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第1章 背景1

1.1 介绍1

1.2 人口与能源需求1

1.3 能量单位2

1.4 当前世界能源使用模式3

1.5 指数增长6

1.5.1 介绍6

1.5.2 复利6

1.5.3 倍增时间6

1.5.4 累积8

1.5.5 指数环境中的资源生命周期8

1.6 哈伯特-高斯模型9

1.7 净能、英热单位经济和可持续性试验10

1.8 光伏实现的阳光向电力直接转换11

习题13

参考文献15

推荐阅读16

第2章 太阳18

2.1 介绍18

2.2 太阳光谱18

2.3 大气层对太阳光的影响19

2.4 太阳光照的规范21

2.4.1 介绍21

2.4.2 定义21

2.4.3 地球轨道和自转22

2.4.4 跟踪太阳24

2.4.5 太阳光照测量29

2.4.5.1 精密测量29

2.4.5.2 较低准确度的测量29

2.5 太阳光线捕获29

2.5.1 采光器的太阳辐射量最大化29

2.5.2 遮挡31

2.5.2.1 遮挡物的现场测试32

2.5.2.2 确定遮挡的计算方法33

2.5.3 特殊朝向考虑34

2.5.3.1 水平安装34

2.5.3.2 非南向安装34

习题36

参考文献39

推荐阅读39

第3章 光伏系统介绍40

3.1 介绍40

3.2 光伏电池41

3.3 光伏组件44

3.4 光伏阵列46

3.5 能量存储46

3.5.1 介绍46

3.5.2 铅酸蓄电池47

3.5.2.1 铅酸蓄电池的化学原理47

3.5.2.2 铅酸蓄电池的特性48

3.5.3 镍镉蓄电池52

3.5.3.1 镍镉蓄电池的化学原理52

3.5.3.2 镍镉系统的特性52

3.5.4 其他蓄电池系统53

3.5.5 氢储能54

3.5.6 燃料电池55

3.5.7 其他储能方式56

3.6 光伏系统负荷56

3.7 光伏系统的有效性57

3.8 相关的系统电子部件60

3.8.1 介绍60

3.8.2 充电控制器60

3.8.2.1 充电考虑因素61

3.8.2.2 放电考虑因素63

3.8.3 最大功率点跟踪器和线性电流助推器64

3.8.4 逆变器67

3.8.4.1 方波逆变器67

3.8.4.2 修正正弦波逆变器68

3.8.4.3 脉宽调制逆变器70

3.8.4.4 其他可取的逆变器特征73

3.9 发电机74

3.9.1 介绍74

3.9.2 发电机类型和容量75

3.9.3 发电机运行特性76

3.9.3.1 转速76

3.9.3.2 效率76

3.9.3.3 燃料类型76

3.9.3.4 海拔的影响77

3.9.3.5 波形谐波含量78

3.9.3.6 频率稳定性78

3.9.3.7 电压幅值稳定性78

3.9.3.8 噪声水平78

3.9.3.9 起动类型78

3.9.3.10 过负荷特征78

3.9.3.11 功率因数的考虑79

3.9.4 发电机的维护79

3.9.5 发电机的选择79

3.10 系统平衡部件（BOS）79

3.10.1 开关、断路器、熔断器和插座80

3.10.2 接地故障、浪涌和防雷保护80

3.10.3 逆变器旁路开关和电源电路汇流箱81

3.10.4 接地器件81

习题82

参考文献85

推荐阅读85

第4章 电网交互式并网光伏系统86

4.1 介绍86

4.2 应用规范和标准86

4.2.1 国家电气规范88

4.2.1.1 介绍88

4.2.1.2 电压降和导线标准88

4.2.2 IEEE 1547—2003标准90

4.2.2.1 介绍90

4.2.2.2 具体要求91

4.2.2.3 光伏逆变器与机械旋转发电机的比较93

4.2.2.4 孤岛分析93

4.2.3 其他议题95

4.2.3.1 美观性95

4.2.3.2 电磁干扰95

4.2.3.3 浪涌保护96

4.2.3.4 结构考虑96

4.3 直接并网光伏系统的设计考虑97

4.3.1 确定系统能量输出97

4.3.2 阵列安装98

4.3.3 逆变器的选择和安装98

4.3.4 其他安装问题100

4.4 基于年系统性能需求的系统设计100

4.4.1 阵列定容100

4.4.2 逆变器选择101

4.4.3 组件选择101

4.4.4 平衡系统103

4.4.4.1 组件延长线、屋顶接线箱、组件与阵列框架的接地104

4.4.4.2 从屋顶接线箱到逆变器的导线和导线管105

4.4.4.3 直流断路器、交流断路器和过电流保护107

4.4.4.4 公用电网连接点108

4.4.4.5 最终系统电气原理图109

4.5 基于有效屋顶空间的系统设计110

4.5.1 阵列选择110

4.5.2 逆变器选择112

4.5.3 平衡系统113

4.5.3.1 组件延长线、屋顶接线箱和组件及阵列框架接地113

4.5.3.2 从屋顶接线箱到逆变器的导线和导线管113

4.5.3.3 直流断路器、交流断路器与过电流保护114

4.5.3.4 公用电网连接点114

4.5.3.5 估计系统年性能114

4.5.3.6 最终系统电气原理图115

4.5.4 设计扩展到较低风速地区115

4.6 基于微逆变器的系统设计116

4.6.1 介绍116

4.6.2 系统设计116

4.6.3 警铃和警哨（即监控的可能性）118

4.7 向三相配电箱馈电的一个额定21kW系统的设计118

4.7.1 介绍118

4.7.2 阵列配置119

4.7.3 系统直流布线119

4.7.4 系统交流布线122

4.7.4.1 导线和过电流保护的大小122

4.7.4.2 电压降计算123

4.7.4.3 连接到Y联结277/480V电源124

4.8 额定250kW系统的设计124

4.8.1 介绍124

4.8.2 配置阵列125

4.8.3 源支路电压降计算126

4.8.4 直流断路器和过电流保护129

4.8.5 交流导线规格、断路器和过电流保护129

4.9 系统性能监控132

习题132

参考文献135

第5章 机械性能考虑136

5.1 介绍136

5.2 材料的重要属性136

5.2.1 介绍136

5.2.2 机械属性137

5.2.3 应力与应变138

5.2.4 材料强度141

5.2.5 长柱弯曲142

5.2.6 热胀冷缩142

5.2.7 化学腐蚀与紫外线衰减144

5.2.8 钢的属性146

5.2.9 铝的属性146

5.3 确立机械系统要求148

5.3.1 机械系统的设计过程148

5.3.2 功能要求148

5.3.3 运行要求149

5.3.4 约束条件149

5.3.5 折中考虑150

5.4 设计和安装导则150

5.4.1 标准与规范150

5.4.2 建筑规范要求151

5.5 光伏阵列的作用力151

5.5.1 结构负载因素151

5.5.2 静荷重152

5.5.3 动荷重153

5.5.4 风载荷153

5.5.5 雪载荷160

5.5.6 其他载荷160

5.6 阵列安装系统的设计160

5.6.1 介绍160

5.6.2 阵列安装系统的设计目标160

5.6.2.1 安装成本最小化161

5.6.2.2 建筑集成的考虑因素162

5.6.2.3 阵列-屋顶配置的成本和耐久性163

5.6.3 增强阵列性能163

5.6.3.1 辐射增强163

5.6.3.2 遮挡163

5.6.3.3 阵列散热163

5.6.3.4 防止人为破坏164

5.6.4 屋顶安装阵列164

5.6.4.1 框架式安装164

5.6.4.2 支架式安装165

5.6.4.3 集成式安装166

5.6.4.4 直接式安装166

5.6.5 地面安装阵列167

5.6.5.1 支架式安装167

5.6.5.2 杆式安装167

5.6.5.3 跟踪式安装167

5.6.6 美观性169

5.7 计算机械载荷和应力169

5.7.1 介绍169

5.7.2 回撤载荷169

5.7.3 拉伸应力169

5.7.4 弯曲170

5.8 框架式屋顶安装范例171

5.8.1 ASCE-7风载荷分析表格法介绍171

5.8.2 阵列安装设计：高风速情况173

5.8.3 阵列安装设计：低风速情况174

5.8.4 暴露度C、暴露度D及其他校正因子175

习题176

参考文献178

推荐阅读179

第6章 具有蓄电池备用的并网光伏系统180

6.1 介绍180

6.2 蓄电池备用系统设计基础181

6.2.1 介绍181

6.2.2 负荷确定181

6.2.3 逆变器定容182

6.2.4 蓄电池定容182

6.2.5 光伏阵列定容183

6.3 基于待机负荷的单逆变器120V蓄电池备用系统设计184

6.3.1 待机负荷的确定184

6.3.2 逆变器的选择185

6.3.3 蓄电池的选择185

6.3.4 光伏阵列的定容186

6.3.5 充电控制器和光伏组件选择187

6.3.6 BOS的选择和完成设计189

6.3.6.1 光伏阵列安装设备189

6.3.6.2 屋顶接线箱190

6.3.6.3 支路汇流箱和浪涌保护装置190

6.3.6.4 直流侧导线和断路器的规格191

6.3.6.5 交流侧导线和断路器的规格192

6.3.6.6 待机负荷布线192

6.3.6.7 设备的接地导体和接地电极导体尺寸193

6.3.7 逆变器和充电控制器的程序控制194

6.3.8 化石燃料发电机连接的选择196

6.4 基于可用屋顶空间的120/240V蓄电池备用系统196

6.4.1 介绍196

6.4.2 光伏组件选择和源电路设计197

6.4.3 源支路汇流箱和充电控制器选择197

6.4.4 逆变器的选择198

6.4.5 待机负荷的确定和蓄电池的选择199

6.4.6 BOS选择和完成设计200

6.4.6.1 屋顶接线盒200

6.4.6.2 源支路汇流箱和浪涌保护装置201

6.4.6.3 直流侧导线和断路器选型201

6.4.6.4 交流侧线路和断路器选型202

6.4.6.5 待机负荷的接线202

6.4.6.6 设备接地导体和接地电极导体的规格203

6.5 使用串联逆变器的18kW蓄电池备用系统203

6.5.1 介绍203

6.5.2 逆变器和充电控制器选择204

6.5.2.1 逆变器选择204

6.5.2.2 充电控制器205

6.5.3 组件选择和阵列布局205

6.5.3.1 组件选择206

6.5.3.2 阵列布局206

6.5.3.3 阵列性能208

6.5.4 蓄电池和BOS选择209

6.5.5 导线规格209

6.5.6 最终设计211

6.6 交流耦合蓄电池备用系统213

6.6.1 介绍213

6.6.2 120/240V蓄电池备用逆变器和240V直接并网逆变器214

6.6.3 120V蓄电池备用逆变器和240V直接并网逆变器216

6.6.4 120/208V三相交流耦合系统217

6.7 蓄电池的连接219

习题221

参考文献223

第7章 独立光伏发电系统225

7.1 介绍225

7.2 最简单的配置：组件和风扇226

7.3 光伏驱动的水泵系统227

7.3.1 介绍227

7.3.2 系统元件的选择228

7.3.3 简单水泵系统的设计230

7.3.3.1 水泵运行电流和电压的选择230

7.3.3.2 光伏组件选择231

7.4 光伏停车场照明系统232

7.4.1 照明负荷的确定232

7.4.2 停车场照明设计234

7.4.2.1 灯泡瓦数和灯座每日负荷的确定234

7.4.2.2 蓄电池储能需求的确定235

7.4.2.3 光伏阵列容量的确定235

7.4.2.4 系统最终方案236

7.4.2.5 结构设计237

7.5 阴极保护系统238

7.5.1 介绍238

7.5.2 系统设计239

7.6 便携式高速公路指示标志241

7.6.1 介绍241

7.6.2 确定平均可用功率242

7.7 具有重要需求的制冷系统243

7.7.1 介绍243

7.7.2 负荷确定243

7.7.3 蓄电池定容244

7.7.4 阵列容量245

7.7.4.1 固定式阵列245

7.7.4.2 跟踪式阵列支架246

7.7.4.3 特殊情况247

7.7.5 BOS部件选择247

7.7.6 整体系统设计248

7.8 光伏供电的山地小屋248

7.8.1 简介248

7.8.2 负荷确定249

7.8.3 蓄电池的选择252

7.8.4 阵列容量和倾角253

7.8.5 控制器和逆变器的选择255

7.8.5.1 充电控制器255

7.8.5.2 逆变器256

7.8.6 BOS部件的选择256

7.8.6.1 导线、断路器和开关的选择256

7.8.6.2 其他部件257

7.9 混合供电的离网住宅258

7.9.1 介绍258

7.9.2 负荷汇总259

7.9.3 蓄电池的选择260

7.9.4 阵列设计261

7.9.5 发电机的选择264

7.9.6 发电机运行时间和运行成本265

7.9.7 充电控制器和逆变器的选择266

7.9.8 导线、断路器和分断装置的选择268

7.9.9 BOS部件的选择269

7.9.10 系统的总体设计269

7.10 设计过程总结270

习题272

参考文献274

推荐阅读275

第8章 经济性考虑276

8.1 介绍276

8.2 生命周期成本276

8.2.1 资金的时间价值276

8.2.2 现值因素和现值278

8.2.3 生命周期成本279

8.2.4 年生命周期成本283

8.2.5 单位电力成本284

8.3 资金借贷284

8.3.1 介绍284

8.3.2 贷款年偿还额的确定284

8.3.3 贷款对生命周期成本的影响285

8.4 回报分析286

8.5 外部因素289

8.5.1 介绍289

8.5.2 补贴290

8.5.3 外部因素和光伏290

习题290

参考文献292

推荐阅读292

第9章 外部因素与光伏293

9.1 介绍293

9.2 外部因素293

9.3 能源的环境影响294

9.3.1 介绍294

9.3.2 空气污染295

9.3.2.1 美国清洁空气法案和美国国家环境保护局295

9.3.2.2 温室气体297

9.3.3 水体和土壤污染298

9.3.4 基础设施恶化298

9.3.5 量化外部因素的成本298

9.3.5.1 CO2成本298

9.3.5.2 树木的CO2抵消作用299

9.3.5.3 清洁电力估计300

9.3.5.4 商品交易的能力水平300

9.3.5.5 补贴301

9.3.6 健康与安全作为外部因素301

9.4 光伏系统相关的外部因素302

9.4.1 光伏系统制造的环境影响302

9.4.2 光伏系统部署和运行的环境影响303

9.4.3 光伏系统退役的环境影响304

习题305

参考文献305

第10章 光伏电池的物理特性307

10.1 介绍307

10.2 光的吸收307

10.2.1 介绍307

10.2.2 半导体材料307

10.2.3 光子吸收产生EHP308

10.2.4 光电导体310

10.3 非本征半导体和pn结312

10.3.1 非本征半导体312

10.3.2 pn结313

10.3.2.1 漂移和扩散313

10.3.2.2 结的形成和内建电势315

10.3.2.3 被照亮的pn结317

10.3.2.4 外部偏压的pn结318

10.4 最大化光伏电池性能320

10.4.1 介绍320

10.4.2 最小化反向饱和电流321

10.4.3 光电流优化321

10.4.3.1 最小化入射光子的反射321

10.4.3.2 最大化少数载流子扩散长度322

10.4.3.3 最大化结宽324

10.4.3.4 最小化表面复合速度326

10.4.3.5 光电流的最终表达式326

10.4.4 最小化电池电阻损耗328

10.5 奇异结330

10.5.1 介绍330

10.5.2 缓变结330

10.5.3 异质结331

10.5.4 肖特基结331

10.5.5 多结333

10.5.6 隧道结333

习题335

参考文献336

第11章 当前及建议的光伏电池与系统337

11.1 介绍337

11.2 硅光伏电池338

11.2.1 高纯硅的生产338

11.2.2 单晶硅电池339

11.2.2.1 硅片的制造339

11.2.2.2 结的制备340

11.2.2.3 接触341

11.2.2.4 减反射涂层344

11.2.2.5 组件344

11.2.3 全背接触高效硅电池344

11.2.4 多晶硅电池345

11.2.5 其他超薄硅电池346

11.2.6 非晶硅电池346

11.2.6.1 制造347

11.2.6.2 电池性能348

11.3 砷化镓电池349

11.3.1 介绍349

11.3.2 纯电池组分的制造350

11.3.2.1 镓350

11.3.2.2 砷350

11.3.2.3 锗351

11.3.3 砷化镓电池的制备351

11.3.4 电池性能353

11.4 铜铟（镓）硒电池354

11.4.1 介绍354

11.4.2 纯电池成分的制造354

11.4.2.1 铜354

11.4.2.2 铟355

11.4.2.3 硒355

11.4.2.4 镉356

11.4.2.5 硫356

11.4.2.6 钼356

11.4.3 CIS电池的制备357

11.4.4 电池性能358

11.4.4.1 暂态效应359

11.5 碲化镉电池359

11.5.1 介绍359

11.5.2 纯碲的制造359

11.5.3 CdTe电池的制造360

11.5.4 电池性能361

11.6 新兴技术362

11.6.1 硅技术的新发展362

11.6.2 基于CIS族的吸收器363

11.6.3 其他Ⅲ-Ⅴ族和Ⅲ-Ⅳ族新兴技术364

11.6.4 其他技术365

11.6.4.1 热光伏电池365

11.6.4.2 中间带太阳电池365

11.6.4.3 超叠层电池365

11.6.4.4 热载流子电池365

11.6.4.5 光学上转换和下转换365

11.6.4.6 有机光伏电池366

11.7 系统设计的新发展366

11.7.1 微网366

11.7.2 智能电网366

11.7.3 逆变器性能增强367

11.8 总结368

习题368

参考文献369

附录371

附录A 所选城市的平均日辐照量371

附录B 设计评审与清单检查382