太陽能光伏技術(shù)知識(shí)詳解

太陽能光伏技術(shù)是指一種可直接將太陽的光能轉(zhuǎn)換為電能并加以充分利用的前瞻性技術(shù)，其廣闊的應(yīng)用前景讓世人為之神往而不斷地努力進(jìn)行開發(fā)、創(chuàng)新與應(yīng)用。本期將為大家介紹太陽能發(fā)電原理、太陽能電池、太陽能電池組件、光伏控制器、光伏逆變器等內(nèi)容。

　　太陽能發(fā)電原理

　　太陽能電池是一對(duì)光有回應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)以晶體為例描述光發(fā)電過程。P型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N型硅，形成P－N結(jié)。

　　當(dāng)光線照射太陽能電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P－N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過程的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。

　　晶體硅太陽能電池的制作過程

　　“硅”是我們這個(gè)星球上儲(chǔ)藏最豐量的材料之一。自從19世紀(jì)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了晶體硅的半導(dǎo)體特性后，它幾乎改變了一切，甚至人類的思維。20世紀(jì)末，我們的生活中處處可見“硅”的身影和作用，晶體硅太陽能電池是近15年來形成產(chǎn)業(yè)化最快的。生產(chǎn)過程大致可分為五個(gè)步驟：a、提純過程 b、拉棒過程 c、切片過程 d、制電池過程 e、封裝過程。

太陽能電池的應(yīng)用

　　上世紀(jì)60年代，科學(xué)家們就已經(jīng)將太陽電池應(yīng)用于空間技術(shù)——通信衛(wèi)星供電，上世紀(jì)末，在人類不斷自我反省的過程中，對(duì)于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應(yīng)用，在眾多領(lǐng)域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈、太陽能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨(dú)立系統(tǒng)、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護(hù)、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標(biāo)、高速公路路標(biāo)等。歐美等先進(jìn)國家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠(yuǎn)地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽電池與建筑系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)。太陽能光伏玻璃幕墻元件得應(yīng)用越來越多，隨著上海和北京的幾個(gè)項(xiàng)目進(jìn)入實(shí)質(zhì)性運(yùn)轉(zhuǎn)，這種方式將會(huì)代替普通玻璃幕墻，它具有反射光強(qiáng)度小、保溫性能好等特點(diǎn)！

　　太陽能電池組件

　　太陽能電池組件（光伏組件）是由一定數(shù)量的太陽能電池片通過導(dǎo)線串、并聯(lián)連接并加以封裝而成。一個(gè)組件中，太陽電池的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量是36片（10cmx10cm），這意味著一個(gè)太陽電池組件大約能產(chǎn)生17V的電壓，正好能為一個(gè)額定電壓為12V的蓄電池進(jìn)行有效充電。目前的光伏元件輸出功率大到數(shù)百瓦不等。

　　太陽能電池片封裝成組件后能夠提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度、抗振和抗沖擊能力；具有良好的密封性，能夠防腐、防風(fēng)、防雹、防潮；具有良好的電絕緣性；能夠抗紫外線輻射等。其潛在的品質(zhì)問題可能發(fā)生在邊沿的密封以及組件背面的接線盒。

　　根據(jù)光伏工程安裝的需要，當(dāng)應(yīng)用領(lǐng)域需要較高的電壓和電流而單個(gè)組件不能滿足要求時(shí)，可把多個(gè)組件通過串聯(lián)、并聯(lián)組裝成“太陽電池方陣”也叫“光伏陣列”，以獲得所需要的電壓和電流，其功率可以根據(jù)實(shí)際需求組合確定。

　太陽能光伏控制器

　　光伏充電控制器基本上可分為五種類型：并聯(lián)型光伏控制器、串聯(lián)型光伏控制器、脈寬調(diào)制型光伏控制器、智慧型光伏控制器和最大功率跟蹤型光伏控制器。

　　1、并聯(lián)型光伏控制器。當(dāng)蓄電池充滿時(shí)，利用電子部件把光伏陣列的輸出分流到內(nèi)部并聯(lián)電阻器或功率模組上去，然后以熱的形式消耗掉。并聯(lián)型光伏控制器一般用于小型、低功率系統(tǒng)，例如電壓在12V、20A以內(nèi)和系統(tǒng)。這類控制器很可靠，沒有繼電器之類的機(jī)械部件。

　　2、串聯(lián)型光伏控制器。利用機(jī)械繼電器控制充電過程，并在夜間切斷光伏陣列。它一般用于較高功率系統(tǒng)，繼電器的容量決定充電控制器的功率等級(jí)。比較容易制造連續(xù)通電電流在45A以上的串聯(lián)型光伏控制器。

　　3、脈寬調(diào)制型光伏控制器。它以PWM脈沖方式開關(guān)光伏陣列的輸入。當(dāng)蓄電池趨向充滿時(shí)，脈沖的頻率和時(shí)間縮短。按照美國桑地亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究，這種充電過程形成較完整的充電狀態(tài)，它能增加光伏系統(tǒng)中蓄電池的總循環(huán)壽命。

　　4、智慧型光伏控制器。基于MCU（如intel公司的MCS51系列或Microchip公司PIC系列）對(duì)光伏電源系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行高速即時(shí)采集，并按照一定的控制規(guī)律由軟件程式對(duì)單路或多路光伏陣列進(jìn)行切離和接通控制。對(duì)中、大型光伏電源系統(tǒng)，還可通過MCU的RS232接口配合MODEM調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行距離控制。

　　5、最大功率跟蹤型控制器。將太陽能電池電壓V和電流I檢測(cè)后相乘得到功率P，然后判斷太陽能電池此時(shí)的輸出功率是否達(dá)到最大，若不在最大功率點(diǎn)運(yùn)行，剛調(diào)整脈寬，調(diào)制輸出占空比D，改變充電電流，再次進(jìn)行即時(shí)采樣，并作出是否改變占空比的判斷，通過這樣的尋優(yōu)過程可保證太陽能電池始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，以充分利用太陽能電池方陣的輸出能量。同時(shí)采用PWN調(diào)制方式，使充電電流成為脈沖電流，以減少蓄電池的極化，提高充電效率。

　光伏逆變器

　　作為一個(gè)獨(dú)立的光伏系統(tǒng)，其直流發(fā)電電壓比較低，因此功率調(diào)節(jié)裝置，也就是逆變器，是絕對(duì)不可或缺的。

　　在并網(wǎng)系統(tǒng)中主要使用兩種類型的逆變器來實(shí)現(xiàn)交流發(fā)電。

　　①線路整流 可以用電網(wǎng)中的信號(hào)作為同步的基準(zhǔn)。

　?、谧哉?通過逆變器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)確定信號(hào)波形，然后輸入電網(wǎng)。

　　也可以根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用對(duì)其分類。

　?、僦醒肽孀兤?用來對(duì)額定功率在20～400kWp范圍內(nèi)的大型光伏系統(tǒng)的輸出進(jìn)行整流?，F(xiàn)階段的主流產(chǎn)品具有自整流設(shè)計(jì)，通過雙極性電晶體和場(chǎng)效應(yīng)電晶體來實(shí)現(xiàn)。

　?、诖?lián)逆變器 只允許接收通過獨(dú)立串行輸送的信號(hào)，所以額定功率在1～3kWp。

　?、蹚?fù)式串聯(lián)逆變器 配備各種獨(dú)立的直流-直流逆變器，這些逆變器把信號(hào)回饋給一個(gè)中央逆變裝置。這樣的設(shè)計(jì)可以適用于各種不同的元件連接結(jié)構(gòu)，從而可以使每條串聯(lián)線路上的太陽能電池都輸出最大功率。

　　④交流元件逆變器 配套安裝于每個(gè)光伏元件上，進(jìn)而將所有元件的輸出轉(zhuǎn)化成交流。

在第一期中，我們?yōu)榇蠹腋爬ń榻B了太陽能發(fā)電原理、太陽能電池、太陽能電池組件、光伏控制器、光伏逆變器等內(nèi)容。接下來將開始深入地講解。本期我們將著重說明太陽能電池的制造工藝詳細(xì)流程、單晶硅和多晶硅的區(qū)別、單晶硅和多晶硅電池片的區(qū)別以及逆變器的概念，將知識(shí)串連起來以便讀者學(xué)習(xí)和了解。

　　晶體硅太陽能電池的制造工藝流程

　　晶體硅太陽能電池的制造工藝流程說明如下：

　　（1）切片：采用多線切割，將硅棒切割成正方形的硅片。

　?。?）清洗：用常規(guī)的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或堿）溶液將硅片表面切割損傷層除去30－50um。

　?。?）制備絨面：用堿溶液對(duì)硅片進(jìn)行各向異性腐蝕在硅片表面制備絨面。

　?。?）磷擴(kuò)散：采用涂布源（或液態(tài)源，或固態(tài)氮化磷片狀源）進(jìn)行擴(kuò)散，制成PN＋結(jié)，結(jié)深一般為0.3－0.5um。

　?。?）周邊刻蝕：擴(kuò)散時(shí)在硅片周邊表面形成的擴(kuò)散層，會(huì)使電池上下電極短路，用掩蔽濕法腐蝕或等離子干法腐蝕去除周邊擴(kuò)散層。

　?。?）去除背面PN＋結(jié)。常用濕法腐蝕或磨片法除去背面PN＋結(jié)。

　?。?）制作上下電極：用真空蒸鍍、化學(xué)鍍鎳或鋁漿印刷燒結(jié)等工藝。先制作下電極，然后制作上電極。鋁漿印刷是大量采用的工藝方法。

　　（8）制作減反射膜：為了減少入反射損失，要在硅片表面上復(fù)蓋一層減反射膜。制作減反射膜的材料有MgF2，SiO2，Al2O3，SiO，Si3N4，TiO2，Ta2O5等。工藝方法可用真空鍍膜法、離子鍍膜法，濺射法、印刷法、PECVD法或噴涂法等。

　?。?）燒結(jié)：將電池芯片燒結(jié)于鎳或銅的底板上。

　　（10）測(cè)試分檔：按規(guī)定參數(shù)規(guī)范，測(cè)試分類。

　　由此可見，太陽能電池芯片的制造采用的工藝方法與半導(dǎo)體器件基本相同，生產(chǎn)的工藝設(shè)備也基本相同，但工藝加工精度遠(yuǎn)低于積體電路芯片的制造要求，這為太陽能電池的規(guī)模生產(chǎn)提供了有利條件。

單晶硅和多晶硅的區(qū)別

　　單晶硅和多晶硅的區(qū)別是，當(dāng)熔融的單質(zhì)硅凝固時(shí)，硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的芯片，則形成單晶硅。如果這些晶核長成晶面取向不同的芯片，則形成多晶硅。多晶硅與單晶硅的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)方面。例如在力學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)等方面，多晶硅均不如單晶硅。多晶硅可作為拉制單晶硅的原料。單晶硅可算得上是世界上最純凈的物質(zhì)了，一般的半導(dǎo)體器件要求硅的純度六個(gè)9以上。大型積體電路的要求更高，硅的純度必須達(dá)到九個(gè)9。目前，人們已經(jīng)能制造出純度為十二個(gè)9 的單晶硅。單晶硅是電子電腦、自動(dòng)控制系統(tǒng)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中不可缺少的基本材料。

　　高純度硅在石英中提取，以單晶硅為例，提煉要經(jīng)過以下過程：石英砂一冶金級(jí)硅一提純和精煉一沉積多晶硅錠一單晶硅一硅片切割。

　　冶金級(jí)硅的提煉并不難。它的制備主要是在電弧爐中用碳還原石英砂而成。這樣被還原出來的硅的純度約98-99%，但半導(dǎo)體工業(yè)用硅還必須進(jìn)行高度提純（電子級(jí)多晶硅純度要求11個(gè)9，太陽能電池級(jí)只要求6個(gè)9）。而在提純過程中，有一項(xiàng)“三氯氫硅還原法（西門子法）”的關(guān)鍵技術(shù)我國還沒有掌握，由于沒有這項(xiàng)技術(shù)，我國在提煉過程中70%以上的多晶硅都通過氯氣排放了，不僅提煉成本高，而且環(huán)境污染非常嚴(yán)重。我國每年都從石英石中提取大量的工業(yè)硅，以1美元／公斤的價(jià)格出口到德國、美國和日本等國，而這些國家把工業(yè)硅加工成高純度的晶體硅材料，以46-80美元／公斤的價(jià)格賣給我國的太陽能企業(yè)。

　　得到高純度的多晶硅后，還要在單晶爐中熔煉成單晶硅，以后切片后供積體電路制造等用。

　　單晶硅與多晶硅電池片的區(qū)別

　　由于單晶硅電池片和多晶硅電池片前期生產(chǎn)工藝的不同，使它們從外觀到電性能都有一些區(qū)別。從外觀上看：單晶硅電池片四個(gè)角呈圓弧狀，表面沒有花紋；多晶硅電池片四個(gè)角為方角，表面有類似冰花一樣的花紋。

　　對(duì)于使用者來說，單晶硅電池和多晶硅電池是沒有太大區(qū)別的。單晶硅電池和多晶硅電池的壽命和穩(wěn)定性都很好。雖然單晶硅電池的平均轉(zhuǎn)換效率比多晶硅電池的平均轉(zhuǎn)換效率高l％左右，但是由于單晶硅太陽能電池只能做成準(zhǔn)正方形（其4個(gè)角是圓?。?dāng)組成太陽能電池元件時(shí)就有一部分面積填不滿，而多晶硅太陽能電池是正方形，不存在這個(gè)問題，因此對(duì)于太陽能電池元件的效率來講幾乎是一樣的。另外，由于兩種太陽能電池材料的制造工藝不一樣，多晶硅太陽能電池制造過程中消耗的能量要比單晶硅太陽能電池少30%左右，所以多晶硅太陽能電池占全球太陽能電池總產(chǎn)量的份額越來越大，制造成本也將大大小于單晶硅電池，所以使用多晶硅太陽能電池將更節(jié)能、更環(huán)保。

逆變器的概念

　　逆變是針對(duì)整流而言的，整流器把交流電能變換成直流電能的過程稱為整流。那么把直流電能變換成交流電能的過程就稱為逆變了，把完成逆變功能的電路稱為逆變電路，把實(shí)現(xiàn)逆變過程的裝置稱為逆變器。

　　在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中為什么一定要采用光伏逆變器呢？目前我國發(fā)電系統(tǒng)主要是直流系統(tǒng)，即將太陽能電池發(fā)出的電給蓄電池充電，而蓄電池直接給負(fù)載供電，如我國西北地方使用較多的太陽照明系統(tǒng)以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)的微波站供電系統(tǒng)均為直流系統(tǒng)。此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但由于負(fù)載直流電壓的不同（如12v、24v、48V等），很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和相容性。特別是家用電器，如日光燈、電視機(jī)、電冰箱、電風(fēng)扇和大多數(shù)動(dòng)力機(jī)械都是利用交流電工作的，即大多數(shù)為交流負(fù)載，所以利用直流電力供電的光伏電源，很難作為商品進(jìn)入市場(chǎng)。太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)置逆變器的目的就是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，便于滿足大多數(shù)使用者負(fù)載的需要。

　　此外，如果電力線受到破壞或被迫關(guān)閉，逆變器就要停止向用電設(shè)備或電網(wǎng)供電。如果電力線電壓偏低或欠壓，或出現(xiàn)較大的擾動(dòng)時(shí)，要采用一種用于“非孤島”逆變器的傳感器來傳感這種情況。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，逆變器將自動(dòng)地關(guān)閉向電網(wǎng)供電，或把電力傳輸?shù)狡渌胤剑瑥亩乐顾蔀殡娏Πl(fā)電的“孤島”。所謂孤島效應(yīng)，即電網(wǎng)出現(xiàn)故障后，并聯(lián)在電網(wǎng)上的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)依舊可以工作，處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)。