《光伏发电原理与实践》旨在让初学者对光伏发电技术进行系统的理论和实践训练，内容从实际工程需要出发，结合了新能源专业的特点，覆盖面广，叙述由浅入深、图文并茂，具有一定的新颖性和应用性。《光伏发电原理与实践》既有光伏发电技术基础理论知识也有光伏发电实验实训内容，理论与实验紧密结合，相得益彰。《光伏发电原理与实践》共8章，内容包括：太阳能电池的基本原理和分类、太阳能电池工艺及测试表征技术、太阳能组件及聚光电池、太阳能光伏发电系统、蓄电池、控制器、光伏逆变器、太阳能光伏发电应用及工程实例。每章均配有实践内容，其中光伏发电基础实验16个，综合性实验5个，设计性实验5个，实训项目4个，合计30个实验实训项目，这也成为《光伏发电原理与实践》的特色与亮点。

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      《光伏发电原理与实践》主要作为相关企业电气、电子、光电工程技术人员进行光伏发电技术培训和学习的教材或参考书，也可作为高等院校以及高职光伏发电相关专业学生的教学用书。

　　随着电气与光电技术的飞跃发展，光伏发电技术正越来越广泛地受到设计师和工程技术人员的关注和重视。光伏发电技术是一门综合性交叉学科，与很多学科相互渗透、结合，是自然科学和工程学的结合，其理论基础宽广，工程实践综合性强。
　　本书旨在让初学者对光伏发电技术有一个总体认识，内容从实际工程需要出发，结合了光电专业的特点，覆盖面广，叙述由浅人深，图文并茂，浅显易懂，具有较强的实用性和可选性。本书共8章，包含光伏发电技术基础理论和光伏发电实验实训内容，即太阳能电池的基本原理和分类、太阳能电池工艺及检测、太阳能电池组件及聚光电池、太阳能光伏发电系统、蓄电池、控制器、光伏逆变器、太阳能光伏发电应用及工程实例，其中还包含16个光伏发电基础实验（验证性实验）、5个综合性实验、6个设计性实验、3个实训项目，合计30个实验实训项目，这也是本书的特色与亮点。
　　本书主要作为高等院校以及高职光伏发电相关专业学生的教学用书，也可作为电气、电子、光电工程技术人员进行光伏发电技术培训和学习的教材或参考书。
　　本书作为教材的特色如下：
　　（1）建议本书的教学课程设置在50～80学时。
　　（2）本书知识全面，基础理论部分层次性强，条理清楚，内容由浅入深，无过多的理论推导与分析，适于入门教学。
　　（3）本书工程性强，对光伏发电相关技术进行了精选，并融入了一些专业前沿最新发展动向和作者的部分研究成果。
　　（4）本书设置了4个系列教学实验，从基础实验到综合性实验、设计性实验以及实训项目，内容涵盖面广，让学生能够通过光伏发电应用实例分析和实践动手性很强的教学实验，直观而有效地掌握光伏发电技术的基础理论知识，提高工程实践能力。
　　本书由尤源主笔，唐健、朱成云、刘艳、赵杰、丁基勇、刘成林、陈杰、夏道澄、鲍安平、张文建、盛冬、王勇军、张猛、毛明军、徐正来、谢军、孙永旺等参加了编写工作。本书在编写过程中得到了江苏伟创晶集团的大力支持，在此表示由衷感谢。
　　由于时间仓促、水平有限，书中难免有不当和漏误之处，敬请广大读者批评指正。
　　编者
　　2014年6月

目录
前言
第1章 太阳能电池的基本原理和分类 1
1.1 绪论 1
1.2 太阳能电池的基本原理 3
1.2.1 太阳能电池的物理原理 4
1.2.2 太阳能电池的伏安特性 5
1.2.3 寄生电阻的影响 7
1.2.4 光学损失和复合损失 8
1.3 太阳常数和大气质量 10
1.4 晶硅太阳能电池的种类和技术发展 11
习题 15
验证性实验项目 15
实验一 太阳能电池板伏安特性测试实验 15
实验二 环境对光伏转换影响实验 19
第2章 太阳能电池工艺及检测 22
2.1 太阳能电池实验室制备 22
2.1.1 磁控溅射镀膜 22
2.1.2 真空蒸发镀膜 25
2.2 太阳能电池产业化简介 26
2.2.1 单晶硅太阳能电池 26
2.2.2 多晶硅太阳能电池 28
2.2.3 硅带太阳能电池 29
2.3 太阳能电池的性能测试 31
2.3.1 X射线衍射 31
2.3.2 扫描电子显微镜 31
2.3.3 X射线光电子能谱 32
2.3.4 光致荧光发光谱 33
2.3.5 紫外—可见光分光光度计测量薄膜透光率 34
2.3.6 四探针及霍尔效应测试薄膜电学性能 34
2.3.7 电化学C-V 35
2.3.8 太阳能电池光谱测试系统 36
习题 37
验证性实验项目 37
实验三 太阳能电池板的暗伏安特性测试实验 37
实验四 太阳能电池光谱特性测试实验 41
第3章 太阳能电池组件及聚光电池 45
3.1 太阳能电池组件 45
3.2 聚光太阳能电池 48
3.2.1 聚光电池的基本原理 48
3.2.2 聚光电池的技术参数 48
3.2.3 聚光器的总类 49
3.2.4 砷化镓(GaAs)电池 50
3.3 太阳能聚光系统的引入 52
3.3.1 追光系统概述 52
3.3.2 跟踪装置 55
3.3.3 四象限闭环控制系统原理 56
3.3.4 开环及闭、开环相结合的追光系统原理 58
习题 64
验证性实验项目 64
实验五 太阳能可变阻抗负载实验 64
实验六 聚光太阳能能量转换实验 66
综合性实验项目 69
实验七 太阳能电池板逐日系统综合实验 69
设计性实验项目 75
实验八 直流步进电机型云台自动追光电路的设计 75
实训项目 80
实验九 交流24V电机双轴云台自动追光电路的设计与制作 80
第4章 太阳能光伏发电系统 86
4.1 太阳能光伏发电系统的工作原理 86
4.2 太阳龍光伏发电系统的分类 86
4.3 独立太阳能光伏发电系统 89
4.4 太阳能光伏并网系统 91
4.1.1 太阳能光伏并网系统组成 91
4.4.2 光伏并网系统逆变器要求 92
4.4.3 光伏并网系统的拓扑结构 93
4.5 智能微网 93
4.5.1 智能微网的概念 93
4.5.2 智能微网的优点 93
4.5.3 智能微网运行方式 94
4.5.4 智能微网关键技术 95
习题 96
验证性实验项目 96
实验十 太阳能光伏板能量转换实验 96
实验十 太阳能负载最大输出实验 100
综合性实验项目 103
实验十二 太阳能光伏并网发电系统综合实验 103
设计性实验项目 106
实验十三 小功率光伏发电并网系统的设计 106
第5章 蓄电池 110
5.1 蓄电池概述 110
5.2 蓄电池的基本概念 111
5.2.1 蓄电池的分类 111
5.2.2 蓄电池的电压 111
5.2.3 蓄电池的容量 111
5.3 铅酸蓄电池 113
5.3.1 铅酸蓄电池的结构 113
5.3.2 铅酸蓄电池的工作原理 114
5.3.3 铅酸蓄电池的充放电特性 116
5.4 VRLA蓄电池 117
5.4.1 VRLA电池的结构 117
5.4.2 VRLA蓄电池的工作原理 118
5.4.3 VRLA蓄电池的密封原理 118
5.4.4 VRLA电池的两大类技术——AGM电池和胶体电池 119
5.4.5 VRLA蓄电池的技术特性 120
5.5 锂电池 122
5.5.1 锂电池的结构 122
5.5.2 锂电池的工作原理 123
5.5.3 锂电池的特点 123
5.5.4 锂电池的使用注意事项 124
5.6 蓄电池的使用和维护 124
5.6.1 蓄电池与控制器的连接与安装蓄电池的注意事项 124
5.6.2 充电注意事项 124
5.6.3 日常的维护 125
习题 125
验证性实验项目 125
实验十四 太阳能电池组件和蓄电池的选择 125
实验十五 太阳能蓄电池性能测试实验 127
第6章 控制器 132
6.1 控制器的基本工作原理 132
6.2 控制器的功能 133
6.3 控制器的分类 133
6.3.1 并联型控制器 133
6.3.2 串联型控制器 134
6.3.3 脉宽调制型控制器 135
6.3.4 多路控制型控制器 136
6.3.5 最大功率跟踪型控制器 136
6.4 光伏控制器的选用 137
6.4.1 光伏控制器的主要技术参数 137
6.4.2 光伏控制器的主要性能特点 139
6.4.3 光伏控制器的配置选型 141
习题 141
验证性实验项目 142
实验十六 太阳能电池控制器工作原理实验 142
实验十七 太阳能电池控制器充放电保护实验 145
综合性实验项目 149
实验十八 触摸屏技术在光伏发电监控中应用综合实验 149
实训项目 155
实验十九 太阳能光伏控制器设计与制作 155
第7章 光伏逆变器 162
7.1 逆变器电路拓扑结构 162
7.1.1 单相电压型逆变器 162
7.1.2 电压型三相逆变电路 164
7.2 逆变器的PWM控制 167
7.2.1 PWM控制的基本原理 167
7.2.2 PWM逆变电路的控制万式 168
7.2.3 PWM产生方法 169
习题 171
验证性实验项目 171
实验二十 太阳能光伏逆变器工作原理分析实验 171
实验二十 太阳能光伏逆变器性能测试实验 175
设计性实验项目 177
实验二十二 单相并网型光伏逆变器的设计 177
实训项目 180
实验二十三 太阳能发电系统逆变器设计及制作 180
第8章 太阳能光伏发电应用及工程实例 185
8.1 太阳能光伏技术在照明领域的应用 185
8.1.1 太阳能路灯结构组成 185
8.1.2 太阳能路灯工作原理 186
8.2 太阳能光伏技术在通信领域的应用 187
8.3 太阳能光伏技术在光伏发电领域的应用 188
8.3.1 大型光伏发电系统（电站） 188
8.3.2 小型光伏发电系统 189
8.4 太阳能光伏技术在交通领域的应用 189
8.4.1 太阳能汽车和太阳能电动车 189
8.4.2 太阳能游船 192
8.4.3 太阳能飞机 192
8.5 太阳能光伏技术在建筑领域的应用 193
8.5.1 太阳能光伏建筑一体化 193
8.5.2 太阳能光电幕墙 195
8.5.3 光伏建筑一体化系统设计 196
8.5.4 光伏建筑一体化建筑设计 199
8.5.5 光伏建筑一体化光伏系统的安装与调试 204
8.6 太阳能光伏技术在农业领域中的应用 205
8.6.1 光伏农业概述 205
8.6.2 太阳能发电在植物补光中的具体应用 207
8.7 太阳能光伏技术在太空领域中的应用 209
8.8 太阳能光伏技术在其他领域中的应用 210
8.9 光伏发电系统工程实例 211
8.9.1 10kW光伏发电系统工程设计 211
8.9.2 家庭用光伏发电系统工程设计 217
习题 219
验证性实验项目 220
实验二十四 不同负载对太阳能光伏逆变器的影响实验 220
实验二十五 太阳能光伏控制器电磁兼容测试 222
综合性实验项目 226
实验二十六 独立光伏发电系统应用综合实验 226
实验二十七 太阳能汽车应用综合实验 230
设计性实验项目 232
实验二十八 太阳能多功能电源充电器设计 232
实验二十九 30W太阳能LED路灯电路的设计 236
实验三十 太阳能光伏发电系统的设计与制作 242
参考文献 246

　　二、预习内容
　　（1）调研各种类型的太阳能电池光谱特性。
　　（2）阅读教材中的太阳能电池板的工作原理。
　　三、实验原理
　　太阳能电池并不能把任何一种光都同样地转换成电。例如，通常红光转变为电的比例与蓝光转变为电的比例是不同的。由于光的颜色（波长）不同，转变为电的比例也不同，这种特性称为光谱响应特性。光谱响应特性的测量是用一定强度的单色光照射太阳能电池，测量此时电池的短路电流，然后依次改变单色光的波长，再重复测量得到在各个波长下的短路电流，即反映了电池的光谱响应特性。太阳能电池的光谱响应又分为绝对光谱响应和相对光谱响应。各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到太阳能电池上，将产生不同的短路电流，按波长的分布求得其对应的短路电流变化曲线称为太阳能电池的绝对光谱响应。如果每一波长以一定等量的辐射光能或等光子数入射到太阳能电池上，所产生的短路电流与其中最大短路电流比较，按波长的分布求得其比值变化曲线，这就是该太阳能电池的相对光谱响应。但是，无论是绝对还是相对光谱响应，光谱响应曲线峰值越高、越平坦，对应电池的短路电流密度就越大，效率也越高。
　　从太阳能电池的应用角度来说，太阳能电池的光谱特性与光源的辐射光谱特性相匹配是非常重要的，这样可以更充分地利用光能和提高太阳能电池的光电转换效率。例如，有的电池在太阳光照射下能确定转换效率，但在荧光灯这样的室内光源下就无法得到有效的光电转换。不同的太阳能电池与不同的光源的匹配程度是不一样的。而光强和光谱的不同，会引起太阳能电池输出的变动。就人眼的感觉而言，在室外太阳光下和在室内荧光灯下，其亮度并不觉得差别很大，但其能量的绝对值却相差数百倍。由于各种太阳能电池的光谱特性不同，所以太阳能电池的输出特性随所用的光源的光谱不同而变化较大。单晶硅、非晶硅、化合物半导体太阳能电池的光谱特性如下。
　　（1）单晶硅太阳能电池的光谱特性。单晶硅太阳能电池的特点是对于大于0.7μm的红外光也有一定的灵敏度。以P型单晶硅为衬底，其上扩散N型杂质的太阳能电池与N型单晶硅为衬底的太阳能电池相比，其光谱特性的峰值更偏向左边（短波长一方）。另外，对于前面介绍过的紫外光太阳能电池，它对从蓝到紫色的短波长（波长小于0.5μm）的光有较高的灵敏度，但其制法复杂、成本高，仅限于空间应用。此外，带状多晶硅太阳能电池的光谱特性也接近于单晶硅太阳能电池的光谱特性。
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