太陽能電池與儲能設(shè)備技術(shù)的開發(fā)

田玉祥+史偉斌

摘要：太陽能是世界公認(rèn)的經(jīng)濟(jì)型生態(tài)能源，通過太陽能發(fā)電能夠補(bǔ)充電力能源供應(yīng)不足問題，同時(shí)也是未來電力生產(chǎn)的主流發(fā)展趨勢。但是太陽能電池生產(chǎn)出的是直流電，只有經(jīng)過直流/交流轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎媒涣麟姡虼颂柲茈姵嘏c儲能設(shè)備研究同等重要，以下將分別介紹太陽能電池類型及儲能設(shè)備的發(fā)展，以其為新能源建設(shè)發(fā)展提供更多的理論參考。

關(guān)鍵詞：太陽能電池；儲能設(shè)備；技術(shù)開發(fā)

太陽能是取之不盡用之不竭的天然能源，每小時(shí)到達(dá)地球的太陽光能量能夠供人類一年的能量需求。通過太陽能能夠?qū)?shí)現(xiàn)太陽光能的集中制備，并使之成為可利用的熱能或電能，太陽能電池就是利用太陽光發(fā)電的一種新型能源設(shè)備。通過太陽能與儲能技術(shù)的開發(fā)，有利于促進(jìn)太陽能綠色能源應(yīng)用范圍的拓展，實(shí)現(xiàn)再生能源的循環(huán)開發(fā)和利用。

一、太陽能電池的開發(fā)價(jià)值

隨著全球工業(yè)科技的迅猛發(fā)展，對于能源的攫取也更加激烈，傳統(tǒng)能源如石油和煤已經(jīng)面臨資源枯竭，因此能源價(jià)格不斷上漲。不少國家已經(jīng)著力開發(fā)替代能源，傳統(tǒng)能源不但不可再生，而且還會在燃燒時(shí)產(chǎn)生大量溫室氣體，破壞生態(tài)環(huán)境，造成溫室效應(yīng)加劇。在這樣的嚴(yán)峻環(huán)境下，水力、風(fēng)能、太陽能生態(tài)能源技術(shù)受到了空前重視，不少發(fā)達(dá)國家已經(jīng)形成了完整的生態(tài)能源建設(shè)體系，太陽能就是這些生態(tài)能源中應(yīng)用最為普遍的一種。它具有低成本、零污染、適應(yīng)范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，是未來生態(tài)能源開發(fā)的重要基礎(chǔ)。

二、太陽能電池種類

目前硅太陽能電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，市場上有95%的太陽能電池屬于這一類型，其中有分為單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太陽能電池。

2.1單晶硅太陽能電池

該電池由單晶硅規(guī)則排列制成，對于硅晶純度有較高要求，性能穩(wěn)定而且使用壽命較長，太陽能轉(zhuǎn)換率能夠達(dá)到17%，是當(dāng)前太陽能電池中轉(zhuǎn)化性能最高的。但是單晶硅電池造價(jià)過高，尤其是原材料價(jià)格居高不下，因此此類電池的未來研發(fā)重點(diǎn)在于降低制造成本、提高電能轉(zhuǎn)化率。

2.2多晶硅太陽能電池

多晶硅含有較多雜質(zhì)，晶體顆粒較大，因此光電轉(zhuǎn)換效率約在14%左右。但是多晶硅電池成本造價(jià)較低，較之單晶硅可以節(jié)約20%的制造成本，所以市場推廣空間很大。由于多晶硅電池需求量的不斷增加，此類電池的市場價(jià)格也隨之上漲，價(jià)格因素成為其產(chǎn)能擴(kuò)大的一大制約因素。

2.3非晶硅太陽能電池

這類電池也叫作太陽能薄膜電池，經(jīng)過鍍膜工藝后實(shí)現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)化，其中硅原子呈現(xiàn)不規(guī)則排列狀態(tài)，可以將玻璃、金屬、陶瓷等作為基礎(chǔ)材質(zhì)，無需采用價(jià)格昂貴的結(jié)晶硅。由于非晶硅原材料易得，制作工藝簡單，因此具有很大的推廣潛力。其主要缺陷表現(xiàn)為光電轉(zhuǎn)換率較低，僅為9%，每千瓦時(shí)發(fā)電成本約1.5美元。有專家預(yù)測，非晶硅電池性能提升到12%、千瓦時(shí)發(fā)電成本降至1美元時(shí)，還具備市場化發(fā)展的條件。

三、太陽能電池儲能設(shè)備

3.1鉛蓄電池

鉛蓄電池是傳統(tǒng)蓄電池應(yīng)用的主要類型，迄今為止仍在民用和軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。鉛蓄電池具有相對成熟的生產(chǎn)工藝，性能穩(wěn)定，從而保證了電力的穩(wěn)定存儲和供應(yīng)。該電池不具備記憶效應(yīng)，能夠隨時(shí)充放電，使用靈活易于維護(hù)，而且壽命較長。鉛蓄電池最大的優(yōu)點(diǎn)在于自放電量非常低，即使是在高溫環(huán)境下自放電量也小于自身電池容量的5%，而且價(jià)格低廉。目前為止，鉛蓄電池仍是太陽能發(fā)電儲能的主要產(chǎn)品。

3.2鎘鎳電池

鎘鎳電池具有靈活的充電方式、快充慢充均可，可用直流電也可用脈沖電。與其它類型的蓄電池相比，鎘鎳電池充電時(shí)間更短，一般情況下充電一小時(shí)就能夠正常使用。長時(shí)間不用后也能迅速充電，無需激活。其放電性能較好，維護(hù)便利，充放電次數(shù)可達(dá)1000次。但是鎘鎳電池需要進(jìn)行周期性完全充放電，否則電池將失去活性，電容量會明顯下降，因此該電池記憶效應(yīng)明顯。鎘鎳電池還有一項(xiàng)優(yōu)勢，就是可以在低溫環(huán)境下正常工作，其范圍覆蓋從-40℃到60℃，即使是在-40℃的極端溫度下，其電池放電量仍可維持在20%左右。電池儲存期長，通常可以保持5年以上，但是自放電率較高，充滿電的鎘鎳電池在二十四小時(shí)內(nèi)自放電量可達(dá)10%，而且外界溫度越高，其自放電速率就越快，長期存放后需要進(jìn)行再次充電。鎘鎳電池儲放電能量較之鉛電池要高出2倍左右，價(jià)格高出2.5倍左右。但是由于其循環(huán)壽命明顯高于其他電池，因此長期使用成本并不高。此類電池除記憶效應(yīng)外，還有一大危害就是原材料具有很大毒性，不少發(fā)達(dá)國家已經(jīng)禁止使用此類電池。

3.3鎳金屬氫化物電池

該電池又叫做MH-Ni電池，與鎘鎳電池相比具有更高的能量密度，可高出鎘鎳電池40%左右，不會對環(huán)境造成污染。同時(shí)電池不具備記憶效應(yīng)，因此無需對其進(jìn)行周期性的充放電操作，而且此類電池具有便捷的儲存和運(yùn)輸優(yōu)勢。其不足在于充電之后會產(chǎn)生較大的發(fā)熱量，因此電池循環(huán)周期比鎘鎳電池短，高熱作用會造成貯氫合金材料發(fā)生粉末化變化，所以間歇式充電更適合此類電池，同時(shí)在充電時(shí)間上較之鎘鎳電池更長。MH-Ni電池自放電率可達(dá)50%，因此需要對其進(jìn)行定期全充電。在小電流充電中其能量輸出比較高，可達(dá)80-90Wh/kg，但是在大功率輸出中，能量密度僅為40Wh/kg以下。

3.4鋰離子電池

鋰離子電池具有突出的能量密度優(yōu)勢，較之鎘鎳電池高出2-3倍。負(fù)荷性良好，充放電耐受力較好。電池單電壓達(dá)3.6V，高出鎘鎳電池3倍。鋰離子電池不具備記憶效應(yīng)，無需對其進(jìn)行周期充放電維護(hù)，因此使用更便捷。為了提高電池使用安全性，需要對金屬鋰進(jìn)行嚴(yán)格控制，首先要保證單體電池均具備有效的充放電保護(hù)電路，充電電壓要控制在4.2V以內(nèi)，放電電壓高于2.5V。最大充電電流需控制在1C以內(nèi)，最大放電電流低于2C。同時(shí)還需要保持電池溫度在限定值以內(nèi)。鋰離子電池使用壽命較短，一般為2-3年。這就需要存儲溫度低于15℃，存儲過程中需要對其進(jìn)行補(bǔ)充充電。由于鋰離子電池這些特性，在小型移動電器中應(yīng)用較廣，但是大規(guī)模應(yīng)用尚有待進(jìn)一步開發(fā)。

結(jié)語

能源是推動生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的核心要素，而科技則是改變能源生產(chǎn)、提高公眾生活品質(zhì)的根本?？萍寂c能源的融合發(fā)展，是太陽能電池技術(shù)的研究基礎(chǔ)，通過太陽能電池和儲能設(shè)備的研究，對于提高太陽能發(fā)電效率和應(yīng)用價(jià)值有著積極的促進(jìn)作用，是新能源發(fā)展和應(yīng)用的一大進(jìn)步，同時(shí)也是營造健康生態(tài)環(huán)境、發(fā)展綠色能源的可行路徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]王志坤.新能源產(chǎn)業(yè)中的儲能電池應(yīng)用及其產(chǎn)業(yè)化前景[J].電器工業(yè).2015（07）

[2]葉鋒.新能源發(fā)電的儲能技術(shù)[J].農(nóng)村電氣化.2014（07）

[3]陳維，沈輝，鄧幼俊.太陽能光伏應(yīng)用中的儲能系統(tǒng)研究[J].蓄電池.2016（01）

作者簡介：

田玉祥，出生年月：1983-09-13，性別：男，民族：漢，籍貫：陜西西安，當(dāng)前職務(wù)：設(shè)備維護(hù)，當(dāng)前職稱：助理工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：太陽能光伏電池.endprint