5.1光伏电池概述在线视频

同学们好

我是华北电力大学的马永红老师

我们来接着讲

光电子技术器件及电力应用

我们来开始第五章的学习

光伏发电技术

这一章

我们对光伏发电技术进行扼要的介绍

具体的内容包括

光伏电池概述

光伏发电系统

光伏发电系统里面的聚光器

这一节

我们先来看一下光伏电池概述

光伏电池

实际上我们在第二章里边

光探测里面

介绍了一点它的工作原理

我们再来重复一下

光生伏特效应

这是它的工作原理

光照使不均匀的半导体

或者半导体与金属组合的不同部位

产生电位差的现象

就叫做光生伏特效应

对PN结

PN结当然是由不同不均匀的半导体

一个P型半导体和N型半导体

是满足这里的条件的

当这个材料吸收

光子能量的时候就会产生电子空穴对

在结区有效的扩散长度内

它的光生的电子空穴对

就在PN结的内建电场下就会发生分离

PN结的内建电场大家知道N正P负

所以它的电场是由N指向P

那电子呢

当然电子只能在往N区

对不对

然后空穴呢往P区

所以进而在两端就会积累电荷

产生电势差

这就是它的光生伏特效应

它为什么是光生伏特

因为是光照产生的电子空穴对

电子空穴对在这个场的作用下

在两端积累产生了电势差

这样一个工作的原理

好

我们来看一下光伏电池的结构

及它的典型的工作状态

先看一下它的结构

这是一个

硅太阳能电池的结构

大家可以看到正面

是一个金属栅状集流电极

集流电极

太阳光照射的上面

为什么说是栅状呢

因为你光照你如果全堵住了

光从哪儿照对不对

要做成栅状电极

然后呢上面有减反射膜

为什么要减反射膜

对不对

如果你不减反射的话

光照上又全反射了它肯定吸收不了

对不对

然后下面是PN结

下面是它的P区

P区是金属的集流电极

我们说了P刚才是积累正电荷

N积累负电荷

对不对

所以这就是它的

一个太阳能电池的一个基本的一个结构

实物大概也就是这样一个样子

那我们看一下它的工作的状态

好

PN结它的工作的状态可以有四种状态

第一种状态

无光照情况下的平衡态

无光照

就是一个PN结我现在也没有光照

那PN结大家知道

P区N区它的多子

P区的多子是空穴

N区的多子是电子

对不对

当它们合到一起的时候就会发生扩散

然后呢

扩散最终会在它的内建电场的作用下

最后达到一个平衡

对不对

然后我们说N是正P是负

所以这里就有一个势垒高度

就是说的是啥

电子要从这边往这边跑的时候干嘛呀

跑不动了

跑不动了

或者说它要克服这个势垒才行

这就是它的平衡态

平衡态

然后这个势垒的高度

我们可以用这个公式来表达

来表达

然后呢这个b

是稳定光照情况下

稳定光照

刚才没有光照现在在有光照的时候

在光照情况下就会产生光生载流子

光生载流子我们刚才已经分析过了

那好了它的内建电场是由N指向P

所以

采用光照的电子

光生的电子只能在N区积累

然后P区只能积累正电荷

所以在这两端就会形成一个电势

如果是开路的话

对不对

所以现在的势垒的高度刚好和原来的

这里内建电场是N正P负

然后这个刚好和它相反的对不对

所以原来的势垒高度就会有所降低

有所降低

就是在原来高度上

然后减掉这里的光生的Uoc

开路电压

然后这是它的稳定光照下的开路态

那稳定光照下的C是它的短路态

我把这两端给连到一起

这就形成了短路

所以这里积累的正电荷

实际上通过这个线路可以跑到N区

从外电路跑过去的

对不对

所以这里当然就没有电压了

没有电压所以就形成叫短路嘛

对不对

但是有电流对不对

这个时候它的势垒高度

和原来的高度因为两边没有电压差

没有外生的电压差

所以这个高度和原来的高度是一样的

最后一个是什么呀

稳定的光照下它加了一个负载

那在这个负载上

实际上就会产生一定的电压的消耗

所以这里的就叫

引起的就是qU

不像这里这是开路的Uoc

开路的这是在这个

外阻上产生的压降

这就是光电池的四种工作状态

那我们来看一下光伏电池的特性参数

刚才那个图里面

实际上大家已经看到了一些参数

先看一下开路电压

开路电压是什么呢

就在一定的温度与辐照度情况下

在光伏电池两端空载的情况下的电压

为什么有电压实际上前面我已经说过了

对不对

然后这个电压我们通常用Uoc来表示

就叫做它的开路电压

它的值与入射光的辐照度的对数

成正比

这是第一个参数开路电压

第二个参数

叫短路电流

在一定的温度和辐照度情况下

电池两端端电压为零

也就说我把它刚才说的那个图里面

把两端连着一起的时候就有短路电流

这个短路电流我们用Isc表示

这个值与入射光的辐照度成正比

就是说你辐照度越高这个值会越高

这是第二个参数

第三个参数最大功率点

在光伏电池伏安特性曲线上

对应最大功率的点

就叫做最大功率点

也叫做最佳工作点

对应的功率就叫做最大功率

大家可能接触过一些光伏

经常听到叫最大功率点跟踪

就是它在不同点的时候

它输出的功率是不一样的

你光电压大也不行

就电压和电流的乘积要大

那这个要大

而实际上在曲线上

不同的地方它的值不一样

所以我们要让光伏电池满足最大的

发电的这样一个利益的话

那你必须实现它的最大点的跟踪

最佳的工作电压

就是在最大功率点所对应的电压

叫做最佳工作电压用Um表示

然后最佳工作电流就是

相应的最大功率点

所对应的电流就叫做最佳工作电流

用Im来表示

然后再看一下转换效率

因为我们说了光伏电池是

它的能量从哪而来

它是光照最终变成了电流

所以我们定义一个参数是什么呀

受光照射的光伏电池的

最大功率与入射到

上面的全部辐射功率的比叫做转换效率

用η表示

对不对

这个参数实际上表示它就把

太阳光能量有多少转换成了电能

转化成了电能

当然我们希望这个值越大越好

最好百分之百对不对

但是实际上是不现实的

然后再看一下填充因子

光伏电池最大功率与开路电压

和短路电流的乘积之比称为填充因子

就是刚才说的最大功率点

有个Um有个Im对不对

这两个值

然后开路电压和短路电压（流）

乘积肯定要比它两个要大

因为这两个参数只是关心其中的一个

一个是零另外一个大

这两个是两个同时联动的

所以当然它俩乘积要比下面这个值要小

填充因子当然越大的话

说明它的性能越好对不对

所以一个填充因子

再看一下它的温度

电流温度系数

它的电流也会随着温度来变化

温度每变化十度

导致的它的电池的短路电流的变化

我们称为电流的温度系数

用α这个α大家可以看到

是将近每度0.1%

说明什么意思

温度升高的时候短路电流会增大

实际上这个很容易解释

温度升高为什么电流会增大

温度升高你导致了光生载流子

运动的速度的加快

当然它的短路电流会大

然后我们再看一下电压温度系数

同样的当温度变化的时候

它两端的端电压也会变化

所以这个开路电压的变化

大家看这个用β

这个是个负值

也就是说温度升高的时候

它的端电压也会变化

而且会变少为啥

你反过来

温度变化的时候光生载流子

它的热效应会增加

所以它就不会

老老实实的待到你让它呆在那个地方

它会往另外一端跑

所以当然电压就会下降

你这样一理解

实际上好多问题就非常清楚了

有的时候要知其然

还需要知其所以然

你才能理解的比较深刻

这个图

给出了太阳能光伏电池的电流电压的

关系图

a是没有光照的时候

b是受光照的时候

这个图里面大家可以看到

有Uoc就是开路电压刚才说的

Isc短路电流

这个Um

Im

就是它的最佳工作电压最佳工作电流

对不对

这个参数我们前面就说过

从这个图里面可以很清楚的来看到

然后这个图就给出了什么呀

这是它的负载线

这是它的电压

电流

电压

然后这里是它的短路电流开路电压

所以刚才说的FF就是填充因子

实际上相当于什么

相当于这个图里边

这个长方形的面积

和这个大的长方形面积的比值

所以叫填充因子

当然这个

越接近于最大的这个值越好

但是我们说这肯定是达不到的对不对

所以这填充因子的意思

看这个图就非常清楚

就是这个小的面积占大的面积的百分比

所以叫填充因子

对不对

很容易理解

那个字面的意思

好了

这是太阳能光伏电池的

电压与它的电流的关系

这个图是什么呀

它的电压与电流

但是这个是什么是温度变化的时候

对不对

这是光照变化的时候

我们看一下

先看第一个图

第一个图我们可以看到什么呀

先看一条曲线

一条曲线在确定的光照情况下

光照情况下它的

这个电流会随着电压的升高而降低

电压升高而降低

对不对

很容易看到对不对

为什么呢

电压升高电流会降低

这很明白

电压是在那积累了

对不对你流了电流那当然电压就

降低了很容易

对不对

然后你再看一个确定的电压时候

光照增加的时候它的短路电流会增大

这很好呀

对光照产生光生载流子多了

当然你增大了对不对

所以从这个图里面

你很容易的

就说你把它的道理搞清楚

为什么是这样一个变化曲线

理解道理

再看一下这一个

这是温度变化的时候

它的电压会干嘛呀

会下降

端电压下降实际上刚才已经解释了对不对

然后呢

这里在这个小电压的时候它会什么呀

短路电流会升高

实际上这两点我们刚才已经说过了对不对

说过了很容易解释

温度升高

对不对

它的电压为什么下降

温度升高你想让它待着它不老实待着

它会往别的地方跑

所以导致电压会下降

那当电压比较低的时候因为

光照会引起它的光生载流子的移动的加快

所以短路电流会增大

对不对这很好解释

我们看一下光伏电池的

生产流程与分类

好

首先看一下它的生产的流程

光伏电池由最早的硅料

经过提纯

就可以形成晶硅

然后晶硅经过拉棒就会形成硅锭

硅锭通过切片就会形成晶片

晶片通过制备就会形成电池

电池通过组装就会形成太阳能电池板

这就是太阳能电池的一个整个的生产过程

它的原材料实际上就是啥

一般用的比较多的就是二氧化硅

然后通过这样的一个过程最后就

给出了我们用的太阳能电池板

这样一个工艺过程

我们来看看它的分类及特性

刚才那个图里面的主要是

硅系的电池

还有其它的一些类型

比如说多元化合物的薄膜的电池

纳米晶体的电池

聚合物多层修饰电极的电池

就是它有不同的类型

当然第一种用的是最多的

第一种的这个材料

有单晶硅多晶硅

多晶硅的薄膜

非晶硅的薄膜等等

然后它的成本

然后它的转化效率

然后它的稳定性等

大家可以对它做一个比较

有些工艺现在比较成熟

有些现在还不是很成熟

有的很好但是成本高

所以有些还在发展中

这个还需要再不断的再改进工艺再研究

好

我们来看一下光伏组件与方阵

我们前面做出了一个一个的太阳能电池

就这样一个结构

因为它太小了发的电太少

所以我们通常

需要把这种电池给它组成一种

结合起来

多个串联或者并联组成这个组件的形式

然后呢把这个组件再进行合并

组成方阵的形式

这三个

所以太阳能电池

是一个光电转换的最小单元

然后组件是什么呀

是对外单独供电的最小单元

这个是较高功率和电压的供电单元

就说实际上就是由一个小的细胞然后

小范围的组合大范围的组合

当然大型的这个变电站肯定都是

用这种甚至有好多对不对

前面我们已经看到了

光伏发电站的那个场景对不对

满山遍野到处铺的是

当然是铺这种

铺那种一个一个铺铺多长时间对不对

现在我们来看一下组件

那组件到底是怎么

和原来的一个单个的太阳能电池

是个什么样一个方式呢

大家看

这里遍实际上就是1234

画了四个太阳能电池

通过这样一些连接线把它连接起来

对不对

然后呢

再加上一些

比如说铝合金的框

密封条

接线盒

然后再加上一些填充保护的材料

这两种材料是化学的一些填充

保护防水等等的这些材料

然后做成这样一个

太阳能的电池的组件

这样一个结构

这是组件的性能

大家可以看这个图实际上和刚才我们

单个的太阳能电池的性能

变化形式是完全一样的

那区别在哪呢

大家看这些值

这里什么

安

伏

大家看这个值你会发现什么

比刚才来说大了

为啥大了

因为它是多块串联并联的结果

当然比原来大了

原来只有一个小块

现在是好多块

所以这个很清楚对不对

然后我们再看一下它的功率曲线

这个图不用说了对不对

随着电流的变化它的

电压的变化这个没有问题

是不是画了三个线

这条线是功率曲线

画了三条功率曲线

每一条功率曲线大家可以看到什么

有个最大值

在不同点工作的时候

它的电压不一样的地方

它的那个什么呀

它的总功率就是两个乘积不一样

所以这就是刚才我们说的最大功率点跟踪

你不在最大功率点可能它就浪费

所以这叫最大功率点跟踪

这是我们太阳能发电里边用的

比较多的一种技术

就是希望太阳能发的电

尽量的把它这个电全部供出来

所以你必须跟踪这个最大点

才能起到最好的效果

好

我们来看一下太阳能电池方阵

刚才是组件

然后我把那个一个一个组件

然后我把它串联并联就可以组成方阵

然后呢

这是它的串并联以后的结果

除了这些太阳能电池以外

还要加一些东西

加了啥了

这里加一个二极管

为什么加一个二极管

现在都

大家家里可能会用到一些LED的灯

对不对

LED的灯大家知道

经常容易坏

实际上是全坏了吗

不是

只有一个LED坏了

所以它整个不通了

所以你扔了实际上你把那个一短路

还可以用

这实际上就起着同样的作用

你这个太阳能电池

坏了

就这一点坏了我这里用个旁路

从这过去

就还可以用

因为你不能保证这里边

所有的同时好同时坏

不可能

肯定有一些就先寿终正寝了

对不对那怎么办

通过这样一种方式别让它在这

卡住了过不去了对不对

然后这边呢

因为我们

用太阳能电池方阵的目的是向外发电

你别最终干嘛呀

它把电干嘛呀

让外面给它供电

那不就完了嘛

所以大家可以这里加了一些二极管

就是防止它由外部吸纳电

它应该向外供电

就是除了刚才的电池以外加了一些

一些二极管

目的就是起到这样的一个作用

好

我们对这一章（节）做一个总结

这节我们讲了光伏电池概述

具体的包括它的原理

结构

四种工作状态

讲了好几个工作参数

讲了它的生产的流程

以及分类

讲了光伏组件与方阵

下一节我们来讲

光伏发电系统

好

这一节的内容

我们就讲到这里

谢谢大家