關于太陽能光伏組件的研究

[摘 要]本文以青海尼那9.2MW光伏發(fā)電項目為背景，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，闡明了未來光伏組件的重點探討及研究方向。

[關鍵詞]光伏組件 現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢 研究方向

中圖分類號：TN919.8 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）01-0273-03

引言

在現(xiàn)代社會中，傳統(tǒng)的能源結構早已經(jīng)不適應也不能夠滿足當今社會的發(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，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，嚴重破壞了生態(tài)環(huán)境，同時也為我們的子孫后代埋下了巨大的生存隱患。所以說無論是從解決全球能源危機來說還是從解決環(huán)境保護角度問題來說對新能源的開發(fā)利用都已經(jīng)迫在眉睫。迄今所開發(fā)的清潔能源有核能、水能、風能、潮汐能、地熱能、太陽能等，在這些新開發(fā)的能源中太陽能的利用是最具有持續(xù)性也是現(xiàn)在開發(fā)利用最好的能源[1]。對太陽能的開發(fā)利用在已經(jīng)步入實用階段，而太陽能轉換為電能是最為常見的使用方法，也是技術實現(xiàn)比較容易的手段。隨著光伏組件生產工藝水平及并網(wǎng)技術逐漸提高，建設光伏電站的條件越來越成熟，發(fā)改委在2007年《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中決定建設為期5年的180萬兆瓦中短期建設目標[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)項目，本文以此為背景介紹光伏組件的現(xiàn)狀及未來發(fā)展狀況。

1.光伏組件發(fā)展現(xiàn)狀

太陽能電池是迄今為止全世界使用最多的光電能量轉換裝置，自從1941年有關光伏電池的報道以來，1954年成功研制轉換效率為6%左右的單晶硅光伏蓄電池。在70年代之前，太陽能電池的造價昂貴、轉換效率較低，在70年代以后隨著工藝水平與轉換效率的提高，太陽能光伏電池的使用才越來越多，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]。

目前來說，整體各種類型的光伏蓄電池轉換效率為：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雙結電池30.28%（AM1），碲化鎘電池15.8%。從上世紀60年代，國內也開始光伏電池的研究，當然也取得了不少讓人值得驕傲的成績。目前來說，我國的光伏電池轉換效率為：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年開始到現(xiàn)在大約16年的時間里光伏組件平均每年增長約15%，并且到現(xiàn)在為止呈現(xiàn)增速越來越快的趨勢。從產業(yè)的發(fā)展方面來看，無論是從提高工藝水平、擴大建設規(guī)模、提高系統(tǒng)的可操作性來說都是為了更好的降低系統(tǒng)組件成本。到07年為止，我國的光伏電池總計產量首次超越日本與歐洲，可商業(yè)化利用的光伏電池的轉換效率從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，國內電池的海外出貨量達到全世界的60%，根據(jù)《2013-2017年中國光伏發(fā)電產業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》的數(shù)據(jù)顯示，截止到2015年全球累計安裝容量超過70000兆瓦，新裝機容量為27500兆瓦是2014年的1.5倍[4]。雖然說我國的光伏電池產量已經(jīng)是世界首位，但是這種以清潔環(huán)保著稱的能源并沒有在自己國家中得到很好的開發(fā)利用，加上長年的對外出口，使得我國光伏產業(yè)過多的依賴海外市場，所以推動內需，在國內大量推廣光伏項目、加大光伏市場的開拓顯得尤為重要。伴隨著國內大規(guī)模生產線的逐年遞增，自主產品的質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目的主要組件足以，同時也是為了促進國內產業(yè)的發(fā)展，展示國內品牌的發(fā)展成果[5]。

目前來說，單晶硅、多晶硅光伏組件仍然是市場的主體部分，單晶硅的轉換效率一般在17%左右，多晶硅的轉換效率一般在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)出來之后，晶體硅電池一直是行業(yè)內的霸主地位，至今無人撼動，其成熟的技術、較為簡單的工藝制造在以后的幾十年里也不會被其他結構組成的光伏電池所取代，當然全世界各國的專家學者也在努力降低生產成本、提高光伏組件的轉換效率，也取得了很多成績。我國科學家在04年研制出了新型硅晶體光伏電池，其轉換效率可以達到25%左右，緊隨其后日本科學家在07年也研制出了轉換效率高達23%的HIT太陽能光伏電池。晶體硅電池的轉換效率的不斷提高，使得晶體硅電池在光伏電池中的地位越來越牢固。如圖3所示為光伏組件由晶體硅電池組成的實物圖。

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，生產方便，其發(fā)展速度也很迅速。盡管成本低、生產方便，但是由于其本身的波長不敏感性造成這種材料制作的光伏電池轉換效率只有晶體硅電池的三分之一甚至還不到，而且其光電轉換效率隨著時間的增長會出現(xiàn)衰退的現(xiàn)象，使得使用此材料制作的光伏電池在實際的應用中很容易出現(xiàn)不穩(wěn)定甚至失效的情況。當然，這種非晶體的太陽能電池也具有弱光響應好、重量輕、高溫性能好而且對整個光區(qū)的強弱感應適應能力強等優(yōu)點。在未來的十幾年里，如果能夠突破轉換效率低、使用壽命短的技術難點，有希望占領光伏市場的大部分份額[6]。

由于太陽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，所以在對太陽光能研究時必須要對其如何進行采集、如何進行傳輸、如何進行存儲進行研究。所以有些科學家提出對分散的太陽能進行聚光式的收集，已達對其集中收集，根據(jù)熱力學第一定律和第二定律對太陽能聚光能量傳輸和利用系統(tǒng)進行熱力學分析，發(fā)現(xiàn)理想系統(tǒng)對外輸出功率最大時的集熱溫度為2464K，幾何聚光比為2617，太陽能的轉換效率極限值可達84.9%。也就是說如果跟蹤到不同光譜強度的光線，那么可以對陽光進行更有效率的收集。所以說有一種被稱為高倍聚光技術的材料也許會對未來的光伏行業(yè)帶來革命性的變革，但是這項技術目前還未成熟，只處于行業(yè)初始階段。其實它的原理就是在晶體硅的基礎之上通過光學定律對光進行折射或者反射，讓能量更為集中地被光伏電池進行吸收轉換[7、8]。

目前來說，國內的聚光太陽能電池的研究尚處于實驗階段，已經(jīng)研究過的聚光方式有：槽面聚光器、八面體聚光器、高聚光鏡面菲涅爾透鏡等。由于需要復雜的外部輔助設備的參與，例如冷卻設備、機械扭轉跟蹤設備等，使得其造價成本高昂且實用效果很差，本意是為了追求節(jié)省光伏電池，可實際上就目前來說無異于舍本逐末，反而使成本大幅度提高。

綜合以上三種光伏組件的構成及各自優(yōu)缺點，不難發(fā)現(xiàn)晶體硅電池具有技術成熟、轉換效率高、運行穩(wěn)定可靠等其他兩類光伏電池不可比擬的優(yōu)勢，所以青海尼那9.2MW光伏發(fā)電項目采用晶體硅電池作為最終的光伏組件。

2 光伏組件技術發(fā)展趨勢

最近幾年，隨著技術的不斷進步、工藝水平的不斷提高、新材料的不斷添加，標準化晶體硅電池轉換效率與轉換功率都在不斷提高。目前已經(jīng)開發(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參數(shù)可以用以下兩種組價作為代表進行對比：

從表1比較可知，光伏組件單個電池的功率越來越大，效率也越來越大，由原來的1.6米×0.8米170W上升到1.65米×0.99米280W，組價的功率密度由原來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備明顯減少，也就是說光伏組件的模塊化更好，通用性更強，這樣全面降低了光伏電池的線路損耗，從側面上也提高了光伏電池的轉換效率，同時也降低了工程的安裝工程量，使得系統(tǒng)的運維成本大大降低，達到了國家的節(jié)能減排的大方向目標，與國際上的光伏系統(tǒng)發(fā)張也是不謀而合。

根據(jù)《日本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)2004年度報告》國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，而多晶硅產品的生產卻從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占有率越來越高。這是因為多晶硅的價格要比單晶硅要低，其制造成本低，生產工藝更加成熟，市場自然會選擇它。雖然單晶硅的個體轉換效率要比多晶硅高，但是在實際的應用中還是多晶硅在同樣的轉換功率要求下成本更低廉、施工成本更低、所需要的輔助設備更少。所以尼那9.2MW光伏發(fā)電項目采用的時250瓦光伏組件生產線，這套技術已經(jīng)比較成熟，其后期的維護方便，對現(xiàn)場安裝人員的要求較低選用的250W大功率多晶硅太陽能電池，電池組件詳細技術參數(shù)見下表2。

綜上所述，太陽能光伏組件作為清潔能源的代表之一無疑會在未來的能源結構中扮演越來越重要的角色。其發(fā)展方向不外乎提高電池的轉換效率、提高系統(tǒng)的功率、減少安裝運維成本等。我們可以結合集中光伏電池的優(yōu)點進行研究，取長補短將這幾種電池的優(yōu)點結合到一起，例如將單晶硅電池的轉換效率再次上提、將多晶硅的制造工藝更加完善、將高聚光技術研究成熟等，可以研發(fā)出新一代的強大光伏電池。當然對光伏組件本身的研究只是提高光伏系統(tǒng)性能的一個方面，此外重點還可以在光伏系統(tǒng)的逆變技術、MPPT算法跟蹤技術、光伏電池離并網(wǎng)諧波抑制技術等方面重點進行研究?？傊缆酚肋h是曲折的，但是光伏產業(yè)的美好發(fā)展前景是值得我們大家熱切期待的。

3 結語

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，并指出了光伏組件下一步的研究方向，對國際國內的光伏組件未來研究指明了方向。

參考文獻

[1] 王德良. 影響我國光伏發(fā)電成本的主要因素研究[D].華北電力大學，2013.

[2] 李金剛. 智能光伏組件的研究與應用[D].江南大學，2008.

[3] 李華. 中國光伏產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究[D].上海交通大學，2009.

[4] 沙濤. 太陽能光伏組件陣列工況監(jiān)測系統(tǒng)[D].西安科技大學，2013.

[5] 吳達成. 我國光伏組件封裝設備制造現(xiàn)狀及展望[J]. 太陽能，2012，08：14-16.

[6] 鄭海興，余榮斌，舒碧芬，沈輝. 光伏組件加速試驗應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 太陽能，2013，11：45-49+7.

[7] 劉桂雄，何建林，余榮斌. 光伏組件可靠性評估的研究現(xiàn)狀與思考[J]. 現(xiàn)代制造工程，2014，12：123-126.

[8] 徐永. 當前國際環(huán)境下我國光伏產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究[D].貴州財經(jīng)大學，2014.

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