[摘 要]本文以青海尼那9.2MW光伏發(fā)電項(xiàng)目為背景，介紹了光伏組件的現(xiàn)狀，然后敘述了光伏組件的發(fā)展趨勢(shì)，闡明了未來(lái)光伏組件的重點(diǎn)探討及研究方向。

[關(guān)鍵詞]光伏組件 現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢(shì) 研究方向

中圖分類(lèi)號(hào)：TN919.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）01-0273-03

引言

在現(xiàn)代社會(huì)中，傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)早已經(jīng)不適應(yīng)也不能夠滿足當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展需求，例如天然氣、煤炭、石油等能源，現(xiàn)在勘探已知的儲(chǔ)備最多可以支撐200年的發(fā)展需求。再者化石燃料的大量使用早已經(jīng)使環(huán)境不堪重負(fù)，每年排除的二氧化碳等溫室氣體加快了全球變暖能厄爾尼諾現(xiàn)象的發(fā)生，造成全球大面積酸雨的形成，嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境，同時(shí)也為我們的子孫后代埋下了巨大的生存隱患。所以說(shuō)無(wú)論是從解決全球能源危機(jī)來(lái)說(shuō)還是從解決環(huán)境保護(hù)角度問(wèn)題來(lái)說(shuō)對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)利用都已經(jīng)迫在眉睫。迄今所開(kāi)發(fā)的清潔能源有核能、水能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮?、太?yáng)能等，在這些新開(kāi)發(fā)的能源中太陽(yáng)能的利用是最具有持續(xù)性也是現(xiàn)在開(kāi)發(fā)利用最好的能源[1]。對(duì)太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用在已經(jīng)步入實(shí)用階段，而太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能是最為常見(jiàn)的使用方法，也是技術(shù)實(shí)現(xiàn)比較容易的手段。隨著光伏組件生產(chǎn)工藝水平及并網(wǎng)技術(shù)逐漸提高，建設(shè)光伏電站的條件越來(lái)越成熟，發(fā)改委在2007年《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中決定建設(shè)為期5年的180萬(wàn)兆瓦中短期建設(shè)目標(biāo)[2]?；谶@樣的背景，位于青海省貴德縣的尼那水電站擬投建安裝容量為8.448MW，占地面積約360畝的大型光伏并網(wǎng)項(xiàng)目，本文以此為背景介紹光伏組件的現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展?fàn)顩r。

1.光伏組件發(fā)展現(xiàn)狀

太陽(yáng)能電池是迄今為止全世界使用最多的光電能量轉(zhuǎn)換裝置，自從1941年有關(guān)光伏電池的報(bào)道以來(lái)，1954年成功研制轉(zhuǎn)換效率為6%左右的單晶硅光伏蓄電池。在70年代之前，太陽(yáng)能電池的造價(jià)昂貴、轉(zhuǎn)換效率較低，在70年代以后隨著工藝水平與轉(zhuǎn)換效率的提高，太陽(yáng)能光伏電池的使用才越來(lái)越多，但是與常規(guī)的發(fā)電手段相比較而言，成本仍然難以讓人接受[3]。

目前來(lái)說(shuō)，整體各種類(lèi)型的光伏蓄電池轉(zhuǎn)換效率為：非晶硅電池14.5%（初始）、12.8%（穩(wěn)定），單晶硅電池24%（4cm2），多晶硅電池18.6%（4cm2），InGaP/GaAs雙結(jié)電池30.28%（AM1），碲化鎘電池15.8%。從上世紀(jì)60年代，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始光伏電池的研究，當(dāng)然也取得了不少讓人值得驕傲的成績(jī)。目前來(lái)說(shuō)，我國(guó)的光伏電池轉(zhuǎn)換效率為：多晶硅電池14.5%（2cm×2cm）、12%（10cm×10cm），非晶硅電池8.6%（10cm×10cm）、7.9%（20cm×20cm）、6.2%（30cm×30cm），二氧化鈦納米有機(jī)電池10%（1cm×1cm）、單晶硅電池20.4%（2cm×2cm），多晶硅薄膜電池13.6%（lcm×1cm，非活性硅襯底）。

從1999年開(kāi)始到現(xiàn)在大約16年的時(shí)間里光伏組件平均每年增長(zhǎng)約15%，并且到現(xiàn)在為止呈現(xiàn)增速越來(lái)越快的趨勢(shì)。從產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方面來(lái)看，無(wú)論是從提高工藝水平、擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模、提高系統(tǒng)的可操作性來(lái)說(shuō)都是為了更好的降低系統(tǒng)組件成本。到07年為止，我國(guó)的光伏電池總計(jì)產(chǎn)量首次超越日本與歐洲，可商業(yè)化利用的光伏電池的轉(zhuǎn)換效率從10%～13%提高到18%～20%，成為制造光伏電池的世界性工廠，到2011年為止，國(guó)內(nèi)電池的海外出貨量達(dá)到全世界的60%，根據(jù)《2013-2017年中國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》的數(shù)據(jù)顯示，截止到2015年全球累計(jì)安裝容量超過(guò)70000兆瓦，新裝機(jī)容量為27500兆瓦是2014年的1.5倍[4]。雖然說(shuō)我國(guó)的光伏電池產(chǎn)量已經(jīng)是世界首位，但是這種以清潔環(huán)保著稱(chēng)的能源并沒(méi)有在自己國(guó)家中得到很好的開(kāi)發(fā)利用，加上長(zhǎng)年的對(duì)外出口，使得我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)過(guò)多的依賴(lài)海外市場(chǎng)，所以推動(dòng)內(nèi)需，在國(guó)內(nèi)大量推廣光伏項(xiàng)目、加大光伏市場(chǎng)的開(kāi)拓顯得尤為重要。伴隨著國(guó)內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn)線的逐年遞增，自主產(chǎn)品的質(zhì)量與性能也在逐年提高，所以利用自主品牌的光伏組件作為項(xiàng)目的主要組件足以，同時(shí)也是為了促進(jìn)國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，展示國(guó)內(nèi)品牌的發(fā)展成果[5]。

目前來(lái)說(shuō)，單晶硅、多晶硅光伏組件仍然是市場(chǎng)的主體部分，單晶硅的轉(zhuǎn)換效率一般在17%左右，多晶硅的轉(zhuǎn)換效率一般在19%左右。如圖1所示為單晶硅硅片，如圖2所示為多晶硅硅片。

從第一塊光伏電池研發(fā)出來(lái)之后，晶體硅電池一直是行業(yè)內(nèi)的霸主地位，至今無(wú)人撼動(dòng)，其成熟的技術(shù)、較為簡(jiǎn)單的工藝制造在以后的幾十年里也不會(huì)被其他結(jié)構(gòu)組成的光伏電池所取代，當(dāng)然全世界各國(guó)的專(zhuān)家學(xué)者也在努力降低生產(chǎn)成本、提高光伏組件的轉(zhuǎn)換效率，也取得了很多成績(jī)。我國(guó)科學(xué)家在04年研制出了新型硅晶體光伏電池，其轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到25%左右，緊隨其后日本科學(xué)家在07年也研制出了轉(zhuǎn)換效率高達(dá)23%的HIT太陽(yáng)能光伏電池。晶體硅電池的轉(zhuǎn)換效率的不斷提高，使得晶體硅電池在光伏電池中的地位越來(lái)越牢固。如圖3所示為光伏組件由晶體硅電池組成的實(shí)物圖。

與晶體硅電池相似的有非晶體硅薄膜光伏電池，這種電池成本低，生產(chǎn)方便，其發(fā)展速度也很迅速。盡管成本低、生產(chǎn)方便，但是由于其本身的波長(zhǎng)不敏感性造成這種材料制作的光伏電池轉(zhuǎn)換效率只有晶體硅電池的三分之一甚至還不到，而且其光電轉(zhuǎn)換效率隨著時(shí)間的增長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)衰退的現(xiàn)象，使得使用此材料制作的光伏電池在實(shí)際的應(yīng)用中很容易出現(xiàn)不穩(wěn)定甚至失效的情況。當(dāng)然，這種非晶體的太陽(yáng)能電池也具有弱光響應(yīng)好、重量輕、高溫性能好而且對(duì)整個(gè)光區(qū)的強(qiáng)弱感應(yīng)適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在未來(lái)的十幾年里，如果能夠突破轉(zhuǎn)換效率低、使用壽命短的技術(shù)難點(diǎn)，有希望占領(lǐng)光伏市場(chǎng)的大部分份額[6]。

由于太陽(yáng)光能量的分布密度小，而且一天之中光能也不是連續(xù)變化的，所以在對(duì)太陽(yáng)光能研究時(shí)必須要對(duì)其如何進(jìn)行采集、如何進(jìn)行傳輸、如何進(jìn)行存儲(chǔ)進(jìn)行研究。所以有些科學(xué)家提出對(duì)分散的太陽(yáng)能進(jìn)行聚光式的收集，已達(dá)對(duì)其集中收集，根據(jù)熱力學(xué)第一定律和第二定律對(duì)太陽(yáng)能聚光能量傳輸和利用系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)理想系統(tǒng)對(duì)外輸出功率最大時(shí)的集熱溫度為2464K，幾何聚光比為2617，太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率極限值可達(dá)84.9%。也就是說(shuō)如果跟蹤到不同光譜強(qiáng)度的光線，那么可以對(duì)陽(yáng)光進(jìn)行更有效率的收集。所以說(shuō)有一種被稱(chēng)為高倍聚光技術(shù)的材料也許會(huì)對(duì)未來(lái)的光伏行業(yè)帶來(lái)革命性的變革，但是這項(xiàng)技術(shù)目前還未成熟，只處于行業(yè)初始階段。其實(shí)它的原理就是在晶體硅的基礎(chǔ)之上通過(guò)光學(xué)定律對(duì)光進(jìn)行折射或者反射，讓能量更為集中地被光伏電池進(jìn)行吸收轉(zhuǎn)換[7、8]。

目前來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)的聚光太陽(yáng)能電池的研究尚處于實(shí)驗(yàn)階段，已經(jīng)研究過(guò)的聚光方式有：槽面聚光器、八面體聚光器、高聚光鏡面菲涅爾透鏡等。由于需要復(fù)雜的外部輔助設(shè)備的參與，例如冷卻設(shè)備、機(jī)械扭轉(zhuǎn)跟蹤設(shè)備等，使得其造價(jià)成本高昂且實(shí)用效果很差，本意是為了追求節(jié)省光伏電池，可實(shí)際上就目前來(lái)說(shuō)無(wú)異于舍本逐末，反而使成本大幅度提高。

綜合以上三種光伏組件的構(gòu)成及各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)，不難發(fā)現(xiàn)晶體硅電池具有技術(shù)成熟、轉(zhuǎn)換效率高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等其他兩類(lèi)光伏電池不可比擬的優(yōu)勢(shì)，所以青海尼那9.2MW光伏發(fā)電項(xiàng)目采用晶體硅電池作為最終的光伏組件。

2 光伏組件技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

最近幾年，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步、工藝水平的不斷提高、新材料的不斷添加，標(biāo)準(zhǔn)化晶體硅電池轉(zhuǎn)換效率與轉(zhuǎn)換功率都在不斷提高。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出最大功率330瓦左右，面積約1.5平方米的晶體硅電池。

如表1所示，單晶硅與多晶硅的技術(shù)參數(shù)可以用以下兩種組價(jià)作為代表進(jìn)行對(duì)比：

從表1比較可知，光伏組件單個(gè)電池的功率越來(lái)越大，效率也越來(lái)越大，由原來(lái)的1.6米×0.8米170W上升到1.65米×0.99米280W，組價(jià)的功率密度由原來(lái)的百分之五十上升到大約百分之七十。此外組件之間的硬連接設(shè)備明顯減少，也就是說(shuō)光伏組件的模塊化更好，通用性更強(qiáng)，這樣全面降低了光伏電池的線路損耗，從側(cè)面上也提高了光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)也降低了工程的安裝工程量，使得系統(tǒng)的運(yùn)維成本大大降低，達(dá)到了國(guó)家的節(jié)能減排的大方向目標(biāo)，與國(guó)際上的光伏系統(tǒng)發(fā)張也是不謀而合。

根據(jù)《日本太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)2004年度報(bào)告》國(guó)際上單晶硅的輸出制造由2002年的百分之三十下降到百分之二十，而多晶硅產(chǎn)品的生產(chǎn)卻從02年的百分之七十上升到百分之八十，可以看出多晶硅的市場(chǎng)占有率越來(lái)越高。這是因?yàn)槎嗑Ч璧膬r(jià)格要比單晶硅要低，其制造成本低，生產(chǎn)工藝更加成熟，市場(chǎng)自然會(huì)選擇它。雖然單晶硅的個(gè)體轉(zhuǎn)換效率要比多晶硅高，但是在實(shí)際的應(yīng)用中還是多晶硅在同樣的轉(zhuǎn)換功率要求下成本更低廉、施工成本更低、所需要的輔助設(shè)備更少。所以尼那9.2MW光伏發(fā)電項(xiàng)目采用的時(shí)250瓦光伏組件生產(chǎn)線，這套技術(shù)已經(jīng)比較成熟，其后期的維護(hù)方便，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝人員的要求較低選用的250W大功率多晶硅太陽(yáng)能電池，電池組件詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)下表2。

綜上所述，太陽(yáng)能光伏組件作為清潔能源的代表之一無(wú)疑會(huì)在未來(lái)的能源結(jié)構(gòu)中扮演越來(lái)越重要的角色。其發(fā)展方向不外乎提高電池的轉(zhuǎn)換效率、提高系統(tǒng)的功率、減少安裝運(yùn)維成本等。我們可以結(jié)合集中光伏電池的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行研究，取長(zhǎng)補(bǔ)短將這幾種電池的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到一起，例如將單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率再次上提、將多晶硅的制造工藝更加完善、將高聚光技術(shù)研究成熟等，可以研發(fā)出新一代的強(qiáng)大光伏電池。當(dāng)然對(duì)光伏組件本身的研究只是提高光伏系統(tǒng)性能的一個(gè)方面，此外重點(diǎn)還可以在光伏系統(tǒng)的逆變技術(shù)、MPPT算法跟蹤技術(shù)、光伏電池離并網(wǎng)諧波抑制技術(shù)等方面重點(diǎn)進(jìn)行研究?？傊缆酚肋h(yuǎn)是曲折的，但是光伏產(chǎn)業(yè)的美好發(fā)展前景是值得我們大家熱切期待的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以尼那9.2兆瓦光伏電站為背景，介紹了光伏組件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，并指出了光伏組件下一步的研究方向，對(duì)國(guó)際國(guó)內(nèi)的光伏組件未來(lái)研究指明了方向。

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徐大有（1974-01），男，甘肅蘭州人，本科，工程師，工作單位：水電四局投資開(kāi)發(fā)有限公司，主要從事工程技術(shù)管理工作.