1、太陽能電池的研究與發展文獻綜述摘 要：能源是人類不可忽視的一個問題，因為它同我們的生活息息相關并且制約著未來經濟的發展。面臨非可再生能源被大規模地開采利用，其儲量越來越少，總有枯竭之時這樣一個現實問題，可再生能源顯得尤為重要，因為可再生能源可以循環再生，不因長期使用而減少。而我國作為一個能耗大的國家，考慮到我國資源情況及國際環境和我國的環境狀況，若到22世紀初不能用核能、太陽能等這些非化石能源代替化石能源，那么我們國家、我們民族的發展都會受到嚴重的影響。太陽能具有環境友好、與之不盡用之不竭等特點，由此在可再生能源中的位置得以突顯。而本文選擇從光伏發電這個方面來說明太陽能電池的研究與發展。講述了

2、太陽能光伏發電的模式，輸送方式及原理等。關鍵詞：太陽能；光伏發電；獨立光伏發電；并網光伏發電；分布式光伏發電1引言能源是現今人類不得不考慮的一個重大問題，面臨著嚴峻的能源形勢和生態環境的惡化，人們對于綠色能源的需求顯得迫切起來。改變現有能源結構、發展可持續發展的綠色能源已成為世界各國極為關注的課題。化石燃料為不可再生能源，隨著社會的進步與發展，人類對能源的需求量日益增大，所以化石燃料是無法滿足的。除此之外，化石燃料煤、石油和天然氣都是含碳元素的物質其中還含硫元素等雜質。這些燃料燃燒時，會產生二氧化硫等污染空氣的氣體，燃料燃燒不充分，會產生一氧化碳和碳粒，加上未燃燒的碳氫化合物，如果直接排放到空

3、氣中必然對空氣造成污染。因此，對于可再生能源的概念中最重要的要保證兩點：第一，要求提供的可再生能源的源頭是巨大的、無限制的。第二，從整體技術效率而言，要有明顯的安全保障性。從這兩點出發，顯現了太陽能的利用在可再生能源中領域中的重要地位。太陽能發電分光熱發電和光伏發電。但不論產銷量、發展速度和發展前景、光熱發電都趕不上光伏發電。光伏發電設備極為精煉，可靠穩定壽命長、安裝維護簡便。理論上講，光伏發電技術可以用于任何需要電源的場合，上至航天器，下至家用電源，大到兆瓦級電站，小到玩具，光伏電源可以無處不在。 本文介紹了光伏發電的系統，原理，發電模式，輸送方式等，分析當前光伏發電的優缺點與難點，并指出了

4、今后一段時間內光伏發電的發展方向。2能源危機以及太陽能的發掘十八世紀的工業革命，大大推動了人類社會的生產力水平，使人類進入了機器大生產的工業時代。從此，人類大規模地開采礦產、石油、砍伐森林、開墾草原，滿足世界經濟的發展。可以說，世界經濟的現代化，得益于傳統能源，如石油、天然氣、煤炭與核裂變能的廣泛的投入應用。但是，這些能源將在21世紀上半期迅速地接近枯竭，能源危機迫在眉睫。根據對石油儲量的綜合估算，可支配的傳統能源的極限大約為1180-1510億噸，以1995年世界石油的年開采量33.2億噸計算，石油儲量大約在2040左右年宣告枯竭;天然氣儲備估計在131800-152900兆立方米，年開采量

5、維持在2300兆立方米，將在57-66年內枯竭;煤的儲量約為5600億噸，1995年煤炭開采量為33億噸，可以供應169年;鈾的年開采量目前為每年6萬噸，根據1993年世界能源委員會的估計可維持到21世紀30年代中期;核聚變到2050年還沒有實現的希望【1】。傳統能源與原料鏈條的中斷，必將導致世界經濟危機和沖突的加劇，最終將葬送現代市場經濟。事實上，近10年來，中東及海灣地區與非洲的戰爭都是由傳統能源的重新配置與分配而引發。總之，能源危機隨時會爆發。因此種種因素，人類將目光從傳統能源轉向了可再生能源。由下表我們可以了解到可再生能源主要有以下幾個方面：表1-1 現有可再生能源的現狀及潛力比較 （

6、單位： ）種類當前用量技術潛力理論潛力氫能950147生物能50>2762900太陽能0.1>能0.126406000由表中數據可以得出這樣的結果，無論從理論還是技術發現本身，太陽能利用都顯示是最具發展潛力的支撐性能源技術。所以在這些可再生能源中，太陽能發展是具有相當大的潛力的。太陽能利用指太陽能的直接轉化和利用。利用半導體器件的光伏效應原理，把太陽輻射能轉換成電能稱太陽能光伏技術。把太陽輻射能轉換成熱能的屬于太陽能利用技術，再利用熱能進行發電的稱為太陽能熱發電。從當下時局來看，光伏發電比光熱發電普遍得多。因此，對于太陽能發電，在光伏這一塊可著力發展。對太陽

7、能光伏發電的研究自1958年開始以來，我國政府對這項技術給予了高度的關注和充分的支持。我國1971年發射的東方紅二號衛星上就首次使用了太陽能光伏電池。此后，太陽能光伏發電發展的趨勢越來越受到重視。近幾年中國光伏產業發展迅速，2008年我國成為生產量達到2AGW的太陽能光伏電池生產大國。2009年9月30日，中節能尚德石嘴山50MW太陽能光伏電站一期l OMW項目正式并網投產，使用了37000多塊多晶硅電池板。近幾年國際光伏產業以每年30%的產量遞增，發展迅速。但是在目前階段，太陽能光伏發電系統的成本還很高，發出1kW電量，需要投資上萬美元，因此大規模使用仍然受到技術限制，還需要深入研究【2】。

8、3太陽能光伏發電原理光伏發電是根據光生伏特效應原理,利用太陽能電池將太陽光能直接轉化為電能。不論是獨立使用還是并網發電,光伏發電系統主要由太陽能電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構成，不涉及機械部件,所以,光伏發電設備極為精煉,可靠穩定壽命長、安裝維護簡便【3】。理論上講,光伏發電技術可以用于任何需要電源的場合,上至航天器,下至家用電源,大到兆瓦級電站,小到玩具,光伏電源無處不在。國產晶體硅電池效率在10至13%左右，國外同類產品效率約12至14%。由一個或多個太陽能電池片組成的太陽能電池板稱為光伏組件【4】。典型系統圖如下： 4光伏發電系統組成及各部分作用太陽能

9、光伏發電系統由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。各部分的作用如下：（一）太陽能電池板：太陽能發電系統中的核心部分以及發電系統中價值最高的部分。作用：將太陽的輻射能力轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。（二）太陽能控制器：作用:控制整個系統的工作狀態，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償的功能。其他附加功能如光控開關、時控開關都應當是控制器的可選項；（三）蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。作用：在有光照時將太陽能電池板所發出

10、的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。（四）逆變器：太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。作用：為能向220VAC的電器提供電能，將太陽能發電系統所發出的直流電能轉換成交流電能（一般使用DC-AC逆變器）。5光伏發電分類根據輸送方式，太陽能光伏發電可分為獨立光伏發電、并網光伏發電、分布式光伏發電【7】。5.1獨立光伏發電獨立光伏發電系統也叫離網光伏發電系統。主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負載供電，還需要配置交流逆變器【9,13】。（1） 原理光伏發電的核心部件是太陽能電池板，它將陽光的光能直接轉換為電能，并通過控制器將電能儲存于蓄電池中。當負載用電

11、時，蓄電池中的電能通過控制器合理的分配到各負載上。電池板產生的電流為直流電，可以直接以直流電的形式應用，也可以用交流逆變器將其轉換成交流電供交流負載使用。太陽能發電的電能可以即發即用，也可以用儲能裝置將電能儲存起來，在需要時使用。原理圖如下：（2）分類a.無蓄電池的直流光伏發電系統無蓄電池的直流光伏發電系統的特點是用電負載是直流負載，對負載使用時間沒有要求，負載主要在白天使用。太陽能電池與用電負載直接連接，有陽光時就發電供負載工作，無陽光時就停止工作。系統不需要使用控制器，也沒有蓄電池儲能裝置。無蓄電池的直流光伏發電系統的優點是省去了能量通過控制器及在蓄電池的存儲和釋放過程中造成的損失，提高了

12、太陽能利用效率。這種系統最典型的應用是太陽能光伏水泵。原理圖如下：b.有蓄電池的直流光伏發電系統有蓄電池的直流光伏發電系統由太陽能電池、充放電控制器、蓄電池以及直流負載等組成。有陽光進，太陽能電池將光能轉換為電能供負載使用，并同時向蓄電池存儲電能。夜間或陰雨天時，則由蓄電池向負載供電。這種系統應用廣泛，小到太陽能草坪燈、庭院燈，大到遠離電網的移動通信基站、微波中轉站，邊遠地區農村供電等。當系統容量和負載功率較大時，就需要配備太陽能電池方陣和蓄電池組了。原理圖如下：c. 交流及交、直流混合光伏發電系統交流及交、直流混合光伏發電系統與直流光伏發電系統相比，交流光伏發電系統多了一個交流逆變器，用以把

13、直流電轉換成交流電，為交流負載提供電能。交、直流混合光伏發電系統即能為直流負載供電，也能為交流負載供電。d.市電互補型光伏發電系統市電互補型光伏發電系統，就是在獨立光伏發電系統中以太陽能光伏發電為主，以普通220V交流電補充電能為輔。這樣光伏發電系統中太陽能電池和蓄電池的容量都可以設計得小一些，基本上是當天有陽光，當天就用太陽能發的電，遇到陰雨天時就用市電能量進行補充。我國大部分地區多年都有2/3以上的晴好天氣，這樣形式即減小了太陽能光伏發電系統的一次性投資，又有顯著的節能減排效果，是太陽能光伏發電在現階段推廣和普及過程中的一個過度性的好辦法【6】。原理圖如下： 5.2并網光伏發電并網光伏發電

14、系統就是太陽能組件產生的直流電經過并網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電這后直接接入公共電網【14】。并網光伏發電系統有集中式大型并網光伏電站一般都是國家級電站，主要特點是將所發電能直接輸送到電網，由電網統一調配向用戶供電【5】。但這種電站投資大、建設周期長、占地面積大，發展難度相對較大。而分散式小型并網光伏系統，特別是光伏建筑一體化發電系統，由于投資小、建設快、占地面積小、政策支持力度大等優點，是并網光伏發電的主流【8】。 （1）原理并網發電系統通過光伏數組將接收來的太陽輻射能量經過高頻直流轉換后變成高壓直流電，經過逆變器逆變后向電網輸出與電網電壓同頻、同相的正弦交流電流【4】。原理圖如下

15、：（2）分類a.有逆流并網光伏發電系統有逆流并網光伏發電系統：當太陽能光伏系統發出的電能充裕時，可將剩余電能饋入公共電網，向電網供電（賣電）；當太陽能光伏系統提供的電力不足時，由電能向負載供電（買電）。由于向電網供電時與電網供電的方向相反，所以稱為有逆流光伏發電系統。b.無逆流并網光伏發電系統無逆流并網光伏發電系統：太陽能光伏發電系統即使發電充裕也不向公共電網供電，但當太陽能光伏系統供電不足時，則由公共電網向負載供電。c.切換型并網光伏發電系統所謂切換型并網光伏發電系統，實際上是具有自動運行雙向切換的功能。一是當光伏發電系統因多云、陰雨天及自身故障等導致發電量不足時，切換器能自動切換到電網供電

16、一側，由電網向負載供電；二是當電網因為某種原因突然停電時，光伏系統可以自動切換使電網與光伏系統分離，成為獨立光伏發電系統工作狀態。有些切換型光伏發電系統，還可以在需要時斷開為一般負載的供電，接通對應急負載的供電。一般切換型并網發電系統都帶有儲能裝置。d.有儲能裝置的并網光伏發電系統有儲能裝置的并網光伏發電系統：就是在上述幾類光伏發電系統中根據需要配置儲能裝置。帶有儲能裝置的光伏系統主動性較強，當電網出現停電、限電及故障時，可獨立運行，正常向負載供電。因此帶有儲能裝置的并網光伏發電系統可以作為緊急通信電源、醫療設備、加油站、避難場所指示及照明等重要或應急負載的供電系統。5.3分布式光伏發電分布式

17、光伏發電特指在用戶場地附近建設，運行方式以用戶側自發自用、多余電量上網，且在配電系統平衡調節為特征的光伏發電設施。分布式光伏發電遵循因地制宜、清潔高效、分散布局、就近利用的原則，充分利用當地太陽能資源，替代和減少化石能源消費【11】。分布式光伏發電特指采用光伏組件，將太陽能直接轉換為電能的分布式發電系統【12】。它是一種新型的、具有廣闊發展前景的發電和能源綜合利用方式，它倡導就近發電，就近并網，就近轉換，就近使用的原則，不僅能夠有效提高同等規模光伏電站的發電量，同時還有效解決了電力在升壓及長途運輸中的損耗問題。目前應用最為廣泛的分布式光伏發電系統，是建在城市建筑物屋頂的光伏發電項目。該類項目必

18、須接入公共電網，與公共電網一起為附近的用戶供電。 （1）原理分布式光伏發電系統的基本設備包括光伏電池組件、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網逆變器、交流配電柜等設備，另外還有供電系統監控裝置和環境監測裝置。其運行模式是在有太陽輻射的條件下，光伏發電系統的太陽能電池組件陣列將太陽能轉換輸出的電能，經過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網逆變器逆變成交流電供給建筑自身負載，多余或不足的電力通過聯接電網來調節。 （2）特點一是輸出功率相對較小。二是污染小，環保效益突出。三是能夠在一定程度上緩解局地的用電緊張狀況。四是可以發電用電并存。 （3）應用場景分布式光伏發電系統應用范圍：可在農村、牧區

19、、山區，發展中的大、中、小城市或商業區附近建造，解決當地用戶用電需求。6現狀及發展分析太陽能光伏發電發電過程簡單，沒有機械轉動部件，不消耗燃料，不排放包括溫室氣體在內的任何物質，無噪聲、無污染【10】。太陽能資源分布廣泛且取之不盡、用之不竭。因此，與風力發電、生物質能發電和核電等新型發電技術相比，光伏發電是一種最具可持續發展理想特征(最豐富的資源和最潔凈的發電過程)的可再生能源發電技術，是一種非常具有潛力的能源，但也因其受氣候環境因素影響大，占地面積大，轉換效率低，能量密度低等缺點，使其發展受到一定限制，還有許多困難需要面對與克服。結束語本文簡單的介紹了太陽能光伏發電以及光伏發電的分類， 并對光伏發電的前景做了簡單分析。太陽能是一個具有很大發展潛力的綠色能源，但因其轉換效率低，成本高等特點，對其發展具有一定的限制，這是我們現下應該解決的問題。結合當下的環境及能源問題，客觀來看，太陽能是值得投入精力與資源發展的綠色能源。參考文獻1胡云巖,張瑞英,王軍. 中國太陽能光伏發電的發展現狀及前景N.河北科技大學學報, 2014,