本书根据高等院校能源类专业教学要求编写, 主要是帮助读者了解当今主流的晶体硅光伏技术并掌握晶体硅分布式光伏电站的设计安装与运维, 既包括晶体硅太阳电池的产业链、发电原理等, 又包括分布式光伏电站的组成、部件选型、设计、安装和运维等工程性、实践性强的内容。

本书适合作为普通高等院校能源类专业的教材, 也适合具有分布式光伏电站投资管理需求的电力相关行业人员或其他社会投资者参考。

光伏发电技术是一种清洁新能源发电技术, 发电过程不产生任何污染, 不排放任何废气废液。光伏发电量在国内电力的占比越来越大, 在碳达峰碳中和的事业中已经并将继续承担重要的作用。目前, 国内的光伏全产业链的产能和产量、太阳电池及组件产品的技术性能都已经领先全世界! 我们不得不为我们国家光伏产业的迅猛发展而自豪! 为此, 编者在本教材中展示国家光伏产业的迅猛发展,希望能为增强国家自信心和民族自豪感贡献一点微薄之力。

2021 年国内分布式光伏新增装机首次超过地面集中电站, 占当年的53% 。2022 年, 由于工商业分布式光伏电站的快速增长, 国内分布式光伏新增装机再次超过地面集中电站。2022 年国家层面取消光伏补贴, 户用光伏新增19 GW,同比增长39% , 工商业分布式光伏电站新增约20. 7 GW, 同比增长269% 。目前, 分布式光伏电站的成本大为降低, 花2 万元就能在自己家屋顶建造一个5 kW户用分布式光伏电站。经过8 年就能收回成本, 还有17 年以上的发电盈利时间。分布式光伏电站由哪些部件构成? 各个部件的主要作用如何? 如何选型?各个部件如何设计? 光伏电站如何安装? 电站并网后如何运维? 这些都是本书的主要内容。

编写本教材的背景是光伏行业技术日新月异的发展。原本实验室的高精尖技术被越来越多地应用到工厂、车间。比如以前传统的单面背电场晶体硅电池越来越多地被PERC 太阳电池、TOPCon 太阳电池、HIT 太阳电池代替; 单片组件越来越多地转变为半片组件; 传统的BAPV ( 建筑附属光伏电站) 也有转变为BIPV(建筑光伏一体化) 的趋势。教材的编写一定要跟上蓬勃发展的光伏产业技术。

上海电力大学于2010 年为本科生开设“ 太阳能电池技术” 和“ 太阳能发电技术” 专业课程, 当时在国内本科教学阶段是首次。经过10 多年的课程建设,该专业课程已经成为上海市一流精品课程, 但是尚缺乏贴近当前实际工程应用的教材, 鉴于此, 我们编写了本教材。考虑到教学实际, 在教材后面增加了相应的习题, 希望能为国内光伏教学做些贡献。

本教材具有以下特色:

(1) 紧跟当今分布式光伏电站所用光伏组件的新技术, 比如市场大量使用的PERC 太阳电池、半片光伏组件等新技术。

(2) 既有必要的理论介绍, 比如太阳电池的发电原理和组件的光电性能等,又突出工程性与实践性, 理论联系实际。

(3) 分布式光伏电站的设计、安装具体到细节, 因而本教材具有工具书的作用。争取使具有动手能力的初学者都能在本书的指导下完成户用分布式光伏电站的设计安装。

(4) 本书最后包含分布式光伏电站设计软件的介绍。掌握了该软件, 可以大大简化原本烦琐的分布式光伏电站的设计制图, 从而使分布式光伏电站的设计既有理论的详细论述又有设计工程软件的介绍, 既精通理论又能升级成为分布式电站设计图制作的专业高手。

本书的组件选型不求标新立异, 但求选型的可靠性和高性价比。本书的选型不一味地强调技术的创新性而忽视技术的可靠性与最终的性价比。相当多的行业投资者为了创新而创新, 盲目扩产、投资新技术, 结果损失惨重。这必须引起行业足够的重视。

本书由赵雨任主编, 籍楚雄任副主编, 苏泽源、朱艳燕、谢东参与编写。其中, 第1 ~5 章由上海电力大学太阳能研究所赵雨和朱艳燕编写, 第6 ~8 章由港华新能源(苏州) 投资有限公司设计院技术总监籍楚雄和谢东编写。苏泽源硕士为作图和制表做了大量工作, 港华新能源( 苏州) 投资有限公司设计院为本书提供了大量的工程照片和设计资料, 在此对他们深表谢意。

由于编者水平有限, 书中难免存在疏漏和不妥之处, 恳请广大读者批评指正。

编者

2023 年2 月

第1 章 太阳能光伏发展历史与现状  1
1. 1 世界太阳能光伏发展历史  1
1. 2 国内太阳能光伏发展历史与现状  4
1. 3 国内光伏行业现状  6
习题  7
第2 章 太阳电池概述  9
2. 1 太阳电池的分类  9
2. 2 市场应用的太阳电池 10
2. 3 晶体硅太阳电池 11
2. 4 PERC 单晶硅太阳电池  13
2. 5 N-TOPCon 单晶硅太阳电池 14
2. 6 HIT 太阳电池  14
2. 7 非晶硅薄膜太阳电池 16
2. 8 铜铟镓硒薄膜太阳电池  20
2. 9 碲化镉薄膜太阳电池 22
2. 10 钙钛矿太阳电池  23
习题  25
第3 章 光伏行业的产业链与生产工艺  26
3. 1 高纯多晶硅材料的制备  27
3. 2 单晶硅棒的制备 28
3. 3 多晶硅锭的制备 30
3. 4 硅片的制造 30
3. 5 太阳电池片的制造 32
3. 6 光伏组件的封装 46
3. 7 光伏发电系统 53
习题  60
第4 章 晶体硅太阳电池工作原理与光电性能参数  61
4. 1 晶体硅太阳电池结构和光生伏特效应  61
4. 2 光电流和光电压 63
4. 3 等效电路、 输出功率和填充因子  68
4. 4 太阳电池的量子效率与光谱响应  69
4. 5 太阳电池的光电转换效率  70
习题  76
第5 章 分布式太阳能光伏发电系统的组成和选型  78
5. 1 太阳能光伏组件 78
5. 2 逆变器  80
5. 3 直流汇流箱 82
5. 4 交流汇流箱 83
5. 5 并网配电箱 83
5. 6 光伏线缆及连接器 84
5. 7 光伏支架及基础 85
习题  93
第6 章 分布式光伏发电站的设计  94
6. 1 光伏电站设计原则、 容量计算与选址  94
6. 2 光伏方阵的朝向与倾斜角  95
6. 3 光伏方阵的串、 并联计算  97
6. 4 光伏方阵组合设计、 方阵排布与间距设计 101
6. 5 光伏发电系统的电网接入  101
6. 6 光伏系统总的效率及容配比设计  102
6. 7 分布式光伏发电系统防雷设计  103
6. 8 分布式光伏发电系统设计实例  104
6. 9 离网型光伏发电系统的设计  140
习题  143
第7 章 分布式光伏电站的运行维护 144
7. 1 组件清洗维护  144
7. 2 清除遮挡物  145
7. 3 逆变器的检查维护  146
7. 4 设备连接处的接触维护  147
7. 5 汇流箱检查维护  148
习题  149
第8 章 分布式光伏电站常见故障及排除 150
8. 1 分布式光伏电站常见故障  150
8. 2 分布式光伏电站组件故障的应急处理办法 153
习题  153
附录 A 光伏施工图软件使用手册 (节选)  154
A. 1 软件概述  154
A. 2 运行环境  154
A. 3 软件安装  154
A. 4 软件界面与功能  157
A. 5 设计流程  159
A. 6 施工图设计  160
参考文献  167

    赵雨，上海电力大学

本书根据高等院校能源类专业教学要求编写, 主要是帮助读者了解当今主流的晶体硅光伏技术并掌握晶体硅分布式光伏电站的设计安装与运维, 既包括晶体硅太阳电池的产业链、发电原理等, 又包括分布式光伏电站的组成、部件选型、设计、安装和运维等工程性、

实践性强的内容。