光伏電池的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

張 萌

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

0 前言

面對日益枯竭的化石能源和不斷惡化的生態(tài)環(huán)境，人類需要進(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，用無碳能源、低碳能源代替高碳能源[1]。太陽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越多的領(lǐng)域得到了更廣泛的利用。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(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，國外政府開始投資試驗(yàn)性的大型光伏并網(wǎng)電站。90年代后，許多發(fā)達(dá)國家掀起“屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)”，美國在1997年就提出了“百萬屋頂”計(jì)劃，日本則在1992年啟動(dòng)了“新陽光計(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)勝過大型光伏并網(wǎng)電站，因而受到各國的重視[4]。德國的光伏產(chǎn)業(yè)起步較晚，但是發(fā)展最快，完善的產(chǎn)業(yè)支持政策使德國迅速發(fā)展成為世界最大的光伏市場。IMS 研究公司于2013年4月30日發(fā)布“能量儲(chǔ)存在光伏產(chǎn)業(yè)中的作用”預(yù)測報(bào)告，預(yù)計(jì)全球光伏存儲(chǔ)市場，將從2012年的小于2 億美元迅速增長至2017年達(dá)到190億美元[5]。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國太陽能資源十分豐富，適宜太陽能發(fā)電的國土面積和建筑受光面積也很大，具有大規(guī)模開發(fā)利用太陽能的資源潛力。在全球太陽能光伏能源快速發(fā)展的大背景下，我國太陽能光伏能源產(chǎn)業(yè)也飛速發(fā)展。2001年我國光伏電池產(chǎn)量為4.5MW，2010年達(dá)到8000MW，十年間增加1770 多倍[6]。2011年，我國光伏電池產(chǎn)量達(dá)到2000 萬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[7]。

2 光伏電池模型

作為太陽能電池工作基本原理的光伏效應(yīng)（Photovoltaic Effect 縮寫PV）是1839年被發(fā)現(xiàn)的。由太陽光的光量子與材料互相作用而產(chǎn)生電勢，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 為絕對溫度。

3 常見光伏電池

目前晶體硅高效光伏電池和各類薄膜光伏電池是全球新型光伏電池研究開發(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

多晶硅薄膜太陽能電池是將多晶硅薄膜生長在成本低的襯底材料上，用相對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[9]。獨(dú)立離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏組件，在接受太陽照射后將太陽能轉(zhuǎn)化成為直流電，通過太陽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光照射后，將太陽能轉(zhuǎn)化成直流電經(jīng)過直流配電線箱進(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 分布式太陽能農(nóng)村戶用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

分布式太陽能農(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)問題。在各種新能源中，太陽能光伏發(fā)電以其無污染、總量大、應(yīng)用形式多樣等優(yōu)點(diǎn)，受到世界各國的高度重視。我國光伏產(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)，國內(nèi)外市場前景總體看好，在“光明工程”先導(dǎo)項(xiàng)目和“送電到鄉(xiāng)”工程等國家項(xiàng)目及世界光伏市場的有力拉動(dòng)下，我國光伏發(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，后期必將迎來更加廣闊的發(fā)展空間。

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