張 萌

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110866）

0 前言

面對(duì)日益枯竭的化石能源和不斷惡化的生態(tài)環(huán)境，人類(lèi)需要進(jìn)行第三次能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，從礦物能源向可再生能源轉(zhuǎn)換，用可再生能源代替礦物能源，用無(wú)碳能源、低碳能源代替高碳能源[1]。太陽(yáng)能是眾所周知的可以就地取材、取之不竭、用之不盡的清潔自然能源，光伏電池利用太陽(yáng)能，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn)，使得光伏電池在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了更廣泛的利用。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

光伏產(chǎn)業(yè)是世界發(fā)展速度最快的行業(yè)之一。為實(shí)現(xiàn)能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，世界各國(guó)均將光伏發(fā)電作為發(fā)展的重點(diǎn)[2]。20世紀(jì)80年代初，國(guó)外政府開(kāi)始投資試驗(yàn)性的大型光伏并網(wǎng)電站。90年代后，許多發(fā)達(dá)國(guó)家掀起“屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)”，美國(guó)在1997年就提出了“百萬(wàn)屋頂”計(jì)劃，日本則在1992年啟動(dòng)了“新陽(yáng)光計(jì)劃”，并在10年內(nèi)使日本的光伏組件產(chǎn)量占全球生產(chǎn)總量的50%[3]。這種戶用型光伏系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)型和靈活性方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過(guò)大型光伏并網(wǎng)電站，因而受到各國(guó)的重視[4]。德國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)起步較晚，但是發(fā)展最快，完善的產(chǎn)業(yè)支持政策使德國(guó)迅速發(fā)展成為世界最大的光伏市場(chǎng)。IMS 研究公司于2013年4月30日發(fā)布“能量?jī)?chǔ)存在光伏產(chǎn)業(yè)中的作用”預(yù)測(cè)報(bào)告，預(yù)計(jì)全球光伏存儲(chǔ)市場(chǎng)，將從2012年的小于2 億美元迅速增長(zhǎng)至2017年達(dá)到190億美元[5]。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)太陽(yáng)能資源十分豐富，適宜太陽(yáng)能發(fā)電的國(guó)土面積和建筑受光面積也很大，具有大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的資源潛力。在全球太陽(yáng)能光伏能源快速發(fā)展的大背景下，我國(guó)太陽(yáng)能光伏能源產(chǎn)業(yè)也飛速發(fā)展。2001年我國(guó)光伏電池產(chǎn)量為4.5MW，2010年達(dá)到8000MW，十年間增加1770 多倍[6]。2011年，我國(guó)光伏電池產(chǎn)量達(dá)到2000 萬(wàn)kW，占到全球光伏電池產(chǎn)量的60%以上，形成了從晶體硅提純、電池生產(chǎn)、組件封裝、系統(tǒng)集成等完整的光伏產(chǎn)品制造產(chǎn)業(yè)鏈，成為名副其實(shí)的光伏電池制造大國(guó)[7]。

2 光伏電池模型

作為太陽(yáng)能電池工作基本原理的光伏效應(yīng)（Photovoltaic Effect 縮寫(xiě)PV）是1839年被發(fā)現(xiàn)的。由太陽(yáng)光的光量子與材料互相作用而產(chǎn)生電勢(shì)，從而把光的能量轉(zhuǎn)換成電能，此種進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的光電元件成為太陽(yáng)電池（Solar Cell），也可稱之為光伏電池[8]。

圖1 光伏電池等效電路圖

圖1 中Iph 為生光電流；Id 為二極管結(jié)電流：Cj 為結(jié)電容：Rsh 為并聯(lián)電阻；Rs 為串聯(lián)電阻。根據(jù)電路原理和SHOCKLOY 的擴(kuò)散理論可得光伏電池的I-V 方程：

式中：I0 為反向飽和電流（數(shù)量級(jí)為0.1A）：q 為電子電荷（1.6×10-19C）；n 為二極管因子（取值范圍1～5）；k 為波爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）;T 為絕對(duì)溫度。

3 常見(jiàn)光伏電池

目前晶體硅高效光伏電池和各類(lèi)薄膜光伏電池是全球新型光伏電池研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

3.1 單晶硅光伏電池

單晶硅光伏電池是最早發(fā)展起來(lái)的，是以高純度的單晶硅棒為原料的光伏電池，其轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。隨著技術(shù)的發(fā)展與革新。單晶硅光伏電池主要用于光伏電站，特別是通訊電站，也可用于航空器電源，貨用于聚焦光伏發(fā)電系統(tǒng)。單晶硅光伏電池的生產(chǎn)工藝如圖2 所示。

圖2 單晶硅光伏電池的生產(chǎn)工藝圖

3.2 多晶硅薄膜光伏電池

多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池是將多晶硅薄膜生長(zhǎng)在成本低的襯底材料上，用相對(duì)薄的晶體硅層作為光伏電池的激活層，不僅保持了晶體硅光伏電池的高性能和穩(wěn)定性，而且材料的用量大幅度下降，明顯降低了電池成本。

3.3 非晶硅光伏電池

非晶硅電池的院子排列呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則狀態(tài)，轉(zhuǎn)換效率的理論值為18%，但實(shí)際產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率為9%左右。盡管非晶硅光伏電池的轉(zhuǎn)換效率不高，但由于非晶硅光伏電池具有制造工藝簡(jiǎn)單，易大量生產(chǎn)，制造所需能源、使用材料較少、大面積化容易以及可以做成成本較低的薄膜電池等特點(diǎn)，所以有廣闊的應(yīng)用前景。

表1 硅系光伏電池的特點(diǎn)

4 光伏電池的應(yīng)用

光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，市場(chǎng)應(yīng)用規(guī)模迅速擴(kuò)大，已廣泛應(yīng)用于航天、通訊、交通以及偏遠(yuǎn)沙漠地區(qū)居民的供電等領(lǐng)域。

4.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)大致可以分為獨(dú)立離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)兩大類(lèi)[9]。獨(dú)立離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏組件，在接受太陽(yáng)照射后將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成為直流電，通過(guò)太陽(yáng)控制器把直流電存儲(chǔ)電池中，因此，獨(dú)立離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電，可以及時(shí)的使用，或者先存起來(lái)等到需要時(shí)使用，圖3 為獨(dú)立離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理圖。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)在光伏組件接收到太陽(yáng)光照射后，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成直流電經(jīng)過(guò)直流配電線箱進(jìn)入到并網(wǎng)逆變器，經(jīng)并網(wǎng)逆變器出來(lái)的電流時(shí)交流電用于直接連接電網(wǎng)，給電網(wǎng)供電。當(dāng)光伏系統(tǒng)因天氣等原因發(fā)不出電的時(shí)候，就可通過(guò)公共電網(wǎng)向交流負(fù)載供電。圖4 為并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理圖。

圖3 獨(dú)立離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理

圖4 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理

目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、國(guó)防、科技和人們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷妫捍笮凸夥娬镜膽?yīng)用，通訊領(lǐng)域的應(yīng)用，鐵路、公路和航空等交通領(lǐng)域的應(yīng)用，海洋、石油和氣象領(lǐng)域的應(yīng)用，太陽(yáng)能光伏建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電。預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉，光伏發(fā)電在可再生能源發(fā)電中占到一定的比例。

4.2 分布式太陽(yáng)能農(nóng)村戶用系統(tǒng)

分布式發(fā)電又稱為嵌入式發(fā)電，這種發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)于集中發(fā)電系統(tǒng)不但降低了系統(tǒng)點(diǎn)力傳輸中的線損，同時(shí)電網(wǎng)電壓分布情況也得到了改善，增加了電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性[10]。圖5 為分布式太陽(yáng)能農(nóng)村戶用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。分布式發(fā)電時(shí)近年電力系統(tǒng)討論的熱點(diǎn)，是利用小型發(fā)電系統(tǒng)向用戶端直接提供能源供應(yīng)的一種新型的能源利用方式。它的特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

1）農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)供電，投資少，安裝和運(yùn)營(yíng)具有更高的靈活性。

2）有效的提高供電系統(tǒng)的可靠性和彌補(bǔ)了大電網(wǎng)傳輸在安全性和穩(wěn)定性方面的不足。

3）具有清潔高效的性能。

4）用戶得到最大限度的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

圖5 分布式太陽(yáng)能農(nóng)村戶用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

分布式太陽(yáng)能農(nóng)村戶用系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)獨(dú)立用戶系統(tǒng)和集中村落電站的供電系統(tǒng)中得到了大量的應(yīng)用，對(duì)比傳統(tǒng)大型集中式發(fā)電系統(tǒng)，分布式發(fā)電系統(tǒng)靠近負(fù)載，不需要投資大量資金建設(shè)大型電網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離高壓或高壓輸配電，達(dá)到減少傳輸線路上的損耗，提高能源的綜合利用率。

5 光伏行業(yè)發(fā)展展望

世界常規(guī)能源供應(yīng)短缺危機(jī)日益嚴(yán)重，尋找新興能源已成為世界熱點(diǎn)問(wèn)題。在各種新能源中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電以其無(wú)污染、總量大、應(yīng)用形式多樣等優(yōu)點(diǎn)，受到世界各國(guó)的高度重視。我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)在制造水平、產(chǎn)業(yè)體系、技術(shù)研發(fā)等方面具有良好的發(fā)展基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)前景總體看好，在“光明工程”先導(dǎo)項(xiàng)目和“送電到鄉(xiāng)”工程等國(guó)家項(xiàng)目及世界光伏市場(chǎng)的有力拉動(dòng)下，我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，只要抓住發(fā)展機(jī)遇，加快轉(zhuǎn)型升級(jí)，后期必將迎來(lái)更加廣闊的發(fā)展空間。

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