太阳能的开发及应用研究

太阳能的开发及应用研究姓名谭广朋学校中南大学专业交通设备信息工程2012 年 3 月 20 日2 / 10太阳能的开发及应用研究摘 要 长期以来， 人们就一直在努力研究利用太阳能。 太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料， 以扩大太阳能利用的应用领域。 特别是在近 10 多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，我们越来越企盼着“太阳能时代”的到来。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛， 在某些领域， 太阳能的利用已开始进入实用阶段。 本文从太阳能开发利用的现状出发， 简要论述了太阳能光伏发电的原理和太阳能电池的分类， 对太阳能光伏发电应用技术研究热点问题进行了论述。关键词 新能源；太阳能；光伏发电；太阳能电池0 引言随着化石能源的逐渐枯竭以及对环境造成的污染日益严重， 人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力， 能源己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。 太阳能是分布极其广泛， 储量十分巨大， 易于为人们利用的清洁可再生能源， 太阳能电池就是把太阳辐照的光能量转化为电能， 太阳光辐射能转化电能是近些年来发展最快， 最具活力的研究， 人们研制和开发了不同类型的太阳能电池。1 太阳能开发和利用的现状1954 年美国贝尔实验室研制出世界上第一块太阳电池，人类开始了利用太阳能发电的新纪元。特别是 70 年代爆发的世界性的石油危机有力地促进了太阳能开发利用。目前太阳能的利用形式主要有太阳能热水器和太阳房等光热利用、太阳能光伏发电利用和光化学转换三种形式。1.1 太阳能开发的现状在太阳能的利用的三种形式中， 光热利用具有低成本、 方便、 利用效率较高等优点， 但不利于能量的传输， 一般只能就地使用； 光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在， 但目前人类还不能很好地利用； 太阳能光伏发电利用以电能作为最终表现形式， 具有传输方便的特点， 在通用性、 可存储性等方面具有前两者无法替代的优势， 且由于太阳能电池的原料硅的储量十分丰富、 太阳电池转换效率的不断提高、 生产成本的不断下降， 使太阳能的光伏发电利用成为近些年发展最快、最具活力的研究领域。1） 光伏组件成本大幅度降低太阳能光伏产业链包括材料制造、 硅片制造、 电池制造、 组件制造四大部分，呈明显的金字塔结构。 在整个产业链中， 晶体硅生产是整个产业链的瓶颈， 关键技术基本被日、 美、 德的 7 家企业所控制， 原材料硅短缺成为制约光伏技术和市3 / 10场发展的瓶颈。近 lO 年来，世界晶体硅光伏组件的生产成本降低了 32％以上，达到 3 美元／ W左右。虽然自 2004 年以后因材料紧缺生产成本有所回升，但这种趋势仍在继续发展。2）太阳能电池效率不断提高太阳能电池目前主要分为单晶硅、多晶硅及以非晶硅为代表的薄膜技术三种。 单晶硅技术工艺成熟， 实验室转换效率最高为 25％， 商业化转换效率为 15％至 18％，但成本较高；多晶硅技术成本较低，但转换效率不如单晶硅，实验室转换效率最高为 21％，商业化转换效率为 13％至 16％；非晶硅薄膜电池实验室效率达到了 17.4 ％。3）生产规模不断扩大至 2008 年， 全球太阳电池产量年均复合增长率约为 47％， 2008 年我国光伏电池产量达 1． 78GW，占全球总量的 26％。其中，国内太阳能电池龙头厂无锡尚德 2008 年产量约为 500MWp，排名全球第三。1.2 太阳能利用的现状2008 年全球太阳能新装容量达到 5500MWp以上，其中，按地区排名，西班牙名列首位，德国第二。 2008 年，全球太阳能安装总量已累计达 15GW，西班牙新装量为 2． 5GW， 约占 2008 年新增安装量的一半。 2008 年我国光伏系统安装量为 40MW，占全球总安装量的比例为 0． 73％。1.3 世界各国光伏计划世界各国对太阳能的开发利用给予了极大关注，通过政策激励、产业扶持、资金支持等 措施 ， 积极推动太阳能产业发展， 2009 年中国出台 关于加快推进太阳能光电建筑应用的 实施 意见 ，并出台了太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法 ， 决定有条件地对 部分 光伏建筑进行每瓦最多 20 元人民币的补贴。2 太阳能发电2.1 太阳能发电方式清立新能源未来太阳能的大规模利用是用来发电。利用太阳能发电的方式有多种。目前已实用的主要有以下两种。①光热电转换。 即利用太阳辐射所产生的热能发电。 一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光热转换，后一过程为热电转换。②光电转换。 其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。2.2 太阳能光伏发电技术太 阳能光伏发电技术是利用“光生伏特效应”原理制成太阳能电池，可将太阳的光能直接转换成电能加以利用。 “光生伏特效应” ， 指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象，它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。 P 型半导体和 N型半导体接合后， 在接合面上， 电子从 N型区向 P 型区流动， 空穴从 P 型区向 N型区流动，稳定后，在接合面形成电势差，产生由 N型区指向 P型区的“内建电场” ，如图 1、图 2 所示，即形成 PN结。太阳光照射 PN结时，在半导体原子内的电子受激发，产生电子一空穴对，如图 3 所示。外部电路连接好后，在“内电场”的作用下，将有电流产生，从而4 / 10为外电路供电源阻引。图 1扩散运动 图 2内建电场图 3光生伏特原理3 太阳能电池3.1 发电原理太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。 能产生光伏效应的材料有许多种，如单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。 P 型晶体硅经过掺杂磷可得 N型硅，形成 P－ N结。当光线照射太阳能电池表面时， 一部分光子被硅材料吸收； 光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在 P－ N 结两侧集聚形成了电位差， 当外部接通电路时， 在该电压的作用下， 将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是光子能量转换成电能的过程。3.2 太阳能电池的分类太阳能电池按材料可分为硅系太阳能电池、 化合物太阳能电池和有机半导体系太阳能电池等类型。1）晶体硅太阳能电池晶体硅太阳电池是 PV市场上的主导产品，优点是技术、工艺最成熟，电池转换效率高， 性能稳定， 缺点是生产成本高。 单晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率已经达到了 24.7 ％，规模生产的单晶硅太阳能电池效率为 15％，单晶硅太阳能电池主要用于光伏电站、 航空器的电源以及聚焦光伏发电系统等； 多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率能够达到 20． 3％，规模生产的多晶硅太阳能电池效率可达 10％。多晶硅的制作成本比单晶硅低很多，但多晶硅由于存在晶界和晶粒取向的影响， 导致其寿命比单晶硅太阳能电池低很多， 并且转换效率不高。 多晶硅太阳能电池主要用于光伏电站和光伏建筑材料使用， 如光伏幕墙或屋顶光伏系统。2）非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池是在特定的基体上， 通过化学或物理方法淀积非晶硅薄膜形成 PN结而制作的太阳能电池。这种方法电耗很低，硅材料消耗很少，材料成本远低于硅晶体电池，许多材料都可以作为基体材料，如不锈钢、玻璃等，5 / 10甚至可以采用聚合材料制作成柔性太阳能电池。 在弱光条件非晶硅太阳能电池也能发电，非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大，是单晶硅的 40 倍， 1um厚的非晶硅薄膜，可以吸收大约 90％有用的太阳光能，但是非晶硅太阳电池与晶体硅太阳能光伏电池相比光电转换效率较低， 稳定性较差。 常用于光伏电池建筑幕墙发电，以及为小型太阳能用电器如计算器、 LCD掌上游戏机、电子表、便携收音机等供电。3）化合物太阳能电池化合物太阳电池是由两种以上的半导体元素构成的太阳能电池， 主要有 I V族化合物太阳电池、 I-Vl 族化合物太阳电池以及三元化合物太阳电池等。 化合物太阳能电池优点 抗辐射性能好； 材料消耗少； 化合物半导体材料的带隙约为1． 40 eV，与太阳光谱匹配性好。化合物太阳能电池由于包含某些稀少的元素，所以不适合大规模利用； 某些构成元素有毒， 对环境会造成污染。 化合物太阳能电池主要用于宇宙发电领域，为人造卫星提供电源。4）有机太阳能电池有机太阳能电池是指以有机材料构成核心部分的新型太阳能电池， 主要有色素增感太阳能电池和有机薄膜太阳能电池两种。4 太阳能电池的关键技术问题开发太阳能电池的两个关键问题就是提高转换效率和降低成本。4.1 提高转换效率1）提高太阳光的利用率通过在材料进光面上制备特殊表面结构提高利用率。 有关研究表明采用化学腐蚀方法在单晶硅太阳能电池表面上制备出许多极小尺寸 1 ～ 2um的金字塔状或 V 型的凹凸层。 在这种表面结构上， 入射光在经入射表面第一次反射后， 又得到了第二次入射硅衬底的机会，从而提高了光能利用率。采用减反射膜技术口副， 阻止太阳能电池表面对太阳光的反射造成的效率损失。硅太阳能电池常用的单层减反射膜有 SiO2、 Ta2O5； 、 TiO2 等，双层减反射膜有 Ta2O5、 TiO2 等薄膜， 膜的制备方法有化学气相沉积法和物理气相沉积法等。在多晶硅太阳能电池中用铝等金属做成反射镜， 可以使长波长的光不会透射出电池， 从而增加太阳光线在太阳能电池中的停留时间， 达到提高太阳光的利用率的目的。薄膜太阳能电池采用氟的等离子处理技术， 使表面光的散射发生变化， 增加了光线在太阳能电池中的停留时间，从而提高光电转换效率。2）减少太阳能电池中的能量损失研究表明，造成太阳电池能量损失的主要因素有 1 第一位的损失是热损失，光生载流子对能很快地将能带多余的能量以热的形式损失掉。 2 另一主要损失是电子一空穴对引起的。 3 还有一部分能量是由 PN 结接触电压损失引起的。 为减少热损失， 可设法使通过电池的光子能量恰好大于能带能量， 使光子的能量激发出的光生载流子无多余的能量损失。 为减少电子一空穴结合所造成的损失，可设法延长光生载流子寿命，这可通过消除不必要的缺陷来实现。减少 PN结的接触电压损失，可通过聚集太阳光以加大光子密度的方法来实现。采用复合结构提高太阳能电池的综合性能通过研发新工艺， 采用复合结构提高太阳能电池的综合性能。 现在正研究的HIT 太阳能电池是由单晶硅和非晶硅 a Si 进行叠层得到的新型太阳能电池，6 / 10它既具有晶体硅电池的高光电转化效率、高稳定性的优势。4.2 降低成本4.2.1 研发新型替代材料纳米材料在太阳能电池中应用的研究始终是材料学家关注的重点 , 有关研究表明采用金属催化化学腐蚀方法， 在单晶硅片表面制备出大面积排列整齐、 与原硅片取向一致的纳米线阵列， 而且得到的硅纳米线单晶性好、 轴向可控掺杂浓度不受掺杂类型和晶向的影响，光电转换效率可达 9． 23％。4.2.2 开发新工艺由于晶体硅太阳能电池是在厚度为 350, 一 450 pm的高质量硅片上制成的，而且这些硅片是由提拉或浇铸的硅锭，锯割而成，因此，消耗了大量的硅材料。为了降低成本， 发展了薄膜太阳能电池。 其中的典型代表有以高温、 快速制备为发展方向的多晶硅薄膜太阳能电池和叠层非晶硅太阳能电池。4.2.3 优化太阳能光伏系统结构太阳能光伏系统的传统设计常常导致太阳能光伏系统中方阵容量过大。 可以通过优化设计，实现系统中的太阳能电池方阵和储能用蓄电池容量的最佳搭配，节省整个系统的成本。 另一方面， 可以采用能够调节倾斜角度的光伏阵列支撑架，在太阳辐射能较低的月份实现该月最大辐射量， 通过增大太阳能电池板接收到的太阳辐射量来增减光伏组件的使用数量， 从而使光伏系统的发电能力和发电成本达到最佳平衡。5 我国太阳能开发利用的现状及我国太阳能产业发展的思考5.15.1.1自 70 年代末，政府有关部门开始支持引进、消化、吸收国外太阳能先进技术和设备，经过 20 多年自主发展，我国太阳能热水器已形成行业，并成为世界上产量和销售量最大的国家。近 几年，我国太阳能热水器生产规模和市场销量保持持续高速发展的势头。 1992 年，我国太阳 能热水器总销量 50 万 m\2，为世界其它国家总销量之和； 1995 年，总销量达 100 万 m\2，为 1 992 年的两倍；1997 年， 总销量上升至近 300 万 m\2。 目前， 全国从事太阳能热水器研制、 生 产、销售和安装的企业达到 1000 余家， 年产值约 20 亿元， 生产的太阳能热水器已达电、燃气 热水器的 1/10 。随着太阳能热水器企业技术改造的深入进行和生产规模的扩大，以及集团化 热水器企业的建立，我国太阳能热水器在今后相当长的时期内，将会保持高速的发展速度。我国太阳能热水器不仅产销量世界第一，而且在产品质量、集热技术上也已达国际先进水平 。清华大学研制的全玻璃真空管集热器和北京太阳能研究所研制的热管式真空管太阳能集热 器代表了当前国际前沿技术， 具有良好的性能，可全年供应热水， 且防冻裂， 如热管在 -50 ℃的自然环境下也不会冻裂， 解决了困惑该行业多年的难题。因此，其产品在国内市场上占 有率逐年提高，在国际7 / 105.1.2 我国光伏技术得到较快发展并在解决偏远地区无电状况中发挥重要作用我国的太阳能光电技术自 70 年代以来，经过“六五”“七五”、“八五”三个五年计划攻关 ， 有了一定的发展， 但比起太阳能热水器产业显得势单力薄。现有光电生产厂家 6 家， 年生 产能力为 4～ 4.4MW， 实际的销量为 2.0 ～ 2 5MW，平均以 15～ 20的速度增长。产品主要为 单晶硅光电池和非晶硅电池，其他类型的光电池目前还处于研制阶段。单晶硅太阳电池转换 效率已达 14，实验室最高为 20，组件制造成本 30～ 35 元 /W.p，售价 42～ 48 元 /W.p。单结 非晶硅太阳电池的稳定效率 5～ .5， 实验室最高效率为 8.35， 制造成本 3 元 /W.p， 售价 为 24 元 /W.p。5.1.3除太阳能热水器外， 太阳能温室、 塑料大棚目前在我广大农村得到较快的发展和普及，其增 产节能效果已为普通百姓所共识。目前不仅种植业广为应用，在水产养殖、禽畜饲养等方面 的应用也不断扩大。5.2与国际太阳能开发技术与推广状况相比，我国太阳能开发利用及其推广应用有其成功和可喜 之处，但也存在很多问题和不足，相比之下，在太阳能科学研究方面，我国科学家将会很快 赶上甚至超过世界先进水平，但在太阳能产业发展方面，要缩短与世界先进水平的差距，将 会困难重重，需要较长的时间。5.2.1能源新技术是世界能源发展的方向，是知识经济的体现。如前所述，太阳能在世界能源结构 转移中处于突出位置，是能源新技术的重点发展领域。随着太阳能开发利用技术的日趋成熟 ，以及在世界发达国家的强力推动下，太阳能开发利用新高潮已经到来，“太阳能经济”时 代也即将来临。我国政府应采取更加积极有效的措施，从观念上重视，从行动上体现，加快 太阳能开发利用的重视太阳能的开发利用，首先要从观念上改变。观念的改变，各级政府是关键，因为开发新 能源，一靠政策、舆论，二靠科技、示范，三靠资金、资助。只有各级政府在观念上重视太 阳能的开发利用，才能制订优惠政策，才能想方设法加大资金投入进行科研、 示范和推广。 世界上许多发达国家如美国、 日本、德国等非常重视太阳能等新能源的开发利用，不惜投入 重金，这当然与他们强大的经济实力有关；印度是发展中国家，人口众多，与我国的国情相 似，但印度政府非常重视新能源的开发利用， 为此专门成立了非常规能源部， 太阳能、 主管 风能等新能源的开发利用，使印度的新能源发展突飞猛进，令世界瞩目。印度政府历来重视 像核能、航天卫星、风能、太阳能等体现知识经济的高科技产业的发展，这一点值得我国政8 / 10重视太阳能的开发利用， 应在行动上加以体现。 我国虽在 1996-2010 年新能源和可再生能 源发展纲要中制定了新能源发展的近、远期目标，但在具体实施中力度还不够。国际上无 论是发达国家还是发展中国家，对新能源、可再生能源开发利用都制定了鼓励支持政策， 我 国目前还没有一套完整的扶持政策。各级地方政府在发展新能源时，没有可参 照的鼓励政策，有些地方给予补贴，有些地方则没有。这势必影响我国的太阳能等新能源的 发展，从而与国际差距5.2.2我国太阳能产业经过近二十年发展，目前已初具规模，特别是太阳能热水器的发展，已形成 行业，产销量均居世界首位。高效率的真空管太阳能热水器发展迅速，产品质量已达国际先 进水平，部分产品进入国际市场，参与国际竞争。 这是我国太阳能产业的优势所在， 也是跟 踪国际先进技术不断发展的结果。令人堪忧的是我国的光伏产业， 与世界先进水平差距很大 。 而光电转换技术是当前国际上开发利用新能源和可再生能源的重点领域，美、日及欧洲发达 国家不惜投入大量资金， 以期在光伏领域有所突破。 但我国多年来， 对光伏技术重视不够， 投入严重不足，与国际先进水平的差距越来越大。我国光伏电池的年销售量仅占世界销售量 的 1 8，而且产品多集中在单晶硅太阳电池上，非晶硅太阳电池比例很小，其它种类的太 阳能电池仅限于实验室研制，转换效率低而且不稳定，工业化生产更是困难重重。我国的单 晶硅太阳电池转换效率接近国际一般水平， 更存在如硅材料短缺、 硅片半成品生产能力不配 套等诸多的问题，多年来产量增幅不大， 近期也难提高生产规模， 很难满足我国的光伏市场 需求。因此，我国的光伏产业形势严峻，必须迎头赶上。否则，我国的光伏产业会在激烈的 国际竞争中被吞噬掉。为此，今后一段时间内应加大投资力度，重点发展我国的光伏产业。 我国的光伏技术存在这样那样的问题，归根结蒂，是起步较晚，投入严重不足，没有大的投 入也就难有大的收获。解决这个问题，一是靠政府投资，二是靠企业参与。为了从能源方面 保证我国经济、社会与生态环境持续、协调、稳定发展，从必须逐步改变我国能源与电力结 构的高度出发，还必须认真研究、规划与部署如何使太阳能发电早日进入电力系统。这就需 要国家通过制订优惠政策， 并设法让电力公司或能源公司参与太阳能开发的投资。 国外发展 速度快， 除政府重视外， 很重要的一条是各私有能源公司 如壳牌石油公司 从自身的长远发 展着想， 积极地参与太阳能等新能源的开发。 由于体制的根本不同，我国能源公司的参与只 能靠政府的强制手段去执行。同时，要积极跟踪国际先进技术，在结合我国国情的情况下， 选取突破点。如薄膜太阳电池具有节省材料、造价低的优势，是当前国际光伏工业发展的趋 势，我国可以作为突破口。也可另辟蹊径，选取新颖太阳电池作为主攻重点，研制出低造价 高性能的新型太阳能电池， 这样就可能以比较低的投入和较短的时间内赶上世界先进5.2.3我国的太阳能热水器发展虽已形成行业，但仍需各级政府给予大力扶持，以使其健康高速发 展。太阳能热水器产业既是高技术产业，同时又是绿色环保产业，利国利民。因此，政府应 加大政策优惠程度。一方面，要实行长期的减9 / 10免税政策，这是国际惯例，我国应该做得更好 些。要像承诺“土地承包制” 50年不变一样，向太阳能热水器行业承诺，以使更多的企业参 与太阳能热水器的生产、经营活动。另一方面，要加大宣传力度，促进太阳能热水器的推广 。我国的太阳能热水器产品在经济上已可与其它热水器相比， 并具有安全性、 无污染性等特 点， 在太阳能辐射条件好的地区， 完全可以替代电热水器和燃气热水器。然而目前，尚有较 大比例的公民对太阳能热水器了解不够，对太阳能热水器产生误解，如价格高、安装不方便 、阴雨天、冬季不能使用等，从而对太阳能热水器望而却步，而将目光投向燃气热水器和电 热水器。这就需要大力宣传，除厂家多做广告外，各级电视台、各级政府还应拿出一定补助 经费鼓励居民购买使用太阳能热水器，或通过绿色环境计划促进太阳能热水器的推广。相信 通过5.2.4我国幅员辽阔， 太阳能资源丰富， 太阳能利用条件较好的地方占我国国土面积的 2/3 以上。 西北和青藏高原更是得天独厚， 年平均日照时间 2000 小时以上，年辐射总量在 1500-1800kWh /m\2，是我国重要的太阳能应用基地，将来一定会在我国的太阳能产业中发挥重要作用。 当前，许多国家和国际公司看好我国西北的太阳能利用市场，各种援助计划、示范应用纷至 沓来。这对我国的太阳能产业既是个大好机遇，同时也是严峻的挑战。如果说各国太阳能光 伏发展从“屋顶计划”开始，那么，我国的光伏发展就要从“西部计划”突破，要坚定不移 地把“西部”作为我国太阳能开发利用的重要基地，将西部得天独厚的太阳能资源优势转化 为产业优势，推动我国太阳能产业的发展。6 结语目前， 太阳电池材料主要以硅材料为主， 但是硅材料还面临着许多问题， 另一方面要采用新技术，在获得同样电能的基础上减少硅材料用量。随着新材料、新工艺的不断涌现，太阳能电池组件的光电转换效率、使用寿命将会不断提高。总之， 太阳能光伏发电量在能源的比例将逐渐加大． 随着太阳电池的价格逐渐降低，在生产和生活中会有更多的太阳能产品被应用。参考文献[1] 贾雪艳 , 曹金良 . 太阳能光伏发电技术的发展与应用 [J]. 内蒙古石油化工 , 2010,484-85. 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