家用光伏發(fā)電系統(tǒng)中鈣鈦礦太陽能電池的應用

潘 婧，張光華

（太原學院，山西 太原 030000）

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，可持續(xù)發(fā)展理念已經(jīng)深入人心，這也使得如今各種清潔能源被廣泛的得以應用，這其中就包括有取之不盡，用之不竭的太陽能。本文所研究的鈣鈦礦太陽能電池將可以對家用光伏發(fā)電系統(tǒng)進行有效的改善，從而降低整個系統(tǒng)的發(fā)電成本，促使更多的用戶可以實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的家用化，讓用戶最快速獲得太陽能發(fā)電的經(jīng)濟效益。

1 鈣鈦礦太陽能電池的簡介

對于整個鈣鈦礦太陽能電池的結構來說，鈣鈦礦材料只不過是用作于太陽能電池的活性層與吸收層，然后再與其他各種功能材料相結合，最終共同構成太陽能電池板。雖然過去因鈣鈦礦太陽能電池相關的技術水平不足，使得其光電轉換率一直得不到保障，但近些年，隨著業(yè)內人士的不懈努力，通過對太陽能電池的材料合成與相關技術的改良，如今鈣鈦礦太陽電池的光電轉換效率已經(jīng)得到了顯著的提高，并且因其有著穩(wěn)定、高校、便宜、便于制造等優(yōu)點，因此可以想象，其未來一點會被廣泛的應用到千家萬戶之中[1]。

2 家用光伏發(fā)電系統(tǒng)設計

（1）家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的結構與特點。本文所設計的家用光伏發(fā)電系統(tǒng)是安放在能夠被陽光長時間直射的位置，并且整個發(fā)電系統(tǒng)并不會并入到國家電網(wǎng)之中，是一種隔離式家用光伏發(fā)電系統(tǒng)，但卻可以基本滿足整個家庭的日常用電所需。在大結構上，整個家用光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有鈣鈦礦太陽能電池板、逆變器、控制器、蓄電池等部分構成。整個系統(tǒng)并不會占據(jù)用戶家庭態(tài)度的空間，并且安裝非常方案、使用壽命也很長，在使用過程中還不會產(chǎn)生環(huán)境污染或者對周圍生活的用戶造成干擾，是真正意義上的無污染清潔能源。

（2）家庭用電量統(tǒng)計。一般來說，普通家庭的耗電量比較大的電器無非就是電視機、電腦、冰箱、空調、電磁爐幾種，并且還要考慮整體成本與用戶的用電富余問題，最終將整個光伏發(fā)電系統(tǒng)取值為4000W，并據(jù)此來進行本文的系統(tǒng)設計。

（3）太陽能電池板。鑒于如今應用比較普遍的晶硅太陽能電池板有著成本較高的缺點，所以為了能夠最大限度的降低家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體成本，本文所設計的發(fā)電系統(tǒng)將會材料近些年才出現(xiàn)并且完善的鈣鈦礦太陽能電池板，并且為了能夠充分保障家庭供電充足，首先需要對太陽能電池板的數(shù)量進行確定，以下為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率計算公式[2]。

其中：P：整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的總發(fā)電功率，kW。Ns：太陽能電池組串聯(lián)的數(shù)量。Np：太陽能電池組并聯(lián)的數(shù)量。Pmax：單個太陽能電池的最大發(fā)電功率，kW。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能電池組的串聯(lián)則可以對整個發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓進行實際調整，而太陽能電池組的并聯(lián)則可以調整整個發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流，至于構成整個太陽能電池組的數(shù)量則可以對整個發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率進行調整。結合用戶的實際用電情況，本文所設計的家用光伏發(fā)電系統(tǒng)有著12V的輸出電壓、6A的輸出電流，總輸出功率大概有4032W，整個發(fā)電系統(tǒng)的太陽能發(fā)電板的數(shù)量有56塊。在進行太陽能電池板的正式安裝的時候，還要保障所有太陽能電池板都能夠處于陽光長時間直射的位置，以此來保證發(fā)電的穩(wěn)定性與持續(xù)性，最大限度對發(fā)電變量進行控制。

（4）控制器。對于家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制器，其主要由處理器、顯示器以及各種相關的電子元器件共同組成?？刂破髟谡麄€家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的作用便是在太陽能供應不足，太陽能電池板所產(chǎn)生的電能不足以供應用戶家庭所需的時候，控制蓄電池對逆變器進行放電，再加上控制器的實際質量水平將會在一定程度上決定蓄電池的使用壽命與工作情況，選擇的時候一定要重視起其作用。所以在對控制器進行選擇的時候，應先對整個光伏發(fā)電系統(tǒng)進行全方面的計算與了解，然后根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)的實際總輸出電壓與電流大小進行選擇，應將總輸出電壓與電流大小控制在控制器的閥值以下。

（5）蓄電池。一般在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，其蓄電是需要與太陽能電池板進行配套使用的，其中太陽能電池板用于接收太陽能，并將太陽能轉化成為電能，而蓄電池則會在太陽能電池板發(fā)電量充足的時候進行電能儲存，而但太陽能電池板發(fā)電量不足時則會擔當著電能供應補足的功能。因此在進行蓄電池選擇的時候，還是選擇交替蓄電池比較合適。

另外為了能夠充分保障蓄電池的實際儲存電量與供能效率能夠滿足實際用戶所需，所以在進行蓄電池選擇前還要根據(jù)用戶的實際需求計算出蓄電池的實際總容量需求，該計算公式如下。

公式中：L：用戶的實際耗電量，kW/h。D：每年中太陽能供應不充足的天數(shù)。DOD：蓄電池的最大放電深度，本文所設計的光伏系統(tǒng)中的蓄電池大概數(shù)值為0.8。E1：整個家用光伏發(fā)電系統(tǒng)蓄電池的能量轉換效率，本文所使用的蓄電池的能量轉換效率大概為0.9。E2：整個家用光伏發(fā)電系統(tǒng)電力傳輸過程中的電力損失系數(shù)，大概為0.05作用。

經(jīng)過多方計算以后，最終得出C的數(shù)值大概為11KW/h，所以在進行實際選擇的時候，可以選擇12V/100A/h的免維膠體護蓄電池，并且為了能夠滿足實際用戶所需，應該在整個光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用10相關型號的蓄電池用于電力儲存，這樣便可以滿足實際要求。

（6）逆變器。在家用光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的作用便是將太陽能電池板與蓄電池所提供的直流電轉化成為人們常用的220V/50Hz的交流電，以此來保證整個光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠正常為用戶提供電力所需，因此其也是整個系統(tǒng)的核心部件之一。在進行逆變器選擇的時候，最重要的參數(shù)還是要能夠滿足家用供電設備的總功率的實際需求，以下為逆變器所需功率的計算公式。

公式中：CN：家用光伏發(fā)電系統(tǒng)所需的逆變器功率，KW。K：用電安全系數(shù)，一般在計算過程中都會取值為1.2。m：光伏發(fā)電系統(tǒng)感性負載或者容性負載啟動做引起的沖擊電流的附加因子。P：家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的實際負載功率，本文所設計的發(fā)電系統(tǒng)的負載功率為4000W。

在經(jīng)過計算以后，得出逆變器的實際功率為4.75kW，因此在進行逆變器選擇的時候，所選擇的逆變器為電壓轉換區(qū)間為12V-220V，輸出功率為5000W的逆變器，以此來保證實際用戶家庭用電所需。

3 阻礙家用光伏發(fā)電系統(tǒng)中鈣鈦礦太陽能電池的應用的因素與展望

現(xiàn)如今，相關業(yè)內人士對鈣鈦礦太陽能電池的研究正在如火如荼，但鑒于該項技術發(fā)展時間還比較短，因此整體來說仍舊存在著諸多問題，這些問題的存在將會干擾鈣鈦礦太陽能電池的家用普及性，以下為如今鈣鈦礦太陽能電池仍舊存在的問題。

（1）鈣鈦礦電池材料有毒性?，F(xiàn)如今鈣鈦礦太陽能材料的制造材料中普遍含有著鉛這種有毒重金屬，這也就造成了如今所制造出的鈣鈦礦太陽能電池大部分都含有著一點的毒性。當然相比較其他類型的電池中含有著砷、鎵、碲、鎘劇毒元素相比較，鈣鈦礦太陽能電池所蘊含的毒素并不算太過于劇烈，并且作為發(fā)電所用的太陽能電池，很多時候即使其所蘊含著毒素對于人們日常的生活也不會造成太大的影響，但卻會給鈣鈦礦太陽能電池周圍的環(huán)境造成比較嚴重的重金屬鉛污染。為解決這一問題，很多相關學者與研究人員都在對各種材料進行實驗與研究，以期能夠在尋找替代材料的時候還能保證鈣鈦礦太陽能電池能夠正常運行，并且在如今已經(jīng)取得了一定的進展。在近一段時間，美國西北大學中正式實現(xiàn)了利用Sn金屬替代強金屬的新型鈣鈦礦太陽能電池，有效的去除了鈣鈦礦太陽能電池中的有毒物質。但非常遺憾的卻是，這一新型鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換率僅有著6%，并且太陽能電池的整體材料仍舊不太穩(wěn)定，還需要以后進行全面的完善與升級。

（2）器件穩(wěn)定性。雖然在如今的鈣鈦礦太陽能電池中不再使用傳統(tǒng)的液態(tài)電解質，改用了固態(tài)的有機空穴傳輸材料，這樣一來不僅有效的提升的鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性，還極大的簡化的太陽能電池的整體制造工藝，從而有效的降低了制造所需的成本。這一點首當其沖的便是鈣鈦礦電池的使用壽命比較短，現(xiàn)如今使用壽命最長的鈣鈦礦太陽能電池的可使用時長也不過是1000h，而傳統(tǒng)的太陽能電池可達到25年，兩者之間的使用壽命仍舊有著巨大的差距，所以鈣鈦礦太陽能電池的各方面研究還需要在深入進行，如今要對其進行商業(yè)化與普及化應用還是有著很大的難度。

（3）產(chǎn)業(yè)化。若是將鈣鈦礦太陽能電池進行產(chǎn)業(yè)化，那么就需要保證其在生產(chǎn)與制造過程中可以連續(xù)得到數(shù)量眾多的大面積鈣鈦礦薄膜，并且保證整個太陽能電池在進行組裝生產(chǎn)的時候不需要在進行暗箱操作。然而現(xiàn)實卻是，如今的鈣鈦礦太陽能電池應用比較廣泛的制備方法為旋涂法，但這種方法往往只能用作于實驗室生產(chǎn)與實驗之中，卻難以進行大面積、連續(xù)的鈣鈦礦薄膜生產(chǎn)，并且在生產(chǎn)過程中還無法充分保障鈣鈦礦薄膜的平整均勻度，因此仍舊需要后期的不斷發(fā)展與改進才能夠解決這一問題。

4 結論

雖然本文以鈣鈦礦太陽能電池在家用光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應用作為研究對象，介紹了整個系統(tǒng)的構造與器件選擇。但現(xiàn)實是如今鈣鈦礦太陽能電池仍舊存在諸多問題亟待解決，只有解決問題以后，鈣鈦礦太陽能電池才能夠如圖晶硅太陽能電池一樣在家用光伏發(fā)電系統(tǒng)中得以廣泛的應用。不過隨著科學技術的不斷發(fā)展，未來在家用光伏發(fā)電系統(tǒng)中鈣鈦礦太陽能電池的應用一定可以得以實現(xiàn)，并且相比較如今的晶硅太陽能電池的成本更低，更加受到人們的歡迎。