太阳能电池的研究与发展

文献综述

摘 要：能源是人类不可忽视的一个问题，因为它同我们的生活息息相关并且制约着未来经济的发展。面临非可再生能源被大规模地开采利用，其储量越来越少，总有枯竭之时这样一个现实问题，可再生能源显得尤为重要，因为可再生能源可以循环再生，不因长期使用而减少。而我国作为一个能耗大的国家，考虑到我国资源情况及国际环境和我国的环境状况，若到22世纪初不能用核能、太阳能等这些非化石能源代替化石能源，那么我们国家、我们民族的发展都会受到严重的影响。

太阳能具有环境友好、与之不尽用之不竭等特点，由此在可再生能源中的位置得以突显。而本文选择从光伏发电这个方面来说明太阳能电池的研究与发展。讲述了太阳能光伏发电的模式，输送方式及原理等。

关键词：太阳能；光伏发电；光伏发电；并网光伏发电；分布式光伏发电

1引言

能源是现今人类不得不考虑的一个重大问题，面临着严峻的能源形势和生态环境的恶化，人们对于绿色能源的需求显得迫切起来。改变现有能源结构、发展可持续发展的绿色能源已成为世界各国极为关注的课题。

化石燃料为不可再生能源，随着社会的进步与发展，人类对能源的需求量日益增大，所以化石燃料是无法满足的。除此之外，化石燃料煤、石油和天然气都是含碳元素的物质．其中还含硫元素等杂质。这些燃料燃烧时，会产生二氧化硫等污染空气的气体，燃料燃烧不充分，会产生一氧化碳和碳粒，加上未燃烧的碳氢化合物，如果直接排放到空气中必然对空气造成污染。因此，对于可再生能源的概念中最重要的要保证两点：第一，要求提供的可再生能源的源头是巨大的、无的。第二，从整体技术效率而言，要有明显的安全保障性。从这两点出发，显现了太阳能的利用在可再生能源中领域中的重要地位。

太阳能发电分光热发电和光伏发电。但不论产销量、发展速度和发展前景、光热发电都赶不上光伏发电。光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。 

本文介绍了光伏发电的系统，原理，发电模式，输送方式等，分析当前光伏发电的优缺点与难点，并指出了今后一段时间内光伏发电的发展方向。

2能源危机以及太阳能的发掘

十八世纪的工业，大大推动了人类社会的生产力水平，使人类进入了机器大生产的工业时代。从此，人类大规模地开采矿产、石油、砍伐森林、开垦草原，满足世界经济的发展。可以说，世界经济的现代化，得益于传统能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。但是，这些能源将在21世纪上半期迅速地接近枯竭，能源危机迫在眉睫。根据对石油储量的综合估算，可支配的传统能源的极限大约为1180-1510亿吨，以1995年世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2040左右年宣告枯竭;天然气储备估计在131800--152900兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在57-66年内枯竭;煤的储量约为5600亿吨，1995年煤炭开采量为33亿吨，可以供应169年;铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期;核聚变到2050年还没有实现的希望【1】。传统能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终将葬送现代市场经济。事实上，近10年来，中东及海湾地区与非洲的战争都是由传统能源的重新配置与分配而引发。总之，能源危机随时会爆发。

因此种种因素，人类将目光从传统能源转向了可再生能源。由下表我们可以了解到可再生能源主要有以下几个方面：

表1-1 现有可再生能源的现状及潜力比较  （单位： ）

所以在这些可再生能源中，太阳能发展是具有相当大的潜力的。太阳能利用指太阳能的直接转化和利用。利用半导体器件的光伏效应原理，把太阳辐射能转换成电能称太阳能光伏技术。把太阳辐射能转换成热能的属于太阳能利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电。从当下时局来看，光伏发电比光热发电普遍得多。因此，对于太阳能发电，在光伏这一块可着力发展。

对太阳能光伏发电的研究自1958年开始以来，我国对这项技术给予了高度的关注和充分的支持。我国1971年发射的东方红二号卫星上就首次使用了太阳能光伏电池。此后，太阳能光伏发电发展的趋势越来越受到重视。近几年中国光伏产业发展迅速，2008年我国成为生产量达到2AGW的太阳能光伏电池生产大国。2009年9月30日，中节能尚德石嘴山50MW太阳能光伏电站一期l OMW项目正式并网投产，使用了37000多块多晶硅电池板。近几年国际光伏产业以每年30%的产量递增，发展迅速。但是在目前阶段，太阳能光伏发电系统的成本还很高，发出1kW电量，需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到技术，还需要深入研究【2】。

3太阳能光伏发电原理

光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便【3】。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。国产晶体硅电池效率在10至13%左右，国外同类产品效率约12至14%。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件【4】。

典型系统图如下： 

4光伏发电系统组成及各部分作用

太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。各部分的作用如下：

（一）太阳能电池板：太阳能发电系统中的核心部分以及发电系统中价值最高的部分。作用：将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。

（二）太阳能控制器：作用:控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项；

（三）蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。作用：在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。

（四）逆变器：太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。作用：为能向220VAC的电器提供电能，将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能（一般使用DC-AC逆变器）。

5光伏发电分类

根据输送方式，太阳能光伏发电可分为光伏发电、并网光伏发电、分布式光伏发电【7】。

5.1光伏发电

光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器【9,13】。

（1）原理

光伏发电的核心部件是太阳能电池板，它将阳光的光能直接转换为电能，并通过控制器将电能储存于蓄电池中。当负载用电时，蓄电池中的电能通过控制器合理的分配到各负载上。电池板产生的电流为直流电，可以直接以直流电的形式应用，也可以用交流逆变器将其转换成交流电供交流负载使用。太阳能发电的电能可以即发即用，也可以用储能装置将电能储存起来，在需要时使用。原理图如下：

（2）分类

a.无蓄电池的直流光伏发电系统

无蓄电池的直流光伏发电系统的特点是用电负载是直流负载，对负载使用时间没有要求，负载主要在白天使用。太阳能电池与用电负载直接连接，有阳光时就发电供负载工作，无阳光时就停止工作。系统不需要使用控制器，也没有蓄电池储能装置。无蓄电池的直流光伏发电系统的优点是省去了能量通过控制器及在蓄电池的存储和释放过程中造成的损失，提高了太阳能利用效率。这种系统最典型的应用是太阳能光伏水泵。原理图如下：

b.有蓄电池的直流光伏发电系统

有蓄电池的直流光伏发电系统由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池以及直流负载等组成。有阳光进，太阳能电池将光能转换为电能供负载使用，并同时向蓄电池存储电能。夜间或阴雨天时，则由蓄电池向负载供电。这种系统应用广泛，小到太阳能草坪灯、庭院灯，大到远离电网的移动通信基站、微波中转站，边远地区农村供电等。当系统容量和负载功率较大时，就需要配备太阳能电池方阵和蓄电池组了。原理图如下：

c. 交流及交、直流混合光伏发电系统

交流及交、直流混合光伏发电系统与直流光伏发电系统相比，交流光伏发电系统多了一个交流逆变器，用以把直流电转换成交流电，为交流负载提供电能。交、直流混合光伏发电系统即能为直流负载供电，也能为交流负载供电。

d.市电互补型光伏发电系统

市电互补型光伏发电系统，就是在光伏发电系统中以太阳能光伏发电为主，以普通220V交流电补充电能为辅。这样光伏发电系统中太阳能电池和蓄电池的容量都可以设计得小一些，基本上是当天有阳光，当天就用太阳能发的电，遇到阴雨天时就用市电能量进行补充。我国大部分地区多年都有2/3以上的晴好天气，这样形式即减小了太阳能光伏发电系统的一次性投资，又有显著的节能减排效果，是太阳能光伏发电在现阶段推广和普及过程中的一个过度性的好办法【6】。原理图如下： 

5.2并网光伏发电

并网光伏发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电这后直接接入公共电网【14】。并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电【5】。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，发展难度相对较大。而分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流【8】。 

（1）原理

并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流【4】。原理图如下：

（2）分类

a.有逆流并网光伏发电系统

有逆流并网光伏发电系统：当太阳能光伏系统发出的电能充裕时，可将剩余电能馈入公共电网，向电网供电（卖电）；当太阳能光伏系统提供的电力不足时，由电能向负载供电（买电）。由于向电网供电时与电网供电的方向相反，所以称为有逆流光伏发电系统。

b.无逆流并网光伏发电系统

无逆流并网光伏发电系统：太阳能光伏发电系统即使发电充裕也不向公共电网供电，但当太阳能光伏系统供电不足时，则由公共电网向负载供电。

c.切换型并网光伏发电系统

所谓切换型并网光伏发电系统，实际上是具有自动运行双向切换的功能。一是当光伏发电系统因多云、阴雨天及自身故障等导致发电量不足时，切换器能自动切换到电网供电一侧，由电网向负载供电；二是当电网因为某种原因突然停电时，光伏系统可以自动切换使电网与光伏系统分离，成为光伏发电系统工作状态。有些切换型光伏发电系统，还可以在需要时断开为一般负载的供电，接通对应急负载的供电。一般切换型并网发电系统都带有储能装置。

d.有储能装置的并网光伏发电系统

有储能装置的并网光伏发电系统：就是在上述几类光伏发电系统中根据需要配置储能装置。带有储能装置的光伏系统主动性较强，当电网出现停电、限电及故障时，可运行，正常向负载供电。因此带有储能装置的并网光伏发电系统可以作为紧急通信电源、医疗设备、加油站、避难场所指示及照明等重要或应急负载的供电系统。

5.3分布式光伏发电

分布式光伏发电特指在用户场地附近建设，运行方式以用户侧自发自用、多余电量上网，且在配电系统平衡调节为特征的光伏发电设施。

分布式光伏发电遵循因地制宜、清洁高效、分散布局、就近利用的原则，充分利用当地太阳能资源，替代和减少化石能源消费【11】。

分布式光伏发电特指采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统【12】。它是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，它倡导就近发电，就近并网，就近转换，就近使用的原则，不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。

目前应用最为广泛的分布式光伏发电系统，是建在城市建筑物屋顶的光伏发电项目。该类项目必须接入公共电网，与公共电网一起为附近的用户供电。 

（1）原理

分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另外还有供电系统监控装置和环境监测装置。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节。 

（2）特点

一是输出功率相对较小。

二是污染小，环保效益突出。

三是能够在一定程度上缓解局地的用电紧张状况。

四是可以发电用电并存。 

（3）应用场景

分布式光伏发电系统应用范围：可在农村、牧区、山区，发展中的大、中、小城市或商业区附近建造，解决当地用户用电需求。

6现状及发展分析

太阳能光伏发电发电过程简单，没有机械转动部件，不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质，无噪声、无污染【10】。太阳能资源分布广泛且取之不尽、用之不竭。因此，与风力发电、生物质能发电和核电等新型发电技术相比，光伏发电是一种最具可持续发展理想特征(最丰富的资源和最洁净的发电过程)的可再生能源发电技术，是一种非常具有潜力的能源，但也因其受气候环境因素影响大，占地面积大，转换效率低，能量密度低等缺点，使其发展受到一定，还有许多困难需要面对与克服。

结束语

本文简单的介绍了太阳能光伏发电以及光伏发电的分类， 并对光伏发电的前景做了简单分析。太阳能是一个具有很大发展潜力的绿色能源，但因其转换效率低，成本高等特点，对其发展具有一定的，这是我们现下应该解决的问题。结合当下的环境及能源问题，客观来看，太阳能是值得投入精力与资源发展的绿色能源。

参考文献

[1]胡云岩,张瑞英,王军. 中国太阳能光伏发电的发展现状及前景[N].河北科技大学学报, 2014,35(1).

[2]周保卫.太阳能光伏发电技术及发展前景展望[J]. 科技创新与应用, 2014, 33.

[3]马宁.太阳能光伏发电概述及发展前景[J].太阳能光伏发电技术专辑, 2011,5(2). 

[4]杜志建.太阳能光伏发电的设计及应用[J].LOW CARBON WORLD, 2014.

[5]张臻,沈辉,刘勇,等. 太阳能光伏并网发展趋势与投资成本分析[D].中山大学, 2008.

[6]王少义,李英姿,王泽峰,等.太阳能光伏系统发电量预测方法[J].北京建筑工程学院学报, 2013,29(1).

[7]吴显亭.太阳能光伏发电分析研究及开发应用[J].科技资讯,2015,(34).

[8]马翠萍,史丹,从晓男.太阳能光伏发电成本及平价上网问题研究[J].当代经济科学,2014,36(2).

[9]汤秀芬,张鑫,米晨.光伏发电系统中太阳能充电器的设计[J].实验室研究与探索,2014,33(6).

[10]辛培裕.太阳能发电技术的综合评价及应用前景研究[D].华北电力大学,2015.

[11]王正浩.分布式太阳能光伏发电的设计与住宅项目的应用现状[J].Power Supply & Distribution,2015,9(4)

[12]夏永信.分布式太阳能组件与金属围护系统结合方式研究[J].中国建筑防水,2016,15.

[13]朱勋梦,王文仪.光伏发电系统设计讨论[J].桂林师范高等专科学校学报,2014,28(3)

[14]朱宽胜.太阳能光伏发电并网控制研究[J].电气工程与自动化,2015,33.