池伏安特性曲線 | 太陽電池在光照不同時的伏安特性曲線也不同，在圖6右圖中有三根在不同光照強度（輻照度）下的伏安特性曲線，顯示了太陽電池的光照特性。在三種不同的光照強度下，太陽電池的開路電壓V1、V2、V3相差不大，單片硅太陽電池在常溫下的開路電壓約為0.45V至0.6V。主要特性是短路電流Isc與照射光的輻照度成正比，顯然輻照度越強，輸出電流越大，且輸出電流有一定的恒流性。 太陽電池的等效電路可以用一個恒流電源與一個二極管并聯表示，恒流電源決定著太陽電池的輸出電流，二極管則影響開路電壓。恒流電源輸出電流為Iph，流過二極管的正向電流稱為暗電流ID。實際上由于器件存在漏電，就要并上旁路電阻Rsh；由于器件體電阻和電極的歐姆電阻要加上串聯電阻Rs。圖7就是一個完整的等效電路，圖中R是負載電阻，V是負載電阻上的電壓，I是通過負載電阻的電流。 | 
圖7--太陽電池的等效電路 | 當太陽電池的負載電阻RL值變化時，通過電流與電壓的關系按其伏安曲線變化，見圖8，RL較小時，通過電流為I3，電壓為V3；RL較大時，通過電流為I1，電壓為V1。 太陽電池的輸出功率是RL上電流與電壓乘積，不同的RL值有不同的輸出功率，圖8中藍色虛線是電池的輸出功率對應輸出電壓的變化曲線，RL在某個值時，可得到最大輸出功率，此時電流為Im，電壓為Vm時，在曲線上對應的點M稱為該太陽電池的最佳工作點，功率電壓曲線在該點為最大值Pm，硅太陽電池的Vm約為0.5伏。 | 
圖8--光伏電池伏安特性曲線與最大功率曲線 | 太陽電池的光電轉換效率為電池的最大輸出功率與該電池接收的全部輻射功率的百分比。測試使用的陽光輻射強度為800W/m2至1000W/m2。 太陽電池還有一些特性，如開路電壓Uoc隨溫度升高而降低等。需了解其他特性請另找參考資料。 | | 太陽電池的分類 | 太陽電池主要分為晶體硅太陽電池與薄膜太陽電池，晶體硅太陽電池又分為單晶硅太陽電池與多晶硅太陽電池，薄膜太陽電池種類較多，主要是非晶硅太陽電池。 單晶硅太陽電池 單晶硅太陽電池由單晶硅片制造，在單晶硅材料中，硅原子在空間呈有序的周期性排列，具有長程有序性。這種有序性有利于太陽能電池的轉換效率的提高，目前單晶硅太陽電池轉換效率為14%-17%，最高達24%。單晶硅太陽電池生產工藝成熟，廣泛應用在航天，高科技產品中。但單晶硅太陽電池制造過程復雜，制造需要的能耗大，成本高。 多晶硅太陽電池 多晶硅材料則是由許多單晶顆粒（顆粒直徑為數微米至數毫米）的集合體。各個單晶顆粒的大小，晶體取向彼此各不相同，其轉換效率約13%至15%，最高達20%。多晶硅太陽電池比單晶硅太陽電池生產時間短，制造成本低，在市場上有重要地位。 非晶硅太陽電池 非晶硅太陽電池采用很薄的非晶硅薄膜（約1 mm厚）制造，硅材料消耗很少，可直接在大面積的玻璃板上淀積生成硅半導體薄膜，制備非晶硅的工藝和設備簡單，制造時間短，能耗少，適于大批生產。 非晶硅太陽電池的轉換效率5%-8%，最高達13%，特點是在弱光下也能發電。非晶硅太陽電池的主要缺點是穩定性稍差。但價廉與弱光發電使它廣泛用在民用產品中。
太陽能電池與組件 | | Solar Cell and module | 硅太陽能電池 | 硅太陽能電池采用硅晶體薄片制作，片厚約0.2mm，硅晶體薄片的尺寸一般為156mm×156mm（6英寸）或125mm×125mm（5英寸）。圖1是單晶硅與多晶硅晶體薄片的照片（照片來自網絡），左圖是6英寸的單晶硅片，右圖是5英寸的多晶硅片。 | 
圖1--單晶硅與多晶硅片 | | 在硅晶體薄片表面制作PN結，在上下表面做電極構成太陽能電池。圖2是硅太陽能電池的結構示意圖，該圖顯示的僅是硅太陽能電池的一小塊截體。電池主體是PN結，為了防止硅晶體薄片對太陽光產生反射，把上表面制成無反射的絨面；為進一步減小反射，在上面還要敷一層透明的減反射膜；在電池上表面有電極線與N型半導體連接，在電池下表面有電極線與P型半導體連接。為了清晰顯示層次，圖中對N型半導體、絨面、減反射膜的厚度進行了放大，實際是很薄的。 | 
圖2--硅太陽電池的結構示意圖 | 制作太陽能電池的硅晶體為摻雜3價硼的P型半導體，主要制作流程是： 1. 拋光清洗 對硅片表面進行化學拋光并進行清洗。我們把朝向太陽的一面稱為上表面，把背向太陽的一面稱為下表面。 2. 制作絨面 光滑的硅晶體薄片表面會反射掉部分太陽光，見圖3左圖，為了防止對太陽光產生反射，要在薄片上表面用化學腐蝕生成凸凹面，凸凹面好像無數的金字塔排列在一起，使太陽光盡量射入硅晶體，見圖3右圖。只是這些金字塔非常細微，高約10μm，可使硅晶體薄片上表面反射大大減少，較全面的吸收太陽光。 | 
圖3--金字塔絨面減少太陽光的反射 | 3. 擴散制結 在P型硅晶體薄片的絨面上表面擴散5價的磷，在絨面下生成0.3至0.5μm深的N型半導體，這樣，在硅晶體薄片的上表面是N型半導體，在硅晶體薄片的下表面是P型半導體，交界面附近就是PN結，見圖4。 4. 刻蝕去邊 為防止上下表面短路，必須把硅晶體薄片周邊因制結生成的擴散層去除。同時還要去除在硅片表面因擴散生成的磷硅玻璃與氧化物殘跡。 5. 制作減反射膜 雖有絨面，但仍有經過二次或三次反射出去的太陽光，為進一步減少對光線的反射，還要在上表面沉積一層減反射薄膜，成分主要是和Si3N4（氮化硅）或TiO2（氧化鈦），生成藍色透明薄膜，膜厚為75nm至80nm，見圖4。 | 
圖4--硅太陽電池的上表面結構示意圖 | 6. 制作上下電極 在上下表面制作連接外電路的電極，上電極要盡量減少對射入光線的遮擋，使用多根細線（柵線）把電流匯集到較粗的引出線（主線），上電極線主要采用銀漿絲網印刷的方法制作。下電極用銀鋁漿絲網印刷寬的母線，然后再在整片上印一層鋁漿做反射層，把穿透過來的光子反射回去。 為了使銀、鋁漿電極與硅材料完全緊密接觸，還需通過燒結過程，燒結使雙方材料表面的原子相互融入，特別是可以燒穿減反射膜，使上電極與硅半導體緊密接觸。 | | 圖5是單片單晶硅太陽能電池與多晶硅太陽能電池圖片，電池片上橫的細線是柵線，豎的粗線是主線。 | 
圖5--硅太陽電池片 | 太陽能電池的每一個生產環節都要進行嚴格的質量檢查，不讓有缺陷的產品進入下個生產環節，太陽能電池最后一個環節是電氣性能性能檢測，也就是通過測量得到太陽能電池的伏安特性曲線。要測量主要參數是開路電壓、短路電流、最大功率點、最佳工作電壓、最佳工作電流、轉換效率等。最后根據外觀與所測參數對電池進行分級分類。 | | 太陽能電池組件 | 單個硅太陽能電池片的輸出電壓約0.4伏，必須把若干太陽能電池片經過串聯后才能達到可供使用的電壓，并聯后才能輸出較大的電流。多個太陽能電池片串并聯進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，太陽電池組件是太陽能發電系統的基本組成單元。 圖6是一塊太陽能電池組件，也就是常說的太陽能電池板。 | 
圖6--太陽電池組件 | 太陽電池組件的主要生產過程如下。 1. 電池分選 為提高電池片的利用率，將性能一致或相近的電池片組合在一起，應根據其性能參數進行分類；電池測試即通過測試電池片的輸出參數（電流和電壓）的大小對其進行分類。 2. 電池片的焊接 匯流帶為鍍錫的銅帶，使用電烙鐵和焊錫絲將匯流帶焊接到電池上面（負極）的主線上，伸出的匯流帶將與后面的電池片的背面電極相連。 通過背面焊接將N張片電池串接在一起形成一個電池串，稱為串焊，使用電烙鐵和焊錫絲將單片焊接好的電池的上面電極（負極）的伸出端焊接到下一個電池的下電極（正極）上，見圖7上圖，圖7下圖是以焊好的3個電池片。圖7中各零件相互間的尺寸比例與實際有較大差別，僅為示意圖。 | 
圖7--電池片的焊接 | 將串接在一起的整個電池串的正負極焊接出引線，并檢驗整個電池串的特性，修理有問題的電池串。 3. 疊層 太陽能電池組件的種類較多，按照封裝材料和工藝的不同與用途的不同，封裝方式也不同，下面介紹的是普通硅太陽能電池的常用封裝方式。 在電池串的上面采用鋼化玻璃封裝，有很高的強度與很好的透光性，可有效地保護電池片；電池片的下面采用有良好絕緣性能、能抗紫外線抗環境侵蝕的熱塑聚氯乙烯復合膜（TPT）做背面:三者之間采用熱融膠粘膜（EVA）進行粘接，EVA透光率高，并有柔韌、耐沖擊、耐腐蝕，在熱壓下熔融固化后有很好的粘合性。封裝的層次見圖8. | 
圖8--太陽能電池組件疊層結構 | 將電池串、鋼化玻璃和切割好的EVA 、TPT背板按照一定的層次敷設好，敷設時保證電池串與玻璃等材料的相對位置，調整好電池間的距離，準備層壓。 4、組件層壓 將敷設好的電池組件放入層壓機內，通過抽真空將組件內的空氣抽出，然后加熱使EVA熔化將電池、玻璃和TPT背板粘接在一起；最后冷卻取出組件。層壓工藝是太陽能電池組件生產的關鍵一步，層壓溫度和層壓時間根據EVA的性質決定。 層壓時EVA熔化后由于壓力而向外延伸固化形成毛邊，所以層壓完畢應將其切除。 7、裝框 類似與給玻璃裝一個鏡框；給玻璃組件裝鋁框，增加組件的強度，進一步的密封電池組件，延長電池的使用壽命。邊框和玻璃組件的縫隙用硅酮樹脂填充，各邊框間用角鍵連接。
在組件背面引線處粘接一個接線盒，以利于電池與其他設備或電池間的連接。 圖9是封裝好的單晶硅太陽能電池組件正面與反面，圖10是封裝好的多晶硅太陽能電池組件正面與反面，在反面可看到電池接線盒。 | 
圖9--單晶硅太陽能電池組件正面與反面（照片來自網絡） | 
圖10--多晶硅太陽能電池組件正面與反面（照片來自網絡） | 太陽能電池組件也就是常說的太陽能電池板，作為太陽能發電場用的尺寸較大，大的可達2米長1米寬，一般為1.5m長，0.8m左右。也可根據需要做成不同尺寸、不同電壓、不同形狀的組件，見圖11。 | 
圖11--多種尺寸的太陽能電池組件（照片來自網絡） | 9、組件測試 測試的目的是對電池的輸出功率進行標定，測試其輸出特性，確定組件的質量等級。在標準光照條件（輻照度1000W/m²）下的輸出電壓一般為30至50伏，短路電流約10安培。
在實際應用中，若干電池組件安裝在同一個支架上，串并連接后輸出，通常把這些組合在一起的太陽能電池稱為太陽能電池陣列（方陣）。 圖12是太陽能電池與太陽能電池組件的圖形符號，符號是普通電池符號加個圓圈，極性與普通電池一樣，圖12下方是太陽能電池組件或陣列的常用畫法。 | 
圖12--太陽電池與組件的圖形符號
| 半導體光電子元器件 | | Optoelectronic devices | 利用半導體光-電子（或電-光子）轉換效應制成的各種功能器件稱為半導體光電子器件，半導體光電子器件有多種形式，這里僅介紹利用光電導效應與光生伏特效應制作的器件。 | | 光敏電阻 | 某些半導體材料在光照射時，透到材料內部的光子能量足夠大，一些電子吸收光子的能量，從原來的束縛態變成導電的自由態，這時在外電場的作用下，流過半導體的電流會增大，即半導體的電導會增大，這種現象叫光電導效應。 光敏電阻就是具有光電導效應的電阻器件，該器件的電阻隨光照加強而減小，圖1就是光敏電阻器件結構圖。上圖是光敏電阻芯片的俯視圖，下圖是芯片的剖面圖，為看清楚，圖中半導體光敏層與金屬電極層加厚許多倍。 | 
圖1--光敏電阻結構圖 | 用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導體物質,在陶瓷或玻璃基板上均勻地敷上一層薄的半導體物質，作為半導體光敏層。在光敏層上面有兩個金屬電極，電極是蒸鍍的金或其他金屬薄膜，電極呈梳狀，梳齒交錯排列，兩梳齒極間有間隙，露出光敏層，彎曲的間隙加長了兩電極的寬度，以提高靈敏度，兩電極連接兩根金屬引出線（引腳）。為了防止周圍介質的影響，在半導體光敏層上覆蓋了一層透明膜，膜的成分應使它在光敏層最敏感的波長范圍內透射率最大，并起到防潮等保護作用，金屬薄膜電極通過引出線接入電路。 圖2是光敏電阻器件芯片與外觀圖，左圖是光敏電阻管芯的結構圖，右圖是封裝好的光敏電阻。 | 
圖2--光敏電阻器件芯片與外觀圖 | | 圖3是光敏電阻的實驗電路圖與圖形符號。 在實驗中，沒有光照在光敏電阻時，電流表讀數為0，隨光照加強，光敏電阻阻值減小，電流表讀數加大。光敏電阻的文字符號是RL或RG或R。 | 
圖3--光敏電阻的圖形符號 | 圖4是光敏電阻的一個應用電路圖，當環境光亮度下降時，該電路可啟動繼電器接通照明電路。由RP、RL組成的分壓電路與R1、R2組成的分壓電路輸入運算放大器A進行比較，當環境光亮度下降到設定值時，光敏電阻RL阻值上升，分壓點電壓高于R2上的電壓，放大器A輸出低電位，三極管Q導通，繼電器K的常開觸點閉合，照明燈點亮。調整可變電阻RP可改變設定值。 | 
圖4--暗激發光控電路 | | 光敏二極管 | 某些由PN結構成的半導體材料在無光照時，半導體PN結內部存在自有電場。當光照射在PN結及其附近時，在能量足夠大的光子作用下，在結區及其附近會產生少數載流子（電子與空穴對）。載流子在結區外時，靠擴散進入結區；在結區中時，則因電場E的作用，電子漂移到N區，空穴漂移到P區。結果使N區帶負電荷，P區帶正電荷，產生附加電動勢，此電動勢稱為光生電動勢，此現象稱為光生伏特效應。更多有關內容參見“光伏電池原理”課件，在此不再介紹。 在本課件介紹的是采用光生伏特效應制造的光電子器件，圖5是根據不同用途制造的不同外形、不同安裝方式的光伏電池，這些光電子器件不是用來發電的，僅是作為對光的檢測元件使用，通常稱它們為光電二極管或光敏二極管。圖6左邊上方是光電二極管的圖形符號，僅用在檢測或控制電路中；圖6左邊下方是光伏電池的符號，表示太陽電池或太陽電池組件，也可用在檢測或控制電路中。 | 
圖5--多種規格的光電二極管（圖片來自網絡） | | 由于光伏電池輸出電流相對于光照強度有好的線性，特別是短路電流，采用運算放大器可以把短路電流變化轉變為電壓變化。圖6右圖是光電二極管電流電壓轉換電路，通過對輸出電壓的檢測就可以得到光照強度。有關運算放大器的工作原理這里不介紹了，請另找參考資料。 | 
圖6--光電二極管電流電壓轉換電路 | 在太陽能設備跟蹤系統中常用4象限光電池對太陽方位進行檢測，圖7是不同外形與規格的4象限光電池。 | 
圖7--4象限光電池（圖片來自網絡） | 4象限光電池一般是圓形光伏電池片構成，圓形光伏電池片被分割成4個獨立的扇形，圖8左圖是電池片結構，D1、D2、D3、D4是4個獨立的光電池。圖8右圖是4個電池片用4個運算放大器分別進行電流/電壓轉換的電路示意圖。 有一些4象限光電池器件附帶放大器，把4個電池片的電流分別轉換成電壓輸出，使用非常方便。圖9就是這種4象限光電池器件的照片，稱為4象限帶前放探測器。 | 
圖8--4象限光電池片與放大器 | 
圖9--4象限帶前放探測器（圖片來自網絡） |
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太陽能電池最大功率點跟蹤 |
Maximum Power Point Tracking （MPPT） |
| 本課件介紹太陽能光伏電池的最大功率點跟蹤控制MPPT(Maximum Power Point Tracker)。最大功率點跟蹤可進一步提高太陽能電池的轉換效率,充分利用光伏陣列轉換的能量。 |
太陽能電池的伏安特性分析 |
| 為什么要進行最大功率點跟蹤，要從太陽能電池的伏安特性說起，下面以某品牌高效硅太陽能電池組件為例進行介紹，圖1是該組件在光照強度（輻照度）為800W/m2，電池溫度為25度時的特性曲線，圖中紅色實線是伏安特性曲線，紅色虛線是電壓功率曲線。在“硅太陽能電池工作原理”一節已介紹過，電池組件的輸出功率隨電壓的變化曲線按電壓功率曲線變化，在輸出電壓為Um，輸出電流為Im時，輸出功率最大，此點稱為太陽能電池的最大功率點。 |
圖1--光伏電池伏安特性曲線與電壓功率曲線 |
| 圖1僅是光照強度為800W/m2，電池溫度為25度時的特性曲線，但光照強度與溫度發生變化時曲線會發生變化。圖2是該電池組件在電池溫度為25度時在不同日照強度下的伏安特性曲線與電壓功率曲線。圖中黃色實線是光照強度為1000W/m2時的伏安特性曲線，黃色虛線是光照強度為1000W/m2時的電壓功率曲線，此時最大功率輸出為320W，在伏安特性曲線上的小圓點是最大功率點。 |
圖2--不同輻照下的伏安特性曲線與電壓功率曲線 |
在圖2中還有幾組不同光照強度的曲線，例如光照強度為400W/m2時最大功率輸出為125W。 總的特點是當光照強度增加時，太陽能電池的開路電壓變化不大，短路電流增加，最大輸出功率增加。 圖3是該組件在光照強度為1000W/m2時，不同電池溫度時的電壓功率曲線。當電池溫度為10度時，其伏安特性曲線如粉紅色實線所示，電壓功率曲線如粉紅色虛線所示，此時最大輸出功率為340W；當電池溫度為55度時，其伏安特性曲線如綠色實線所示，電壓功率曲線如綠色虛線所示，此時最大輸出功率為280W。 |
圖3--不同溫度的伏安特性曲線與電壓功率曲線 |
| 可見其主要特點是電池溫度增加時，太陽能電池的開路電壓下降，短路電流稍有增加，最大輸出功率減小。 |
太陽能電池最大功率點跟蹤 |
最大功率點跟蹤控制MPPT使太陽能電池板能在各種不同的日照和溫度環境下有效地跟蹤最大功率點，是使用合適的MPPT 控制算法控制電池板盡可能地工作在最大功率點上。本課件只就常用的3種方法的工作原理作簡單介紹。 圖4是太陽能電池最大功率點跟蹤控制主要組成框圖，主要通過采集電池陣列的輸出電壓與電流，根據相應控制算法，調整變換器的輸出來改變電池陣列的輸出電壓，達到對最大功率點的跟蹤。變換器輸出端的電壓與電流檢測用于計算機對輸出控制的參考。 |
圖4--最大功率點跟蹤控制主要組成框圖 |
| 恒電壓跟蹤CVT(Constant Voltage Tracker ) |
在圖2中可看到，當溫度一定時，各曲線的最大功率點基本在一根垂直線上，只要找到這條垂直線，確定電壓值Um，通過對負載的控制使電池板輸出維持在Um，就可以保證電池板在大多數光照條件下工作在最大功率點。 CVT方法具有控制簡單,可靠性高,穩定性好，易于實現等優點，由于這種跟蹤方式忽略了溫度對太陽能電池開路電壓的影響。以單晶硅太陽能電池為例，當環境溫度每升高1 ℃時，其開路電壓下降率為0.35%～0.45%，對于四季溫差或日溫差比較大的地區，該方式不能在所有的溫度環境下跟蹤最大功率。 CVT方法的優點：控制方法簡單、穩定性較高、易于實現。 CVT方法的缺點：由于沒有考慮太陽能電池溫度對開路電壓的影響，當電池溫度變化較大時能量損失較大。 CVT方法只是一種近似的最大功率跟蹤方法，實用在環境溫度變化不大、日照穩定的地區的小型光伏系統。 一個簡單簡單的方法，可在電池板附近設置環境溫度檢測，根據環境溫度值與經驗來修正Um值，可在一定程度上彌補溫度變化帶來的功率損失。 |
| 擾動觀察法（Perturbation and Observation method） |
擾動觀察法也稱為登山法，是一個自然尋優過程，目前應用較多。其原理是在光伏陣列正常工作時，每隔一定的時間用較小的步長改變太陽能電池的輸出電壓，方向可以是增加也可以是減少，并檢測功率變化方向，來確定尋優方向，如果輸出功率增加，那么繼續按照上一周期的方向繼續“干擾”，如果輸出功率減小，就改變其擾動方向，如此不停地周而復始,使太陽能電池板動態地工作在最大功率點的附近。 顯然系統工作點無法穩定運行在最大功率點上，只能在最大功率點附近振蕩運行，而振蕩的幅值則由步長決定。若擾動步長過大，跟蹤的速度快，但在最大功率點附近的振蕩幅度比較大，可能造成較大功率損失；若步長過小，功率損失會小些，但跟蹤的速度會慢，系統的響應速度降低。當日照隨時間變化不快時，此算法是非常有效；當光強發生突變時，可能得到錯誤的跟蹤方向。如果步長太小時會難以引起功率變化，無法判別尋優方向。 擾動觀察法的優點：原理簡單，測量參數少，轉換效率高，硬件實現較為方便。 擾動觀察法的缺點：步長對控制精度和速度影響較大，系統工作點無法穩定在最大功率點上，會導致部分功率損失；對外界環境變化的響應能力較差，故只適用于光強變化小的環境。 改進方法是在系統起動初期，或擾動引起的功率變化太小時可加大擾動步長，以盡快找到尋優方向，待系統穩定后再減小步長。這樣可減小功率的損失。 |
| 電導增量法（Incremental ConductanceMethod） |
電導增量法是通過比較太陽能電池的瞬時電導和電導的變化量來計算最大功率點的方法，目前應用也較多，其原理如下。 在圖5中有一條太陽能電池板的電壓功率曲線，曲線上有3個點，在曲線最頂處是最大功率點，對應電壓為Um，根據數學知識，在最大功率點曲線的斜率為零，也就是dp/du=0；在電池板輸出電壓大于Um時，曲線的斜率為負，dp/du＜0，如右側點；在電池板輸出電壓小于Um時，曲線的斜率為正，dp/du＞0，如左側點。 |
圖5--太陽能電池的最大功率點 |
| 于是可以通過判斷dp/du的值來判斷電池板的工作點位置。 |
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計算的主要流程見圖6，當前時刻t的電壓為Ut，電流為It；上次計算后進行控制的電壓為Ut-1，電流為It-1；ΔU是電壓修正的步長，Utk為當前計算后應控制的電壓。 首先判斷dU與dI是否同時為0，同時為0則表示已工作在最大功率點，保持Utk值仍為Ut-1值；如果dU=0，dI≠0，則通過判斷dI的正負來修正Ut-1值為Utk值；如果dU=0，則根據dI/dU與-I/U之間的大小關系來修正Ut-1值為Utk值。 |
圖6--電導增量法計算處理框圖 |
電導增量法的優點：在光照和溫度變化時，太陽能電池陣列的輸出電壓能平穩地追隨環境變化，使太陽能光伏陣列最后穩定在最大功率點附近的某個點，而不是來回的跳動，電壓波動較擾動觀察法小，控制精確，響應速度較快。 電導增量法的缺點：對硬件的要求特別是對傳感器的精度要求比較高，整個系統造價較高。 以上介紹了最大功率點跟蹤控制常用算法恒定電壓法、電導增量法、擾動觀測法的原理，除此之外還有基于擾動觀測法的改進自適應算法、利用數學模型或查表方法確定最大功率點的方法等等，本課件就不一一介紹了，有興趣的網友請另參考資料。
| 固定安裝式太陽電池陣列 | Fixed-Mounted Solar Array | | 太陽能電池的固定安裝 | 大多數太陽電池采用固定安裝，為了獲得較強的太陽光輻射，由電池組件組成的電池板應向南方傾斜（北半球），用支架支撐固定，與地面角度為本地緯度值最好，對于在屋頂安裝，也要盡量滿足這個要求。 圖1是常用的地面安裝固定方式示意圖，采用雙排立柱（支架）固定電池板。 | 
圖1--雙排立柱固定安裝太陽電池組件 | | 圖2是采用單排立柱（支架）固定電池板（為顯示支架結構，電池組件以半透明顯示）。 | 
圖2--采用單排立柱固定電池板 | | 圖3是采用三角形支架固定電池板。 | 
圖3--采用三角形支架固定電池板 | | 固定安裝費用少，結實可靠，圖4是網絡上的大型太陽電池方陣照片，是由許多固定安裝的太陽能電池陣列組成。 | 
圖4--大型太陽電池方陣 | 太陽能光伏電站往往由多塊電池陣列組成，陣列間的距離對電站的輸出功率和轉換效率有較大的影響，如安裝不妥，后排的太陽光將被前排遮擋。與陣列間距密切相關的是太陽高度角。太陽高度角是指對于地球上的某個地點在某一時刻太陽光的入射方向線和地平面之間的夾角；太陽方位角是陽光的入射方向線在地面的投影線與南北方向線間的夾角。 圖5是計算太陽能電池板間距的示意圖，L為電池陣列的高度，其南北方向影子的長度為Ls（到后面陣列的距離）。一般來說，為使太陽電池輸出功率不受影響，應保證在影子最長的冬至日，從午前9:00 至午后15: 00，前板的影子不會遮擋后板。冬至時太陽能電池板安裝地點在9時或15時的太陽高度角h與太陽方位角α可通過計算得到，由于計算較復雜，這里不做介紹。可以查閱“冬至太陽位置圖表（請另找資料）”得到。根據這些數據可計算出影子的倍率R: |  | 式中: R——— 影子倍率 L——— 陣列高度 Ls——— 影子長度 h——— 太陽高度角 α——— 太陽方位角 e-——組件最低點與地面距離，不宜低于0.3m | 
圖5--太陽能電池板間距計算圖 | 根據上式 LS = L·ctgh·cosα 即可計算出間距Ls。下表為計算出的間距（影子倍率）供大家參考。 |  | | | | 太陽能電池在建筑物上安裝 | | 一般住宅可把太陽能電池板固定安裝在朝陽面的屋頂，見圖6。 | 
圖6--安裝在屋頂的太陽能電池板 | | 大面積的平頂建筑物非常適宜鋪裝太陽能電池板，在緯度較低的地區可直接平鋪，見圖7。 | 
圖7--平鋪在屋頂的太陽能電池板（照片來自網絡） | | 在緯度較高的地區的平頂建筑物宜將太陽能電池板向南傾斜安裝，見圖8。 | 
圖8--在平屋頂上傾斜安裝的太陽能電池板 | | 在緯度較高的地區，可在朝南（北半球）墻面安裝太陽能電池板，見圖9。 | 
圖9--在垂直墻面安裝的太陽能電池板 | 把薄膜太陽能電池夾在玻璃板中間制作成光伏幕墻，把幕墻安裝在建筑物外表，這樣的建筑物稱為光伏建筑，是目前所有利用太陽能的方式中最重要、最理想、最具應用前景的技術之一。圖10為光伏幕墻建筑。 | 
圖10--光伏幕墻建筑 | 安裝太陽能電池發電系統的基本條件 | | 對于家用或小型太陽能發電裝置主要根據需要并參考當地太陽的輻照條件進行建設，但對較大的光伏電站，要考慮的條件就較多了。 | | 日照條件 | | 太陽能系統設計不僅要考慮直射到電池板太陽輻射強度值，也需要年平均太陽輻射總能量值（MJ/m2a）與年日照時數（h），這是考慮太陽能系統的經濟效益的主要參考值。我國將太陽能資源分為4個等級，見下表。 | 
| | 中國的太陽能資源較豐富，有三分之二以上地區的年太陽輻照量超過5000MJ/m2，年日照時數在2200h（小時）以上。 | | 環境條件 | | 可提供的場地，包括屋頂、墻面，保證光伏電站所需的空間與安裝條件。對于并網型光伏電站還要考慮與輸電線路的距離（包括變電站）。 | | 氣象條件 | 1. 溫度：太陽能電池具有較大的溫度系數，較大的光伏電站采用較多組件并串輸出高達數百伏的電壓，對于一個輸出800V的電池陣列，當溫度從常溫降至-20度時開路電壓降增加15%，將增加120V左右，輸出功率也增加許多，在最大功率點跟蹤與逆變器容量方面要充分考慮溫度的變化。溫度升高時電池板的散熱也是問題，散熱不好會使輸出功率進一步減少。 2、風速 ：根據當地的風速、風向計算風壓，風壓值將直接影響電池板支架與基礎的設計與安裝。 3、降水與降雪：組件下沿的高度一定要高于最大積雪深度，不然可能存在組件被埋在雪里的可能；積雪深度還用來計算雪壓值。 冰雹多發區要考慮電池板的承受能力。 干旱地區蒸發量遠大于降水量，水源多來自水井，需開挖深水井，還可能是有腐蝕性的堿性水，這對清洗板子都成問題。 4、惡劣天氣：進行避雷方案設計時需參考多年平均雷暴日數；多年平均沙塵暴日數、多年平均揚沙日數決定光伏電站的清洗頻率；灰塵遮擋與多年平均霾日數也是造成系統效率損失的重要參考值。 5、凍土深度：在進行設計時，電池板支架基礎的深度要在凍土層以下，以保證支架基礎的穩定性。 |
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