太陽能電池的研究與發(fā)展

1、太陽能電池的研究與發(fā)展文獻綜述摘要：能源是人類不可忽視的一個問題，因為它同我們的生活息息相關(guān)并且制約著未來經(jīng)濟的發(fā)展。面臨非可再生能源被大規(guī)模地開采利用，其儲量越來越少，總有枯竭之時這樣一個現(xiàn)實問題，可再生能源顯得尤為重要，因為可再生能源可以循環(huán)再生，不因長期使用而減少。而我國作為一個能耗大的國家，考慮到我國資源情況及國際環(huán)境和我國的環(huán)境狀況，若到22世紀初不能用核能、太陽能等這些非化石能源代替化石能源，那么我們國家、我們民族的發(fā)展都會受到嚴重的影響。太陽能具有環(huán)境友好、與之不盡用之不竭等特點，由此在可再生能源中的位置得以突顯。而本文選擇從光伏發(fā)電這個方面來說明太陽能電池的研究與發(fā)展。講述了太

2、陽能光伏發(fā)電的模式，輸送方式及原理等。關(guān)鍵詞：太陽能；光伏發(fā)電；獨立光伏發(fā)電；并網(wǎng)光伏發(fā)電；分布式光伏發(fā)電1引言能源是現(xiàn)今人類不得不考慮的一個重大問題，面臨著嚴峻的能源形勢和生態(tài)環(huán)境的惡化，人們對于綠色能源的需求顯得迫切起來。改變現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展可持續(xù)發(fā)展的綠色能源已成為世界各國極為關(guān)注的課題?；剂蠟椴豢稍偕茉矗S著社會的進步與發(fā)展，人類對能源的需求量日益增大，所以化石燃料是無法滿足的。除此之外，化石燃料煤、石油和天然氣都是含碳元素的物質(zhì)其中還含硫元素等雜質(zhì)。這些燃料燃燒時，會產(chǎn)生二氧化硫等污染空氣的氣體，燃料燃燒不充分，會產(chǎn)生一氧化碳和碳粒，加上未燃燒的碳氫化合物，如果直接排放到空氣

3、中必然對空氣造成污染。因此，對于可再生能源的概念中最重要的要保證兩點：第一，要求提供的可再生能源的源頭是巨大的、無限制的。第二，從整體技術(shù)效率而言，要有明顯的安全保障性。從這兩點出發(fā)，顯現(xiàn)了太陽能的利用在可再生能源中領(lǐng)域中的重要地位。太陽能發(fā)電分光熱發(fā)電和光伏發(fā)電。但不論產(chǎn)銷量、發(fā)展速度和發(fā)展前景、光熱發(fā)電都趕不上光伏發(fā)電。光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護簡便。理論上講，光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場合，上至航天器，下至家用電源，大到兆瓦級電站，小到玩具，光伏電源可以無處不在。本文介紹了光伏發(fā)電的系統(tǒng)，原理，發(fā)電模式，輸送方式等，分析當前光伏發(fā)電的優(yōu)缺點與難點，并指出了今后

4、一段時間內(nèi)光伏發(fā)電的發(fā)展方向。2能源危機以及太陽能的發(fā)掘十八世紀的工業(yè)革命，大大推動了人類社會的生產(chǎn)力水平，使人類進入了機器大生產(chǎn)的工業(yè)時代。從此，人類大規(guī)模地開采礦產(chǎn)、石油、砍伐森林、開墾草原，滿足世界經(jīng)濟的發(fā)展?？梢哉f，世界經(jīng)濟的現(xiàn)代化，得益于傳統(tǒng)能源，如石油、天然氣、煤炭與核裂變能的廣泛的投入應(yīng)用。但是，這些能源將在21世紀上半期迅速地接近枯竭，能源危機迫在眉睫。根據(jù)對石油儲量的綜合估算，可支配的傳統(tǒng)能源的極限大約為1180-1510億噸，以1995年世界石油的年開采量33.2億噸計算，石油儲量大約在2040左右年宣告枯竭;天然氣儲備估計在131800-152900兆立方米，年開采量維持

5、在2300兆立方米，將在57-66年內(nèi)枯竭;煤的儲量約為5600億噸，1995年煤炭開采量為33億噸，可以供應(yīng)169年;鈾的年開采量目前為每年6萬噸，根據(jù)1993年世界能源委員會的估計可維持到21世紀30年代中期;核聚變到2050年還沒有實現(xiàn)的希望【1】。傳統(tǒng)能源與原料鏈條的中斷，必將導致世界經(jīng)濟危機和沖突的加劇，最終將葬送現(xiàn)代市場經(jīng)濟。事實上，近10年來，中東及海灣地區(qū)與非洲的戰(zhàn)爭都是由傳統(tǒng)能源的重新配置與分配而引發(fā)?？傊?，能源危機隨時會爆發(fā)。因此種種因素，人類將目光從傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)向了可再生能源。由下表我們可以了解到可再生能源主要有以下幾個方面：表1-1現(xiàn)有可再生能源的現(xiàn)狀及潛力比較（單位：）

6、種類當前用量技術(shù)潛力理論潛力氫能950147生物能50>2762900太陽能0.1>能0.126406000由表中數(shù)據(jù)可以得出這樣的結(jié)果，無論從理論還是技術(shù)發(fā)現(xiàn)本身，太陽能利用都顯示是最具發(fā)展?jié)摿Φ闹涡阅茉醇夹g(shù)。所以在這些可再生能源中，太陽能發(fā)展是具有相當大的潛力的。太陽能利用指太陽能的直接轉(zhuǎn)化和利用。利用半導體器件的光伏效應(yīng)原理，把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能稱太陽能光伏技術(shù)。把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能的屬于太陽能利用技術(shù)，再利用熱能進行發(fā)電的稱為太陽能熱發(fā)電。從當下時局來看，光伏發(fā)電比光熱發(fā)電普遍得多。因此，對于太陽能發(fā)電，在光伏這一塊可著力發(fā)展。對太陽能光伏發(fā)電

7、的研究自1958年開始以來，我國政府對這項技術(shù)給予了高度的關(guān)注和充分的支持。我國1971年發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星上就首次使用了太陽能光伏電池。此后，太陽能光伏發(fā)電發(fā)展的趨勢越來越受到重視。近幾年中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2008年我國成為生產(chǎn)量達到2AGW的太陽能光伏電池生產(chǎn)大國。2009年9月30日，中節(jié)能尚德石嘴山50MW太陽能光伏電站一期丨OMW項目正式并網(wǎng)投產(chǎn)，使用了37000多塊多晶硅電池板。近幾年國際光伏產(chǎn)業(yè)以每年30%的產(chǎn)量遞增，發(fā)展迅速。但是在目前階段，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本還很高，發(fā)出1kW電量，需要投資上萬美元，因此大規(guī)模使用仍然受到技術(shù)限制，還需要深入研究【2】。3太陽能光伏

8、發(fā)電原理光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理,利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。不論是獨立使用還是并網(wǎng)發(fā)電,光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機械部件,所以,光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉,可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護簡便【3】。理論上講,光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場合,上至航天器,下至家用電源,大到兆瓦級電站,小到玩具,光伏電源無處不在。國產(chǎn)晶體硅電池效率在10至13%左右，國外同類產(chǎn)品效率約12至14%。由一個或多個太陽能電池片組成的太陽能電池板稱為光伏組件【4】。典型系統(tǒng)圖如下：5*茁電池蔽丸OQ輔出揃時14光伏發(fā)電系統(tǒng)組成及各

9、部分作用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220V或110V,還需要配置逆變器。各部分的作用如下：（一）太陽能電池板：太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分以及發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。作用：將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能,或送往蓄電池中存儲起來,或推動負載工作。（二）太陽能控制器：作用:控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài),并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方,合格的控制器還應(yīng)具備溫度補償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開關(guān)、時控開關(guān)都應(yīng)當是控制器的可選項；（三）蓄電池：一般為鉛酸電池,小微型系統(tǒng)中,也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。作用：在有光照時將太陽

10、能電池板所發(fā)出的電能儲存起來,到需要的時候再釋放出來。（四）逆變器：太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。作用：為能向220VAC的電器提供電能，將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能（一般使用DC-AC逆變器）。5光伏發(fā)電分類根據(jù)輸送方式，太陽能光伏發(fā)電可分為獨立光伏發(fā)電、并網(wǎng)光伏發(fā)電、分布式光伏發(fā)電【7】。5.1獨立光伏發(fā)電獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)也叫離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負載供電，還需要配置交流逆變器【9,13】。（1）原理光伏發(fā)電的核心部件是太陽能電池板，它將陽光的光能直接轉(zhuǎn)換為電能，并通過控制器將電能儲存于蓄電池中

11、。當負載用電時，蓄電池中的電能通過控制器合理的分配到各負載上。電池板產(chǎn)生的電流為直流電，可以直接以直流電的形式應(yīng)用，也可以用交流逆變器將其轉(zhuǎn)換成交流電供交流負載使用。太陽能發(fā)電的電能可以即發(fā)即用，也可以用儲能裝置將電能儲存起來，在需要時使用。原理圖如下：32戈皿髦忸悴営電站H2）分類a. 無蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)無蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點是用電負載是直流負載,對負載使用時間沒有要求,負載主要在白天使用。太陽能電池與用電負載直接連接，有陽光時就發(fā)電供負載工作，無陽光時就停止工作。系統(tǒng)不需要使用控制器，也沒有蓄電池儲能裝置。無蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點是省去了能量通過控制器及在蓄電池的

12、存儲和釋放過程中造成的損失，提高了太陽能利用效率。這種系統(tǒng)最典型的應(yīng)用是太陽能光伏水泵。原理圖如下:*直匾負穀ksm電池板無雲(yún)電池克流光伏系塊b. 有蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)有蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池、充放電控制器、蓄電池以及直流負載等組成。有陽光進，太陽能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能供負載使用，并同時向蓄電池存儲電能。夜間或陰雨天時，則由蓄電池向負載供電。這種系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，小到太陽能草坪燈、庭院燈，大到遠離電網(wǎng)的移動通信基站、微波中轉(zhuǎn)站，邊遠地區(qū)農(nóng)村供電等。當系統(tǒng)容量和負載功率較交流及交、直流混合光伏發(fā)電系統(tǒng)與直流光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，交流光伏發(fā)電系統(tǒng)多了一個交流逆變器，用以把直流電轉(zhuǎn)換成交

13、流電，為交流負載提供電能。交、直流混合光伏發(fā)電系統(tǒng)即能為直流負載供電，也能為交流負載供電。d.市電互補型光伏發(fā)電系統(tǒng)市電互補型光伏發(fā)電系統(tǒng)，就是在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中以太陽能光伏發(fā)電為主，以普通220V交流電補充電能為輔。這樣光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽能電池和蓄電池的容量都可以設(shè)計得小一些，基本上是當天有陽光，當天就用太陽能發(fā)的電，遇到陰雨天時就用市電能量進行補充。我國大部分地區(qū)多年都有2/3以上的晴好天氣，這樣形式即減小了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的一次性投資，又有顯著的節(jié)能減排效果，是太陽能光伏發(fā)電在現(xiàn)階段推廣和普及過程中的一個過度性的好辦法【6】。原理圖如下：5.2并網(wǎng)光伏發(fā)電并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)就是太陽能組

14、件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電這后直接接入公共電網(wǎng)【14】。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有集中式大型并網(wǎng)光伏電站一般都是國家級電站，主要特點是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電【5】。但這種電站投資大、建設(shè)周期長、占地面積大，發(fā)展難度相對較大。而分散式小型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，特別是光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)，由于投資小、建設(shè)快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點，是并網(wǎng)光伏發(fā)電的主流【8】。（1）原理并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過光伏數(shù)組將接收來的太陽輻射能量經(jīng)過高頻直流轉(zhuǎn)換后變成高壓直流電，經(jīng)過逆變器逆變后向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦交流電流【4】。原理圖如下：11揑制IB逆蜜

15、器哉電池紐（2）分類a. 有逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)：當太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能充裕時，可將剩余電能饋入公共電網(wǎng)，向電網(wǎng)供電（賣電）；當太陽能光伏系統(tǒng)提供的電力不足時，由電能向負載供電（買電）。由于向電網(wǎng)供電時與電網(wǎng)供電的方向相反，所以稱為有逆流光伏發(fā)電系統(tǒng)。b. 無逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)無逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)：太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)即使發(fā)電充裕也不向公共電網(wǎng)供電，但當太陽能光伏系統(tǒng)供電不足時，則由公共電網(wǎng)向負載供電。c. 切換型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)所謂切換型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，實際上是具有自動運行雙向切換的功能。一是當光伏發(fā)電系統(tǒng)因多云、陰雨天及自身故障等導致發(fā)電量不足時，切換器能自動

16、切換到電網(wǎng)供電一側(cè)由電網(wǎng)向負載供電；二是當電網(wǎng)因為某種原因突然停電時，光伏系統(tǒng)可以自動切換使電網(wǎng)與光伏系統(tǒng)分離，成為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)工作狀態(tài)。有些切換型光伏發(fā)電系統(tǒng)，還可以在需要時斷開為一般負載的供電，接通對應(yīng)急負載的供電。一般切換型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)都帶有儲能裝d. 有儲能裝置的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有儲能裝置的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)：就是在上述幾類光伏發(fā)電系統(tǒng)中根據(jù)需要配置儲能裝置。帶有儲能裝置的光伏系統(tǒng)主動性較強，當電網(wǎng)出現(xiàn)停電、限電及故障時，可獨立運行，正常向負載供電。因此帶有儲能裝置的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可以作為緊急通信電源、醫(yī)療設(shè)備、加油站、避難場所指示及照明等重要或應(yīng)急負載的供電系統(tǒng)。5.3分布式光伏

17、發(fā)電分布式光伏發(fā)電特指在用戶場地附近建設(shè)，運行方式以用戶側(cè)自發(fā)自用、多余電量上網(wǎng)，且在配電系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)為特征的光伏發(fā)電設(shè)施。分布式光伏發(fā)電遵循因地制宜、清潔高效、分散布局、就近利用的原則，充分利用當?shù)靥柲苜Y源，替代和減少化石能源消費【11】。分布式光伏發(fā)電特指采用光伏組件，將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的分布式發(fā)電系統(tǒng)【12】。它是一種新型的、具有廣闊發(fā)展前景的發(fā)電和能源綜合利用方式，它倡導就近發(fā)電，就近并網(wǎng)，就近轉(zhuǎn)換，就近使用的原則，不僅能夠有效提高同等規(guī)模光伏電站的發(fā)電量，同時還有效解決了電力在升壓及長途運輸中的損耗問題。目前應(yīng)用最為廣泛的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，是建在城市建筑物屋頂?shù)墓夥l(fā)電項目。

18、該類項目必須接入公共電網(wǎng)，與公共電網(wǎng)一起為附近的用戶供電。（1）原理分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本設(shè)備包括光伏電池組件、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜等設(shè)備，另外還有供電系統(tǒng)監(jiān)控裝置和環(huán)境監(jiān)測裝置。其運行模式是在有太陽輻射的條件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池組件陣列將太陽能轉(zhuǎn)換輸出的電能，經(jīng)過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網(wǎng)逆變器逆變成交流電供給建筑自身負載，多余或不足的電力通過聯(lián)接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)。（2）特點一是輸出功率相對較小。二是污染小，環(huán)保效益突出。三是能夠在一定程度上緩解局地的用電緊張狀況。四是可以發(fā)電用電并存。(3) 應(yīng)用場景分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用范圍：可在農(nóng)村

19、、牧區(qū)、山區(qū)，發(fā)展中的大、中、小城市或商業(yè)區(qū)附近建造，解決當?shù)赜脩粲秒娦枨蟆?現(xiàn)狀及發(fā)展分析太陽能光伏發(fā)電發(fā)電過程簡單，沒有機械轉(zhuǎn)動部件，不消耗燃料，不排放包括溫室氣體在內(nèi)的任何物質(zhì)，無噪聲、無污染【10】。太陽能資源分布廣泛且取之不盡、用之不竭。因此，與風力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電和核電等新型發(fā)電技術(shù)相比，光伏發(fā)電是一種最具可持續(xù)發(fā)展理想特征(最豐富的資源和最潔凈的發(fā)電過程)的可再生能源發(fā)電技術(shù)，是一種非常具有潛力的能源，但也因其受氣候環(huán)境因素影響大，占地面積大，轉(zhuǎn)換效率低，能量密度低等缺點，使其發(fā)展受到一定限制，還有許多困難需要面對與克服。結(jié)束語本文簡單的介紹了太陽能光伏發(fā)電以及光伏發(fā)電的分類，并對光伏發(fā)電的前景做了簡單分析。太陽能是一個具有很大發(fā)展?jié)摿Φ木G色能源，但因其轉(zhuǎn)換效率低，成本高等特點，對其發(fā)展具有一定的限制，這是我們現(xiàn)下應(yīng)該解決的問題。結(jié)合當下的環(huán)境及能源問題，客觀來看，太陽能是值得投入精力與資源發(fā)展的綠色能源。參考文獻1 胡云巖，