光伏建筑中太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵技術(shù)分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u4031光伏建筑中太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵技術(shù)分析概述 1221051.1太陽(yáng)能電池效率分析 152431.2最大功率追蹤技術(shù) 2269981.3系統(tǒng)的并網(wǎng)與離網(wǎng)特性 3114741.3.1光伏并網(wǎng)系統(tǒng)特性 326961.3.2光伏離網(wǎng)系統(tǒng)特性 3281451.4光伏建筑美學(xué)設(shè)計(jì) 4128691.5光伏器件清潔問(wèn)題 5太陽(yáng)能作為分布廣泛儲(chǔ)量巨大的一種綠色新型能源，近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用，太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能最科學(xué)最合理的方法之一。本章節(jié)將就太陽(yáng)能電池的效率做簡(jiǎn)要分析，重點(diǎn)討論光伏發(fā)電中的最大功率追蹤技術(shù)、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)離網(wǎng)特性和光伏板的清潔問(wèn)題。1.1太陽(yáng)能電池效率分析光伏電能來(lái)源于太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池工作的原理是利用光生伏打效應(yīng)來(lái)直接或間接地產(chǎn)生電能，太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率就是電池的輸出功率占入射光功率百分?jǐn)?shù)[12]。太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率為：（1.1）式中，為開(kāi)路電壓，為短路電流，為填充因子，為入射光功率密度。太陽(yáng)能電池在光電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于光的反射和折射造成的能量損失以及開(kāi)路電壓、短路電流等因素的影響，實(shí)際轉(zhuǎn)換效率要遠(yuǎn)低于理論轉(zhuǎn)換效率[13]。除了公式中的參數(shù)外，太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率還與以下兩個(gè)因素有關(guān)：（1）光照強(qiáng)度。太陽(yáng)能電池作為太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的主要裝置，在一般情況下（25℃，大氣質(zhì)量AM1.5），其轉(zhuǎn)換效率隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而提高。（2）電池的材料。不同的材料對(duì)光的吸收系數(shù)不同，禁帶寬度不同，量子效率也不同，電池效率也各有差異。商用太陽(yáng)能電池的最大轉(zhuǎn)換效率為20-21%，在實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到25%的效率；太陽(yáng)能電池模塊的總效率在15%-17%之間，在實(shí)際操作條件下低于標(biāo)稱效率[14]。因此，在進(jìn)行光伏陣列的安裝時(shí)，要盡可能使太陽(yáng)光全部照射在太陽(yáng)能電池板上。1.2最大功率追蹤技術(shù)在太陽(yáng)能電池發(fā)電過(guò)程中，很多參數(shù)會(huì)影響太陽(yáng)能電池的P-V特性，其中包括電池板型號(hào)、大小、溫度、太陽(yáng)輻照度等，當(dāng)太陽(yáng)能電池組的型號(hào)和參數(shù)確定后，光伏陣列系統(tǒng)所提供的功率主要隨著太陽(yáng)輻照度和溫度的變化而變化。為了使從光伏陣列到負(fù)載的能量傳輸達(dá)到最大化，需強(qiáng)制工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)（Maximumpowerpoint,MPP）。因此，欲使光伏系統(tǒng)的效率最大化，必須對(duì)光伏陣列的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤[15]。如圖1.1所示為太陽(yáng)能電池的P-V特性曲線，根據(jù)電導(dǎo)增量法可知當(dāng)功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)為零時(shí)，得到最大功率點(diǎn)（MPP）。一般來(lái)說(shuō)，為了達(dá)到最大運(yùn)行功率點(diǎn)，調(diào)節(jié)光伏輸出電壓，使其在/斜率為正時(shí)增大，在/斜率為負(fù)時(shí)減小。提供最大功率點(diǎn)連續(xù)提取的控制由以下給出：（1.2）式中，是提供最大功率的最佳電壓，是比例增益，是兩個(gè)工作點(diǎn)之間的功率變化，是兩個(gè)工作點(diǎn)之間的電壓變化[16]。圖1.1P-V特性曲線1.3系統(tǒng)的并網(wǎng)與離網(wǎng)特性太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)分為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)直接與國(guó)家電網(wǎng)相連接，離網(wǎng)光伏系統(tǒng)不連接電網(wǎng)自發(fā)自用。1.3.1光伏并網(wǎng)系統(tǒng)特性并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)將光伏發(fā)電系統(tǒng)與國(guó)家電網(wǎng)整合在一起，運(yùn)用逆變器將光伏所發(fā)的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，科學(xué)合理地分配光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。當(dāng)太陽(yáng)輻照強(qiáng)時(shí)，光伏系統(tǒng)在供給交流負(fù)載的同時(shí)，將多余的電力流入電網(wǎng)；當(dāng)太陽(yáng)輻照弱時(shí)，由光伏系統(tǒng)和國(guó)家電網(wǎng)共同供給交流負(fù)載。此外，若系統(tǒng)負(fù)載中存在直流負(fù)載，可由光伏系統(tǒng)直接供給。并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1.2所示：圖1.2并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要有：將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)相連，蓄電池的使用量減少，避免蓄電池的二次污染，系統(tǒng)的故障概率降低，節(jié)省大量建設(shè)資源，發(fā)電成本降低，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的綜合效益提升；采取分布式安裝方式，因地制宜，可自動(dòng)、靈活地接入或退出電網(wǎng)，提升了電力系統(tǒng)的防御能力，降低了電路損耗，使用電環(huán)境更安全。具有調(diào)峰作用，提升了電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性[17]。1.3.2光伏離網(wǎng)系統(tǒng)特性光伏離網(wǎng)系統(tǒng)一般包括太陽(yáng)能電池組組成的光伏方陣、控制器、蓄電池、逆變器和交直流負(fù)載等。具體結(jié)構(gòu)如圖1.3所示：圖1.3離網(wǎng)光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖光伏方陣在光照充足時(shí)光伏系統(tǒng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)控制器直接給直流負(fù)載供電并通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電給交流負(fù)載供電，同時(shí)額外的電量?jī)?chǔ)存到蓄電池組中；在光照較弱時(shí)，由光伏系統(tǒng)和蓄電池組共同為支流負(fù)載供電，并由蓄電池組通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電為交流負(fù)載供電。離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)不受地域的限制，只要有陽(yáng)光照射的地方就可以安裝使用，有很強(qiáng)的實(shí)用性。與并網(wǎng)系統(tǒng)相比，離網(wǎng)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組恒壓恒流充電過(guò)程的自動(dòng)管理；具有最大功率追蹤功能，可發(fā)揮太陽(yáng)能電池的最大效率；輸出電壓穩(wěn)定，抗擾能力強(qiáng)；保護(hù)功能完善，具有過(guò)充、過(guò)放、輸出過(guò)壓、過(guò)流等多種保護(hù)[18]。離網(wǎng)系統(tǒng)與并網(wǎng)系統(tǒng)相比，雖然應(yīng)用范圍廣泛，但在居住建筑中，獨(dú)立的光伏系統(tǒng)的發(fā)電量往往不能滿足用戶需求，存在斷電的風(fēng)險(xiǎn)，且獨(dú)立光伏系統(tǒng)蓄電池需求大，維護(hù)成本高，因此不適用于一般的居住建筑。1.4光伏建筑美學(xué)設(shè)計(jì)在進(jìn)行光伏建筑的設(shè)計(jì)時(shí)必須首先現(xiàn)場(chǎng)勘察，且安裝好系統(tǒng)之后必須進(jìn)行調(diào)試工作[19]。具體流程如圖1.4所示：圖1.4光伏建筑設(shè)計(jì)流程光伏建筑作為建筑的一種，除了需要具備光伏系統(tǒng)的發(fā)電作用和作為建筑的支撐作用以及適合居住的特性之外，觀賞性也尤為重要。在光伏建筑中，光伏組件主要有光伏幕墻、光伏玻璃、太陽(yáng)能空調(diào)、光伏屋頂?shù)?。在設(shè)計(jì)時(shí)，光伏幕墻與普通的墻體一樣，要以支撐固定作用為主，兼顧吸收太陽(yáng)能起到發(fā)電的作用，因此可以在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)成斜體，但不宜過(guò)度傾斜，以便最大限度地達(dá)到預(yù)期效果，并為后續(xù)的光伏玻璃的鋪設(shè)做好基礎(chǔ)；在鋪設(shè)光伏玻璃時(shí)，要考慮建筑物的朝向、光伏幕墻的傾斜程度以及當(dāng)?shù)氐木暥龋x擇出最佳的光伏玻璃的傾斜角度和設(shè)計(jì)出合理的布局；光伏屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)也需要綜合考慮以上因素和電池的型號(hào)大小規(guī)模等，也要使建筑具有一定的觀賞性[20]。1.5光伏器件清潔問(wèn)題在安裝光伏板等器件后，還需考慮包括光伏板的清潔問(wèn)題[21]。諸如光伏玻璃，太陽(yáng)能空調(diào)等室內(nèi)光伏器件，一般進(jìn)行人工擦拭或沖洗，而光伏板這種大面積的室外器件目前有以下三種清潔方式：（1）人工清洗/人工用工具清洗：人工拿水管沖洗，在進(jìn)行擦拭。優(yōu)點(diǎn)：清洗干凈。缺點(diǎn)：清洗時(shí)間漫長(zhǎng)，人員不好管理，浪水水資源，安全系數(shù)低，人員踩踏電池板容易造成隱裂。（2）機(jī)械化清洗車：一