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EHP 308
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