太陽能發電裝置設計

1. 請問設計製作一個太陽能發電系統，需要用到什麼電路知識

利用太陽能發電有兩大類型，一類是太陽光發電（亦稱太陽能光發電），另一類是太陽熱發電（亦稱太陽能熱發電）。

太陽能光發電是將太陽能直接轉變成電能的一種發電方式。它包括光伏發電、光化學發電、光感應發電和光生物發電四種形式，在光化學發電中有電化學光伏電池、光電解電池和光催化電池。

太陽能熱發電是先將太陽能轉化為熱能，再將熱能轉化成電能，它有兩種轉化方式。一種是將太陽熱能直接轉化成電能，如半導體或金屬材料的溫差發電，真空器件中的熱電子和熱電離子發電，鹼金屬熱電轉換，以及磁流體發電等。另一種方式是將太陽熱能通過熱機（如汽輪機）帶動發電機發電，與常規熱力發電類似，只不過是其熱能不是來自燃料，而是來自太陽能。

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人們需要太陽能

現有能源

隨著經濟的發展、社會的進步，人們對能源提出越來越高的要求，尋找新能源成為當前人類面臨的迫切課題。現有電力能源的來源睜敏主要有3種，即火電、水電和核電。

火電的缺點

火電需要燃燒煤、石油等化石燃料。一方面化石燃料蘊藏量有限、越燒越少，正面臨著枯竭的危險。據估計，全世界石油資源再有30年便將枯竭。另一方面燃燒燃料將排出二氧化碳和硫的氧化物，因此會導致溫室效應和酸雨，惡化地球環境。

水電的缺點

水電要淹沒大量土地，有可能導致生態環境破壞，而且大型水庫一旦塌崩，後果將不堪設想。另外，一個國家的水力資源也是有限的，而且還要受季節的影響。太陽能屋頂發電站

核電的缺點

核電在正常情況下固然是干凈的，但萬一發生核泄漏，後果同樣是可怕的。前蘇聯切爾諾貝利核電站事故，已使900萬人受到了不同程度的損害，而且這一影響並未終止。

太陽能滿足新能源的條件

陝西清立新能源：這些都迫使人們去尋找新能源。新能源要同時符合兩個條件：一是蘊藏豐富不會枯竭；二是安全、干凈，不會威脅人類和破壞環境。目前找到的新能源主要有兩種，一是太陽能，二是燃料電池。另外，風力發電也可算是輔助性的新能源。其中，最理想的新能源是太陽能。

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太陽能發電是最理想的新能源

照射在地球上的太陽能非常巨大，大約40分鍾照射在地球上的太陽能，便足以供全球人類一年能量的消費。可以說，太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源。而且太陽能發電絕對干凈，不產生公害。所以太陽能發電被譽為是理想的能源。

從太陽能獲得電力，需通過太陽電池進行光電變換來實現。它同以往其他電源發電原理完全不同，具有以下特點：①無枯竭危險；②絕對干凈（無公害）；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發電；⑤能源質量高；⑥悉告枝使用者從感情上容易接受；⑦獲取能源花費的時間短。不足之處是：①照射的能量分布密度小，即要佔用巨大面積；②獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關。但總的說來，瑕不掩瑜，作為新能源，太陽能具有極大優點，因此受到世界各國的重視。

要使太陽能發電真正達到實用水平，一是要提高太陽能光電變換效率並降低其成本，二是要實現太陽能發電同現在的電網聯網。

目前，太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶態硅三種。單晶硅太陽電池變換效率最高，已達20%以上，但價格也最貴。非晶態硅太陽電池變換效率最低，但價格最便宜，今後最有希望用於一般發電的將是這種電池。一旦它的大面積組件光電變換效率達到10%，每瓦發電設備價格降到1－2美元時，便足以同現在的發電方式競爭。估計本世紀末便可達到這一水平。

當然，特殊用途和實驗室中用的太陽友孝電池效率要高得多，如美國波音公司開發的由砷化鎵半導體同銻化鎵半導體重疊而成的太陽電池，光電變換效率可達36%，快趕上了燃煤發電的效率。但由於它太貴，目前只能限於在衛星上使用。

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太陽能發電的應用

太陽能發電雖受晝夜、晴雨、季節的影響，但可以分散地進行，所以它適於各家各戶分別進行發電，而且要聯接到供電網路上，使得各個家庭在電力富裕時可將其賣給電力公司，不足時又可從電力公司買入。實現這一點的技術不難解決，關鍵在於要有相應的法律保障。現在美國、日本等發達國家都已制定了相應法律，保證進行太陽能發電的家庭利益，鼓勵家庭進行太陽能發電。

日本已於1992年4月實現了太陽能發電系統同電力公司電網的聯網，已有一些家庭開始安裝太陽能發電設備。日本通產省從1994年開始以個人住宅為對象，實行對購買太陽能發電設備的費用補助三分之二的制度。要求第一年有1000戶家庭、2000年時有7萬戶家庭裝上太陽能發電設備。[1]

據日本有關部門估計日本2100萬戶個人住宅中如果有80%裝上太陽能發電設備，便可滿足全國總電力需要的14%，如果工廠及辦公樓等單位用房也進行太陽能發電，則太陽能發電將佔全國電力的30%－40%。當前阻礙太陽能發電普及的最主要因素是費用昂貴。為了滿足一般家庭電力需要的3千瓦發電系統，需600萬至700萬日元，還未包括安裝的工錢。有關專家認為，至少要降到100萬到200萬日元時，太陽能發電才能夠真正普及。降低費用的關鍵在於太陽電池提高變換效率和降低成本。

不久前，美國德州儀器公司和SCE公司宣布，它們開發出一種新的太陽電池，每一單元是直徑不到1毫米的小珠，它們密密麻麻規則地分布在柔軟的鋁箔上，就像許多蠶卵緊貼在紙上一樣。在大約50平方厘米的面積上便分布有1，700個這樣的單元。這種新電池的特點是，雖然變換效率只有8%—10%，但價格便宜。而且鋁箔底襯柔軟結實，可以像布帛一樣隨意折疊且經久耐用，掛在向陽處便可發電，非常方便。據稱，使用這種新太陽電池，每瓦發電能力的設備只要1.5至2美元，而且每發一度電的費用也可降到14美分左右，完全可以同普通電廠產生的電力相競爭。每個家庭將這種電池掛在向陽的屋頂、牆壁上，每年就可獲得一二千度的電力。

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太陽能發電的前景

太陽能發電有更加激動人心的計劃。一是日本提出的創世紀計劃。准備利用地面上沙漠和海洋面積進行發電，並通過超導電纜將全球太陽能發電站聯成統一電網以便向全球供電。據測算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太陽能發電供給全球能源，佔地也不過為65.11萬平方公里、186.79萬平方公里、829.19萬平方公里。829.19萬平方公里才佔全部海洋面積2.3%或全部沙漠的51.4%，甚至才是撒哈拉沙漠的91.5%。因此這一方案是有可能實現的。

另一是天上發電方案。早在1980年美國宇航局和能源部就提出在空間建設太陽能發電站設想，准備在同步軌道上放一個長10公里、寬5公里的大平板，上面布滿太陽電池，這樣便可提供500萬千瓦電力。但這需要解決向地面無線輸電問題。現已提出用微波束、激光束等各種方案。目前雖已用模型飛機實現了短距離、短時間、小功率的微波無線輸電，但離真正實用還有漫長的路程。

隨著我國技術的發展，在2006年，中國有三家企業進入了全球前十名，標志著中國將成為全球新能源科技的中心之一，世界上太陽能光伏的廣泛應用，導致了目前缺乏的是原材料的供應和價格的上漲，我們需要將技術推廣的同時，必須採用新的技術，以便大幅度降低成本，為這一新能源的長遠發展提供原動力！

太陽能的使用主要分為幾個方面：家庭用小型太陽能電站、大型並網電站、建築一體化光伏玻璃幕牆、太陽能路燈、風光互補路燈、風光互補供電系統等，現在主要的應用方式為建築一體化和風光互補系統。

世界目前已有近200家公司生產太陽能電池，但生產設備廠主要在日企之手。

近年韓國三星、LG都表示了積極參與的願望，中國海峽兩岸同樣十分熱心。據報道，我國台灣2008年結晶硅太陽能電池生產能力達2．2GW，以後將以每年1Gw生產能力擴大，當年並開始生產薄膜太陽能電池，今年將大力增強，台灣期待向歐洲「太陽能電池大國」看齊。2010年各國及地區有1GW以上生產計劃的太陽能電池廠商有日本Sharp，德國Q—Cells，Scho~Solar，拐5威RWESolar，中國SuntechPower等5家公司，其餘7家500MW以上生產能力的公司。

近年世界太陽能電池市場高歌猛進，一片大好，但百年不遇的金融風暴帶來的經濟危機，同樣是壓在太陽能電池市場頭上的一片烏雲，主要企業如德國Q—Cells的業績應聲下調，預年今年世界太陽電地市場也會因需求疲軟、石油價格下降而競爭力反提升等不利因素而下挫。但與此同時，人們也看到美國．奧巴馬上台後即將施行GreenNewDeal政策，包括其內的綠色能源計劃可有1500億美元的補助資金，日本也將推行補助金制度來繼續普及太陽能電池的應用。

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太陽能電池發電原理

太陽能電池是一對光有響應並能將光能轉換成電力的器件。能產生光伏效應的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發電原理基本相同，現以晶體硅為例描述光發電過程。P型晶體硅經過摻雜磷可得N型硅，形成P－N結。吉光光電當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，使電子發生了越遷，成為自由電子在P－N結兩側集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的實質是：光子能量轉換成電能的過程。

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晶體硅太陽能電池的製作過程

儲量豐富的硅

「硅」是我們這個星球上儲藏最豐量的材料之一。自從19世紀科學家們發現了晶體硅的半導體特性後，它幾乎改變了一切，甚至人類的思維。20世紀末，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年來形成產業化最快的。

生產過程

生產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。

以單晶硅為例，其生產過程可分為：工序一，矽片清洗制絨

目的——表面處理：

清除表面油污和金屬雜質；

去除矽片表面的切割損壞層；

在矽片表面製作絨面，形成減反射織構，降低表面反射率；利用Si在稀NaOH溶液中的各向異性腐蝕，在矽片表面形成3-6微米的金字塔結構，這樣光照在矽片表面便會經過多次反射和折射，增加了對光的吸收；

工序二，擴散

矽片的單/雙面液態源磷擴散，製作N型發射極區，以形成光電轉換的基本結構：PN結。

POCl3液態分子在N2載氣的攜帶下進入爐管，在高溫下經過一系列化學反應磷原子被置換，並擴散進入矽片表面，激活形成N型摻雜，與P型襯底形成PN結。主要的化學反應式如下：POCl3+O2→P2O5+Cl2P2O5+Si→SiO2+P

工序三，等離子刻邊

去除擴散後矽片周邊形成的短路環；工序四，去除磷硅玻璃

去除矽片表面氧化層及擴散時形成的磷硅玻璃（磷硅玻璃是指摻有P2O5的SiO2層）。

工序五，PECVD

目的——減反射+鈍化：

PECVD即等離子體增強化學氣相淀積設備，；

製作減少矽片表面反射的SiN薄膜（～80nm）；

SiN薄膜中含有大量的氫離子，氫離子注入到矽片中，達到表面鈍化和體鈍化的目的，有效降低了載流子的復合，提高了電池的短路電流和開路電壓。

工藝原理：

硅烷與氨氣反應生成SiN淀積在矽片表面形成減反射膜。

利用高頻電源輝光放電產生等離子體對化學氣相沉積過程施加影響的技術。由於等離子體存在，促進氣體分子的分解、化合、激發和電離，促進反應活性基團的生成，從而降低沉積溫度。PECVD在200℃～500℃范圍內成膜，遠小於其它CVD在700℃～950℃范圍內成膜。

反應過程中有大量的氫離子注入到矽片中，使矽片中懸掛鍵飽和、缺陷失去活性，達到表面鈍化和體鈍化的目的。

工序六，絲網印刷

用絲網印刷的方法，完成背場、背電極、正柵線電極的製作，已引出產生的光生電流；

工藝原理：

給矽片表面印刷一定圖形的銀漿或鋁漿，通過燒結後形成歐姆接觸，使電流有效輸出；

正面電極用Ag金屬漿料，通常印成柵線狀，在實現良好接觸的同時使光線有較高的透過率；

背面通常用Al金屬漿料印滿整個背面，一是為了克服由於電池串聯而引起的電阻，二是減少背面的復合；

工序七，烘乾和燒結

目的及工作原理：

烘乾金屬漿料，並將其中的添加料揮發（前3個區）；

在背面形成鋁硅合金和銀鋁合金，以製作良好的背接觸（中間3個區）；

鋁硅合金過程實際上是一個對硅進行P摻雜的過程，需加熱到鋁硅共熔點（577℃）以上。經過合金化後，隨著溫度的下降，液

相中的硅將重新凝固出來，形成含有少量鋁的結晶層，它補償了N層中的施主雜質，從而得到以鋁為受主雜質的P層，達到了消除背結的目的。

在正面形成銀硅合金，以良好的接觸和遮光率；

Ag漿料中的玻璃添加料在高溫（~700度）下燒穿SiN膜，使得Ag金屬接觸矽片表面，在銀硅共熔點（760度）以上進行合金化。

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聚光太陽能發電

聚光太陽能發電（ConcentratingSolarPower）簡稱CSP，准確地說應該是「聚光太陽能熱發電」。

聚光太陽能發電的先行者是美國的吉爾伯特·科恩，在美國內華達州建造極具規模的聚光太陽能發電站，已經成功地為拉斯維加斯供應22兆瓦的電力能源。

聚光太陽能發電繼風能、光電池之後，已經開始嶄露頭角，有望成為解決能源匱乏、應對氣候變暖的有效技術手段。

基本原理：聚光太陽能發電使用拋物鏡將光線聚集到充有合成油的吸熱管上，再將加熱到約400攝氏度的合成油輸送到熱交換器里，將熱量通過此加熱循環水，將水加熱，產生水蒸氣，推動渦輪轉動使發電機運轉，以此來發電。

聚光太陽能發電與太陽能電池不同，太陽能電池使用太陽電池板將太陽能直接變成電能，可以在陰天操作，CSP一般只能夠在陽光充足、天氣晴朗的地方進行。

不過，即使在沒有太陽的夜晚，採用熔融鹽儲存熱量的方法，現在也能解決全天候的供電問題了。

國際能源署（IEA）下屬的SolarPACES、歐洲太陽能熱能發電協會（ESTELA）和綠色和平組織的預測則較為溫和，認為CSP到2030年在全球能源供應份額中將佔3%-3.6%，到2050年佔8%-11.8%，這意味著到2050年CSP裝機容量將達到830GW，每年新增41GW。在未來5-10年內累計年增長率將達到17%-27%。

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太陽能電池的應用

通信衛星供電

上世紀60年代，科學家們就已經將太陽電池應用於空間技術——通信衛星供電，上世紀末，在人類不斷自我反省的過程中，對於光伏發電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應用，在眾多領域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈、太陽能發電戶用系統、村寨供電的獨立系統、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護、光纜通信泵站電源、海水淡化系統、城鎮中路標、高速公路路標等。歐美等先進國家，將光伏發電並入城市用電系統及邊遠地區自然界村落供電系統納入發展方向。太陽電池與建築系統的結合已經形成產業化趨勢。

離網發電系統

太陽能發電[1]控制器(光伏控制器和風光互補控制器)對所發的電能進行調節和控制，一方面把調整後的能量送往直流負載或交流負載，另一方面把多餘的能量送往蓄電池組儲存，當所發的電不能滿足負載需要時，控制器又把蓄電池的電能送往負載。蓄電池充滿電後，控制器要控制蓄電池不被過充。當蓄電池所儲存的電能放完時，控制器要控制蓄電池不被過放電，保護蓄電池。控制器的性能不好時，對蓄電池的使用壽命影響很大，並最終影響系統的可靠性。

蓄電池組的任務是貯能，以便在夜間或陰雨天保證負載用電。

逆變器負責把直流電轉換為交流電，供交流負荷使用。逆變器是光伏風力發電系統的核心部件。由於使用地區相對落後、偏僻，維護困難，為了提高光伏風力發電系統的整體性能，保證電站的長期穩定運行，對逆變器的可靠性提出了很高的要求。另外由於新能源發電成本較高，逆變器的高效運行也顯得非常重要。

產品包括：A、光伏組件B、風機C、控制器D、蓄電池組E、逆變器F、風力/光伏發電控制與逆變器一體化電源。

並網發電系統

上海力友電氣有限公司的可再生能源並網發電系統是將光伏陣列、風力機以及燃料電池等產生的可再生能源不經過蓄電池儲能，通過並網逆變器[2]直接反向饋入電網的發電系統。

因為直接將電能輸入電網，免除配置蓄電池，省掉了蓄電池儲能和釋放的過程，可以充分利用可再生能源所發出的電力，減小能量損耗，降低系統成本。並網發電系統能夠並行使用市電和可再生能源作為本地交流負載的電源，降低整個系統的負載缺電率。同時，可再生能源並網系統可以對公用電網起到調峰作用。網發電系統是太陽能風力發電的發展方向，代表了21世紀最具吸引力的能源利用技術。

產品包括:A、光伏並網逆變器B、小型風力機並網逆變器C、大型風機變流器（雙饋變流器，全功率變流器）

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太陽能發電技術原理

現在，太陽能的利用還不是很普及，利用太陽能發電還存在成本高、轉換效率低的問題，但是太陽能電池在為人造衛星提供能源方面得到了應用。太陽能是太陽內部或者表面的黑子連續不斷的核聚變反應過程產生的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強度為1369w/_。地球赤道的周長為40000km，從而可計算出，地球獲得的能量可達173000TW。在海平面上的標准峰值強度為1kw/m2，地球表面某一點24h的年平均輻射強度為0.20kw/_，相當於有102000TW的能量，人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地熱能資源除外），雖然太陽能資源總量相當於現在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽能的能量密度低，而且它因地而異，因時而變，這是開發利用太陽能面臨的主要問題。太陽能的這些特點會使它在整個綜合能源體系中的作用受到一定的限制。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一，但已高達173,000TW，也就是說太陽每秒鍾照射到地球上的能量就相當於500萬噸煤。地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質能以及部分潮汐能都是來源於太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能，所以廣義的太陽能所包括的范圍非常大，狹義的太陽能則限於太陽輻射能的光熱、光電和光化學的直接轉換。

2. 設計一套以太陽能為主要能源的環保型家庭能源方案（提示：從太陽能利用、儲存和建築節能方面考慮）

民用建築光伏發電系統解決方案又稱為戶用分布式光伏發電系統解決方案，是針對普通居民家庭住宅設計的光伏發電解決方案，一般功率范圍在1KW-10KW,可以根據客戶需求和住宅屋頂情況進行靈活配置。

該系統主要由光伏組件、逆變器、蓄電池（可選）、光伏防雷交直流箱及監控系統組成，可以安裝在自家院內、屋頂、牆面等區域，發電量可以全部上網、全部自用或自發自用余電上網，由用戶自行選擇。

節約每一度電，杜絕家電污染：

每個家庭都應努力做到以下幾點:a、把白熾燈改成第四代LED光源，在同樣的亮度下，其耗電量只是白熾燈的十分之一，但壽命卻是白熾燈的50倍。

要選用無氯綠色環保家電和太陽能家電系列，比如:使用太陽能發電器、太陽灶、太陽能燈、太陽能帽、太陽能手電筒、太陽能乾燥器、太陽能熱水器、地板採暖系統等，既節能環保，又安全方便，既為國家的節能環保工作做出貢獻，又使家庭引導了綠色生尚生活新潮流。

選購空調時要考慮最適合房間大小的匹數。而且夏季空調溫度設定在26-28℃。

3. 如何設計一個小型太陽能發電系統

用24塊160W24V的板，組一個
48V
的系統，電流是55.8A左右，採用48/220V,70-80A的控制逆變一體機，用12V200Ah的電池4個一串，
用電器
每日耗電量375Ah,所以最少要8個12V200Ah的電池，組成48V400Ah的
電池組
。實際上電池組應該放大一些，最好是12個12V200Ah的電池，這里沒考慮陰雨天補償。

4. 並網光伏發電系統的設計步驟

並復網光伏發電系統的設計制步驟：
1、在考察的基礎上進行預可行性研究；
2、技術方案確定和設備選型：
太陽能電池板、匯流箱、直流匯流櫃、逆變器、交流配電櫃、升壓系統、監控系統、其它設備、運行方式等；
3、工程設計：與建築結合、土建施工方案、抗風能力、防雷接地、電網接入系統；
4、特殊設計：
1) 對於BIPV和BAPV：並網方式、遮擋計算、專用BIPV組件
的安裝設計、 造型和美觀等;
2) 對於大型光伏電站：佔地計算、場地、基礎、機房、圍欄、自動跟蹤系統等。