光伏電池的發(fā)展現(xiàn)狀及應用

張 萌

（沈陽農業(yè)大學信息與電氣工程學院，遼寧 沈陽 110866）

0 前言

面對日益枯竭的化石能源和不斷惡化的生態(tài)環(huán)境，人類需要進行第三次能源結構轉換，從礦物能源向可再生能源轉換，用可再生能源代替礦物能源，用無碳能源、低碳能源代替高碳能源[1]。太陽能是眾所周知的可以就地取材、取之不竭、用之不盡的清潔自然能源，光伏電池利用太陽能，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點，使得光伏電池在越來越多的領域得到了更廣泛的利用。

1 國內外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

光伏產業(yè)是世界發(fā)展速度最快的行業(yè)之一。為實現(xiàn)能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，世界各國均將光伏發(fā)電作為發(fā)展的重點[2]。20世紀80年代初，國外政府開始投資試驗性的大型光伏并網(wǎng)電站。90年代后，許多發(fā)達國家掀起“屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)”，美國在1997年就提出了“百萬屋頂”計劃，日本則在1992年啟動了“新陽光計劃”，并在10年內使日本的光伏組件產量占全球生產總量的50%[3]。這種戶用型光伏系統(tǒng)在經濟型和靈活性方面都遠遠勝過大型光伏并網(wǎng)電站，因而受到各國的重視[4]。德國的光伏產業(yè)起步較晚，但是發(fā)展最快，完善的產業(yè)支持政策使德國迅速發(fā)展成為世界最大的光伏市場。IMS 研究公司于2013年4月30日發(fā)布“能量儲存在光伏產業(yè)中的作用”預測報告，預計全球光伏存儲市場，將從2012年的小于2 億美元迅速增長至2017年達到190億美元[5]。

1.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀

我國太陽能資源十分豐富，適宜太陽能發(fā)電的國土面積和建筑受光面積也很大，具有大規(guī)模開發(fā)利用太陽能的資源潛力。在全球太陽能光伏能源快速發(fā)展的大背景下，我國太陽能光伏能源產業(yè)也飛速發(fā)展。2001年我國光伏電池產量為4.5MW，2010年達到8000MW，十年間增加1770 多倍[6]。2011年，我國光伏電池產量達到2000 萬kW，占到全球光伏電池產量的60%以上，形成了從晶體硅提純、電池生產、組件封裝、系統(tǒng)集成等完整的光伏產品制造產業(yè)鏈，成為名副其實的光伏電池制造大國[7]。

2 光伏電池模型

作為太陽能電池工作基本原理的光伏效應（Photovoltaic Effect 縮寫PV）是1839年被發(fā)現(xiàn)的。由太陽光的光量子與材料互相作用而產生電勢，從而把光的能量轉換成電能，此種進行能量轉化的光電元件成為太陽電池（Solar Cell），也可稱之為光伏電池[8]。

圖1 光伏電池等效電路圖

圖1 中Iph 為生光電流；Id 為二極管結電流：Cj 為結電容：Rsh 為并聯(lián)電阻；Rs 為串聯(lián)電阻。根據(jù)電路原理和SHOCKLOY 的擴散理論可得光伏電池的I-V 方程：

式中：I0 為反向飽和電流（數(shù)量級為0.1A）：q 為電子電荷（1.6×10-19C）；n 為二極管因子（取值范圍1～5）；k 為波爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）;T 為絕對溫度。

3 常見光伏電池

目前晶體硅高效光伏電池和各類薄膜光伏電池是全球新型光伏電池研究開發(fā)的熱點和重點。

3.1 單晶硅光伏電池

單晶硅光伏電池是最早發(fā)展起來的，是以高純度的單晶硅棒為原料的光伏電池，其轉換效率最高，技術也最為成熟。隨著技術的發(fā)展與革新。單晶硅光伏電池主要用于光伏電站，特別是通訊電站，也可用于航空器電源，貨用于聚焦光伏發(fā)電系統(tǒng)。單晶硅光伏電池的生產工藝如圖2 所示。

圖2 單晶硅光伏電池的生產工藝圖

3.2 多晶硅薄膜光伏電池

多晶硅薄膜太陽能電池是將多晶硅薄膜生長在成本低的襯底材料上，用相對薄的晶體硅層作為光伏電池的激活層，不僅保持了晶體硅光伏電池的高性能和穩(wěn)定性，而且材料的用量大幅度下降，明顯降低了電池成本。

3.3 非晶硅光伏電池

非晶硅電池的院子排列呈現(xiàn)無規(guī)則狀態(tài)，轉換效率的理論值為18%，但實際產品的轉換效率為9%左右。盡管非晶硅光伏電池的轉換效率不高，但由于非晶硅光伏電池具有制造工藝簡單，易大量生產，制造所需能源、使用材料較少、大面積化容易以及可以做成成本較低的薄膜電池等特點，所以有廣闊的應用前景。

表1 硅系光伏電池的特點

4 光伏電池的應用

光伏產業(yè)的快速發(fā)展，市場應用規(guī)模迅速擴大，已廣泛應用于航天、通訊、交通以及偏遠沙漠地區(qū)居民的供電等領域。

4.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)大致可以分為獨立離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)兩大類[9]。獨立離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏組件，在接受太陽照射后將太陽能轉化成為直流電，通過太陽控制器把直流電存儲電池中，因此，獨立離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電，可以及時的使用，或者先存起來等到需要時使用，圖3 為獨立離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理圖。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)在光伏組件接收到太陽光照射后，將太陽能轉化成直流電經過直流配電線箱進入到并網(wǎng)逆變器，經并網(wǎng)逆變器出來的電流時交流電用于直接連接電網(wǎng)，給電網(wǎng)供電。當光伏系統(tǒng)因天氣等原因發(fā)不出電的時候，就可通過公共電網(wǎng)向交流負載供電。圖4 為并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理圖。

圖3 獨立離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理

圖4 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理

目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)已經廣泛應用于農業(yè)、工業(yè)、國防、科技和人們日常生活中的方方面面：大型光伏電站的應用，通訊領域的應用，鐵路、公路和航空等交通領域的應用，海洋、石油和氣象領域的應用，太陽能光伏建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電。預計到21世紀中葉，光伏發(fā)電在可再生能源發(fā)電中占到一定的比例。

4.2 分布式太陽能農村戶用系統(tǒng)

分布式發(fā)電又稱為嵌入式發(fā)電，這種發(fā)電系統(tǒng)相對于集中發(fā)電系統(tǒng)不但降低了系統(tǒng)點力傳輸中的線損，同時電網(wǎng)電壓分布情況也得到了改善，增加了電網(wǎng)運行的經濟性和穩(wěn)定性[10]。圖5 為分布式太陽能農村戶用系統(tǒng)的結構圖。分布式發(fā)電時近年電力系統(tǒng)討論的熱點，是利用小型發(fā)電系統(tǒng)向用戶端直接提供能源供應的一種新型的能源利用方式。它的特點有以下幾個方面：

1）農村和邊遠地區(qū)供電，投資少，安裝和運營具有更高的靈活性。

2）有效的提高供電系統(tǒng)的可靠性和彌補了大電網(wǎng)傳輸在安全性和穩(wěn)定性方面的不足。

3）具有清潔高效的性能。

4）用戶得到最大限度的經濟實惠。

圖5 分布式太陽能農村戶用系統(tǒng)結構圖

分布式太陽能農村戶用系統(tǒng)在偏遠地區(qū)獨立用戶系統(tǒng)和集中村落電站的供電系統(tǒng)中得到了大量的應用，對比傳統(tǒng)大型集中式發(fā)電系統(tǒng)，分布式發(fā)電系統(tǒng)靠近負載，不需要投資大量資金建設大型電網(wǎng)進行遠距離高壓或高壓輸配電，達到減少傳輸線路上的損耗，提高能源的綜合利用率。

5 光伏行業(yè)發(fā)展展望

世界常規(guī)能源供應短缺危機日益嚴重，尋找新興能源已成為世界熱點問題。在各種新能源中，太陽能光伏發(fā)電以其無污染、總量大、應用形式多樣等優(yōu)點，受到世界各國的高度重視。我國光伏產業(yè)在制造水平、產業(yè)體系、技術研發(fā)等方面具有良好的發(fā)展基礎，國內外市場前景總體看好，在“光明工程”先導項目和“送電到鄉(xiāng)”工程等國家項目及世界光伏市場的有力拉動下，我國光伏發(fā)電產業(yè)迅猛發(fā)展，只要抓住發(fā)展機遇，加快轉型升級，后期必將迎來更加廣闊的發(fā)展空間。

［1］車孝軒.太陽能光伏系統(tǒng)概論[M].武漢：武漢大學出版社，2006.

［2］王長貴.中國光伏產業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].太陽能，2008(9).

［3］韓延剛，陳洪波.國內外太陽能光伏標準體系分析及展望[J].太陽能，2012(13).

［4］蔡宣三.太陽能光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].電力電子，2007(2).

［5］錢伯章等.國際可再生能源新聞[J].太陽能，2012(23).

［6］孟憲淦.中國光伏發(fā)電的政策和市場[J].太陽能2011(12).

［7］唐黎標，我國新能源可持續(xù)發(fā)展的思考[J].太陽能2013(7).

［8］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).

［9］李安定.太陽能光伏發(fā)電技術[M].北京：北京工業(yè)大學出版社，2001.

［10］白明，許敏，崔新雨，等.給予可再生能源的分布式發(fā)電技術的應用及前景[J].研究探討，2008，2（1）.