一种提高光伏发电效率的光伏枝干技术
1 一 种 提 高 光 伏 发 电 效 率 的 光 伏 枝 干 技 术周 建 军 拉 萨 市 蓝 翔 技 能 培 训 学 校 校 长联 系 电 话 18689111199本 技 术 是 利 用 现 代 光 电 科 技 深 入 研 究 植 物 的 内 部 结 构 , 解 析 植 物 光 合 作 用 中 高 效 利 用 光能 的 一 些 科 技 原 理 , 建 立 的 一 种 提 高 光 伏 发 电 效 率 的 新 技 术 , 其 针 对 的 是 光 伏 发 电 系 统 中 的太 阳 能 电 池 方 阵 技 术 的 弱 点 和 缺 陷 , 建 立 了 区 别 与 采 用 “ 方 阵 ” 、 “ 阵 列 ” 进 行 设 计 , 以 太阳 能 电 池 栅 纹 图 形 和 以 串 并 联 焊 接 技 术 生 产 的 太 阳 能 组 件 , 以 串 并 联 方 式 对 太 阳 能 组 件 进 行连 接 的 发 电 系 统 。 形 成 了 新 的 光 伏 发 电 系 统 及 各 组 件 结 构 的 新 设 计 。 其 结 果 是 光 伏 枝 干 技 术可 以 解 决 方 阵 技 术 现 在 光 伏 发 电 面 临 的 三 大 问 题 光 伏 转 发 率 18的 瓶 颈 、 单 位 时 间 太 阳 光 利 用 率 低 、 地 球 表 面 利 用 率 低 。 光 伏 枝 干 技 术 利 用 后 可 让 光 伏 发 电 如 同 森 林 一 样 变 成 高 效 的光 能 发 电 场 。关 键 词 光 伏 方 阵 技 术 、 太 阳 电 池 栅 网 印 刷 、 光 伏 组 件 串 并 联 拼 接 技 术 、 光 伏 发 电 系 统 、植 物 光 合 作 用 。 时 间 2019-06-081、 引 言光 伏 发 电 是 当 今 世 界 的 尖 端 科 技 , 将 为 全 人 类 彻 底 解 决 “ 能 源 危 机 ” “ 环 境 污 染 ” 和 “ 可持 续 发 展 ” 等 三 大 世 界 难 题 , 将 做 出 历 史 性 、 跨 世 代 的 伟 大 贡 献 。 从 全 球 光 伏 发 展 简 史 可 以了 解 到 , 光 伏 发 电 技 术 从 1839年 法 国 科 学 家 E.Becquerel发 现 液 体 中 的 光 生 伏 特 效 应 ( 简 称 光 伏 现 象 ) 开 始 , 太 阳 能 电 池 经 过 了 160多 年 的 发 展 , 其 中 漫 长 的 过 程 主 要 发 展 了 基 础 性 的理 论 , 包 括 光 学 定 律 , 光 的 波 粒 二 像 性 ; 半 导 体 原 件 的 PN结 技 术 ; 电 子 技 术 和 串 并 联 技 术 ;形 成 的 电 流 对 外 做 功 转 换 为 电 能 的 光 电 学 。 到 1954年 , 美 国 贝 尔 实 验 室 三 为 科 学 家 关 于 单 晶硅 太 阳 电 池 的 研 制 成 功 , 才 真 正 开 启 了 光 伏 发 电 第 一 个 里 程 碑 。 1958 年 美 国 信 号 部 队 的T.Mandelkorn 制 成 N/P 型 单 晶 硅 光 伏 电 池 , 在 1959 年 又 通 过 用 网 栅 电 极 来 显 著 减 少 光 伏 电池 串 联 电 阻 , 使 单 晶 硅 电 池 效 率 到 达 了 10, 由 此 太 阳 能 发 电 进 入 了 商 业 化 应 用 。 从 此 建 立了 光 伏 发 电 系 统 中 , 以 网 栅 为 串 并 联 技 术 的 太 阳 能 电 池 方 阵 理 论 体 系 为 基 础 的 光 伏 发 电 系 统 。后 期 不 断 的 有 光 伏 材 料 创 新 , 丝 网 印 刷 技 术 、 控 制 系 统 、 太 阳 光 跟 踪 系 统 等 技 术 的 创 新 发 现 。其 光 伏 发 电 系 统 其 简 单 的 功 能 包 括 五 部 分 ( 1) 吸 收 光 源 ( 2) 半 导 体 材 料 俘 获 光 子 , 把 光能 转 化 为 电 子 动 能 , 形 成 逃 逸 的 电 荷 载 子 ( 3) 通 过 导 体 材 料 建 立 的 导 电 网 将 电 荷 载 子 传 到 蓄 电 池 ( 4) 蓄 电 池 的 功 能 就 是 把 电 荷 动 能 转 化 为 电 能 ( 5) 蓄 电 池 对 外 传 输 电 能 。 详 见 附 图 1 2 光 伏 发 电 系 统 原 理 示 意 图 。 其 结 构 组 成 为 太 阳 能 电 池 方 阵 、 蓄 电 池 组 、 充 放 电 控 制 器 、 逆 变器 、 交 流 配 电 柜 、 太 阳 能 跟 踪 控 制 等 结 构 。 详 见 附 图 2 光 伏 发 电 系 统 结 构 组 成 简 易 图 。但 光 伏 发 电 在 160 年 的 历 史 发 展 里 程 中 , 至 今 还 存 在 三 大 问 题 第 一 , 光 伏 转 发 率 低 “ 电 荷 载 子 ” 从 太 阳 能 电 池 丝 网 阵 到 组 件 的 田 格 阵 到 太 阳 能 电 池 组 方 阵 , 要 通 过 三 层 “ 方 阵 ”才 能 到 达 蓄 电 池 , 路 途 太 远 太 复 杂 , “ 电 荷 载 子 ” 在 传 输 路 途 中 就 被 损 耗 , 光 伏 转 发 率 不 超过 18( 二 ) 太 阳 光 利 用 率 低 太 阳 能 电 池 方 阵 结 构 为 平 面 结 构 、 矩 阵 结 构 , 决 定 了 光 伏 发电 中 整 个 光 伏 发 电 系 统 中 的 组 件 全 部 平 面 摆 放 , 而 太 阳 光 是 立 体 照 射 。 平 面 与 立 体 , 所 以 太阳 光 利 用 率 太 低 ( 三 ) 地 球 表 面 利 用 率 低 由 于 太 阳 能 电 池 组 方 阵 只 是 平 面 的 利 用 光 能 , 所以 要 选 择 日 照 多 的 地 方 而 且 相 对 “ 平 ” 的 地 方 安 装 建 设 。 地 球 上 满 足 这 一 安 装 建 设 条 件 的 区域 少 , 未 能 充 分 利 用 地 球 大 陆 面 。 如 何 提 高 光 伏 发 电 效 率 是 当 前 最 需 要 解 决 的 核 心 科 技 问 题 。 我 们 根 据 上 面 的 分 析 , 其 核 心 为 三 大 部 分 ( 1) 产 生 更 多 的 “ 电 荷 载 子 ” 2快 速 把 “ 电 荷载 子 ” 少 损 耗 的 运 到 “ 蓄 电 池 ” ( 3) 蓄 电 池 快 速 吸 收 动 能 转 发 为 电 能 。 而 根 据 现 在 光 伏 发 电系 统 的 结 构 组 成 中 , 太 阳 能 电 池 方 阵 是 包 含 了 两 大 部 分 , 一 是 吸 收 光 , 产 生 更 多 的 “ 电 荷 载子 ” 。 二 是 金 属 导 电 网 , 起 到 传 输 “ 电 荷 载 子 ” 的 功 能 , 其 结 构 是 方 阵 技 术 , 是 串 并 联 混 合模 型 , 由 三 层 结 构 体 组 成 ( 1) 太 阳 能 电 池 , 丝 网 印 刷 中 的 栅 线 图 文 。 ( 2) 组 件 , 或 光 电板 , 由 多 个 太 阳 能 电 池 由 金 属 链 接 线 串 并 联 混 合 链 接 组 成 方 阵 结 构 。 ( 3) 发 电 方 阵 多 个 组件 由 金 属 导 线 串 并 联 混 合 连 接 到 蓄 电 池 组 。 太 阳 能 电 池 方 阵 结 构 是 “ 电 荷 载 子 ” 整 个 传 输 通道 , 其 “ 方 阵 ” 结 构 设 计 方 法 , 决 定 了 整 个 光 伏 发 电 系 统 结 构 组 成 的 关 键 技 术 。 详 见 附 图 3太 阳 能 电 池 方 阵 示 图 。植 物 是 转 化 光 能 最 科 技 的 精 密 “ 仪 器 ” , 一 片 森 林 就 是 一 个 巨 大 的 “ 光 能 ” 转 发 场 。 为 此 破 解 植 物 的 结 构 , 获 得 光 能 转 发 的 科 学 原 理 , 进 行 发 明 创 新 设 计 。 一 叶 一 菩 提 , 也 就 是 说一 片 叶 子 的 结 构 呈 现 出 一 颗 树 的 结 构 。 树 叶 的 叶 绿 素 中 某 种 结 构 的 分 子 , 其 功 能 就 是 获 得 光能 , 这 种 分 子 ( 高 速 分 子 ) 迅 速 通 过 叶 片 上 的 纹 理 , 通 过 枝 、 到 达 干 , 干 到 根 , 根 就 是 一 处无 限 巨 大 的 , 把 高 速 分 子 的 能 量 转 发 为 植 物 的 生 物 能 。 叶 绿 素 负 责 获 得 光 能 , 树 叶 上 的 叶 纹 ,枝 、 干 负 责 传 递 高 速 分 子 , 根 负 责 把 高 速 分 子 能 量 转 发 成 生 物 能 , 这 就 是 一 个 小 型 光 伏 发 电系 统 。2、 技 术 内 容 与 对 比鉴 于 上 述 光 伏 发 电 技 术 分 析 、 存 在 的 困 境 和 启 发 , 我 们 需 要 继 承 与 大 胆 的 突 破 , 创 建 新的 提 高 光 伏 发 电 效 率 的 技 术 , 太 阳 能 电 池 枝 干 技 术 内 容 如 下 ( 一 ) 技 术 描 述 ( 1) 独 立 通 道 技 术 。 为 每 一 簇 “ 电 荷 载 子 ” 与 蓄 电 池 之 间 建 立 一 根 独 立 的 金 属 导 线 通 道 。 让 获 得 光 子 逃 逸 出 来 的 电 子 ( 简 称 电 荷 载 子 ) 直 接 到 达 蓄 电 池 , 把 动 能 3 转 化 为 电 能 。 而 不 像 方 阵 模 型 中 电 荷 载 子 要 七 歪 八 转 的 通 过 三 层 电 路 通 道 。 ( 2) 直 直 捆 绑 技术 。 以 “ 电 荷 载 子 ” 到 蓄 电 池 之 间 都 有 一 条 “ 线 ” , 把 这 些 线 在 相 同 路 径 上 “ 直 直 的 捆 绑 ”在 一 起 就 可 以 了 , 不 打 结 不 纠 缠 。( 二 ) 实 现 方 法 ( 1) 枝 干 形 状 结 构 方 法 。 附 图 4 枝 干 形 状 结 构 示 意 图 , 有 枝 ①、 枝②、 枝 ③; 枝 ②与 枝 ③直 直 捆 绑 变 成 干 ①, 干 ①与 枝 ①直 直 捆 绑 变 成 干 ②。 ( 2) 反 复方 法 枝 无 数 、 干 无 数 , 枝 绑 枝 为 干 , 干 也 可 看 着 枝 , 又 枝 绑 枝 又 为 干 , 以 此 捆 绑 衍 生 而 下 。( 三 ) 产 品 设 计 模 型 在 太 阳 能 电 池 枝 干 技 术 方 法 下 , 对 光 伏 发 电 系 统 的 结 构 组 织 进 行 产 品设 计 创 新 , 建 立 可 实 现 的 产 品 模 型 。 与 太 阳 能 电 池 方 阵 三 层 结 构 图 进 行 产 品 模 型 创 新 描 述 。( 1) 太 阳 能 电 池 ( 单 体 ) , 创 新 后 的 产 品 简 称 为 “ 树 叶 电 池 ” , 形 状 为 附 图 5 “ 树 叶 ” 型太 阳 能 电 池 示 图 。 按 照 “ ( 二 ) 实 现 方 法 ” 进 行 最 初 的 设 计 , 根 据 大 小 可 无 限 组 合 , 现 实 中 有 “ 大 叶 片 ” 和 “ 小 叶 片 ” 结 构 模 型 。 ( 2) 太 阳 能 组 件 , 创 新 后 的 产 品 简 称 为 “ 树 枝 灯 泡 ” ,形 状 为 附 图 6 “ 树 枝 ” 型 太 阳 能 电 池 组 件 示 图 。 由 多 个 “ 树 叶 ” 组 成 , 把 每 片 树 叶 又 看 成“ 枝 ” , “ 枝 枝 ” 相 绑 为 “ 干 ” , 如 此 继 续 按 “ ( 二 ) 实 现 方 法 ” 链 接 而 成 , 现 实 中 有 “ 大枝 条 ” 和 “ 小 枝 条 ” 结 构 模 型 。 可 以 独 立 以 “ 灯 泡 ” 形 式 使 用 。 ( 3) 发 电 方 阵 创 新 后 的 产品 简 称 为 “ 发 电 树 ” , 形 状 为 附 图 7 “ 发 电 树 ” 型 太 阳 能 发 电 系 统 示 图 。 由 多 个 “ 树 枝 灯泡 ” 组 成 , 把 每 根 树 枝 灯 泡 又 看 成 “ 枝 ” , “ 枝 枝 ” 相 绑 为 “ 干 ” , 如 此 继 续 按 “ ( 二 ) 实现 方 法 ” 链 接 而 成 , 现 实 中 有 “ 大 树 ” 和 “ 小 树 ” 结 构 模 型 。 可 以 独 立 以 “ 户 用 型 小 型 发 电 ”形 式 使 用 。太 阳 能 电 池 枝 干 技 术 解 决 了 太 阳 能 电 池 方 阵 技 术 的 弊 端 。( 一 ) 提 升 了 光 伏 转 换 效 率 。 每 个 “ 电 荷 载 子 ” 到 达 蓄 电 池 建 立 了 独 立 的 快 速 通 道 , 减 少 了 电 荷 载 子 的 损 耗 , 提 升 了 光 伏 转 换 效 率 。 ( 二 ) 提 升 了 太 阳 光 利 用 率 太 阳 池 按 照 枝干 组 建 方 式 , 形 成 立 体 结 构 模 型 , 在 原 有 单 位 平 面 上 形 成 了 立 体 模 型 , “ 发 电 树 ” 有 多 高 就能 立 体 利 用 光 能 多 高 。 ( 三 ) 提 升 了 地 球 表 面 利 用 率 , 以 前 能 安 装 光 伏 发 电 的 地 方 , 这 种 技术 也 可 以 , 并 且 能 长 树 的 地 方 就 能 安 装 。 并 且 不 能 长 树 的 荒 漠 、 沙 漠 、 高 原 等 环 境 , 也 能 安装 这 样 的 “ 发 电 树 ” 进 行 发 电 。 技 术 总 结 光 子 打 在 电 子 上 , 把 光 能 转 化 成 了 电 子 的 动 能 ,形 成 电 荷 载 子 , 电 荷 载 子 到 达 蓄 电 池 , 卸 载 动 能 变 成 电 能 。 其 最 重 要 的 一 个 问 题 就 是 这 种 光能 到 电 能 是 非 常 微 小 的 , 根 本 还 不 能 算 作 “ 电 能 ” 而 只 是 电 子 的 “ 动 能 ” , 所 以 根 本 不 能 用电 路 这 种 针 对 “ 电 能 ” 的 设 计 来 搭 建 这 种 传 输 通 道 , 并 且 在 电 能 蓄 电 池 收 集 端 , 不 应 增 加 太大 的 电 势 差 。 我 们 需 要 细 心 的 维 护 , 这 小 小 的 光 能 , 涓 涓 细 流 才 能 汇 集 出 对 外 的 电 能 , 也 才适 合 于 串 并 联 的 电 路 设 计 , 所 以 用 太 阳 能 电 池 枝 干 技 术 将 比 太 阳 能 电 池 方 阵 技 术 更 能 提 升 光 伏 发 电 效 率 。 附 图 8 光 伏 枝 干 发 电 模 型 示 意 图 。 可 以 与 附 图 3 太 阳 能 电 池 方 阵 示 图 进 行 对 4 比 , 将 一 目 了 然 。3、 技 术 特 征( 一 ) 技 术 要 点 为 独 立 通 道 技 术 和 直 直 捆 绑 技 术 。 包 括 太 阳 能 电 池 金 属 导 网 的 印 刷 、 太阳 能 电 池 组 件 的 焊 接 、 太 阳 能 发 电 组 的 连 接 。( 二 ) 光 电 池 的 “ 树 叶 图 纹 ” 设 计 , 其 特 征 是 在 传 统 光 电 池 生 产 工 艺 过 程 中 “ 丝 网 印 刷 ”技 术 中 “ 栅 形 ” “ 田 形 ” 图 纹 , 由 “ 树 叶 图 纹 ” 替 换 。 图 形 为 如 附 图 9 “ 树 叶 图 纹 ” 。( 三 ) 太 阳 能 电 池 组 件 的 “ 组 件 树 枝 ” 设 计 , 其 特 征 是 区 别 与 传 统 太 阳 能 电 池 通 过 串 并联 焊 接 技 术 形 成 的 电 池 组 。 改 为 “ 树 枝 型 ” 设 计 , 没 有 串 联 , 都 是 以 独 立 的 全 并 联 模 式 存 在 ,图 形 为 如 附 图 10 “ 组 件 树 枝 图 型 ” 。( 四 保 护 太 阳 能 电 池 方 阵 发 电 系 统 的 “ 发 电 树 型 ” 设 计 , 其 特 征 是 区 别 与 传 统 太 阳 能 电 池 组 件 通 过 串 并 导 线 连 接 技 术 形 成 的 太 阳 能 电 池 方 阵 发 电 系 统 。 改 为 “ 发 电 树 型 ” 设 计 , 没有 串 联 , 都 是 以 独 立 的 全 并 联 模 式 存 在 , 图 形 为 如 附 图 11 “ 发 电 树 型 ” 。4、 结 论光 伏 发 电 枝 干 技 术 将 比 光 伏 方 阵 技 术 更 加 高 效 , 将 影 响 太 阳 电 池 、 光 伏 组 件 、 光 伏 发 电 系统 的 底 层 设 计 , 建 立 一 套 新 的 光 能 发 电 系 统 。 未 来 将 在 山 地 、 高 原 、 隔 壁 实 现 对 光 能 充 分 的利 用 , 人 工 建 立 起 “ 森 林 ” 式 的 发 电 站 。5、 附 图 说 明图 1 光 伏 发 电 系 统 原 理 示 意 图 。图 2 光 伏 发 电 系 统 结 构 组 成 简 易 图 。 图 3 太 阳 能 电 池 方 阵 示 图 。图 4 枝 干 形 状 结 构 示 意 图 。图 5 “ 树 叶 ” 型 太 阳 能 电 池 示 图 。图 6 “ 树 枝 ” 型 太 阳 能 电 池 组 件 示 图 。图 7 “ 发 电 树 ” 型 太 阳 能 发 电 系 统 示 图 。图 8 光 伏 枝 干 发 电 模 型 示 意 图 。图 9 “ 树 叶 图 纹 ” 。图 10 “ 组 件 树 枝 图 型 ” 。图 11 “ 发 电 树 型 ” 。 参 考 文 选为 了 使 本 领 域 的 技 术 人 员 更 好 的 理 解 本 技 术 , 我 把 本 技 术 发 明 过 程 中 借 鉴 参 阅 的 资 料 附 5 与 下 面 。 一 是 感 谢 这 些 领 域 的 专 家 付 出 的 努 力 , 二 是 让 技 术 人 员 更 好 的 理 解 我 的 创 新 思 维 过程 。 资 料 1 查 阅 全 国 标 准 信 息 公 共 服 务 平 台 的 国 家 标 准 光 伏 发 电 系 统 的 专 业 术 语 解 释 。资 料 2 通 过 百 度 文 库 , 查 阅 光 伏 发 电 各 术 语 解 释 和 光 伏 发 电 发 展 简 史 等 资 料 。资 料 3 参 阅 能 源 与 电 力 分 析 年 度 报 告 系 列 , 由 中 国 电 力 出 版 社 出 版 的 国 网 能 源 研 究 院 有限 公 司 编 著 的 2018 中 国 新 能 源 发 电 分 析 报 告 。 了 解 了 太 阳 能 的 利 用 情 况 。资 料 4 参 阅 新 能 源 科 技 译 丛 书 , 由 中 国 三 峡 出 版 传 媒 出 版 的 ( 美 ) 杰 弗 瑞 .R.S.布 朗 森 著王 瑞 祥 译 的 太 阳 能 转 化 系 统 。 主 要 描 述 了 光 伏 发 电 的 基 础 性 理 论 。资 料 5 参 阅 了 “ 十 二 五 ” 国 家 重 点 图 书 出 版 规 划 项 目 , 新 能 源 发 电 并 网 技 术 丛 书 , 由 中国 水 利 水 电 出 版 社 出 版 的 丁 杰 周 海 等 编 著 的 风 力 发 电 和 光 伏 发 电 预 测 技 术 。 资 料 6 参 阅 了 由 化 学 工 业 出 版 社 出 版 的 靳 瑞 敏 等 编 著 的 太 阳 能 光 伏 应 用 -原 理 .设 计 .施 工 。资 料 7 参 阅 了 新 能 源 及 高 效 节 能 应 用 技 术 丛 书 , 由 中 国 工 信 出 版 集 团 , 人 民 邮 电 出 版 社出 版 的 李 钟 实 编 著 的 太 阳 能 光 伏 发 电 系 统 设 计 施 工 与 应 用 第 2版 。资 料 8 参 阅 了 微 电 网 技 术 及 实 验 丛 书 , 由 科 技 出 版 社 出 版 的 毕 大 强 , 郭 瑞 光 编 著 的 光伏 发 电 技 术 及 实 验 。资 料 9 参 阅 了 化 学 工 业 出 版 社 出 版 的 杨 德 仁 编 著 的 太 阳 电 池 材 料 第 二 版 。资 料 10 参 阅 了 上 海 交 通 大 学 出 版 社 出 版 的 张 凤 娟 谢 彪 苏 蓓 蓓 编 著 的 光 伏 组 件 设 计与 加 工 。资 料 11 参 阅 了 化 学 工 业 出 版 社 出 版 的 李 练 兵 编 著 的 光 伏 发 电 并 网 逆 变 技 术 。 资 料 12 参 阅 了 化 学 工 业 出 版 社 出 版 的 李 练 兵 编 著 的 光 伏 发 电 并 网 逆 变 技 术 。资 料 13 参 阅 了 中 国 农 业 科 技 出 版 社 出 版 的 陈 琳 李 晨 飞 编 著 的 现 代 植 物 生 理 原 理 与 应用 。 其 中 主 讲 了 植 物 的 光 合 作 用 , 植 物 是 利 用 光 能 最 有 效 的 存 在 。资 料 14 参 阅 了 机 械 工 业 出 版 社 出 版 的 江 荣 光 摄 影 的 园 林 景 观 植 物 树 木 图 典 。 里 面呈 现 了 各 种 树 木 的 结 构 模 型 都 是 叶 绿 素 、 叶 、 枝 、 干 的 连 接 结 构 , 层 层 叠 加 的 直 直 连 接 模 型 。资 料 15 参 阅 了 化 学 工 业 出 版 社 出 版 的 徐 哗 春 崔 晓 东 李 钱 鱼 编 著 的 园 林 树 木 鉴 赏 。里 面 呈 现 了 各 种 园 林 树 木 的 结 构 模 型 都 是 叶 绿 素 、 叶 、 枝 、 干 的 连 接 结 构 , 层 层 叠 加 的 直 直连 接 模 型 。 1 说 明 书 附 图图 1 光 伏 发 电 系 统 原 理 示 意 图 。 图 2 光 伏 发 电 系 统 结 构 组 成 简 易 图 。 2 图 3 太 阳 能 电 池 方 阵 示 图 。 图 4 枝 干 形 状 结 构 示 意 图 。 3 图 5 “ 树 叶 ” 型 太 阳 能 电 池 示 图 。 图 6 “ 树 枝 ” 型 太 阳 能 电 池 组 件 示 图 。 4 图 7 “ 发 电 树 ” 型 太 阳 能 发 电 系 统 示 图 。 图 8 “ 光 伏 枝 干 发 电 模 型 示 意 图 ” 5 图 9 “ 树 叶 图 纹 ” 。 图 10 “ 组 件 树 枝 图 型 ” 。 6 图 11 “ 发 电 树 型 ” 。