Solar Cell and Module Installation
太陽(yáng)向地球輻射巨大的能量，太陽(yáng)光輻射熱可發(fā)電，太陽(yáng)光也可以直接激發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生電能，這就是太陽(yáng)能光伏發(fā)電，光伏發(fā)電早已應(yīng)用在日常生活中，如計(jì)算器，太陽(yáng)能燈，太陽(yáng)能帽等等。
太陽(yáng)電池
光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽(yáng)電池，太陽(yáng)電池由半導(dǎo)體材料制成，在一片半導(dǎo)體材料表面形成PN結(jié)，在兩面引出電極構(gòu)成太陽(yáng)電池，當(dāng)陽(yáng)光照射到太陽(yáng)電池時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，有關(guān)其原理與結(jié)構(gòu)在這里不做介紹了。
圖1是網(wǎng)絡(luò)上的單片單晶硅太陽(yáng)能電池與多晶硅太陽(yáng)能電池圖片，單片太陽(yáng)能電池的尺寸約十多厘米見(jiàn)方。
圖1 太陽(yáng)電池片
若干太陽(yáng)電池片經(jīng)過(guò)串聯(lián)與并聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽(yáng)電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置，圖2是一塊太陽(yáng)電池組件，也就是常說(shuō)的太陽(yáng)能電池板，太陽(yáng)能電池板大小根據(jù)需要制作。
圖2 太陽(yáng)電池組件
多個(gè)太陽(yáng)電池組件組成太陽(yáng)電池方陣，太陽(yáng)電池方陣使用的組件尺寸較多為2米長(zhǎng)1米寬左右，在標(biāo)準(zhǔn)光照條件（輻照度1000W/m2）下的輸出電壓一般為30至50伏，短路電流約10安培。
圖3上方是太陽(yáng)電池與太陽(yáng)電池組件的圖形符號(hào)，符號(hào)是普通電池符號(hào)加個(gè)圓圈，極性與普通電池一樣，圖3下方是太陽(yáng)電池組件或方陣的常用畫(huà)法。
圖3 太陽(yáng)電池與組件的圖形符號(hào)
太陽(yáng)電池的基本特性
太陽(yáng)電池可由多種半導(dǎo)體材料制造，目前制造工藝最成熟、性價(jià)比高的太陽(yáng)電池采用硅半導(dǎo)體材料。后面介紹的太陽(yáng)電池均是硅太陽(yáng)電池。
圖4 太陽(yáng)電池的特性曲線
常用的太陽(yáng)電池的主要特性是伏安特性，圖4的（1）圖是硅太陽(yáng)電池的伏安特性，圖中曲線是在一定強(qiáng)度陽(yáng)光照射下的伏安特性曲線。把太陽(yáng)電池正負(fù)極短路時(shí)，輸出電流稱為短路電流Isc；，把太陽(yáng)電池正負(fù)極開(kāi)短路（無(wú)負(fù)載），兩極間的電壓稱為開(kāi)路電壓Uoc。
在太陽(yáng)電池正負(fù)極接上負(fù)載電阻R，如上所述，當(dāng)R無(wú)窮大時(shí)，通過(guò)電流為0，電壓為Uoc，當(dāng)R為0時(shí)，通過(guò)電流為Isc，電壓為0。
當(dāng)R值變化時(shí)，通過(guò)電流與電壓的關(guān)系按曲線變化，見(jiàn)圖4中的（2）圖，R較小時(shí)，通過(guò)電流為i3，電壓為u3；R較大時(shí)，通過(guò)電流為i1，電壓為u1。太陽(yáng)電池的輸出功率為R上電流與電壓乘積，顯然要選擇R值以得到最大輸出功率，從圖中看，改變R值，電流為i2，電壓為u2時(shí)，輸出功率最大，在曲線上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)M稱為該太陽(yáng)電池的最佳工作點(diǎn)。
太陽(yáng)電池在光照不同時(shí)的伏安特性曲線也不同，在圖4的（3）圖中有三根在不同光照強(qiáng)度（輻照度）時(shí)的伏安特性曲線，顯示了太陽(yáng)電池的光照特性，主要是短路電流Isc與照射光的輻照度成正比，顯然輻照度越強(qiáng)，輸出功率越大。
太陽(yáng)電池還有一些特性，如開(kāi)路電壓Uoc隨溫度升高而降低，其他特性就不介紹了。
太陽(yáng)電池的分類
光伏電池主要分為晶體硅光伏電池與薄膜光伏電池，晶體硅光伏電池又分為單晶硅光伏電池與多晶硅光伏電池，薄膜光伏電池種類較多，主要是非晶硅光伏電池。
單晶硅太陽(yáng)電池
單晶硅太陽(yáng)電池由單晶硅片制造，在單晶硅材料中，硅原子在空間呈有序的周期性排列，具有長(zhǎng)程有序性。這種有序性有利于太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率的提高，目前單晶硅太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率為14%-17%，最高達(dá)24%。單晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝成熟，廣泛應(yīng)用在航天，高科技產(chǎn)品中。但單晶硅太陽(yáng)電池制造過(guò)程復(fù)雜，制造需要的能耗大，成本高。
多晶硅太陽(yáng)電池
多晶硅材料則是由許多單晶顆粒（顆粒直徑為數(shù)微米至數(shù)毫米）的集合體。各個(gè)單晶顆粒的大小，晶體取向彼此各不相同，其轉(zhuǎn)換效率約13%至15%，最高達(dá)20%。多晶硅太陽(yáng)電池比單晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)時(shí)間短，制造成本低，在市場(chǎng)上有重要地位。
非晶硅太陽(yáng)電池
非晶硅太陽(yáng)電池采用很薄的非晶硅薄膜（約1 μm厚）制造，硅材料消耗很少，可直接在大面積的玻璃板上淀積生成硅半導(dǎo)體薄膜，制備非晶硅的工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，制造時(shí)間短，能耗少，適于大批生產(chǎn)。
非晶硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率5%-8%，最高達(dá)13%，特點(diǎn)是在弱光下也能發(fā)電。非晶硅太陽(yáng)電池的主要缺點(diǎn)是穩(wěn)定性稍差。但價(jià)廉與弱光發(fā)電使它廣泛用在民用產(chǎn)品中。
太陽(yáng)電池的安裝
大多數(shù)太陽(yáng)電池采用固定安裝，為了獲得較強(qiáng)的太陽(yáng)光輻射，由電池組件組成的電池板應(yīng)向南方傾斜（北半球），用支架支撐固定，與地面角度為本地緯度值最好，對(duì)于在屋頂安裝，也要盡量滿足這個(gè)要求。圖5是固定安裝示意圖。
圖5 固定安裝太陽(yáng)電池組件
固定安裝費(fèi)用少，結(jié)實(shí)可靠，圖6是網(wǎng)絡(luò)上的大型太陽(yáng)電池方陣照片。
圖6 大型太陽(yáng)電池方陣
一些采用單晶硅太陽(yáng)電池組件的系統(tǒng)，由于價(jià)格高，希望獲得盡量多的太陽(yáng)照射，可考慮對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤。太陽(yáng)電池不像聚光集熱裝置要準(zhǔn)確跟蹤，差幾度影響不明顯，采用極軸式跟蹤并使用視日跟蹤法。圖7是一塊跟蹤型太陽(yáng)電池板。
圖7 跟蹤型太陽(yáng)電池板
電池板通過(guò)兩個(gè)軸安裝在基座上，主轉(zhuǎn)軸與地軸平行，主轉(zhuǎn)軸上安裝有俯仰轉(zhuǎn)軸的軸座，軸座上有俯仰轉(zhuǎn)軸，主轉(zhuǎn)軸與俯仰轉(zhuǎn)軸垂直，整個(gè)電池組件板安裝在俯仰轉(zhuǎn)軸上。見(jiàn)圖8
圖8 跟蹤型太陽(yáng)電池板的軸轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)
電池板繞俯仰軸轉(zhuǎn)是調(diào)節(jié)與地面的夾角，在春分與秋分時(shí)電池板與主轉(zhuǎn)軸平行，見(jiàn)圖9中圖；在冬季太陽(yáng)較低，電池板與地面的夾角增大，見(jiàn)圖9左圖；在夏季太陽(yáng)較高，電池板與地面的夾角減小，見(jiàn)圖9右圖。由于這個(gè)角度每天最大變化不超過(guò)0.5度，可半個(gè)月至一個(gè)月手動(dòng)調(diào)節(jié)一次，不需要自動(dòng)調(diào)節(jié)。
圖9 跟蹤型太陽(yáng)電池板的俯仰角度
電池板繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)是為了跟蹤太陽(yáng)，由于不需準(zhǔn)確跟蹤，只需用機(jī)電裝置按每小時(shí)15度的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)即可，早上與傍晚也無(wú)需轉(zhuǎn)到與地面垂直，到太陽(yáng)落山再返回即可。
下面請(qǐng)觀看太陽(yáng)電池板繞主轉(zhuǎn)軸跟蹤轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)。
太陽(yáng)電池板跟蹤轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)
