光伏發(fā)電電池和變換器拓?fù)渚C述

王志川

（中鐵武漢電氣化局集團(tuán)有限公司合蕪鐵路站后四電項(xiàng)目經(jīng)理部）

摘 要：光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展概述，光伏電池類型介紹，光伏變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜述。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)尉Ч?；多晶硅；逆變拓?fù)?/p>

光伏發(fā)電在整個(gè)能源消費(fèi)中所占比例雖然還不大，但其增長(zhǎng)速度比較快，且在某些應(yīng)用場(chǎng)合是無法替代的。中國(guó)目前光伏發(fā)電的40%用于解決邊遠(yuǎn)無電地區(qū)人民生活用電問題。作為可再生清潔能源的主要形式之一，光伏發(fā)電的發(fā)展得到了國(guó)家、地方各級(jí)政府的支持與扶持。

光伏發(fā)電技術(shù)主要分為三代。第一代是晶體硅光伏電池，分為單晶硅和多晶硅，現(xiàn)在用得非常普遍，在我國(guó)其市場(chǎng)占有份額很大。第二代是品種繁多的薄膜電池，優(yōu)點(diǎn)是材料用量少，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)化率通常只有晶體硅的一半。主要品種有：非晶、納米晶、微晶等硅薄膜電池；銅銦鎵硒薄膜電池；碲化鎘薄膜電池；銅鋅硒硫錫薄膜電池和砷化鎵薄膜電池等。其中砷化鎵薄膜電池的光電轉(zhuǎn)化率可達(dá)28.2%，具有良好發(fā)展前景。第三代光伏發(fā)電技術(shù)，主要是引入了現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)，尤其以均勻聚光技術(shù)為核心。根據(jù)愛因斯坦的光電定律，發(fā)電量和光的強(qiáng)度成正比，通過聚光可以實(shí)現(xiàn)多發(fā)電。關(guān)鍵是要非常均勻地聚光，這是近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)，稱為無光像自適應(yīng)光學(xué)。通過均勻聚光，可以成倍地提高光伏電池的輸出電功率，通常其光電轉(zhuǎn)化率也有所提高。例如，N型晶體硅光伏電池的轉(zhuǎn)化率為22.5%，通過6倍聚光后，該電池的轉(zhuǎn)化率上升到了24.5%，實(shí)際輸出的電功率變?yōu)?4.5%的6倍。

1 光伏電池類型

光伏效應(yīng)（Photo-Voltaic Effect）是在1839年被發(fā)現(xiàn)的，它是太陽能電池工作的基本原理。由太陽光的光量子與材料相互作用而產(chǎn)生電勢(shì)，從而把光的能量轉(zhuǎn)換為電能，這種實(shí)現(xiàn)光電能量轉(zhuǎn)換的元件稱為光伏電池。1954年Bell實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出第一個(gè)光伏電池。1958年起，美蘇相繼在太空飛行器上開始裝設(shè)光伏電池。在航天技術(shù)中，光伏電池的作用變得不可替代。1990年以后，光伏電池的發(fā)展開始與民用電相結(jié)合，離網(wǎng)型和并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)開始推廣。

光伏電池材料主要包括：產(chǎn)生光伏效應(yīng)的半導(dǎo)體材料、薄膜用襯底材料、減反射膜材料、電極與導(dǎo)線材料、組裝封裝材料等。按形態(tài)，光伏電池分為塊狀（Bulk）和薄膜（Thin-Film）兩種。塊狀光伏電池一般指晶體硅（包括單晶硅、多晶硅）電池，其發(fā)電層的厚度在250～450？滋m之間；目前以單晶硅為主。薄膜光伏電池的薄膜厚度一般在2～3？滋m，其特點(diǎn)是在降低成本上有很大優(yōu)勢(shì)，便于大面積連續(xù)生產(chǎn)。薄膜光伏電池包括：硅薄膜型（含多晶硅、非晶硅和微晶硅）；化合物半導(dǎo)體薄膜型（含非結(jié)晶型、III-V族（GaAs、InP等）、II-VI族和磷化鋅等）；新材料薄膜電池（含聚合物薄膜電池、染料敏化電池）。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，目前光伏電池的光電轉(zhuǎn)化率：多晶硅電池為19.8%，單晶硅電池為24.7%，非晶硅薄膜電池為14.5%，砷化鎵（GaAs）薄膜電池為25.7%，銅銦鎵硒（CIGS）薄膜電池為18.8%，多結(jié)疊型薄膜電池（InGaP/GaAs/InGaAs Multijunction Tandem Cell）為33.3%。

柔性光伏電池近年來發(fā)展較快，它的特點(diǎn)是重量輕、可以折疊和卷曲、可以粘貼在汽車玻璃和衣物等物體表面，市場(chǎng)前景廣闊。荷蘭、法國(guó)和葡萄牙開發(fā)的柔性光伏電池（H-Alpha Solar）的轉(zhuǎn)化率約為13%，生產(chǎn)成本低、通用性好。夏普公司2004年發(fā)明了一種厚200？滋m、有2張名片大小、重1g的柔性光伏電池，發(fā)電能力為2.6w，光電轉(zhuǎn)化率高達(dá)28.5%。

2 光伏變換器拓?fù)?/p>

并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變拓?fù)淙鐖D1所示。圖1（a）所示為集中逆變拓?fù)?，它通過一臺(tái)三相逆變器把多個(gè)光伏電池串的電能逆變上網(wǎng)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制；但其不足是，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)集中的最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）算法，會(huì)在各光伏電池間不匹配和有局部陰影時(shí)造成輸出功率的降低。除此之外，二極管也會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)通損耗。這種拓?fù)洮F(xiàn)在看來已有些過時(shí)了。

圖1（b）為串型逆變拓?fù)?，它的每一個(gè)光伏電池串都有一臺(tái)自己的逆變器，可以因此改善MPPT效果并提高發(fā)電量；并且它還有利于模塊化設(shè)計(jì)，因?yàn)樵黾哟臄?shù)目不會(huì)影響逆變器尺寸。根據(jù)一串的光伏電池?cái)?shù)量不同，可能需要dc-dc升壓變換器或升壓變壓器以達(dá)到電網(wǎng)電壓；同樣，因?yàn)楦鞴夥姵亻g的不匹配和有局部陰影，無實(shí)現(xiàn)MPPT的最優(yōu)化。目前，該拓?fù)涫亲畛Ｓ玫摹?/p>

圖1（c）為多串逆變拓?fù)?，它結(jié)合了集中和串型逆變拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)，由于每串有dc-dc變換器可提高這一串的MPPT能力。這樣，該拓?fù)湟部蓪?shí)現(xiàn)模塊化，甚至串有不同數(shù)目電池的串可連接到一起，還可根據(jù)需要進(jìn)一步擴(kuò)展。但集中的逆變器容量必須選擇合適。另外，在每一串的dc-dc變換器和集中逆變器間需要更長(zhǎng)的直流電纜，這會(huì)產(chǎn)生附加損耗。

圖1（d）為模塊逆變拓?fù)?，或稱變換器集成模塊，是最模塊化并具有最好的MPPT能力，因?yàn)橐慌_(tái)變換器是一個(gè)光伏電池模塊專用的。它主要針對(duì)小系統(tǒng)和家用。主要缺點(diǎn)是必須直流升壓環(huán)節(jié)或升壓變壓器，這顯然比串型逆變拓?fù)涑杀靖摺?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]崔書文，曾智澤，黃曉芳，王薇薇.抓緊發(fā)展第三代光伏發(fā)電技術(shù).經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)，2012年9月17日，第007版.

[2]王斯成.我國(guó)光伏發(fā)電有關(guān)問題研究[J].中國(guó)能源，2007，29（2）：7-11.

[3]王斯成.分布式光伏發(fā)電政策現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].太陽能，2013，（8）：8-19.

[4]成志秀，王曉麗.太陽能光伏電池綜述[J].信息記錄材料，2007，8（2）：41-47.

[5]趙爭(zhēng)鳴，賀凡波，雷一，田琦.光伏并網(wǎng)發(fā)電若干關(guān)鍵技術(shù)分析與綜述[J].電力電子技術(shù)，2013，47（3）：1-7.endprint