光伏发电的原理研究和发展前景

论文姓名：院系：化工学院专业：应用化学技术学号：指导老师：2011 年 10 月 25 日光伏发电的原理研究和发展前景摘要： 研究了太阳能电池板在光照下的光伏效应， 和太阳能电池的制造并介绍了光伏发电的历史、现状及对光伏发电发展前景的美好展望。关键词： 光伏发电 光伏发电系统 光伏效应 太阳能电池 绿色能源 环保低碳一、光伏技术发展简介“太阳能光伏发电” ( 简称“光伏发电” ), 是直接将太阳光转换为电能的一种发电形式，是新型的绿色环保低碳的发电技术。事实上 , 对光伏发电技术的研究始于 100 多年前。 1839 年 , 法国物理学家 A.E.贝克勒尔 (Becqurel) 意外地发现 , 用两片金属浸人溶液构成的伏特电池 , 光照时会产生额外的伏特电势 , 他把这种现象称为“光生伏特效应” （ photovoltaic effect) 。 1873 年英国科学家 Wiloughby Smith 就观察到了对光敏感的硒材料 ,并推断出在光的照射下硒导电能力的增加正比于光通量。 1880年 Charles Fritts 开发出以硒为基础的太阳电池。 以后人们即把能够产生光生伏特效应的器件称为“光伏器件” 。半导体 p- n 结器件在阳光下的光电转换效率最高 , 通常称这类光伏器件为“太阳电池” (solar cell) 。 20 世纪 30 年代尽管太阳电池能量转换效率低 , 生产成本高 , 科学家仍致力于硒太阳电池的研究。 20 世纪 50 年代初 , 美国贝尔实验室在为远程通讯系统寻找可靠的电源时 , 科学家发现经杂质处理的硅对光敏感 , 可产生稳定的电压。 1954 年在贝尔实验室恰宾 (Charbin) 和皮尔松 , 第一次做出了光电转换效率为 6%的实用单晶硅太阳电池 , 开创了光伏发电的新纪元。 1955 年以色列 Tabor 提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。二、光伏技术现状及前景2.1 现状人类使用的常规化石能源在推动工业发展和社会进步的同时 , 也造成了诸多问题。例如 : 资源枯竭、全球变暖、环境污染、地质灾害等等 , 从而使地球的生态遭到日益严重的破坏 , 因此开发和使用无污染的可再生能源是人类面临的重大课题。20 世纪 70 年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。 1973 年，美国制定了政府级的阳光发电计划， 1980 年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达 8 亿多美元。 1992 年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。日本在 70 年代制定了“阳光计划” ， 1993 年将“月光计划” （节能计划） 、 “环境计划” 、 “阳光计划”合并成“新阳光计划” 。德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。 90 年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议， 讨论和制定世界太阳能战略规划、 国际太阳能公约， 设立国际太阳能基金等， 推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。 开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动， 成为各国制定可持续发展战略的重要内容。我国从 1958 年起就进行光伏器件研究 ,70 年代初成功地制造出空间光伏电源。 70 年代中期后 , 中国自制的光伏航标灯、太阳灯塔、气象及通讯用光伏电源开始使用 , 光伏应用逐渐扩大到地面并形成了中国的光伏产业。 80 年代 , 先后引进了美国的单晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池生产设备 , 使中国的光伏工业开始起步。目前我国大约有 40 多个研究机构和大学参与光伏技术研究与开发活动。研究领域涉及太阳电池、 光伏材料、 光伏系统和部件等。 光伏系统的研究与开发取得了很大进展 , 主要包括 100～ 500W控制 / 逆变成套设备、 1～ 5kW光伏水泵系统、光伏照明系统、光伏电视系统、光伏通讯系统、气象站光伏电源 , 集中式光伏电站以及 5kW光伏并网示范系统等 ; 在部件方面 , 主要有高效率 10kW、 15kW逆变器及 30kW 正弦波逆变器等 ; 同时还成功地研制出新型太阳电池及组件特性测试系统等等。2.2 发展前景鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加 , 世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮 , 开发利用太阳能成为各国制定可持续发展战略的重要内容。目前 , 我国社会、 经济的快速发展为光伏市场提供了更好的发展机遇和空间 ,可以予期并网屋顶系统及光伏电站也会很快进入市场。 在市场和生态环境的驱动下 , 我国光伏产业预料会有一个大的发展。光伏发电在改善边远地区人民生活条件方面已发挥着重要作用 , 并将在 21 世纪可持续发展中发挥更大作用。随着太阳电池效率的提高和光伏系统价格的下降 , 光伏发电的应用范围愈来愈广 , 其市场也愈来愈大。 使地球上更多的人从清洁、 可靠的太阳能获取电能已为期不远了 , 光伏发电日益显露出光明的前景。三、光伏发电的优缺点3.1 优点(1) 可靠。 在恶劣的环境和气候条件下 , 光伏发电系统很少产生故障 , 因此光伏发电经常被用于要求供电可靠性很高的场合 , 而且并未因高可靠性而增加系统建设费用。(2) 耐用。 目前， 绝大多数光伏组件的生产技术都足以保证 10 年以上其性能不下降 , 从而有充分理由相信光伏组件可以发电 25 年或更长的时间。(3) 维护费用低。 在远离城镇的边远地区 , 为了维护或修理常规发电设备要将材料和人员运送到很远的地方 , 其费用很高。光伏系统只需要周期性的检查和很少的维护工作量 , 因此维护费用比常规发电设备要少得多。(4) 无需燃料费用。 由于光伏系统不需要燃料 , 从而免去了购买、 储存和运输燃料的费用。(5) 减少噪声污染。光伏系统运动部件很少 , 基本没有噪声。(6) 光伏组件积木化。 便于用户根据自己的需要选择和调整发电系统的容量大小 ,安装时灵活方便。(7) 安全。光伏系统不需要易燃的燃料 , 只要设计和安装适当 , 系统具有很高的安全性。(8) 供电自主性。离网运行的光伏发电系统 , 具有供电的自主性、灵活性。(9) 非集中电网。 小型分散的光伏发电站 , 可减少公用电网故障给用户带来的不良影响及危害。(10) 高海拔性能。在高海拔处由于日照增强 , 光伏系统的功率输出也随之增加 ,因此使用光伏发电非常有利。3.2 缺点(1) 初投资大。 由于光伏系统初投资高 , 必须对每个系统进行经济性评估及多种方案比较。 如果光伏系统的初投资减少 , 常规燃料的成本上升 , 则在经济方面光伏系统将更具有竞争性。(2) 日照不稳定。天气对任何太阳能系统的功率输出都有很大影响 , 气候或场地条件变化时 , 系统设计应随之改变。(3) 需储能装置。 为了夜间或以后某个时间用电 , 光伏系统需使用蓄电池储能。 蓄电池组增加了系统规模、成本及维护工作量。(4) 效率有待改进。 从投资的有效性出发 , 要求高效率的使用光伏系统资源 , 这意味着用户必须更换效率低的负载设备。(5) 需技术培训。 光伏系统使用了很多人们不熟悉的新技术 , 了解这些技术的人又不多。因此 , 用户在使用光伏系统前 , 都需要经过技术培训。四、光伏发电的原理研究4.1 光伏效应光伏发电，其基本原理就是“光生伏特效应” 。 “光生伏特效应” ，简称“光伏效应” ，英文名称： Photovoltaic effect 。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。有了电压，就像筑高了大坝， 如果两者之间连通， 就会形成电流的回路。 太阳能光伏发电的最关键元件是太阳能电池（片） ，有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。其中，单晶和多晶电池用量最大， 非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。 目前多晶硅电池效率在 16 至 17%左右，单晶硅电池的效率约 18 至 20%。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。 太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件， 再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。4.2 光伏发电系统光伏发电系统分为独立光伏系统和并网光伏系统。 独立光伏电站包括边远地区的村庄供电系统，太阳能户用电源系统，通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。 并网光伏发电系统是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。 可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。 带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性， 可以根据需要并入或退出电网， 还具有备用电源的功能， 当电网因故停电时可紧急供电。 带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑； 不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成。（ 1）太阳能电池方阵： 在有光照 （无论是太阳光， 还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压” ，这就是“光生伏特效应” 。在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。（ 2）蓄电池组：其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是： a. 自放电率低； b.使用寿命长； c. 深放电能力强； d. 充电效率高； e. 少维护或免维护； f. 工作温度范围宽； g. 价格低廉。（ 3）充放电控制器：是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素， 因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。（ 4）逆变器：是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。 独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统， 为独立负载供电。 并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。 逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。 方波逆变器电路简单， 造价低， 但谐波分量大， 一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。 正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载 。（ 5）太阳跟踪控制系统：由于相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，一年春夏秋冬四季、 每天日升日落， 太阳的光照角度时时刻刻都在变化， 如果太阳能电池板能够时刻正对太阳， 发电效率才会达到最佳状态。 目前世界上通用的太阳跟踪控制系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到 PLC、单片机或电脑软件中， 也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。 采用的是电脑数据理论， 需要地球经纬度地区的的数据和设定， 一旦安装， 就不便移动或装拆， 每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数；原理、电路、技术、设备复杂，非专业人士不能够随便操作。 把加装了智能太阳跟踪仪的太阳能发电系统安装在高速行驶的汽车、火车，以及通讯应急车、特种军用汽车、军舰或轮船上，不论系统向何方行驶、如何调头、拐弯，智能太阳跟踪仪都能保证设备的要求跟踪部位正对太阳！五、太阳能电池的研究太阳能光电转换电池主要分为两类，一类是晶体硅电池，包括单晶硅 (8C—Si) 电池、多晶硅 (mc— Si) 电池两种，它们占据约 93％的市场份额；另一类是薄膜电池， 主要包括非晶体硅 (8 一 Si ， 使用的是硅， 但以不同的形态表现 ) 太阳能电池、铜铟镓硒 (CIGS) 太阳能电池和碲化镉 (CdTe)太阳能电池，这类电池占据7％的市场份额。5.1 晶体硅电池晶体硅电池中单晶硅的电转光换效率最高， 技术也最成熟， 高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关成熟的加工工艺基础上。 提高转换效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。 单晶硅太阳能电池的转换效率无疑是最高的， 在大规模应用和工业生产中仍旧占据主导地位， 但由于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响， 致使单晶硅成本据高不下， 严重影响了其广泛应用。 单晶硅太阳能电池的特点是对于大于 0.7μ m 的红外光也有一定的灵敏度。以 p 型单晶硅为衬底， 其上扩散 n 型杂质的太阳能电池与 n 型单晶硅为衬底的太阳能电池相比，其光谱特性的峰值更偏向左边（短波长一方） 。它对从蓝到紫色的短波长（波长小于 0.5μ m）的光有较高的灵敏度，但其制法复杂，成本高，仅限于空间应用。单晶硅太阳能电池的缺点是制造过程复杂， 制造电池的能耗大。 为解决这些问题，用浇铸法或晶带法制造的多晶硅太阳能电池的开发取得了进展。在 1976年证明用多晶硅材料制作的太阳能电池的转换效率已超过 10%，对大晶粒的电池， 有报道效率可达 20%。 这种低成本的多晶硅太阳能电池已经大量生产， 目前，它在太阳能电池工业中所占的分额也相当大。迄今为止， 多晶硅太阳能电池经过不断的努力， 其能量转换效率与单晶硅太阳能电池已基本上在同一个数量级。 特别是多晶硅薄膜可以制成方形， 在制作太阳能电池组件时面积利用率高。 今后， 在如何开发新技术以得到低价格的多晶硅材料，如何得到高效率、大面积多晶硅太阳能电池等方面还有许多工作可做。虽然晶体硅太阳能电池被广泛应用， 占据太阳电池的主要市场。 但是， 晶体硅的禁带宽度 Eg=1.12eV， 太阳能光电转换理论效率相对较低；硅材料是间接能带材料， 在可见光范围内， 硅的光吸收系数远远低于其它太阳能光电材料， 如同样吸收 95％以上的太阳光， GaAS 太阳电池只需要 5～ 10μ m，而硅太阳电池在150～ 200μ m 以上， 才能有效地吸收太阳能； 晶体硅材料需要多次提纯， 成本较高； 硅太阳电池尺寸相对较小， 若组成光伏系统， 要用数十个相同的硅太阳电池连接起来， 造成系统成本较高。 由于晶体硅太阳能电池所需的高纯多晶硅价格飙升， 使得晶体硅电池价格上涨， 为非晶硅太阳能电池带来了行业机会。 制造晶体硅类太阳能电池成本高、能耗大、有污染，要解决这些问题，使太阳能行业真正变成最环保的产业，只能大力发展非晶硅太阳能电池。5.2 非晶硅电池同晶体硅太阳电池相比， 非晶硅太阳能电池的优点： 非晶硅具有较高的光吸收系数； 非晶硅的禁带宽度比单晶硅大， 随制备条件的不同约在 1.5-2.0eV 的范围内变化， 这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高； 材料和制造工艺成本低、设备简单； 而且非晶硅薄膜厚度仅有数千埃， 不足晶体硅太阳电池厚度的百分之一， 大大降低了硅原材料的成本； 由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题 ， 因而它几乎可以淀积在任何衬底上， 如不锈钢、 塑料甚至廉价的玻璃衬底； 易于形成大规模的生产能力， 这是因为非晶硅适合制作特大面积、 无结构缺陷的薄膜， 生产可全流程自动化，显著提高劳动生产率；多品种和多用途，不同于晶体硅，在制备非晶硅薄膜时， 只要改变原材料的气相成分或气体流量， 便可使非晶硅薄膜改性， 制备出新型的太阳电池结构； 并且根据器件功率、 输出电压和输出电流的要求， 可以自由设计制造， 方便地制作出适合不同需求的多品种产品； 制备非晶硅太阳能电池能耗少 ， 约 100 千瓦小时，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。作为非常有希望的低成本太阳能电池， 开发新结构， 提高效率和稳定性， 将会使非晶硅太阳能电池在民用及独立电源系统中获得广泛应用。六、对我国光伏发电发展的建议我国的太阳能光伏产业既面临着严峻的挑战又面临着发展的机遇。为使我国的光伏产品在世界的市场上有竞争性 , 就需要政府制定强有力的法规和政策来支持。政府可以从以下几方面来激励、整合、发展我国的光伏产业 : (1) 联合相关部委制定我国光伏产业完整的科研、生产、应用和推广计划；(2) 考虑设立太阳能专项资金制度和多种形式的补贴政策。比如对投资直接补贴、提供贴息性贷款、根据光伏发电和可再生能源产品产量进行直接补贴等；(3) 加强生产企业和科研机构与国际间的合作 , 积极引进国外科研新技术；(4) 加大对光伏产业科研的投入 , 拓展光伏技术的应用领域 , 开发出具有我国自主知识产权的光伏技术和新产品；(5) 加大光伏发电的并网应用工程 , 从发展户用系统逐步过渡到发展并网应用系统；(6) 光伏发电逐步取代部分常规能源要有一定的比例要求。参考文献［ 1］ 张明 广西电力建设科技信息， 2004， （ 04） ：51— 52 ［ 2］高桥清 《太阳光发电》 ，科学出版社， 1987 ［ 3］桑野心德《太阳能电池及其应用》 ，科学出版社， 1990 ［ 4］林珊，冯垛生《太阳能发电系统的最大功率跟踪新能源》 1999 ［ 5］陈桂兰，孙晓《光伏发电系统的最大功率点跟踪控制》 电子技术应用，2001.8 ［ 6］汤建皮， 黄刚《光伏系统配套蓄电池的选择，蓄电池》 .2002 （ 4）［ 7］刘荣《自然能供电技术》 科学出版社 .2000[8] 赵为 . 太阳能光伏并网发电系统的研究 . [ 博士论文 ]. 合肥 : 合肥工业大学 , 2003 [9] 国家发改委 / 全球环境基金 / 世界银行 . 中国光伏产业发展研究报告 . 中国可再生能源发展项目办公室 .2004.10 [10] 赵玉文 , 王斯成 , 王文静 , 等 . 中国光伏产发展研究报告 (2006-2007 )[Z] [11] Q-CELLS.RePort as of 30 SEPTEMBER 2008[EB/OL].httP: //www.q 一eells.com/download /investor-relations /qeells-q3-2008 english.pdf