薄膜太阳能电池简述.doc

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1、薄膜太阳能电池简述一、薄膜太阳能电池特点薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数m，目前转换效率最高可以达13%。薄膜电池太阳电池除了平面之外，也因为具有可挠性可以制作成非平面构造其应用范围大，可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份，应用非常广泛。二、薄膜太阳能分类非晶硅(Amorphous Silicon, a-Si)、微晶硅(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，Microcrystalline Silicon，mc-Si)、化合物半导体II-IV 族CdS、CdTe(碲化镉)、CuInSe2、

2、色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)、有机导电高分子(Organic/polymer solar cells) 、CIGS (铜铟硒化物).等砷化镓GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为1.4eV，正好为高吸收率太阳光的值，与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30%，特别适合做高温聚光太阳电池。砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同，砷化镓需要采用磊晶技术制造，这种磊晶圆的直径通常为46英寸，比硅晶圆的12英寸要小得多。磊晶圆需要特殊的机台，同时砷化镓原材料成本高出硅很多，最终导致砷化镓

3、成品IC成本比较高。磊晶目前有两种，一种是化学的MOCVD，一种是物理的MBE。GaAs等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用MOVPE和LPE技术，其中MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错，反应压力，III-V比率，总流量等诸多参数的影响。GaAs(砷化镓)光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%(一般在19.5%左右)，产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，现今主要作空间电源用。以硅片作衬底，MOCVD技术异质外延方法制造GaAs电池是降用低成本很有希望的方法。已研究的砷化镓系列太阳电池有单晶砷化镓，多晶砷化镓，镓铝砷-砷化镓异

4、质结，金属-半导体砷化镓，金属-绝缘体-半导体砷化镓太阳电池等。砷化镓材料的制备类似硅半导体材料的制备，有晶体生长法，直接拉制法，气相生长法，液相外延法等。由于镓比较稀缺，砷有毒，制造成本高，此种太阳电池的发展受到影响。除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb，GaInP等电池材料也得到了开发。1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的GaAs太阳能电池转换效率为24.2%，为欧洲记录。首次制备的GaInP电池转换效率为14.7%。另外，该研究所还采用堆叠结构制备GaAs，Gasb电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起，GaAs作为上电池，下电池用的是Gasb，所得到的电池效率达到31.

5、1%。砷化镓(GaAs)III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。铜铟硒铜铟硒CuInSe2简称CIC.CIS材料的能降为1.leV，适于太阳光的光电转换，另外，CIS薄膜太阳电池不存在光致衰退问题。因此，CIS用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目。CIS电池薄膜的制备主要有真空蒸镀法和硒化法。真空蒸镀法是采用各自的蒸发源蒸镀铜，铟和硒，硒化法是使用H2Se叠层膜硒化，但该法难以得到组成均匀的CIS。

6、CIS薄膜电池从80年代最初8%的转换效率发展到现今的15%左右。日本松下电气工业公司开发的掺镓的CIS电池，其光电转换效率为15.3%(面积25px2)。1995年美国可再生能源研究室研制出转换效率17.l%的CIS太阳能电池，这是迄今为止世界上该电池的最高转换效率。预计到2000年CIS电池的转换效率将达到20%，相当于多晶硅太阳能电池。CIS作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉，性能良好和工艺简单等优点。碲化镉CdTe是-族化合物半导体，带隙1.5eV，与太阳光谱非常匹配，最适合于光电能量转换，是一种良好的PV材料，具有很高的理论效率(28%)，性能很稳定，一直被光伏界看重，是技术上

7、发展较快的一种薄膜电池。碲化镉容易沉积成大面积的薄膜，沉积速率也高。CdTe薄膜太阳电池通常以CdS /CdT e异质结为基础。尽管CdS和CdTe和晶格常数相差10%，但它们组成的异质结电学性能优良，制成的太阳电池的填充因子高达F F =0.75。碲化镉薄膜太阳能电池片制备CdTe多晶薄膜的多种工艺和技术已经开发出来，如近空间升华、电沉积、PVD、CVD、CBD、丝网印刷、溅射、真空蒸发等。丝网印刷烧结法：由含CdTe、CdS浆料进行丝网印刷CdTe、CdS膜，然后在600700可控气氛下进行热处理1h得大晶粒薄膜。近空间升华法：采用玻璃作衬底，衬底温度500600，沉积速率10m/min.

8、真空蒸发法：将CdTe从约700加热钳埚中升华，冷凝在300400衬底上，典型沉积速率1nm/s.以CdTe吸收层，CdS作窗口层半导体异质结电池的典型结构：减反射膜/玻璃/(SnO2:F)/CdS/P-CdTe/背电极。电池的实验室效率不断攀升，现今突16%。20世纪90年代初，CdTe电池已实现了规模化生产，但市场发展缓慢，市场份额一直徘徊在1%左右。商业化电池效率平均为8%-10%。人们认为，CdTe薄膜太阳电池是太阳能电池中最容易制造的，因而它向商品化进展最快。提高效率就是要对电池结构及各层材料工艺进行优化，适当减薄窗口层CdS的厚度，可减少入射光的损失，从而增加电池短波响应以提高短路

9、电流密度，较高转换效率的CdTe电池就采用了较薄的CdS窗口层而创了最高纪录。要降低成本，就必须将CdTe的沉积温度降到550以下，以适于廉价的玻璃作衬底;实验室成果走向产业，必须经过组件以及生产模式的设计、研究和优化过程。至今，不仅有许多国家的研究小组已经能够在低衬底温度下制造出转换效率12%以上的CdTe太阳电池，而且在大面积组件方面取得了可喜的进展，许多公司正在进行CdTe薄膜太阳电池的中试和生产厂的建设，有的已经投产。国外研究在广泛深入的应用研究基础上，国际上许多国家的CdTe薄膜太阳电池已由实验室研究阶段开始走向规模工业化生产。1998年美国的CdTe电池产量就为0.2MW，日本的C

10、dTe电池产量为2.0MW。德国公司将在Rudisleben建成一家年产10MW的CdTe薄膜太阳电池组件生产厂，预计其生产成本将会低于$1.4/W。该组件不但性能优良，而且生产工艺先进，使得该光伏组件具有完美的外型，能在建筑物上使用，既拓宽了应用面，又可取代某些建筑材料而使电池成本进一步降低。CdTe薄膜太阳电池是薄膜太阳电池中发展较快的一种光伏器件。美国南佛罗里达大学于1993年用升华法在25px2面积上做出效率为15.8 %的太阳电池，随后，日本报道了CdTe基电池以CdTe作吸收层，CdS作窗口层的n-CdS/ P - CdTe半导体异质结电池，其典型结构为MgF2/玻璃/ SnO2:

11、F/ n-CdS/ P- dTe/背电极，小面积电池最高转换效率16%，成为当时CdTe薄膜太阳能电池的最高纪录，如今，太阳电池的研究方向是高转换效率，低成本和高稳定性。因此，以CdTe为代表的薄膜太阳电池倍受关注，面积为90000px2电池转换效率达到11.1%的水平。美国国家可再生能源实验室提供了Solar Cells lnc的面积为171975px2CdTe薄膜太阳电池的测试结果，转换效率达到7.7%;Bp Solar的CdTe薄膜太阳电池，面积为113500px2，效率为8.4%，面积为17650px2的太阳电池，转换效率达到10.1%;Goldan Photon的CdTe太阳电池，面

12、积为88200px2，转换效率为7.7%。碲化镉薄膜太阳电池的制造成本低，现今，已获得的最高效率为16%，是应用前景最好的新型太阳电池，它已经成为美、德、日、意等国研究开发的主要对象。CdTe薄膜太阳电池较其他的薄膜电池容易制造，因而它向商品化进展最快。已由实验室研究阶段走向规模化工业生产。下一步的研发重点，是进一步降低成本、提高效率并改进与完善生产工艺。CdTe太阳能电池在具备许多有利于竞争的因素下，但在2002年其全球市占率仅0.42，现今CdTe电池商业化产品效率已超过10，究其无法耀升为市场主流的原因，大至有下列几点：一、模块与基材材料成本太高，整体CdTe太阳能电池材料占总成本的53

13、，其中半导体材料只占约5.5。二、碲天然运藏量有限，其总量势必无法应付大量而全盘的倚赖此种光电池发电之需。三、镉的毒性，使人们无法放心的接受此种光电池。CdTe太阳能电池作为大规模生产与应用的光伏器件，最值得关注的是环境污染问题。有毒元素Cd对环境的污染和对操作人员健康的危害是不容忽视的。我们不能在获取清洁能源的同时，又对人体和人类生存环境造成新的危害。有效地处理废弃和破损的CdTe组件，技术上很简单。而Cd是重金属，有剧毒，Cd的化合物与Cd一样有毒。其主要影响，一是含有Cd的尘埃通过呼吸道对人类和其他动物造成的危害;二是生产废水废物排放所造成的污染。因此，对破损的玻璃片上的Cd和Te应去除

14、并回收，对损坏和废弃的组件应进行妥善处理，对生产中排放的废水、废物应进行符合环保标准的处理。现今各国均在大力研究解决CdTe薄膜太阳能电池发展的因素，相信上述问题不久将会逐个解决，从而使碲化镉薄膜电池成为未来社会新的能源成分之一。相关论述浅谈多元化合物薄膜太阳能电池据了解，科学家为了寻找单晶硅电池的替代品,除开发了多晶硅、非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。在上述电池中，尽管硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造

15、成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。据了解，砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。GaAs等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用 MOVPE和LPE技术，其中MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错、反应压力、III-V比率、总流量等诸多参数的影响。除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb、GaInP等电池材料也得到了开发。另外，研究所还采用堆叠结构制备GaAs，Gasb电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起，GaAs作为上电池，下电池用的是Gasb,所得到的电池效率达到31.1%。铜铟硒CuInSe2简称CIC。CIS

16、材料的能降为1.leV，适于太阳光的光电转换,另外，CIS薄膜太阳电池不存在光致衰退问题。因此，CIS用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目。CIS作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。三、薄膜太阳电池电性测试分析1 引 言 太阳电池是将阳光直接转化为电能的半导体器件,太阳电池组件是将单体太阳电池组合起来,将光能转化为电能供日常生活使用的器件,市场前景十分广阔。薄膜太阳电池是指半导体层只有几微米至十几微米的太阳电池,由于半导

17、体层薄,所以需要玻璃或高分子薄膜等作为基板,其制造成本低,性价比优良,薄膜太阳电池已经成功地运用到各个领域,是未来太阳电池的发展方向。与一般太阳电池相比,薄膜太阳电池的开路电压比较大,并且两个电极通常都在背面,现役的单体太阳电池测试仪都不适用,因此,研发新型的薄膜太阳电池测试仪很有必要。由于小组件太阳电池与薄膜太阳电池的结构相似,其测试电极亦均在背面,所以在设计测试电路时考虑了将薄膜太阳电池的测试范围延伸到小组件太阳电池。在对薄膜太阳电池与小组件太阳电池质量控制的过程中,必须检测太阳电池的短路电流、最佳工作点电压、最佳工作点电流、最佳工作点功率、填充因子、转换效率、开路电压等参数,并要绘制I

18、V特性曲线,进而检定太阳电池的性能,而且不同规格的太阳电池其特性参数也不同。在这些参数中,能够直接进行测量的只有太阳电池两端的电压与回路中的电流,即太阳电池的伏安特性。通常,太阳电池的伏安特性测量采用四线制方式进行,其两端的两线用来测量太阳电池的电压,另外两线与可变电阻R串联成回路。改变可变电阻R的阻值,即可以改变太阳电池两端的电压以及通过的电流。连续调节可变电阻的阻值,并对太阳电池的电压、电流进行测量,即可绘出其伏安特性曲线。测试系统在自动测量时要求系统能够自动调节负载电阻,由于滑线变阻器阻值的分辨力低,且阻值会因为接触不良或发热而变化,所以在测试系统中应用价值不高。美国科罗拉多州的太阳能研

19、究所、国际Renewable能源实验室等均研制电子负载来代替滑线变阻器,国内的上海交通大学,西安交通大学等也开发了嵌位式电子负载,取得了较大的进展。对于单体薄膜与小组件的太阳电池来说,规格多、品种多,太阳电池的开路电压与短路电流的变化范围较大,其开路电压为050V,短路电流为05.6A,这些因素使薄膜与小组件太阳电池测试系统在测试精度的一致性方面很难保证。目前,国内外对薄膜与小组件的精确测量,特别是对薄膜太阳电池的精确测量尚未见详细报道。本文引入了一种基于DSP芯片TMS320LF2407的测试系统,采用模块化与总线结构的设计思路,使得系统具有灵敏的实时响应性与较好的扩展功能。通过完善的设计与

20、高精度运算放大器等电子元件的应用,研制了性能优越的程控电子负载,实现了对短路电流与开路电压的精确测量,采用多路电子开关、多路继电器与精密电阻的有效结合,完成了太阳电池特性参数的分档测试,使得多品种、多量程薄膜与小组件太阳电池的精确测量成为可能。2 测试系统的总体设计 分析测试系统的结构,将系统分成7个模块,分别是太阳光模拟器控制模块、温度测量模块、USB接口模块、微机接口模块、光强测试模块、程控电子负载模块、DSP最小系统。这7个模块通过总线进行连接。在这些模块中,DSP最小系统、太阳光模拟控制模块与程控电子负载模块为关键模块。太阳光模拟器采用本课题组研发的SU II双光反馈太阳光模拟器,不仅

21、光强均匀且光源的利用率高,可实现实时闭环控制。通过对光强的实时测量,不断地控制放电电流与放电时间,进而获得稳定强度与均匀度的的光源。DSP系统在控制中充分起到实时性强、响应速度快的作用。2.1 DSP最小系统DSP最小系统是系统的核心,系统中采用TI公司的TMS320LF2407,组成框图如图1所示。TMS320LF2407本身具有A/D模块,系统可直接调用LF2407的A/D模块。测试系统的太阳能模拟器的控制通过LF2407的I/O模块与A/D图表：DSP最小系统组成图资料来源：极数据咨询(需要最新数据或者其他报告的大人，请加QQ:676694258极数据咨询tony)整理、行业相关协会模块

22、来实现。温度、开路电压、短路电流、光强等参数通过LF2407的A/D模块来采集。图中,SRAM 为片外存储器,CS 为片选, TSM320LF2407上的DS与PS与其相连,即SRAM为DSP芯片的外接存储器。JTAG为开发口,开发时,运行程序通过JTAG口下载SRAM中,将芯片上的MP/MC与ACC相连,系统就会执行开发程序。开发完成后,程序通过JTAG下载到片内的FLASH中,MP/MC跳线到GND,系统开始运行程序。LF2407内嵌CAN总线,将LF2407的CAN模块的引脚CANRX(接收信息)与CANTX(发送信息)通过光耦器件6N139连接到发射器82C250,而收发器82C250

23、再通过两个引脚CANH和CANL与CAN总线相连,实现LF2407与CAN之间的通信。系统总线的接口实现模拟量与数字量的双向传递。模拟量的连接主要将DSP的A/D模块通过缓冲器连接到总线的模拟信号上,数字部分把DSP的数据总线、控制总线与部分的GPIO(输入输出引脚)通过双向电平转换芯片SN7LCVC4245与系统总线进行连接,实现总线上的5V电平与DSP最小系统的3.3V电平的转换5 6。2.2 程控电子负载 程控电子负载模块也是测试系统的关键,程控电子负载由补偿电源、被测太阳电池、VMOS管、采样电阻、电压跟随电路、电压采样电路等组成,其控制原理如图图表：程控电子负载原理图资料来源：极数据

24、咨询(需要最新数据或者其他报告的大人，请加QQ:676694258极数据咨询tony)整理、行业相关协会被测太阳电池两端的电压为V=VDS+VR-VE,调节VMOS管基极电压,改变VDS大小,使V=VDS+VR-VE=0,这时流过采样电阻的电流为真实的短路电流。程控原理:该电路为电压自动跟踪电路,其主要部分是时间常数较小的自动调节器。如果要测量伏安特性曲线上电压为VP时对应的电流IP,首先根据VP的大小通过D/A转换器送出和VP值大小成比例为K的模拟量至电压自动跟踪电路,即电压给定输入端Vg=VP。被测太阳电池两端电压经过隔离放大K倍后反馈至电压自动跟踪电路另一端Vf,电压自动跟踪电路根据自动

25、调节原理自动调节输出电压Vout的大小,Vout的大小正比于(Vg-Vf)t=(KVP-KV)t,其中t为调节时间。Vout直接加到VMOS管的基极,控制流过VMOS管的电流,同时也改变VDS与V,当V=VP时,自动调节过程结束,取得的流过取样电阻的电流值为IP。3 薄膜与小组件太阳电池测试系统关键电路的设计3.1 程控电子负载的电路设计研制的太阳电池测试系统可以自动完成太阳电池伏安特性的测试,从而计算出其余的光电参数,能自动适应多规格、多品种薄膜与小组件太阳电池的测试。图3是测试系统的原理框图。其中,程控电子负载是其中的关键,其主要任务是不断改变加载在VMOS管基极上的电压,进而进行图表：太

26、阳电池测试系统示意图资料来源：极数据咨询(需要最新数据或者其他报告的大人，请加QQ:676694258极数据咨询tony)整理、行业相关协会伏安特性的测量。它由DSP最小系统、数字输出卡、D/A模块、IC1、VMOS管Q1、采样电阻R、补偿电源BT1、被测太阳电池等组成。其中IC1(AD620N)、VMOS管Q1、采样电阻R、补偿电源BT1、被测太阳电池等组成了电压跟随器。当IC1输入两端产生压差时,运放IC1有输出,驱动VMOS管,使VMOS管两端的电压VDS产生变化。IC1的V+端输入的是单片机给定的电压,V-端输入的是被测太阳电池两端的电压。根据图4可得到如下电压表示式:V=VDS+VR

27、-VE,其中VE为恒定值。系统运行时,由运算放大器的原理可知,线路中的电压最终将调整到V+=V-。对于短路电流的测量,必须要在太阳电池两端电压为0V的条件下获得,即通过调整VMOS管栅极电压Vout,改变VDS的大小,使得V=VDS+VR-VE=0。这时,经过采样电阻测得的电流值才是真实的短路电流。系统中采用精密运算放大器AD620AN提高输出电压的参考值(在AD620AN的5脚可接参考电压,),当IC1的V+端输入的电压为0V时,根据运算放大器的特性,V-端(太阳电池两端的电压)也会跟随到0V,由于AD620AN提高了参考电压,即使在输入为0V电压的情况下,AD620AN也有足够高的电压驱动

28、VMOS管Q1,即VMOS管也有VDA输出。这样使得在太阳电池两端电压差为零的情况下,VMOS管Q1也有电压VDS输出。从而使得V=VDS+VR-VE=0。于是保证了电流采样电阻上流过的电流为真实的短路电流值。3.2 电压采样电路设计电压采样电路主要由电子多路开关CD4501、精密放大器AD620AN和多路精密电阻等组成,其电路原理图如图所示。图表：电压和电流采样测试电路 资料来源：极数据咨询(需要最新数据或者其他报告的大人，请加QQ:676694258极数据咨询tony)整理、行业相关协会被测太阳电池两端的输出连接精密运算放大器AD620AN的输入引脚2脚和3脚,AD620AN的6脚输出到A

29、/D转换芯片的模拟输入端,通过A/D转换,由计算机采集。AD620AN的4脚和7脚接 15V电源,5脚接地作为6脚的参考基准,1脚和8脚接一组电阻RG,其中RG=49.4/(G-1),G是AD620AN的放大倍数,G的取值为1-1000。在本线路中,串联8个不同阻值的精密电阻,实现不同放大倍数,RG值的大小可根据测试时的分档值来设定。而档位的选择是通过多路电子开关CD4051BE接通不同阻值的电阻来实现的。选通通过单片机输出给CD4051BE3位地址码ABC来决定。 INH 为禁止端,当 INH =1时,各通道均不接通。电阻的选择采用筛选的方式,使得精度电压的采样精度大大的提高。本系统能适应0

30、.5-50V的开路电压的测试。3.3 电流采样电路设计在电路设计中,电流的测量一般是通过电压的采样来完成的。对太阳电池输出电流的测量是通过将其转化为电压信号送入ADS8341芯片来实现的,转化的方式是在电流支路上接一个精密采样电阻。根据量程的大小来设置电阻的数量。本系统的量程为3mA5.6A。在图4(b)所示的系统中采用3个精密电阻,即量程分3档。分档电阻的选通是由单片机的输出数值来决定的,当PD4,PD5,PD6的输入为1,0,0时,选择第一路分档电阻,当输出为0,1,0;0,0,1时,分别选通下面两个分档电阻。PD7为扩展项。系统中电阻的精度决定着电流测量的精度,每个电阻是经过严格筛选而产

31、生的。4 实验验证 测试系统为SU II太阳电池测试系统,测试系统如图5所示。被测太阳电池为TD 100与KC32T02太阳电池。图表：测试系统实物图资料来源：极数据咨询(需要最新数据或者其他报告的大人，请加QQ:676694258极数据咨询tony)整理、行业相关协会测量次数为10次。为了验证测试系统在测试过程中的一致性,必须进行一致性测试,测试按 太阳电池电性能测试设备检验方法 国标草案的公式计算,其中:式中, x为测量数据算术平均值,n为测量数据次数,S为一致性。相对误差 的计算公式为测量结果如表1,表2所示。从表1,表2可以看出,该测试系统对开路电压的不一致性0.3%,短路电流的不一致

32、性0.5%;开路电压的最大相对误差0.4%,短路电流的最大相对误差0.8%,取得了较理想的结果。图表：电压与电流的测试结果(TCS 100)资料来源：极数据咨询(需要最新数据或者其他报告的大人，请加QQ:676694258极数据咨询tony)整理、行业相关协会图表：电压与电流的测试结果资料来源：极数据咨询(需要最新数据或者其他报告的大人，请加QQ:676694258极数据咨询tony)整理、行业相关协会5 结 论 本文在系统分析现役太阳电池测试系统的基础上,提出了基于DSP的太阳电池光电参数测试系统。采用总线结构与模块化的设计思想,不仅使得实时响应性能优越,而且具有易于维护和扩展性好等特点。采

33、用精密放大器组成的测试系统解决了测试过程中太阳电池两端的电压自动跟随问题,精确获取了真实的短路电流。在电流与电压的采样电路中,分别采用多路开关、多路继电器与精密电阻的组合设计,实现了分档测试的目的。上述措施大大地提高了测试精度与测量范围,使系统可适用于多规格、多品种太阳电池的光电参数测试。实验证明,系统可实现开路电压0.550V,短路电流3mA5.6A的测量,且具有较高的测试精度。开路电压的不一致性0.3%,短路电流的不一致性0.5%,能够较好地满足不同规格,不同品种的薄膜与小组件太阳电池的自动测试要求。四、薄膜太阳能电池与建筑结合的作用一、太阳能光电建筑介绍1.1太阳能光电建筑的应用太阳能光

34、电建筑是指将光伏发电与建筑物相结合，在建筑物的外围结构表面上布设光伏器件产生电力，从而使“建筑物产生绿色能源”。光伏与建筑的结合有如下两种方式，都可以通过并网逆变器、控制装置与公共电网联接起来组成并网发电系统。（1）一种是建筑与光伏系统相结合（如图1），把封装好的的光伏组件（平板或曲面板）安装在居民住宅或建筑物的屋顶上，组成光伏发电系统；（2）另外一种是建筑与光伏器件相结合（如图2），是将光伏器件与建筑材料集成化，用光伏器件直接代替建筑材料，即光伏建筑一体化（BIPV），如将太阳光伏电池制作成光伏玻璃幕墙、太阳能电池瓦等，这样不仅可开发和应用新能源，还可与装饰美化合为一体，达到节能环保效果，是

35、今后的发展光伏建筑一体化的趋势。 1.2太阳能光电建筑的优点从建筑、技术和经济角度来看，太阳能光电建筑有以下诸多优点：（1）可以有效地利用建筑物屋顶和幕墙，无需占用宝贵的土地资源，这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要；（2）可原地发电、原地用电，在一定距离范围内可以节省电站送电网的投资。对于联网户用系统，光伏阵列所发电力既可供给本建筑物负载使用，也可送入电网；（3）能有效地减少建筑能耗，实现建筑节能。光伏并网发电系统在白天阳光照射时发电，该时段也是电网用电高峰期，从而舒缓高峰电力需求；（4）光伏组件一般安装在建筑的屋顶及墙的南立面上直接吸收太阳能，因此建筑集成光伏发电系统不仅提供了电力，而且还降低

36、了墙面及屋顶的温升；（5）并网光伏发电系统没有噪音、没有污染物排放、不消耗任何燃料，具有绿色环保概念，可增加楼盘的综合品质。1.3光伏与建筑结合的几种安装方式财政补贴将重点支持太阳能光电建筑一体化安装且发电主要用于解决建筑用能的项目，从项目类型上主要包括三类：一是建材型，指将太阳能电池与瓦、砖、卷材、玻璃等建筑材料复合在一起成为不可分割的建筑构件或建筑材料，如光伏瓦、光伏砖、光伏屋面卷材、玻璃光伏幕墙、光伏采光顶等；二是构件型，指与建筑构件组合在一起或独立成为建筑构件的光伏构件，如以标准普通光伏组件或根据建筑要求定制的光伏组件构成雨篷构件、遮阳构件等；三是与屋顶、墙面结合安装型，指在平屋顶上安

37、装、坡屋面上顺坡架空安装以及在墙面上与墙面平行安装等形式。二、并网发电系统设计方案介绍2.1并网发电方式介绍目前，太阳能光电建筑的发电系统设计容量可以从几千瓦到几百千瓦，甚至上兆瓦，由于国内的光伏与建筑结合形式各种各样，设备的选型需根据光伏阵列安装的实际情况（如组件规格、安装朝向等）进行优化设计，大致可分为两种并网发电方式。（1）集中式并网发电这种并网方式适合于在建筑物上安装朝向相同且规格相同的光伏阵列，在电气设计时，采用单台逆变器集中并网发电方案实现联网功能，如图3所示。（2）分布式并网发电这种并网方式适合于在建筑物上安装不同朝向或不同规格的的光伏阵列，在电气设计时，可将同一朝向且规格相同的

38、光伏阵列通过单台逆变器集中并网发电，采用多台逆变器分布式并网发电方案实现联网功能，如图4所示。2.2光伏阵列的设计并网发电系统的光伏阵列设计需要考虑以下几点：（1）光伏阵列朝向光伏阵列正向赤道是其获得最多太阳辐射能的主要条件之一。一般情况下，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0）。系统的光伏阵列处于北半球，一般应按正南偏西，方位角（一天中负荷的峰值时刻（24小时制）12）15（经度116）。（2）光伏阵列倾角在并网发电系统中，光伏阵列相对于水平面的倾斜角度一般应该按照使阵列获得全年最多太阳辐射能的设计原则。电池板厂商将根据不同地区的地理位置及气象环境，会提供最佳的安装角度。（3）光伏组件

39、串联数量的设计依据逆变器在并网发电时，光伏阵列必须实现最大功率点跟踪控制，以便光伏阵列在任何当前日照下不断获得最大功率输出。在设计光伏组件串联数量时，应注意以下几点：1)接至同一台逆变器的光伏组件的规格类型、串联数量及安装角度应保持一致。2)需考虑光伏组件的最佳工作电压（Vmp）和开路电压（Voc）的温度系数，串联后的光伏阵列的Vmp应在逆变器MPPT范围内，Voc应低于逆变器输入电压的最大值。z首先，要了解太阳电池结温和日照强度对太阳电池输出特性的影响，如下图所示：从图5可知，温度上升将使太阳电池开路电压Voc下降，短路电流Isc则轻微增大，总体效果会造成太阳电池的输出功率下降。从图6可知，

40、日照强度在极大的程度上影响太阳电池的输出电流，导致太阳电池输出功率的变化。z对于单晶硅和多晶硅太阳电池，工作电压（Vmp）的温度系数约为-0.0045/（折合70时的系数为0.8）；开路电压（Voc）的温度系数约为-0.0034/（折合-10时的系数为1.12）。z对于非晶硅薄膜电池，工作电压（Vmp）的温度系数约为-0.0028/（折合70时的系数为0.874）；开路电压（Voc）的温度系数约为-0.0028/（折合-10时的系数为1.1）。3)针对目前常见的晶体硅光伏组件，结合本公司产品的技术参数，给出各款型号逆变器的推荐Voc和Vmp配置，用户可根据实际光伏组件的参数进行计算和匹配。z对

41、于单晶硅和多晶硅光伏组件以某公司的多晶硅170Wp为例（STC条件下，25，Vmp35V，Voc44.5V，Pm=270W），给出各款型号逆变器的推荐Voc和Vmp配置，以及光伏组件的串联推荐数量： 用户实际计算方法如下：󰂗串联数最小值n1=V1/Vmp，使用进一法进行取整，V1为推荐MPPT范围的下限值；󰂗串联数最大值n2=V2/Voc，使用舍去法进行取整，V2为推荐Uoc范围的上限值。其中：Vmp和Voc为厂家提供的在STC条件下（STC:lrradiance1000W/m2,Moduletemperature25,AM=1.5）的数据。z对于非晶硅薄膜光伏

42、组件以某公司的非晶硅组件40Wp型号为例（STC条件下，Vmp46V，Voc61V，Pm40W），给出各款型号逆变器的推荐Voc和Vmp配置，以及光伏组件的串联推荐数量：用户实际计算方法如下：󰂗串联数最小值n1=V1/Vmp，使用进一法进行取整，V1为推荐MPPT范围的下限值。󰂗串联数最大值n2=V2/Voc，使用舍去法进行取整，V2为推荐Uoc范围的上限值。其中：Vmp和Voc为厂家提供的在STC条件下（STC:lrradiance1000W/m2,Moduletemperature25,AM=1.5）的数据。（4）光伏系统的避雷技术要求对于光伏系统的避雷设计

43、，主要考虑直击雷和感应雷的防护：1)光伏阵列安装在室外，当雷电发生时可能会受到直击雷的侵入，直击雷的防护通常都是采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网或金属物件作为接闪器，将雷电流接收下来，并通过作引下线的金属导体导引至埋于大地起散流作用的接地装置再泄散入地。2)感应雷的防护需要考虑太阳能电池板四周铝合金框架与支架应等电位接地，以及交直流输电线路和逆变器等感应雷的防护，防护措施可采用防雷保护器。3)防雷防护国家现在还没有专门针对光伏系统的设计规范，在项目设计时是要委托专业的设计单位来设计。2.3光伏阵列汇流的设计为了减少直流侧电缆的接线数量，提供系统的发电效率，大型的光伏并网发电系统通常需要设计光

44、伏阵列汇流装置，该装置就是将一定数量的电池串列汇流成1路直流输出。本公司根据光伏系统的特点，设计了SPVCB系统光伏阵列汇流箱，该汇流箱的每路电池串列输入回路配置了耐压为1000V的高压熔丝和光伏专用防雷器，并可实现直流输出手动分断功能，如图7所示。2.4接入电网方案光伏并网发电系统的电网接入有低压接入和高压接入两种方案。（1）低压电网接入并网系统接入三相400V或单相230V低压配电网，通过交流配电线路给当地负荷供电，剩余的电力馈入公用电网。根据是否允许向公用电网逆向发电来划分，分为可逆流并网系统和不可逆流并网系统。1)可逆流并网系统对于可逆流并网系统，一般发电功率不能超过配电变压器容量的3

45、0%，并需要对原有的计量系统改装为双向表，以便发、用都能计量，如图7所示。2)不可逆流并网系统对于不可逆流并网系统，一般有两种解决方案：z系统安装逆功率检测装置，与逆变器进行通讯，当检测到有逆流时，逆变器自动控制发电功率，实现最大利用并网发电且不出现逆流，如图8所示。z采用双向逆变器+蓄电池组，实现可调度式并网发电系统，如图9所示。可调度式并网发电系统，配有储能环节(目前一般采用蓄电池组)。光伏阵列经双向逆变器给蓄电池充电，同时并网发电。并网发电功率由测控装置根据当地负荷的实际功率来调整，在光照能量不足时，可由蓄电池提供能量。（2）高压电网接入并网系统通过升压变压器接入10KV或35KV高压电

46、网，升压并网系统应采用单独的上网变压器，向上级电网输电。z10KV电网接入z 35KV电网接入高压并网发电系统应由供电部门进行接入系统的设计，高、低压开关柜应设有开关保护、计量和防雷保护装置，实际并网的发电量应在高压侧计量。2.5并网系统的监控通讯方式目前光伏并网逆变器常见的通讯方式有三种：󰂗RS485󰂗Ethernet󰂗GPRS设备通讯原理示意图如下：采用RS485/Ethernet/GPRS实现远程通讯功能，通过上位机监控软件，方便直观地监控当前逆变器的运行数据和工作状态，以及历史数据记录和故障信息，同时可和环境监测仪进行实时通讯，了解现场的

47、日照强度、风速、风向和温度等情况2.6系统的安全性设计太阳能光电建筑设计时，安全性设计有几点需要注意：󰂗屋顶和建筑作为安装太阳能发电系统的场所，要有荷重（自重、积雪、风压）的承能力。󰂗阵列的安装考虑到漏雨的问题，确保不给房屋系统造成破坏。󰂗支架等安装材料的耐用性。󰂗太阳能组件到室内的配线性能及保护方法。󰂗施工作业的安全防护。󰂗系统的防雷安全保护措施。三、逆变控制设备选型针对此次财建2009129号文件关于印发太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法的通知，本公司就容量为50KWp1000KWp的光伏并网系统提供逆变控制设备选型方案。 备注：󰂗上表中，汇流箱的数量是按照单块光伏组件的功率为180Wp左右计算的，仅供参考，在实际应用中，可能会有些差异。󰂗对于光伏建筑一体化并网发电系统，经常需要考虑建筑美观因素，导致光伏组件规格和朝向不一致，从而需要配置不同规格的逆变器，针对这种情况，需要综合考虑实际情况，进行系统的优化设计。󰂗高压并网发电系统应由供电部门进行接入系统的设计。