太陽能光伏技術(shù)知識詳解

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，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，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的實質(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”是我們這個星球上儲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。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項目進(jìn)入實質(zhì)性運轉(zhuǎn)，這種方式將會代替普通玻璃幕墻，它具有反射光強(qiáng)度小、保溫性能好等特點！

　　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），這意味著一個太陽電池組件大約能產(chǎn)生17V的電壓，正好能為一個額定電壓為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組件不能滿足要求時，可把多個組件通過串聯(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，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。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，脈沖的頻率和時間縮短。按照美國桑地亞國家實驗室的研究，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?；贛CU（如intel公司的MCS51系列或Microchip公司PIC系列）對光伏電源系統(tǒng)的運行參數(shù)進(jìn)行高速即時采集，并按照一定的控制規(guī)律由軟件程式對單路或多路光伏陣列進(jìn)行切離和接通控制。對中、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檢測后相乘得到功率P，然后判斷太陽能電池此時的輸出功率是否達(dá)到最大，若不在最大功率點運行，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行在最大功率點，以充分利用太陽能電池方陣的輸出能量。同時采用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

　　作為一個獨立的光伏系統(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現(xiàn)交流發(fā)電。

　　①線路整流 可以用電網(wǎng)中的信號作為同步的基準(zhǔn)。

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

　　也可以根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用對其分類。

　　①中央逆變器 用來對額定功率在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，通過雙極性電晶體和場效應(yīng)電晶體來實現(xiàn)。

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

　　③復(fù)式串聯(lián)逆變器 配備各種獨立的直流-直流逆變器，這些逆變器把信號回饋給一個中央逆變裝置。這樣的設(shè)計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。

　?、芙涣髟孀兤?配套安裝于每個光伏元件上，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：

　?。?）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)散時在硅片周邊表面形成的擴(kuò)散層，會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)。

　　（7）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。

　?。?0）測試分檔：按規(guī)定參數(shù)規(guī)范，測試分類。

　　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，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9。目前，人們已經(jīng)能制造出純度為十二個9 的單晶硅。單晶硅是電子電腦、自動控制系統(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（電子級多晶硅純度要求11個9，太陽能電池級只要求6個9）。而在提純過程中，有一項“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：單晶硅電池片四個角呈圓弧狀，表面沒有花紋；多晶硅電池片四個角為方角，表面有類似冰花一樣的花紋。

　　對于使用者來說，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個角是圓?。?，當(dāng)組成太陽能電池元件時就有一部分面積填不滿，而多晶硅太陽能電池是正方形，不存在這個問題，因此對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。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)較大的擾動時，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，逆變器將自動地關(guān)閉向電網(wǎng)供電，或把電力傳輸?shù)狡渌胤?，從而防止它成為電力發(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，處于獨立運行狀態(tài)。