太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）.pdf

太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）目 录第1章导论 11.1 太阳能发电的主要优缺点 11.2 太阳能光伏电池分类 11.3 太阳能光伏发电的历史和现状 21.4 中国的太阳能光伏发电 6第2章太阳和太阳能 102.1 太阳的结构 112.2 太阳和地球相对运动的规律 132.3太阳辐射的性质 132.4世界和中国太阳能资源分布情况 15第3章太阳电池、组件 173.1半导体PN结电流电压特性 183.2 太阳电池的工作原理 193.2.1半导体的内光电效应 193.2.2太阳电池的能量转换过程 203.3 太阳电池的基本特性 203.3.1 短路电流 213.3.2 开路电压 213.3.3 太阳电池的输出特性 223.3.3.1等效电路 233.3.3.2输出特性 243.3.3.3转换效率 243.3.4 太阳电池的光谱响应 243.3.5 太阳电池的温度效应 253.3.6 太阳电池的辐照效应 253.4影响太阳电池转换效率的因素 253.5硅太阳电池常规工艺 273.5.1硅太阳电池的基本工艺 273.5.2单体电池的制造 293.5.3太阳电池组件及封装 293.5.4太阳电池组件的常见结构形式 303.5.5太阳电池组件的封装材料 323.5.5.1上盖板 323.5.5.2粘结剂 323.5.5.3 底板 323.5.5.4 边框 333.5.5.5组件制造工艺 333.5.5.6太阳电池组件的特性曲线 342太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）3.6失配对太阳电池的影响 353.6.1串联失配 363.6.2并联失配 373.7小结 38第4章太阳能光伏发电系统部件介绍 404.1光伏组件（阵列）404.1.1用于电子产品的组件 404.1.2用于电力的组件 414.1.3光伏组件性能 444.2蓄电池 464.2.1铅酸蓄电池 464.2.1.1特点与结构 464.2.1.2铅酸蓄电池的工作原理 474.2.2硅胶蓄电池 504.2.2.1工作原理 504.2.2.2硅胶电解质对蓄电池性能的影响 504.2.3碱性蓄电池 534.2.4蓄电池的特性 544.2.5蓄电池的维护 564.2.6蓄电池实例介绍 564.3电子控制器 574.3.1控制器分类 584.3.2逻辑控制 584.3.2.1并联控制器 594.3.2.2半导体串联控制器 614.3.2.3并联和串联混合的控制器 644.3.2.4 DC-DC 控制器 654.3.3计算机控制 664.3.3.1智能型控制器结构 664.3.3.2模拟信号测量 664.3.4电子控制器实例介绍 674.4逆变器 694.4.1逆变器分类 694.4.2逆变器用途 694.4.3逆变器的结构及工作原理 704.4.3.1半导体功率集成器件 704.4.3.2逆变电路 704.4.4 PWM脉宽调制技术 714.4.4.1 PWM变换技术的基本原理 714.4.4.2 PWM变换的特点和应用 724.4.5正弦波PWM技术 724.4.5.1单极性SPWM波形 724.4.5.2双极性SPWM波形 733太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）4.4.5.3 三相 SPWM 波形 734.4.5.4 SPWM 的用途 734.4.6逆变器基本特性及评价 734.4.6.1输出波形 734.4.6.2输出频率 744.4.6.3 DC/AC 转换效率 744.4.6.4工作温度 754.4.6.5工作环境 754.4.6.6电磁干扰和噪声 754.4.6.7过载能力 754.4.6.8 其它 754.4.7逆变器实例介绍 75第5章独立光伏电站（集中供电）及用户光伏系统（分散供电）的设计，安装及 维 修7 85.1独立光伏系统的设计 785.1.1负载的计算 795.1.1.1负载估计 795.1.1.2电压的选择 795.1.2 PV组件电流和蓄电池的容量 805.1.2.1每日需求的总安时 805.1.2.2确定蓄电池容量 805.1.2.3典型的户用太阳能系统 825.1.3确定太阳电池组件的输出 825.1.3.1蓄电池效率 835.1.3.2太阳电池组件的输出 835.2独立光伏系统的安装 865.2.1阵列的安装 865.2.2蓄电池的安装 885.2.3控制中心 885.2.4系统布线 895.3独立光伏系统的维修 895.3.1周期性地检查 895.3.2故障检修 90第6章太阳电池测试 936.1太阳辐射 936.1.1 概述 936.1.2太阳辐射的基本特性 936.1.2.1几个描述光的物理概念 936.1.2.2辐照度及其均匀性 936.1.2.3光谱分布 936.1.2.4总辐射和间接辐射 944太阳能光伏发电系统技术(系统设计、安装运行及维护)6.1.2.5辐照稳定性 946.2太阳模拟器 946.2.1稳态太阳模拟器和脉冲式太阳模拟器 946.2.2太阳模拟器的电光源及滤光装置 946.3太阳模拟器某些光学特性的检测 956.3.1辐照不均匀度的检测 956.3.2辐照不稳定的检测 956.3.3光谱失配误差计算 956.4单体太阳电池测试 966.4.1测试项目 976.4.2电性能测试的一般规定 976.4.3测量仪器与装置 986.4.4基本测试方法 986.4.5从非标准测试条件换算到标准测试条件 996.4.6室外阳光下测试 996.4.7太阳电池内部串联电阻的测量 1006.4.8太阳电池电流和电压温度系数的测量 1016.5非晶硅太阳电池电性能测试须知 1026.5.1校准辐照度 1026.5.2 光源 1026.5.3光谱响应 1026.6太阳电流组件测试和环境试验方法 1026.6.1测试项目 1026.6.2组件电性能参数测量中所需的参考组件 1026.6.3太阳电池组件测试方法 1026.6.3.1组件的额定工作温度(N0CT)1026.6.3.2电阻的测量 1036.7地面用硅太阳电池组件环境试验概况 1036.7.1温度交变 1036.7.2高温贮存 1036.7.3低温贮存 1036.7.4恒定湿热贮存 1046.7.5振动、冲击 1046.7.6盐雾试验 1046.7.7冰雹试验 1046.7.8地面太阳光辐照试验 1046.7.9扭弯试验 104第7章 光伏系统应用介绍 1057.1独立光伏系统 1057.1.1无电乡村独立电站 1057.1.2太阳能微波中继站 1057.1.3太阳能路灯 1067.1.4太阳能航标/灯塔 1077.1.5太阳能信号标志 1075太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）7.1.6太阳能汽车 1077.1.7 太阳能船 1087.1.8 太阳能手表 1087.1.9光伏水泵 1097.1.10沙漠光伏电站 1097.2与建筑集成的光伏系统 1097.2.1太阳能光伏屋顶 1107.2.2公共建筑光伏系统 1126太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）、八、刖 S太阳能光伏发电是利用半导体、太阳电池（也称光伏电池）的光生伏打效应,直接将太阳光能变成电能，是一种零排放的清洁能源。1954年第一片实用的硅 太阳电池在美国贝尔实验室诞生以后，立即被用于航天飞行器，其高可靠、高效 率、高功率质量比的优异性能，为航天事业立下了汗马功劳。地面太阳电池也要 求高可靠、高效率、更追求高功率/成本比。地面用光伏发电系统设计与当地太 阳能资源及气象条件密切相关。本书比较扼要地介绍了太阳电池的原理、特性、光伏发电系统的设计、安装、运行以及维护方法，希望本书能为从事光伏发电科 研、教学、生产和应用的同行提供帮助。中国面临着环保和能源可持续发展的双重压力，迫切需要可再生能源替代和 补充常规能源。中华人民共和国可再生能源为大规模开发利用太阳能开辟了 道路。中国太阳能资源丰富，硅沙充足，光伏发电有巨大的市场。中国的小康社 会和实现中华民族的伟大复兴，最可靠的能源是太阳，太阳能光伏发电必将成为 支撑中国未来电网的中坚能源，中国终将成为世界光伏大国。本书由崔容强教授、赵春江副教授任主编，上海交通大学太阳能研究所孟凡 英副教授、孙铁囤副教授、周之斌副教授、徐林讲师和于化丛博士、陈凤翔博上、刘志刚博士、苦史伟硕士等参加了全书的编审工作。陈凤翔博士、赵占霞博士还 参与了全书的统编。本书的编审和出版编审始终得到了国家发改委世界银行/GEF中国光伏发展 项目办公室的全力支持。项目办吴达成主任和国内许多光伏专家都为本书的编审 提出了宝贵意见，在此一并感谢。由于时间仓促及编者水平有限，本书定有疏漏 错误之处，欢迎读者批评指正。7太阳能光伏发电系统技术(系统设计、安装运行及维护)第1章导论“到处阳光到处电”是人类美丽的理想。太阳能光伏发电是指不通过热过程，直接将太 阳的光能变换成电能的太阳能利用方式。依靠光伏电池，把照射到光伏电池上的光能直接转 换成电能输出的光伏发电是太阳能光发电的主流。1.1太阳能光伏发电的主要优缺点太阳能光伏发电的主要优点为：(1)结构简单，体积小且轻；(2)易安装，易运输，建设周期短；(3)使用方便，维护简单，在-50C-65C温度范围均可正常工作；(4)清洁能源，安全，无噪声，零排放；(5)可靠性高，寿命长；(6)太阳能几乎无处不有，所以光伏发电应用范围广，；(7)降价速度快，能量偿还时间有可能缩短；(8)可以与蓄电池相配组成独立电源，也可以并网发电。太阳能光伏发电的主要缺点是：(1)太阳能能量密度低，覆盖面积大；(2)光伏发电具有间歇性和随机性；(3)各个地区太阳能资源情况不通，所以光伏发电区域性强。1.2太阳能光伏电池分类迄今为止，人们已经研究了 100多种不同材料、不同结构、不同用途和不同型式的太 阳能电池(见表l.Do目前大面积地面用太阳能电池仍以硅材料太阳能电池为主，主要有单 晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池，此外还有部分化合物太阳能电池(如硒锢铜薄膜太阳电池等)，化合物碎化钱太阳能电池主要应用于空间电源领域。用于地 面太阳能光发电系统的太阳能电池，要求耐风霜雨雪的侵袭，有较高的功率价格比，要求具 有大规模生产的工艺可行性和材料来源。8太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）表1.1太阳电池与光伏组件的分类A:按基本材料分类 晶体硅光伏电池及组件 非晶硅薄膜光伏电池及组件 微晶硅薄膜光伏电池及组件 纳晶硅薄膜光伏电池及组件 硒光电池 化合物太阳电池:硫化镉，硒锢铜,硅化镉，碎化镁光伏电池及组件 染料电池.B:按结构分类 同质结光伏电池及组件 异质结光伏电池及组件 肖特基结光伏电池及组件 复合结光伏电池及组件 液结光伏电池及组件C:按用途分类 空间光伏电池及组件 地面光伏电池及组件 光伏传感器D:按使用状态分类 平板光伏电池及组件 聚光光伏电池及组件 分光光伏电池及组件E:按封装材料分类9太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）刚性封装光伏电池及组件 半刚性封装光伏电池及组件 柔性衬底封装光伏电池及组件1.3 太阳能光伏发电的发展历史和现状自从1839年发现“光生伏打效应”和1954年第一块实用的光伏电池问世以来，太阳能 光伏发电取得了长足的进步，但是它的发展仍然比计算机和光纤通讯要慢得多。究其原因或 许是人们对于信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对于能源的需求。1973年的 石油危机和九十年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电的发展。随着人们对后续能 源问题和环境质量的认识不断提高，加大了关于光伏发电的各项科研经费的投入，而科研成 就转化为技术和生产规模不断增长，使得成本不断下降，政策刺激下的市场不断扩大。自 1998年以来，连续5年以30%以上的速度增长，至2002年已达540MW/年，2003年高达约 750MW,增长40%。由于德国、欧盟及日本太阳能屋顶项目的推动，2004年世界光伏年产 量达到1256MW,年增长率超过50%。应用范围也越来越广，尤其是各个国家的光伏计划，为太阳能光伏发电展现了无限光明的前途。自1996年以来，世界光伏发电正在高速发展。主要表现在：光伏产量增长率持续走高。多年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域之 一，19992003年光伏组件的生长以3040%的速度甚至更高的递增速度发展，太阳电 池的产量从1999年的202MW增加到2004年的1256MW,如图1-1所示。生产规模不断扩大，光伏产业向百兆瓦级规模和更高技术发展。目前光伏组件的生产规 模在5-20MW/年。许多公司在计划扩建和新建年产50-100MW级光伏组件生产厂。新技术不断出现，电池效率持续攀升，成本明显降低。随自动化程度和技术水平的提高,电池效率将由现在的水平（单晶硅13-15%,多晶硅11-13%）向更高水平（单晶硅18-20%,多晶硅16-18%）发展。而在过去的30年中，光伏组件的成本已降低了2个数量级，光伏 组件的成本已降低了2个数量级，如图1-2所示。20022004年间，我国光伏产业迅猛发展，已经成为世界光伏产业和市场发展最快的国 家之一O10太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）图1-1世界太阳电池历年产量表1-2为历年太阳电池发货量，可以看到原来居太阳电池首位的美国。已 从1999年开始让位于日本。表12：1993-2003年 世界太阳电池组件发货量（MW）年度19931994199519961997199819992000200120022003日本17.016.516.421.235.049.080128.6171.22251.07365.4欧洲17.021.720.118.830.433.54060.6686.38135.05202.3美国21.025.6434.758.8551.053.760.874.97100.32120.6096.3其它5.55.6.06.359.759.4.018.720.523.4232.6255.0585.711太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）合计61.469.4477.688.60125.80154.9201.30287.65390.54561.77749.7国际太阳电池研究现状迄今为止，已经研究了近100种太阳电池，表13,表14和表15为 各种太阳电池世界最高水平的科研成果。表13地面用太阳电池在标准测试条件下的效率ZJ LClassification*Efticb(%)Area，(cm2)%(V)J*.(mA/cm2)FF1(%)Test centre6(and date)DescriptionSilicon cellsSi(crystalline)24-7 0-54(X)(da)0-70642-2828Sandia(3/99)UNSW PERL7Si(muhicrystallinc)19-8 0-51()9(ap)0-65438-179-5Sandia(2/98)U N SW/Eu R)s84525-975-5NREL(9/01)4 scnal ccfls13NREL.mesa on glass14Amorphous/nanocrystalline Si Si(nanocrystallinc)10-1 0-21-199(ap)()-53924-476-6J Q A(12/97)Kancka(2|im on glass)15PhotochemicalNanocrystalline dye82 032-36(ap)072615-8712FhG-ISE(7/01)ECN16Nan(x:rystalline dye4-7 0-2141-4(ap)()-79511-359-2FhG-ISE(2/98)I NAP(submodule)Multi junction cells GalnP/GaAs30-340(t)2-48814-2285-6J Q A(4/96)J apan Energy(monolithic)17(；aInP/GaAs/Ge324)1 53 989(1)26221437X50NREL(1/03)Spectrolab(monolithic)4GaAs/CIS(thin film)a-Si/CIGS(thin film)8258 1-3 14-6 0-74(X)(t)2 40(ap)NREL 11 LN J，NREL(6/88)Kopin/Boeing(4 terminal)ARCO(4 terminal)18PIGS=CuInGaSc2；a-Si=amorphous silicon/hyxlrogcn alloy.=efficiency.c(ap)=aperture area;(t)=total area;(da)=designated illumination area.dFF=fiU factor.eFhG-ISE=Fraunhofer-Insitut fiir Sol arc Energiesysteme;J Q A=J apan Q uality Assurance.fNot measured at external laboratory.8Unstabilized results.12太阳能光伏发电系统技术(系统设计、安装运行及维护)表14地面用光伏组件在标准测试条件下的效率Classification8Effie?(%)Arcac(cm2)匕(V)及(A)FF1(%)lest centre(and date)DescriptionSi(crystalline)22-7 0-6778(da)5-603-938()-3Sandia(9/96)UNSW/Gochcrmann19Si(multicrystallinc)el5-30-4e1017(ap)14-613678-6Sandia(10/94)Sandia/HEM20Si(thin-film polycrystal Une)82 02661(ap)25-()0318680Sandia(7/02)Pacific Sohr(1-2|im on glass)21CIGSS13-4()-73459(ap)31-221668-9NREL(8/02)Showa Shell(Cd-fi*cc产CJ Tc107 054874(ap)26-213-20562-3NREL(4/00)BP Solarcx23a-Si/a-SiGe/a-SiGe(tandem/1()-4()-5905(ap)4-3533-28566-0NREL(10/98)USSC(a-Si/a-Si/a-Si:Gc)24VIGSS=CuInGaSSc;Si=amorphous silicon/hydn)gen alloy;a-SiGc=amorphous silicon/gcrmanium/hydrogen alloy.=efficiency.c(ap)=aperture area;(da)=designated illumination area.dFF=fiU factor.Not measured at an external laboratory.fLight-soaked at NREL for I()(X)h al 50C,nominally 1-sun illumination.Copyright 2003 J ohn Wiley&Sons.Ltd.Prog.Photovolt:Res.Appl.2(X)3;11:347-352表15地面用聚光太阳电池和组件在标准测试条件下的效率ClassificationEffie.*Arcab Intensity,c Test centreDescription(%)(cm-)(suns)(and date)Single cellsGaAs27-6 10()126(da)255Sandia(5/91)Spire29GalnAsP27-5l-4d04)75(da)171NREL(2791)NREL.Entcch coverSi268 081-60(da)96FhCLISE(1()A)5)SunPower back-contael30InP24-3 l*0075(da)99NREL(2791)NREL.Entcch cover11CIGS(thin film)Two-cell stacks21-5l-5d()102(da)14NREL(24)1)NRELGaAs/GaSb(4 terminal)32-6 1-704)53(da)1(X)Sandia*(1(V89)Boeing,mechanical stack32InP/GalnAs(3 terminal)3l-8l-6d0-063(da)50NREL(8790)NREL.mondithic33GalnP/GalnAs(2-terminal)302 120-1326(da)300NREIJ FhG-ISE(6/01)Fraunhofer,monolithic34GalnP/GaAs(2 terminal)302 140103(da)18()Sandia i.11 1 NREL.monolithic35GaAs/Si(large)(4-lcrminal)Three-cell stacks29-6 lV0317(da)350Sandia*(9/88)VariaiVStanferd/Sandia.mechanical stack36GaInP/GaInAs/GaSb(4-lerm.)33-5 il-7101326(da)308FhG-ISE(6/01)Fraunhofer,mechanical stack34(alnP/GaAs/Gc(2-terminal)324 2()01()25(da)414NREL(6AX)Spectrolab.monolithic37ClalnP/GaAs/Gc(large)Submodules3()-6 1-51-05()(da)234NREL(9AX)Spcctrolab.monolithicGaAs/GaSb251 1441-4(ap)57Sandia(3/93)Boeing,thrcc mechanical stack unit产GalnP/GaAs/Gc270l-534(ap)1()NREL(5AM)ENTECH39ModulesSi2()-3 iO-S*,1875(ap)8()Sandia(4/89)Sandia/UNSW/ENTECH(12 cells严Low-AOD spectntmf(valnP/GaAsA*e(two-terminab notable exceptions35-210 266(da)66 3NREL(2加3)Spectrolah,low-AOD spectrum4Si(large)21-6 0-720 0(da)11Sandia*(9W)UNSW laser-grooved4GaAs(Si subslrale)21-3 0-8()126(da)237Sandia(5/91)Spire29InP(GaAs substrate)2l-0lld0075(da)88NREL(2?91)NREL.Entcch cove产句fie.=efficiency.b(da)=designated illumination area;(ap)=aperture area.cOnc sun corresponds lo an intensity of l(XX)W/m2.dNot measured at an external laboratory.Icasurcments corrected fn)m originally measured values due to Sandia rccalibralion in J anuary 1991.Low aerosol optical depth direct beam AM 1-5 spectrum.613太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）1.4 中国的太阳能光伏发电我国从1958年开始研究光伏发电，1971年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星 o于1973年开始地面光伏系统应用。中国自制的光伏航标灯、太阳能灯塔和气象用光伏 电源、通讯用光伏电源在七十年代已开始使用，但规模很小，1977年中国光伏产量只有 1.1KW,价格高达200元/Wp,光电转换效率为610%。八十年代开始先后引进了一批美国的单晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池生产设备，使 得中国的光伏工业开始起步。至1987年，中国光伏产量达到100KW/年，晶体硅太阳电池的 价格已降到4045元/Wp,光电转换效率达到了 812%。九十年代开始以来，全国已形成 5.0MWp/年的生产能力。我国对于太阳电池的研究主要集中在实用型的单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非 晶硅太阳电池、碎化像太阳电池、空间用的硅太阳电池及其系统、锡锢铜及硅化镉化合物薄 膜太阳电池和聚光太阳电池及系统。目前我国各种太阳电池的实验室最高效率见表l-6o表1-6中国各种太阳电池实验室研究的最高效率类型最高效率（）面积（cm2）单晶硅电池20.42*2GaAs电池20.11*1多晶硅电池14.53（2000 年）2*2聚光硅电池172*2CdS/CuxS 电池12几个mmCuInSe2 电池8.571*1CdTe电池73 mm多晶硅薄膜电池13.61*1,非活性硅衬底上非晶硅电池11.2（单结）11.4（双结）8.67.96.2几个mm几个mm10*1020*2030*30二氧化钛纳米有机电池101*114太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）进入21世纪，我国的光伏产业出现了新气象，老的国有企业重组焕发青春，大型上市 公司采取多种形式加入，大型民营企业也开始涉足。2002年，国家计委启动了“西部省区 无电乡通电计划”，通过光伏和小型风力发电解决西部七省区（西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙、陕西和四川）780个无电乡的用电问题，光伏用量达到16.5MW。这一项目的启动大 大刺激了光伏工业，国内建起了几条太阳电池的封装线，使太阳电池的年生产量迅速达到 lOOMWp（2002年当年产量20MWP）o截止2003年底我国太阳电池底累计装机已达到 50MWPo较大的生产规模和先进的技术使太阳电池的价格已从2000年的3640元/Wp,降 为2003年的30元/Wp。哈尔滨克罗拉太阳能电力公司及深圳拓日太阳能公司等2个工厂生 产的非晶硅太阳电池价格为2325元/Wp,光电转换效率为46%。对光伏的产量和价格的预测见表l-6o表1-6生产能力、产量、价格、系统价格、年产值预测年度组件生产能力（MWP）组件年产量（MWP）组件价格（7G/Wp）系统造价（元/Wp）系统年产值（亿元）20004.52.142801.68200380103070720051205025502520104001502040602020200015001630450太阳电池的效率和成本预测见表1-7。表1-7太阳电池的效率和成本预测晶体硅太阳电池年代效率（%）成本（兀/Wp）寿命（年）单晶硅多晶硅200011-1310-1125-3015200512-1411-1318-2220201013-1512-1415-202515太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）202016-2015-1812-1530单结非晶硅太阳电池年代效率（%）成本（元/Wp）寿命（年）20003-518-20520054-612-15720106-810-1210202010-128-1015随着光伏产业的发展壮大,光伏器件的效率逐步增加，组件和系统的价格逐步下降,太阳能光伏发电的应用范围愈来愈广，其市场需要也将愈来愈大。附录：中国光伏的生产能力中国太阳电池片主要厂家和生产能力产品类别厂商名称生产能力（MW）单晶硅上海太阳能科技股份有限公司10云南半导体器件厂2上海国飞1宁波太阳能4多晶硅无锡尚德25保定英利3非晶硅哈尔滨克罗拉1深圳创益0.5深圳日月环0.5深圳拓口0.5天津津能8北京世华10合计53.516太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）中国光伏组件主要厂家2003年生产能力厂商名称2003年生产能力（MW）厂商名称2003年生产能力（MW）云南半导体2青海国飞0.5宁波太阳能4内蒙古国飞0.5无锡尚德25西藏华冠2上海国飞2西安佳阳10保定英利16深圳创意2深圳能联2天津日本京瓷10上海81110黄山朝阳（在建）2武汉日新1山东力诺（在建）2深圳先行1广州徐欣照明6深圳珈玮2其他1.5小计65小计36.5合计101.517太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）第2章太阳和太阳能万物生长靠太阳，太阳对地球来说是唯一永恒的能源。太阳和地球有着密切的关 系。地球上已发现的109种元素，除17种人造元素以外，其余92种元素太阳里都有.太阳 是距离地球最近的一颗恒星，口地距离为1.49597892xl（）8Km,太阳直径为1.392 xlfKg是地 球的109倍;体积比地球大130多万倍，太阳平均密度为1.4g/cm3,即比水的密度大50%,太阳 内部密度约160g/cm3,因此日心引力比地心引力大29倍左右.太阳的物质组成：就质量而 言,H占78.4%;He占19.8%;金属和其他元素,总计占1.8%太阳和地球的物理性质的比较如表2-1所列：表2-1太阳和地球的物理性质太阳太阳成分（按重量）太阳直径1.39196X106在口地平均距离上太阳的径向角32 2 4太阳表面积6.093X 1012kw2太阳质量1.989X 1033g(克)太阳体积1.41522X 1033cm太阳平均密度1.400gem3表面加速度2.7395X1()42冠温度仁1。6。K光球表面温度（相对于黑体辐射）5762 K阳光辐射率615X 10l0ergs em 3太阳表面抛物线速度617,Km,太阳自转周期24.65 天太阳视差S.80然75%氢24.25%重元素0.75%惯性矩6.0X106kgm2太阳常数值1.950.02021cm 2min 1或 1370w/m218太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）能量产生率3.90X10%表面逸出速度618Km/S二、地球地球赤道直径6370.17Km地球极间直径6356.79Km地球质量5.977 XI027g地球体积1.0832X 1027cm3地球平均直径5.517g/cm/，表面加速度（标准值）980.665cms扁平度0.003352地球轨道偏心度0.01673海平面平均压力101.325KPB平均口地距离1.495985 X 108Km地球平均半径6371Km地球表面积5.lOlXlO m2远日点距离1.471X10%近日点距离11521X10I1m绕转轴惯量矩8.04 X 1037kgm2地球表面逸出速度11.2Kmst赤道旋转速度465ms 1公转轨道平均速度29.7 KmsH为了利用太阳能发电，必须首先了解太阳，包括太阳的结构，太阳与地球相对运动的 规律，太阳辐射的性质等等。2.1 太阳的结构太阳的结构还远远没有弄清。光谱分析表明,一般认为太阳由里向外可分为如图2-1 所示的6个区域.图2-1给出了太阳结构示意图1、太阳核 其中进行着激烈的热核反应并产生90%的能量，以对流和辐射的方式向外放出能量。19太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护）2、吸收层 从太阳核以外到约0.7倍太阳直径处称为吸收层，也称为方式活动层，热核反应产生的大量氢离子在这里被吸收。3、对流层 从吸收层以外至1倍太阳直径处称为对流层。大量的对流热传导在该区进行。4、光球层 对流层以外500Km以内，有大量低电离的H原子，是肉眼所见的太阳 表面，其亮度相对于6000 K的黑体辐射。这是非常重要的一层，太阳的绝大部分辐射从光 球发射出去，而且还有对地球影响很大的黑子和耀斑在当中活动。5、色球层，色球层厚约10000T5000Km,大部分由低压氢气、氢气以及少量离子组 成。称为太阳的大气层，温度约为5000 K,密度为10%/仇3。6、口冕，色球球外即是伸入太空的银白色口冕，它是由各种微粒构成的。包括一部 分太阳尘埃质点，电离粒子和电子。密度为10%/cm:温度高达100多万度，有时日冕能向太空伸展几万公里，形成太阳风。打击到地球大气层上，通讯。日冕色球f/内部中间层1.5X107k 1 超米粒元%IO 图1 1太阳结构示意图图2-1太阳结构示意图产生盐暴或极光，影响地球磁场和6.6X11），/4.3 X 小4X10-1/一、温度/K4X 10 y，/、密度%20太阳能光伏发电系统技术(系统设计、安装运行及维护)2.2太阳与地球相对运动的规律1地球绕太阳运动椭圆轨道称为黄道，在黄道平面内，长轴152Xl()6Km短轴147X1()6m.a)赤黄角，地轴与黄道平面的夹角称赤黄交角，数值为23.45。b)角速度，地轴相对太阳的转动速度不一样，对北半球夏天快、冬天慢，对南半 球、夏慢、冬快。c)南北回归线与夏至、冬至日：北半球夏至日(6月21日)时，南半球恰好为 冬至日，太阳直射北纬23.5。的天顶。因而称北纬23.5。N纬度圈为北回归线。北半球冬至口即为南半球夏至口，太阳直射南纬23.5,因而称南纬23.5 S为南回归线。d)春分与秋分口，春分(3月21 口)与秋分(9月23日)，太阳恰好直射地球的 赤道平面。2、赤纬角的变化与赤道平面平行的平面与地球的交线称为地球的纬度。太阳中心和地心的联线与赤道平面 的夹角称为纬角8 o赤纬角的口变化可以用如下近似公式表达：2X4+775=23.45 S(360)式中n为天数。一年中从。与23.45之间变化。2.3太阳辐射的性质1 太阳辐射的来源 太阳辐射来源于在高温高压下进行的热核反应.太阳辐射能的 计算是一个非常重要的计算，因为各地太阳能资源不一样，需要利用实测值来作为计算的依 据。目前世界上计算太阳辐射能的方法很多，现在通用性较强的方法是依靠计算机，可以很 快得出到达任意倾面的太阳辐射能。主要考虑以下方面：1、利用球面三角公式求出每天日出口落时间和任意时刻太阳高度角，方位角。2、将到达水平面上的太阳辐射能分为直接辐射和水平辐射二部分。3、将到达任意倾斜面的太阳辐射分成直接辐射、散射辐射和地面反射三部分据计算，太阳每秒释放3.9X10%,按现有的核反应速率计算，太阳的寿命仍有5X10年。真可谓取之不尽，用之不竭。2 地球表面上的太阳辐射光谱太阳是以光辐射的方式将能量输送到地球表面上的，因此，了解太阳光的光谱是很必要的。由于有地球大气层的存在，到达地面的太阳光谱与大气上界的太阳光谱有所不同，阳光穿过 地球大气层时，至少衰减了 30%。造成衰减的原因是：(1)瑞利散射或大气中的分子散射。这种散射对所有波长的太阳光都有衰减作用，但对 短波长的光衰减最大；(2)悬浮微粒和灰尘引起的散射；(3)大气，特别是其组成气体氧气、臭氧、水蒸气和二氧化碳的吸收。如图20 2所示。21太阳能光伏发电系统技术(系统设计、安装运行及维护)阳光穿过地球大气层时被吸收、散射或反射，因而太阳辐照度将被削弱。这种削弱还与 太阳辐射穿透大气层的厚度、太阳辐射的方向等有关，通常用大气质量(AM)来表示上述情况。在地球大气层之外，地球-太阳平均距离处，垂直于太阳光方向的单位面积上的辐射能基本 为一常数。这个辐射强度称为太阳常数，或称此辐射为大气质量为零(AMO)的辐射。目前,光伏工作中采用的太阳常数值是L 353kW/m2,这个数值是由装在气球，高空飞机和宇宙飞船 上的仪器的测量值加权平均而确定的。阳光能量的精确分布对于太阳电池的工作很重要，因 为这些电池对于不同波长的光有不同的反应。太阳在头顶正上方时，路程最短，太阳光线的实际路程和此最短路程之比称为光学大气 质量。太阳在头顶正上方时，光学大气质量为1,这时的辐射称为大气质量为1(AM1)辐射。当太阳和头顶正上方成一个角度。时，大气