太阳能电池的研究与发展

太阳能电池的研究与发展

文献综述

摘要：能源是人类不可忽视的一个问题，因为它同我们的生活息息相关并且制约着未来经济的发展。面临非可再生能源被大规模地开采利用，其储量越来越少，总有枯竭之时这样一个现实问题，可再生能源显得尤为重要，因为可再生能源可以循环再生，不因长期使用而减少。而我国作为一个能耗大的国家，考虑到我国资源情况及国际环境和我国的环境状况，若到22世纪初不能用核能、太阳能等这些非化石能源代替化石能源，那么我们国家、我们民族的发展都会受到严重的影响。

太阳能具有环境友好、与之不尽用之不竭等特点，由此在可再生能源中的位置得以突显。而本文选择从光伏发电这个方面来说明太阳能电池的研究与发展。讲述了太阳能光伏发电的模式，输送方式及原理等。

关键词：太阳能；光伏发电；独立光伏发电；并网光伏发电；分布式光伏发电

1引言

能源是现今人类不得不考虑的一个重大问题，面临着严峻的能源形势和生态环境的恶化，人们对于绿色能源的需求显得迫切起来。改变现有能源结构、发展可持续发展的绿色能源已成为世界各国极为关注的课题。

化石燃料为不可再生能源，随着社会的进步与发展，人类对能源的需求量日益增大，所以化石燃料是无法满足的。除此之外，化石燃料煤、石油和天然气都是含碳元素的物质．其中还含硫元素等杂质。这些燃料燃烧时，会产生二氧化硫等污染空气的气体，燃料燃烧不充分，会产生一氧化碳和碳粒，加上未燃烧的碳氢化合物，如果直接排放到空气中必然对空气造成污染。因此，对于可再生能源的概念中最重要的要保证两点：第一，要求提供的可再生能源的源头是巨大的、无限制的。第二，从整体技术效率而言，要有明显的安全保障性。从这两点出发，显现了太阳能的利用在可再生能源中领域中的重要地位。

太阳能发电分光热发电和光伏发电。但不论产销量、发展速度和发展前景、光热发电都赶不上光伏发电。光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。

本文介绍了光伏发电的系统，原理，发电模式，输送方式等，分析当前光伏发电的优缺点与难点，并指出了今后一段时间内光伏发电的发展方向。

2能源危机以及太阳能的发掘

十八世纪的工业革命，大大推动了人类社会的生产力水平，使人类进入了机器大生产的工业时代。从此，人类大规模地开采矿产、石油、砍伐森林、开垦草原，满足世界经济的发展。可以说，世界经济的现代化，得益于传统能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。但是，这些能源将在21世纪上半期迅速地接近枯竭，能源危机迫在眉睫。根据对石油储量的综合估算，可支配的传统能源的极限大约为1180-1510亿吨，以1995年世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2040左右年宣告枯竭;天然气储备估计在131800--152900兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在57-66年内枯竭;煤的储量约为5600亿吨，1995年煤炭开采量为33亿吨，可以供应169年;铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期;核聚变到2050年还没有实现的希望【1】。传统能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终将葬送现代市场经济。事实上，近10年来，中东及海湾地区与非洲的战争都是由传统能源的重新配置与分配而引发。总之，能源危机随时会爆发。

因此种种因素，人类将目光从传统能源转向了可再生能源。由下表我们可以了解到可再生能源主要有以下几个方面：

表1-1 现有可再生能源的现状及潜力比较（单位：）

种类当前用量技术潜力理论潜力

生物能50>2762900

太阳能0.1>157********

风能0.126406000

由表中数据可以得出这样的结果，无论从理论还是技术发现本身，太阳能利用都显示是最具发展潜力的支撑性能源技术。

所以在这些可再生能源中，太阳能发展是具有相当大的潜力的。太阳能利用指太阳能的直接转化和利用。利用半导体器件的光伏效应原理，把太阳辐射能转换成电能称太阳能光伏技术。把太阳辐射能转换成热能的属于太阳能利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能

热发电。从当下时局来看，光伏发电比光热发电普遍得多。因此，对于太阳能发电，在光伏这一块可着力发展。

对太阳能光伏发电的研究自1958年开始以来，我国政府对这项技术给予了高度的关注和充分的支持。我国1971年发射的东方红二号卫星上就首次使用了太阳能光伏电池。此后，太阳能光伏发电发展的趋势越来越受到重视。近几年中国光伏产业发展迅速，2008年我国成为生产量达到2AGW的太阳能光伏电池生产大国。2009年9月30日，中节能尚德石嘴山50MW太阳能光伏电站一期l OMW项目正式并网投产，使用了37000多块多晶硅电池板。近几年国际光伏产业以每年30%的产量递增，发展迅速。但是在目前阶段，太阳能光伏发电系统的成本还很高，发出1kW电量，需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到技术限制，还需要深入研究【2】。

3太阳能光伏发电原理

光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便【3】。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。国产晶体硅电池效率在10至13%左右，国外同类产品效率约12至14%。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件【4】。

典型系统图如下：

4光伏发电系统组成及各部分作用

太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。各部分的作用如下：

（一）太阳能电池板：太阳能发电系统中的核心部分以及发电系统中价值最高的部分。作用：将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。

（二）太阳能控制器：作用:控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项；

（三）蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。作用：在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。

（四）逆变器：太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。作用：为能向220VAC 的电器提供电能，将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能（一般使用DC-AC

逆变器）。

5光伏发电分类

根据输送方式，太阳能光伏发电可分为独立光伏发电、并网光伏发电、分布式光伏发电【7】。

5.1独立光伏发电

独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器【9,13】。

（1）原理

光伏发电的核心部件是太阳能电池板，它将阳光的光能直接转换为电能，并通过控制器将电能储存于蓄电池中。当负载用电时，蓄电池中的电能通过控制器合理的分配到各负载上。电池板产生的电流为直流电，可以直接以直流电的形式应用，也可以用交流逆变器将其转换成交流电供交流负载使用。太阳能发电的电能可以即发即用，也可以用储能装置将电能储存起来，在需要时使用。原理图如下：