太陽能電池與鋅錳干電池發電成本分析簡析

朱銳敏+林麗華+黃梅萍+周虹+孫誠毅

摘要：本文分別對電池的發電量、電池的制作成本及其產生的環境污染治理費用等幾個方面的分析，來比較單晶硅太陽能電池與新錳干電池的發電成本。從而發現太陽能光伏電池具有非常廣泛的運用前景。

關鍵詞：單晶硅太陽能電池 鋅錳干電池 成本分析

0 引言

當今世界，能源短缺、環境污染等是經濟和社會發展過程中面臨嚴峻挑戰和急需解決的關鍵，因此改變能源結構，尋找新型可再生綠色能源是社會發展的趨勢。而太陽能電池的產生與應用正是能緩解能源危機，改善環境的一大舉措。但由于太陽能電池在使用上受到天氣等諸多因素的限制，且傳統的化學電池已充斥于生活的各個方面，因此要使太陽能電池的使用得到推廣在成本上必須具備一定的價格優勢。本文主要通過太陽能電池與傳統化學電池的典型代表的發電成本進行分析。

1 發電成本模型的建立

在進行成本分析中，為了使問題更加簡單明了，我們忽略考慮了單晶硅電池的輻照強度低于200W/m2時，電池轉換效率<轉換效率的5%[1]及電池的損壞問題；同時也不考慮光線與電池片的存在夾角問題；以及在新錳干電池中也不考慮電池的電子流失問題，且假設電池全部的容量都能用完。下面結合以上情況，就所選取的兩類電池進行成本分析。

發電成本計算模型：

電池發電成本即每發一度電所需的費用，也就是電池成本及使用電池造成環境污染的治理費之和與總發電量的比值?，F在我們用W1、W2分別表示單晶硅與鋅錳干電池的發電量；b1、b2分別表示單晶硅與新錳干電池的電池成本；q表示由于使用鋅錳干電池造成的環境污染的治理費用。

對于單晶硅太陽能電池發電成本為：

B1=b1/W1

對于鋅錳干電池發電成本為：

B2=（b2+q）/W2

2 發電成本計算

電池發電成本包括發電量、成本及環境治理費用等，現在我們來分析兩種電池各自的發電成本。

2.1 電池發電量計算

2.1.1 單晶硅電池發電量計算

由于單晶硅太陽能電池的轉換效率η是指太陽能電池將接收到的光能轉化成電能的比例[2]，即轉換效率η是電池輸出的電能與接收到光能G的比值，所以太陽能電池發電量（單位為MJ）

W1=G·η

其中光能是指單晶硅太陽能電池總工作時間下，電池組件板即有效面積接受的光能，因此在使用循環壽命之內電池總的接收到的光能可以表示為太陽能總的輻射量與電池組件板的有效面積的乘積，而太陽能總的輻射量即太陽年平均的輻射量與電池的循環壽命之積，即有G=H·s·n。

故單晶硅太陽能電池發電量為：

W1=H·η·s·n

其中G表示單晶硅電池接收到的光能；H表示太陽年平均的輻射量（單位為MJ/m2），s表示組件的面積，n表示正常使用下單晶硅太陽能電池的循環使用壽命。

依照太陽能的輻射規律，以東南沿海的省市為例，每年太陽能的輻射量[3]為5400MJ/m2，以表1中的單晶硅電池為例[1]。

A1的發電量為：W1=H·η·s·n

=5400*16.84%*15*1580*808*10-6=17413.88026（MJ）

2.1.2 鋅錳干電池的發電量計算

鋅錳干電池的工作原理[4]是通過電化學的氧化還原反應將活性材料內儲存的化學能直接轉換成電能，而電池容量[5]是指電池儲存電量的大小即在一定放電電流下的情況下能持續放電的時間，單位用安培小時A.h表示，所以電池的發電量可由電池容量來表示。因此電池容量與放電電流，及放電時間有如下關系：C=I·t

其中I表示放電電流，t表示以一定的放電電流放完電池容量所需的時間。

而電池在一定放電電流情況下，電流所做的功[6]與電路兩端電壓、電路中的電流強度和通電時間成正比，所以有：W2=U·I·t

故一節干電池正常工作所能產生的電量（單位為J）為W2=U·C

其中U是指電池的工作電壓。

所以一節電池容量為4.5A.h工作電壓為1.2v的鋅錳干電池[7]，它所放出的電量為：W2=C·U·3600=4.5×1.2×3600=19400J

2.2 電池成本計算

對于單晶硅太陽能電池，價格是按功率計算，故單晶硅電池的成本為：b1=k·p

其中k表示組件功率，p表示每塊電池片每瓦時的價格。

所以上述表1中A1為例，單晶硅電池的成本為：b1=k·p=215×14.9=3203.5（元）對于電池容量為4.5A.h的一節鋅錳干電池的市場價為0.5元/個，故b2=0.5（元）。

2.3 環境治理費

在這邊我們只考慮使用鋅錳干電池對于環境造成的污染，且討論的是對于水，土壤的影響。一小節鋅錳干電池爛在地里，能使一平方米的土地失去利用價值，并造成永久性公害，同時可污染600立方米水，相當于一個人一生的飲水量[8]。其中對于土壤的修復費包括用機械使用費、人工費、前期檢測費、方案設計費及稅費等，所以按照平均計算土壤的修復費用為30元/立方米[9]；水污染的治理費用為每立方米的治理費用為1元/立方米[10]。

所以一節鋅錳干電池對于環境污染的治理費用為：

q1=c1d1+c2d2

其中c1 c2分別表示為一節電池對水、土污染的指數；d1 d2對受到污染的水、土的治理費用。

故一節電池容量為4.5A.h的鋅錳干電池對于環境污染的治理費用為：

q1=c1d1+c2d2=600×1+1×40=640（元）

2.4 電池發電成本計算

由于每度電也就是1小時“電”具有的熱值為1000W×3600s=3600000J=3.6MJ，對于A1單晶硅太陽能電池每發一度電的發電成本為：

B1=b1/W1=■=■≈0.6623（元）

對于電池容量為4.5A.h新錳干電池每發一度電的發電成本為：B2=（b2+q）/■=（0.5+640）/■=118855.6701（元）

由于B1遠遠小于B2，這就說明單晶硅太陽能電池的發電成本和鋅錳干電池相比，實在是太便宜，更何況太陽能電池在使用時既環保，又耐用，而且維護費用低，無噪聲污染。由此可見，太陽能光伏電池的廣泛運用必將成為大勢所趨。

參考文獻：

[1]2012數學建模B題題目附件3.

[2]周志敏，季愛華.太陽能光伏發電系統設計與應用實例[M]，電子工業出版社.

[3]何道清，何濤，丁宏林.太陽能光伏發電系統原理與運用技術[M]，化學工業出版社，2012.04.

[4]呂明祥.化學電源[M].天津大學大學出版社，1992.05.

[5]李寶勛.鐘表修理技術[M].山東科學技術出版社，1984.06

[6]魏紅.電工電子學[M].科學出版社，2011.02.

[7]李國欣.新型化學電源導論[M].復旦大學出版社，1992.12.12.

[8]戴志群，黃思良.化學廢棄電池的環境污染和利用[J]，環衛科技網，2011.02.12.

[9]李永濤，吳啟堂.土壤污染治理方法研究[J].中國知網，1997.

03.

[10]張國珍，流域城市水環境治理的水交易機制研究：以黃河流域蘭州段為例[M].中國水利水電出版社，2010.09.01.

大學生創新創業訓練項目，項目編號：國家級07。endprint

摘要：本文分別對電池的發電量、電池的制作成本及其產生的環境污染治理費用等幾個方面的分析，來比較單晶硅太陽能電池與新錳干電池的發電成本。從而發現太陽能光伏電池具有非常廣泛的運用前景。

關鍵詞：單晶硅太陽能電池 鋅錳干電池 成本分析

0 引言

當今世界，能源短缺、環境污染等是經濟和社會發展過程中面臨嚴峻挑戰和急需解決的關鍵，因此改變能源結構，尋找新型可再生綠色能源是社會發展的趨勢。而太陽能電池的產生與應用正是能緩解能源危機，改善環境的一大舉措。但由于太陽能電池在使用上受到天氣等諸多因素的限制，且傳統的化學電池已充斥于生活的各個方面，因此要使太陽能電池的使用得到推廣在成本上必須具備一定的價格優勢。本文主要通過太陽能電池與傳統化學電池的典型代表的發電成本進行分析。

1 發電成本模型的建立

在進行成本分析中，為了使問題更加簡單明了，我們忽略考慮了單晶硅電池的輻照強度低于200W/m2時，電池轉換效率<轉換效率的5%[1]及電池的損壞問題；同時也不考慮光線與電池片的存在夾角問題；以及在新錳干電池中也不考慮電池的電子流失問題，且假設電池全部的容量都能用完。下面結合以上情況，就所選取的兩類電池進行成本分析。

發電成本計算模型：

電池發電成本即每發一度電所需的費用，也就是電池成本及使用電池造成環境污染的治理費之和與總發電量的比值?，F在我們用W1、W2分別表示單晶硅與鋅錳干電池的發電量；b1、b2分別表示單晶硅與新錳干電池的電池成本；q表示由于使用鋅錳干電池造成的環境污染的治理費用。

對于單晶硅太陽能電池發電成本為：

B1=b1/W1

對于鋅錳干電池發電成本為：

B2=（b2+q）/W2

2 發電成本計算

電池發電成本包括發電量、成本及環境治理費用等，現在我們來分析兩種電池各自的發電成本。

2.1 電池發電量計算

2.1.1 單晶硅電池發電量計算

由于單晶硅太陽能電池的轉換效率η是指太陽能電池將接收到的光能轉化成電能的比例[2]，即轉換效率η是電池輸出的電能與接收到光能G的比值，所以太陽能電池發電量（單位為MJ）

W1=G·η

其中光能是指單晶硅太陽能電池總工作時間下，電池組件板即有效面積接受的光能，因此在使用循環壽命之內電池總的接收到的光能可以表示為太陽能總的輻射量與電池組件板的有效面積的乘積，而太陽能總的輻射量即太陽年平均的輻射量與電池的循環壽命之積，即有G=H·s·n。

故單晶硅太陽能電池發電量為：

W1=H·η·s·n

其中G表示單晶硅電池接收到的光能；H表示太陽年平均的輻射量（單位為MJ/m2），s表示組件的面積，n表示正常使用下單晶硅太陽能電池的循環使用壽命。

依照太陽能的輻射規律，以東南沿海的省市為例，每年太陽能的輻射量[3]為5400MJ/m2，以表1中的單晶硅電池為例[1]。

A1的發電量為：W1=H·η·s·n

=5400*16.84%*15*1580*808*10-6=17413.88026（MJ）

2.1.2 鋅錳干電池的發電量計算

鋅錳干電池的工作原理[4]是通過電化學的氧化還原反應將活性材料內儲存的化學能直接轉換成電能，而電池容量[5]是指電池儲存電量的大小即在一定放電電流下的情況下能持續放電的時間，單位用安培小時A.h表示，所以電池的發電量可由電池容量來表示。因此電池容量與放電電流，及放電時間有如下關系：C=I·t

其中I表示放電電流，t表示以一定的放電電流放完電池容量所需的時間。

而電池在一定放電電流情況下，電流所做的功[6]與電路兩端電壓、電路中的電流強度和通電時間成正比，所以有：W2=U·I·t

故一節干電池正常工作所能產生的電量（單位為J）為W2=U·C

其中U是指電池的工作電壓。

所以一節電池容量為4.5A.h工作電壓為1.2v的鋅錳干電池[7]，它所放出的電量為：W2=C·U·3600=4.5×1.2×3600=19400J

2.2 電池成本計算

對于單晶硅太陽能電池，價格是按功率計算，故單晶硅電池的成本為：b1=k·p

其中k表示組件功率，p表示每塊電池片每瓦時的價格。

所以上述表1中A1為例，單晶硅電池的成本為：b1=k·p=215×14.9=3203.5（元）對于電池容量為4.5A.h的一節鋅錳干電池的市場價為0.5元/個，故b2=0.5（元）。

2.3 環境治理費

在這邊我們只考慮使用鋅錳干電池對于環境造成的污染，且討論的是對于水，土壤的影響。一小節鋅錳干電池爛在地里，能使一平方米的土地失去利用價值，并造成永久性公害，同時可污染600立方米水，相當于一個人一生的飲水量[8]。其中對于土壤的修復費包括用機械使用費、人工費、前期檢測費、方案設計費及稅費等，所以按照平均計算土壤的修復費用為30元/立方米[9]；水污染的治理費用為每立方米的治理費用為1元/立方米[10]。

所以一節鋅錳干電池對于環境污染的治理費用為：

q1=c1d1+c2d2

其中c1 c2分別表示為一節電池對水、土污染的指數；d1 d2對受到污染的水、土的治理費用。

故一節電池容量為4.5A.h的鋅錳干電池對于環境污染的治理費用為：

q1=c1d1+c2d2=600×1+1×40=640（元）

2.4 電池發電成本計算

由于每度電也就是1小時“電”具有的熱值為1000W×3600s=3600000J=3.6MJ，對于A1單晶硅太陽能電池每發一度電的發電成本為：

B1=b1/W1=■=■≈0.6623（元）

對于電池容量為4.5A.h新錳干電池每發一度電的發電成本為：B2=（b2+q）/■=（0.5+640）/■=118855.6701（元）

由于B1遠遠小于B2，這就說明單晶硅太陽能電池的發電成本和鋅錳干電池相比，實在是太便宜，更何況太陽能電池在使用時既環保，又耐用，而且維護費用低，無噪聲污染。由此可見，太陽能光伏電池的廣泛運用必將成為大勢所趨。

參考文獻：

[1]2012數學建模B題題目附件3.

[2]周志敏，季愛華.太陽能光伏發電系統設計與應用實例[M]，電子工業出版社.

[3]何道清，何濤，丁宏林.太陽能光伏發電系統原理與運用技術[M]，化學工業出版社，2012.04.

[4]呂明祥.化學電源[M].天津大學大學出版社，1992.05.

[5]李寶勛.鐘表修理技術[M].山東科學技術出版社，1984.06

[6]魏紅.電工電子學[M].科學出版社，2011.02.

[7]李國欣.新型化學電源導論[M].復旦大學出版社，1992.12.12.

[8]戴志群，黃思良.化學廢棄電池的環境污染和利用[J]，環衛科技網，2011.02.12.

[9]李永濤，吳啟堂.土壤污染治理方法研究[J].中國知網，1997.

03.

[10]張國珍，流域城市水環境治理的水交易機制研究：以黃河流域蘭州段為例[M].中國水利水電出版社，2010.09.01.

大學生創新創業訓練項目，項目編號：國家級07。endprint

摘要：本文分別對電池的發電量、電池的制作成本及其產生的環境污染治理費用等幾個方面的分析，來比較單晶硅太陽能電池與新錳干電池的發電成本。從而發現太陽能光伏電池具有非常廣泛的運用前景。

關鍵詞：單晶硅太陽能電池 鋅錳干電池 成本分析

0 引言

當今世界，能源短缺、環境污染等是經濟和社會發展過程中面臨嚴峻挑戰和急需解決的關鍵，因此改變能源結構，尋找新型可再生綠色能源是社會發展的趨勢。而太陽能電池的產生與應用正是能緩解能源危機，改善環境的一大舉措。但由于太陽能電池在使用上受到天氣等諸多因素的限制，且傳統的化學電池已充斥于生活的各個方面，因此要使太陽能電池的使用得到推廣在成本上必須具備一定的價格優勢。本文主要通過太陽能電池與傳統化學電池的典型代表的發電成本進行分析。

1 發電成本模型的建立

在進行成本分析中，為了使問題更加簡單明了，我們忽略考慮了單晶硅電池的輻照強度低于200W/m2時，電池轉換效率<轉換效率的5%[1]及電池的損壞問題；同時也不考慮光線與電池片的存在夾角問題；以及在新錳干電池中也不考慮電池的電子流失問題，且假設電池全部的容量都能用完。下面結合以上情況，就所選取的兩類電池進行成本分析。

發電成本計算模型：

電池發電成本即每發一度電所需的費用，也就是電池成本及使用電池造成環境污染的治理費之和與總發電量的比值?，F在我們用W1、W2分別表示單晶硅與鋅錳干電池的發電量；b1、b2分別表示單晶硅與新錳干電池的電池成本；q表示由于使用鋅錳干電池造成的環境污染的治理費用。

對于單晶硅太陽能電池發電成本為：

B1=b1/W1

對于鋅錳干電池發電成本為：

B2=（b2+q）/W2

2 發電成本計算

電池發電成本包括發電量、成本及環境治理費用等，現在我們來分析兩種電池各自的發電成本。

2.1 電池發電量計算

2.1.1 單晶硅電池發電量計算

由于單晶硅太陽能電池的轉換效率η是指太陽能電池將接收到的光能轉化成電能的比例[2]，即轉換效率η是電池輸出的電能與接收到光能G的比值，所以太陽能電池發電量（單位為MJ）

W1=G·η

其中光能是指單晶硅太陽能電池總工作時間下，電池組件板即有效面積接受的光能，因此在使用循環壽命之內電池總的接收到的光能可以表示為太陽能總的輻射量與電池組件板的有效面積的乘積，而太陽能總的輻射量即太陽年平均的輻射量與電池的循環壽命之積，即有G=H·s·n。

故單晶硅太陽能電池發電量為：

W1=H·η·s·n

其中G表示單晶硅電池接收到的光能；H表示太陽年平均的輻射量（單位為MJ/m2），s表示組件的面積，n表示正常使用下單晶硅太陽能電池的循環使用壽命。

依照太陽能的輻射規律，以東南沿海的省市為例，每年太陽能的輻射量[3]為5400MJ/m2，以表1中的單晶硅電池為例[1]。

A1的發電量為：W1=H·η·s·n

=5400*16.84%*15*1580*808*10-6=17413.88026（MJ）

2.1.2 鋅錳干電池的發電量計算

鋅錳干電池的工作原理[4]是通過電化學的氧化還原反應將活性材料內儲存的化學能直接轉換成電能，而電池容量[5]是指電池儲存電量的大小即在一定放電電流下的情況下能持續放電的時間，單位用安培小時A.h表示，所以電池的發電量可由電池容量來表示。因此電池容量與放電電流，及放電時間有如下關系：C=I·t

其中I表示放電電流，t表示以一定的放電電流放完電池容量所需的時間。

而電池在一定放電電流情況下，電流所做的功[6]與電路兩端電壓、電路中的電流強度和通電時間成正比，所以有：W2=U·I·t

故一節干電池正常工作所能產生的電量（單位為J）為W2=U·C

其中U是指電池的工作電壓。

所以一節電池容量為4.5A.h工作電壓為1.2v的鋅錳干電池[7]，它所放出的電量為：W2=C·U·3600=4.5×1.2×3600=19400J

2.2 電池成本計算

對于單晶硅太陽能電池，價格是按功率計算，故單晶硅電池的成本為：b1=k·p

其中k表示組件功率，p表示每塊電池片每瓦時的價格。

所以上述表1中A1為例，單晶硅電池的成本為：b1=k·p=215×14.9=3203.5（元）對于電池容量為4.5A.h的一節鋅錳干電池的市場價為0.5元/個，故b2=0.5（元）。

2.3 環境治理費

在這邊我們只考慮使用鋅錳干電池對于環境造成的污染，且討論的是對于水，土壤的影響。一小節鋅錳干電池爛在地里，能使一平方米的土地失去利用價值，并造成永久性公害，同時可污染600立方米水，相當于一個人一生的飲水量[8]。其中對于土壤的修復費包括用機械使用費、人工費、前期檢測費、方案設計費及稅費等，所以按照平均計算土壤的修復費用為30元/立方米[9]；水污染的治理費用為每立方米的治理費用為1元/立方米[10]。

所以一節鋅錳干電池對于環境污染的治理費用為：

q1=c1d1+c2d2

其中c1 c2分別表示為一節電池對水、土污染的指數；d1 d2對受到污染的水、土的治理費用。

故一節電池容量為4.5A.h的鋅錳干電池對于環境污染的治理費用為：

q1=c1d1+c2d2=600×1+1×40=640（元）

2.4 電池發電成本計算

由于每度電也就是1小時“電”具有的熱值為1000W×3600s=3600000J=3.6MJ，對于A1單晶硅太陽能電池每發一度電的發電成本為：

B1=b1/W1=■=■≈0.6623（元）

對于電池容量為4.5A.h新錳干電池每發一度電的發電成本為：B2=（b2+q）/■=（0.5+640）/■=118855.6701（元）

由于B1遠遠小于B2，這就說明單晶硅太陽能電池的發電成本和鋅錳干電池相比，實在是太便宜，更何況太陽能電池在使用時既環保，又耐用，而且維護費用低，無噪聲污染。由此可見，太陽能光伏電池的廣泛運用必將成為大勢所趨。

參考文獻：

[1]2012數學建模B題題目附件3.

[2]周志敏，季愛華.太陽能光伏發電系統設計與應用實例[M]，電子工業出版社.

[3]何道清，何濤，丁宏林.太陽能光伏發電系統原理與運用技術[M]，化學工業出版社，2012.04.

[4]呂明祥.化學電源[M].天津大學大學出版社，1992.05.

[5]李寶勛.鐘表修理技術[M].山東科學技術出版社，1984.06

[6]魏紅.電工電子學[M].科學出版社，2011.02.

[7]李國欣.新型化學電源導論[M].復旦大學出版社，1992.12.12.

[8]戴志群，黃思良.化學廢棄電池的環境污染和利用[J]，環衛科技網，2011.02.12.

[9]李永濤，吳啟堂.土壤污染治理方法研究[J].中國知網，1997.

03.

[10]張國珍，流域城市水環境治理的水交易機制研究：以黃河流域蘭州段為例[M].中國水利水電出版社，2010.09.01.

大學生創新創業訓練項目，項目編號：國家級07。endprint