王光偉，沈 潔，楊 旭，張 巍，葛 穎，許書云

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222；2.天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息與自動化系，天津 300180）

太陽能光伏發(fā)電主要技術(shù)及應(yīng)用評述

王光偉1，沈 潔2，楊 旭1，張 巍1，葛 穎1，許書云1

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222；2.天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息與自動化系，天津 300180）

論述了太陽能光伏發(fā)電的基本原理、設(shè)備和實際應(yīng)用。重點評述了具有重要現(xiàn)實意義的太陽能發(fā)電系統(tǒng)和光伏電站建設(shè)，指出了光伏發(fā)電技術(shù)存在的優(yōu)缺點，提出了改進建議，并對發(fā)展前景做了展望。

太陽能利用；光生伏特效應(yīng)；光伏發(fā)電；太陽能發(fā)電系統(tǒng)；光伏電站

Photovoltaic power station

如今，能源短缺和環(huán)境污染是困擾人類生存的突出問題，在中國尤為明顯，因為我國有13億人口，技術(shù)和裝備總體上較落后，人均資源占有量不到全球平均水平。從世界范圍看，人口在增長，化石能源（石油、天然氣和煤炭等）將在百年左右耗盡，不可再生。所以，一方面依靠科技進步節(jié)能減排；另一方面，開發(fā)利用可再生清潔能源成為一個全球性的緊迫課題。在綠色可再生能源中，太陽能首屈一指，因為太陽能取之不盡，用之不竭，總量巨大，可直接利用，對環(huán)境無害。當(dāng)然，太陽能也有分散、不穩(wěn)定、利用效率低和成本高等嚴重缺點。盡管如此，世界各國認識到，社會可持續(xù)發(fā)展應(yīng)建立在盡可能多地用清潔能源替代礦物能源，最大限度減少污染物排放，保護環(huán)境。因此，從長遠看，太陽能利用新技術(shù)和裝置的研發(fā)必將越來越受到重視，亦會在全球范圍內(nèi)逐步推廣應(yīng)用[1]。本文從太陽能光伏發(fā)電的基本原理、裝置和技術(shù)應(yīng)用的角度予以分析，以期對本領(lǐng)域的工作者有所啟示。

1 太陽能光伏發(fā)電

1.1 發(fā)電原理

太陽能光伏發(fā)電的基本部件是光伏電池（太陽能電池）。其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體PN結(jié)，當(dāng)太陽光照射到PN結(jié)上時，大于禁帶寬度的光子能量被電子吸收，電子從價帶頂躍遷至導(dǎo)帶底，產(chǎn)生電子-空穴對，在PN結(jié)內(nèi)建電場作用下分離，載流子傳輸、被收集，形成電動勢，通過電極連接外電路，產(chǎn)生電流，輸出功率。由于電池對陽光的反射、選擇吸收、發(fā)熱以及載流子的復(fù)合、陷阱等效應(yīng)而造成電子-空穴數(shù)目減少，因此電池的光電轉(zhuǎn)換效率和理論值尚有較大差距。

1.2 光伏電池及其分類

第1代晶體硅電池和第2代薄膜型電池已商業(yè)化。薄膜型電池主要有硅基薄膜型以及化合物半導(dǎo)體薄膜型等，半導(dǎo)體層比第一代更?。?～3 μm），可做成多結(jié)疊層結(jié)構(gòu)，其特點是成本低，光電轉(zhuǎn)換效率也較低[2]。目前來看，薄膜電池有良好的發(fā)展?jié)撡|(zhì)和市場空間，在未來較長一段時間內(nèi)，基于單晶硅與多晶硅光伏電池仍將是市場上的主流產(chǎn)品。

經(jīng)過多年研發(fā)，現(xiàn)在，第3代光伏電池（如疊層光伏電池、多帶隙緩變光伏電池、量子點電池、染料敏化電池和熱載流子太陽電池等）在快速發(fā)展中，目前接近實用的有疊層多能隙電池、納米光伏電池和玻璃窗式光伏電池等。圖1是一種基于非晶硅/非晶鍺硅的多層電池的剖面圖[3]。

圖1 基于非晶硅/非晶鍺硅的多層電池的結(jié)構(gòu)示意圖

第3代光伏電池的效率較高，得益于減少熱損耗、增加光子能量利用率和減小電池的內(nèi)阻[4]。第3代電池成本大大降低的原因是采用價格較低的絲網(wǎng)印刷和涂層技術(shù)，在制程中耗能較少，設(shè)備投資較低。第3代電池不需要第1、2代光伏電池制作所必需的超凈室內(nèi)環(huán)境。它可在塑料、陶瓷以及有機材料等廉價基板上制作，電池材料的吸光率高，在弱光下也能工作，厚度只有幾微米，透明度好，可通過絲網(wǎng)印刷印在窗戶玻璃甚至衣料上。因此，可以把光伏電池安裝在建筑物內(nèi)，或集成在可穿戴產(chǎn)品里。

1.3 光伏組件

單個電池片的電壓和電流很小，有必要把若干個電池片串并聯(lián)焊接起來，按一定方式裝配封裝在一塊較大面積的背板上，加上鋁合金邊框和引線，獲得較大的電壓和電流，稱作光伏電池板（電池組件）。封裝的好壞直接決定光伏組件工作的可靠性[5]。光伏組件是光伏方陣的一個單元，其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，給蓄電池充電或推動負載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本決定著整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本[6-7]。圖2示出了太陽能電池板的構(gòu)成及剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 太陽能電池板的構(gòu)成和剖面結(jié)構(gòu)示意圖

光伏電池板表層是鋼化絨面玻璃，用來保護發(fā)電主體電池片，減少光反射。鋼化玻璃之下是透明EVA（乙烯-醋酸乙烯酯共聚物）膠膜，用來粘結(jié)鋼化玻璃和電池片，EVA材質(zhì)的優(yōu)劣影響組件的性能和壽命，暴露在空氣中的EVA易老化發(fā)黃，降低組件的透光率和發(fā)電功率。通過引入無定形結(jié)構(gòu)的乙烯醋酸酯共聚鏈段（一般是33%左右）可提高材料的韌性和透明度[8]。除了EVA本身質(zhì)量外，層壓工藝影響也很大，如EVA粘度不達標，EVA與鋼化玻璃、背板粘接強度不夠，造成EVA提早老化，縮短組件壽命。電池片的功能是發(fā)電，當(dāng)前市場的主流產(chǎn)品是晶體硅太陽電池片（包括單晶硅和多晶硅）。電池片之下的一層EVA用來粘結(jié)電池片和背板。背板的作用是支撐、密封、絕緣、防水，一般用TPT、TPE等材質(zhì)，必須耐老化，關(guān)鍵在于背板和硅膠是否達標。最外邊的鋁合金邊框用來保護層壓部件，起密封、支撐和抗沖擊作用。光伏板背面有接線盒，串接二極管，防止反充電，也起到電流旁路的作用。如果組件有短路，接線盒自動斷開短路的電池串，防止燒壞整個系統(tǒng)。接線盒中二極管的選用，要和電池片的類型匹配。

1.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽電池板（方陣）、充放電控制器、逆變器、蓄電池、太陽跟蹤控制器和交流配電柜等設(shè)備組成[9]。光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)之前，應(yīng)先預(yù)先規(guī)劃，進行輸出電壓、電流和功率計算以及蓄電池容量設(shè)計，做好最大功率點追蹤控制和逆變控制[10]。在光伏方陣里，注意監(jiān)測熱斑效應(yīng)，它有可能導(dǎo)致整個發(fā)電系統(tǒng)癱瘓[11]。充放電控制器是防止蓄電池過充電和過放電的設(shè)備。通過控制蓄電池的充放電電壓和電流，合理對負載輸出電能[12]。市面上有以單片機為核心的光伏充放電控制器出售，成本低，可靠性高，它對太陽能電池板電壓、蓄電池電壓、充電電流、環(huán)境溫度等參數(shù)檢測判斷，控制開關(guān)管的通斷，實現(xiàn)充放電控制和保護功能[13-14]。我國目前與太陽能發(fā)電系統(tǒng)使用的蓄電池主要有鉛酸蓄電池和鎘鎳蓄電池。研究表明，基于電流調(diào)節(jié)的蓄電池充電控制策略可充分利用光伏電能，盡快提升蓄電池的荷電狀態(tài)。系統(tǒng)全年運行結(jié)果表明，分組管理有利于改善蓄電池處于欠充電狀態(tài)，有效延長其使用壽命[15]。

太陽能電池是直流電源，對交流負載，系統(tǒng)須接入逆變器。逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備。逆變器分為用于離網(wǎng)太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)的獨立逆變器和并網(wǎng)逆變器。并網(wǎng)逆變器作為太陽能電池與電網(wǎng)間的關(guān)鍵接口裝置，將光伏電池電壓較低、變化范圍較廣的直流電轉(zhuǎn)換成交流電并傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。在光伏電池電壓較低時，采用兩級高頻逆變技術(shù)，前級采用DC-DC變換器升壓，后級采用DC-AC三相全橋逆變，得到需要的三相交流電[16]。目前，市場上受歡迎的是適用于各種負載的正弦波逆變器。此外，逆變器還有過載保護、短路保護、接反保護、過欠壓保護和溫度補償?shù)裙δ堋Ｄ孀兤鹘尤腚娋W(wǎng)，應(yīng)滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量、防止孤島效應(yīng)和安全隔離接地3個要求[17]。目前，將控制器和逆變器結(jié)合在一起的逆控一體機已經(jīng)面世。

太陽跟蹤控制器是根據(jù)安放點的經(jīng)緯度等信息計算1年當(dāng)中每1天不同時刻太陽的角度，將每個時刻的太陽位置存儲到可編程邏輯控制器（PLC）、單片機或電腦中，靠計算太陽位置來實現(xiàn)實時跟蹤，以獲取最大電功率輸出（光伏發(fā)電最大功率點追蹤）。劉麗紅采用地平坐標系下的太陽跟蹤系統(tǒng)，運用太陽運動軌跡跟蹤和光強傳感器相結(jié)合的方法，由光強傳感器的檢測結(jié)果來判斷天氣狀況，控制跟蹤的啟停，用天文公式計算太陽的運行軌跡來確定太陽的方位，利用單片機MSP430f149輸出控制信號，控制云臺帶動太陽能電池板運動，實現(xiàn)太陽光垂直入射電池板，提高太陽能輻射利用率，提升光伏系統(tǒng)發(fā)電效率[18]。研究表明，與非跟蹤方式比較，帶太陽跟蹤控制器的光伏系統(tǒng)發(fā)電效率提高35%[19]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)接入的不同，可分為分布式（離網(wǎng)）光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。2013年11月，國家能源局發(fā)布了《分布式光伏發(fā)電項目管理暫行辦法》，對規(guī)范分布式光伏發(fā)電項目建設(shè)管理，推進分布式光伏發(fā)電應(yīng)用起到了很好的作用。圖3給出了離網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)組成框圖[20]。為了使太陽能發(fā)電系統(tǒng)能為負載提供足夠的電源，應(yīng)根據(jù)用電器的功率，合理選擇各部件。下面以100 W輸出功率，每天使用6 h為例，介紹一下計算方法：

（i）首先，算出每天消耗的瓦時數(shù)（包括逆變器的損耗）：若逆變器的轉(zhuǎn)換效率為90%，則當(dāng)輸出功率為100 W時，則實際輸出功率應(yīng)為100 W/90%=111 W；若按每天使用5h，則耗電量為111 W×5 h=555 Wh。

（ii）電池板輸出功率：按每日有效日照時間為6 h計算，太陽能電池板的實際輸出功率應(yīng)為555 Wh/6 h/ 70%=132.1 W。其中70%是考慮了充電效率和充電過程中的損耗。

圖3 離網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)組成框圖

1.5 光伏電站

系指與電網(wǎng)相連并向電網(wǎng)輸送電能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，是太陽能光伏利用的主要發(fā)展趨勢[21]。并網(wǎng)光伏電站主要由光伏陣列、具有最大功率跟蹤功能的逆變裝置及濾波電容器、濾波電感器、變壓器和控制系統(tǒng)等組成，并網(wǎng)逆變器是其中的關(guān)鍵設(shè)備[22-23]。目前，諧波是制約光伏電站并網(wǎng)最主要的問題之一，很多大型并網(wǎng)光伏電站存在諧波超標，在低光照條件下更加突出[24]。

帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有調(diào)度性，可根據(jù)需要并入或退出電網(wǎng)，有備用電源的功能，當(dāng)電網(wǎng)因故停電時可緊急供電。這種光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)常常安裝在居民建筑上，在保證建筑物供電的同時，把多余電力供給電網(wǎng)，簡化了蓄電池的配置[25]。不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)沒有可調(diào)度性和備用電源的功能，一般安裝在大、中型工業(yè)系統(tǒng)上。圖4為不帶蓄電池的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)組成圖[26]。

圖4 一種不帶蓄電池的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)組成圖

集中式大型并網(wǎng)光伏電站將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配，向用戶供電。分散式小型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，特別是光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)（BIPV），具有投資小、見效快、占地小、政策扶持力度大等優(yōu)點，是并網(wǎng)光伏發(fā)電發(fā)展的主流方向之一。并網(wǎng)光伏電站維護應(yīng)注意的問題，包括由于各種故障、電性能不匹配和損耗引起的發(fā)電量低于預(yù)期值等[27]。

2 光伏發(fā)電的應(yīng)用

太陽能光伏發(fā)電已成為太陽能利用最基本、最普遍和最有前景的形式之一，在通訊、農(nóng)業(yè)、照明和家用等方面有廣泛的應(yīng)用。

在通訊/通信領(lǐng)域，可設(shè)置太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通訊電源系統(tǒng)、載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機、士兵GPS供電等。在農(nóng)業(yè)上，有基于光伏水泵、太陽能殺蟲燈、太陽能哄鳥器、太陽能滴灌設(shè)備等。在照明上，有單塊光伏電池供電的手機充電器、LED電源和太陽能手電等；也有基于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的路燈、景觀燈、廣告燈箱等。在居家生活中，光伏發(fā)電系統(tǒng)可為用戶提供中小型電源，為小家電、充電器、庭院燈、草坪燈等供電。將太陽能發(fā)電系統(tǒng)與建筑物結(jié)合，使未來的大型建筑基本實現(xiàn)太陽能電力自給。與汽車技術(shù)結(jié)合，開發(fā)太陽能驅(qū)動的新型混合動力汽車，是太陽能發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展方向。現(xiàn)在，在一些有條件的地區(qū)，把風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電結(jié)合于一體的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)方興未艾，其特點是夜間和陰雨天由風(fēng)力發(fā)電，晴天由太陽能發(fā)電，在既有風(fēng)又有太陽的情況下兩者同時發(fā)揮作用，實現(xiàn)了全天候發(fā)電，比單用風(fēng)機和太陽能更經(jīng)濟、科學(xué)和實用。

3 存在的問題及改進建議

由于太陽光輻射能量密度小，獲得的電能同季節(jié)、晝夜及陰晴等氣象條件有關(guān)，發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池板占地面積較大，光伏電池轉(zhuǎn)換效率低以及生產(chǎn)中會造成環(huán)境污染等缺點是制約光伏事業(yè)發(fā)展的瓶頸因素。當(dāng)前，光伏系統(tǒng)初始投資高，上網(wǎng)電價比較貴（為常規(guī)電價的3～15倍）。在我國，光伏產(chǎn)業(yè)尚未建立起全面的技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新體系，缺乏相關(guān)高科技產(chǎn)業(yè)的支撐，因此我國太陽能電池和組件關(guān)鍵生產(chǎn)制造設(shè)備基本依賴進口。所以，第一，應(yīng)積極創(chuàng)新、改進太陽能電池技術(shù)，提高光電轉(zhuǎn)換效率，降低成本，特別注重從原理、結(jié)構(gòu)和材料角度創(chuàng)新光伏電池技術(shù)（如新型納米光化學(xué)電池等）。第二，從系統(tǒng)的角度，創(chuàng)新并網(wǎng)光伏發(fā)電技術(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)，因地制宜，合理建站，開發(fā)諸如風(fēng)光互補等發(fā)電技術(shù)，彌補光伏發(fā)電的不足。第三，國家應(yīng)加大對上網(wǎng)光伏電價的補貼力度，各地應(yīng)完善相應(yīng)的配套措施，鼓勵更多戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)向國家電網(wǎng)賣電，以體現(xiàn)對綠色可再生能源的扶持政策。第四，鑒于我國光伏應(yīng)用專業(yè)人才的巨量缺口，建議教育主管部門組織實驗實訓(xùn)條件具備的職業(yè)院校，盡快論證設(shè)立應(yīng)用光伏學(xué)專業(yè)的必要性和可行性，為我國培養(yǎng)太陽能光伏專業(yè)人才搭建平臺。

4 前景展望

當(dāng)前，研發(fā)基于新原理、新材料及新結(jié)構(gòu)的太陽能電池是提高效率和降低成本的主要思路。從原理上，應(yīng)研究基于量子效應(yīng)、納米特性和光化學(xué)效應(yīng)的新型電池。材料上，大力研發(fā)基于非晶硅、微晶硅、納米硅等薄膜硅系列的疊層電池和化合物薄膜電池，它們具有成本低，弱光適應(yīng)性強等優(yōu)點。化合物薄膜電池，如碲化鎘太陽電池、砷化鎵太陽電池、銅銦鎵硒電池等，效率已接近晶體硅水平，發(fā)展前景不錯。從技術(shù)改進角度，開發(fā)諸如聚光型光伏電池、玻璃窗式電池及可穿戴柔性電池等。另外，積極制訂和推行建筑設(shè)計、施工與太陽能光伏產(chǎn)品一體化的標準，規(guī)范光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝，使二者融合得更好。國家要適時出臺太陽能光伏產(chǎn)品的支持政策，加大投入力度，把諸如太陽能汽車、太陽能家電等產(chǎn)品的研發(fā)作為優(yōu)先方向，使太陽能利用的范圍更廣，強度更大，深度更深。

5 結(jié)束語

本文從介紹太陽能光伏發(fā)電基本原理入手，論述了光伏發(fā)電系統(tǒng)組成、設(shè)備和運行特點，強調(diào)了光伏發(fā)電在節(jié)能環(huán)保方面的優(yōu)越性，指出了不足之處及改進措施。今后研發(fā)的重點應(yīng)從原理、材料和制造工藝上創(chuàng)新太陽能電池技術(shù)，優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)，合理建設(shè)光伏電站，解決光伏發(fā)電并網(wǎng)的一些突出問題，以提高發(fā)電效率，降低成本。

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Review on the main technologies and applications of photovoltaic power generation

WANG Guang-wei1，SHEN Jie2，YANG Xu1，ZHANG Wei1，GE Ying1，XU Shu-yun1
（1.School of Electronic Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.Department of electronic information and automation，Tianjin light industry vocational technical college，Tianjin 300180，China）

It has been elucidated the fundamentals of solar photovoltaic electricity generation，equipments and practical applications.The construction of photovoltaic power generation system and photovoltaic power station with vital practical significance has been reviewed in a focused manner.Meanwhile，it has been pointed out that the advantages and disadvantages of photovoltaic power generation technology，recommendations for improvement have been put forward and the development prospect was also forecast.

Solar energy utilization；Photovoltaic effect；Photovoltaic power generation；solar energy generating system；

TK514，TK519

A

2095－0926（2014）04－0001－04

2014-00-00

天津市人社局職業(yè)培訓(xùn)包項目（TJPXB02-07）

光 偉(1971—)，男，山東省濱州市人，博士后，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為新型太陽能電池和太陽能利用新技術(shù).