基于提高太陽能發(fā)電效率的研究綜述

摘 要：石油煤礦資源的枯竭、生態(tài)環(huán)境的破壞逐漸證明了傳統(tǒng)的發(fā)展模式存在的弊端，尋找和采用新的能源已迫在眉睫。風(fēng)能，太陽能應(yīng)運(yùn)而生，但由于風(fēng)能存在的局限性比較大，所以利用太陽能成為一種大的發(fā)展趨勢。早期太陽能沒有發(fā)展起來，一方面是由于它的高成本，另一方面則是它的光電轉(zhuǎn)換效率低。但隨著科技的不斷發(fā)展，太陽能發(fā)電的成本不斷降低。文章則對(duì)太陽能的發(fā)電效率的提高進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞：太陽能；光伏發(fā)電；發(fā)電效率

1 概述

隨著全球能源需求不斷增長，經(jīng)過測算如果按照現(xiàn)在的需求水平，石油能夠使用的時(shí)間不足50年，然而經(jīng)科學(xué)家研究證明，太陽每年輻射在地表的能量相當(dāng)于130萬億噸的標(biāo)準(zhǔn)煤。如果這些能量能夠集中存儲(chǔ)利用起來，那么煤礦的枯竭現(xiàn)象會(huì)稍加緩解，生態(tài)環(huán)境也不會(huì)那么快惡化。早期太陽能發(fā)電沒有利用起來，是由于它的成本高，但隨著科技的日益發(fā)達(dá)，太陽能發(fā)電的成本在不斷降低，所以太陽能發(fā)電成為了這個(gè)社會(huì)環(huán)境下必不可少的產(chǎn)物。

1839年，法國科學(xué)家貝克雷爾發(fā)現(xiàn)了“光伏效應(yīng)”，但到1954年，在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室才首次制成了實(shí)用的單晶硅太陽電池，誕生了將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用技術(shù)，將人類使用太陽能發(fā)電推進(jìn)了一大步。但是，早期由于太陽能的發(fā)電成本太高，只是被使用在衛(wèi)星電源，鐵路信號(hào)燈而已。從1980年開始，國家開始對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給以支持，光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)入上升期，開始廣泛應(yīng)用于通信、交通、石油等各個(gè)領(lǐng)域。2002年，國家啟動(dòng)的“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計(jì)劃”，解決了西部800多個(gè)無電鄉(xiāng)的用電問題，其中光伏發(fā)電占據(jù)著主導(dǎo)地位。

目前我們的光伏產(chǎn)業(yè)遍布的行業(yè)已經(jīng)涉及到很多方面，比如太陽能路燈，通信，家電方面等。其他國家光伏發(fā)展現(xiàn)狀也是如日中天，像德國等國家推出的“太陽能屋頂計(jì)劃”，更是推動(dòng)了全球太陽能用電的發(fā)展。

隨著環(huán)境和能源問題的日益突出，我國對(duì)太陽能光伏發(fā)電的政策支持力度也在不斷擴(kuò)大，鼓勵(lì)各級(jí)地方政府，因地制宜地利用廢棄土地，荒山野嶺建筑屋頂?shù)染偷亟ㄔO(shè)分布式的光伏電站。

太陽能發(fā)電的局限性，就是光電轉(zhuǎn)換效率低。目前想在太陽能發(fā)電方面有所突破，就必須要解決這光電轉(zhuǎn)換效率低的問題。

2 光伏發(fā)電組成和原理

太陽能電池的內(nèi)部存在PN結(jié)，當(dāng)太陽光入射的能量大于硅禁帶寬度的時(shí)候，射入電池內(nèi)部的太陽光子把電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)。電子空穴對(duì)被內(nèi)電場分離，N型半導(dǎo)體中的電子和P型半導(dǎo)體中的空穴分別向?qū)Ψ綌U(kuò)散，最后電子則會(huì)留在N型半導(dǎo)體中，空穴留在P型半導(dǎo)體中，形成一個(gè)內(nèi)建電場。內(nèi)建電場使得N型半導(dǎo)體中的空穴和P型半導(dǎo)體中的電子被分別推向?qū)Ψ降膮^(qū)域，使得N型半導(dǎo)體積累了過剩的電子，P型半導(dǎo)體中積累了過剩的空穴，在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電勢。

太陽能光伏系統(tǒng)通常由光伏板，控制器，逆變器，蓄電池等設(shè)備組成。光伏板作為整個(gè)光伏發(fā)電的核心部分，提供電能，供負(fù)載使用，一般只有在有陽光照射的情況下才會(huì)輸出能量，所以為了避免發(fā)電量不足，采用蓄電池作為儲(chǔ)能元件?？刂破饕话闶怯沙潆婋娐?，放電電路和最大功率控制組成，是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，避免過充電和過放電的現(xiàn)象發(fā)生。逆變器的作用則是將直流電經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電，為交流負(fù)載提供電能。（圖1）

圖1

3 采用新型的電池原料

太陽能電池材料的要求需要半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬，要有較高的轉(zhuǎn)換效率，要對(duì)環(huán)境不造成污染，便于工業(yè)化的使用，結(jié)合這些要求，人們發(fā)現(xiàn)硅是最理想的材料。但是人們進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)像氮化銦這種半導(dǎo)體的禁帶比剛開始認(rèn)為的還要小，這一發(fā)現(xiàn)，使得以銦，鎵和氮的合金為基礎(chǔ)的光電池對(duì)所有的太陽光譜的輻射都比較靈敏。通過這種合金研制出的太陽能電池，不僅成本比較低，而且這種新型的太陽能電池比現(xiàn)有的更加高效。有關(guān)人員指出，用氮化銦和氮化鎵雙層制成的多級(jí)太陽能電池的效率可以達(dá)到理論極限最大效率的50%。

4 優(yōu)化生產(chǎn)工藝

電池片生產(chǎn)的每個(gè)步驟對(duì)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率都會(huì)產(chǎn)生影響。硅片的檢測：硅片的質(zhì)量直接決定了太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的高低，在生產(chǎn)電池片之前就必須對(duì)硅片表面不平整度、少子壽命、電阻率等這些參數(shù)進(jìn)行在線測量。制絨：太陽能電池制造的第一道常規(guī)工序即是去除硅片表面損傷層，目前主要采用化學(xué)腐蝕中的堿腐蝕，不僅可以有效地去除由于切片造成的表面損傷，而且還可在硅片表面形成一個(gè)具有限光作用的金字塔式的表面絨面構(gòu)造，能夠有效的減少光的反射作用。制作PN結(jié)：把三氯氧磷作為一種雜質(zhì)源，進(jìn)行磷擴(kuò)散形成型層。這種擴(kuò)散方法生產(chǎn)效率較高。鍍膜：光照射在硅片的表面時(shí)，因?yàn)榉瓷鋾?huì)使光損失約1/3，所以在硅背面需制備一層減反射膜，可以減少光的反射作用，電池的短路電流和輸出就能夠增加，效率也相應(yīng)的有所提高。印刷：實(shí)際上就是制作太陽能電池的正負(fù)兩個(gè)電極。在印刷的過程中，可以通過增加?xùn)啪€的數(shù)量，來達(dá)到最大的限度的收集光電流，并且盡可能的降低串聯(lián)電阻的大小，所以柵線應(yīng)越密越粗越好，然而這必然減少了硅電池的受光面積，大大增加成本。因此柵線的設(shè)計(jì)應(yīng)是受光面積與收集光電流及降低串聯(lián)電阻之間的合理匹配。燒結(jié)：使得電極的接觸具有電阻特性，提高轉(zhuǎn)換效率。

5 提高太陽輻射度

太陽能電池的發(fā)電量取決于它的輸出功率，當(dāng)輻射度變強(qiáng)時(shí)，電池開路電壓出現(xiàn)微弱的上升，短路電流明顯提升，從而使得輸出功率增大。下面從光跟蹤技術(shù)方面來提高太陽的輻射度，使得它的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高。

目前光跟蹤技術(shù)主要有兩種方法：視日運(yùn)行軌道跟蹤辦法和光電自動(dòng)跟蹤辦法。視日運(yùn)行軌道跟蹤技術(shù)的原理是電池陣列繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤太陽方位角的變化，使得電池陣列方位角和太陽方位角相同。

光電跟蹤技術(shù)是通過光傳感元件如光敏電阻等感知太陽光，由于太陽光入射角度的變化，會(huì)使傳感器之間產(chǎn)生偏差信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過放大器放大后，輸入到控制單元，控制單元計(jì)算出位置的偏差值，然后再驅(qū)動(dòng)裝置調(diào)整電池陣列的位置保持它與太陽光垂直。

6 最大功率跟蹤法

最大功率跟蹤法是指控制改變太陽電池陣列的輸出電壓或者電流的方法使陣列始終工作在最大功率點(diǎn)上。這里只介紹電導(dǎo)增量法，光伏陣列在某一條件下的PV曲線，曲線上存在一個(gè)最高點(diǎn)，從理論上來說這點(diǎn)就是功率輸出的最大點(diǎn)。擾動(dòng)觀察法只是在理想的狀態(tài)下才能達(dá)到最佳的效果，它只是將太陽能電池的功率的改變與電壓擾動(dòng)相聯(lián)系，使工作點(diǎn)慢慢靠近最大的功率點(diǎn)，這種方法不知道△U的方向，不是怎么精確，容易產(chǎn)生偏差。而電導(dǎo)增量法是以最大功率點(diǎn)的電壓作為依據(jù)，改變實(shí)際的工作電壓[1]。從PV曲線圖中可知，曲線為單峰值的曲線，在PMAX點(diǎn)處，功率對(duì)電壓的一階倒數(shù)為0，通過這種方法可以實(shí)施正確的跟蹤方向。電導(dǎo)增量法控制的靈敏度，穩(wěn)定度都比擾動(dòng)觀察法好，減少了功率振蕩的問題。

7 降低電池組件的溫度

光伏發(fā)電的效率對(duì)電池組件的溫度比較敏感，從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度上升的時(shí)候，電池組件中的熱激發(fā)電子占主導(dǎo)地位，電池短路電路稍加提升，開路電壓嚴(yán)重的下降，使得輸出功率下降。

經(jīng)過研究表明，在20-100攝氏度的范圍之內(nèi)，溫度大約每升1攝氏度，光伏電池的開路電壓將減小2mV，短路電流將增加千分之一，總的來說，溫度每升高1攝氏度，則功率減小0.35%。因此人們很快就想出使用冷卻系統(tǒng)進(jìn)行降溫，保證光伏組件運(yùn)行在低溫的狀態(tài)下。這種冷卻系統(tǒng)被分為兩類：一種是主冷卻系統(tǒng)，還有一種是被動(dòng)冷卻系統(tǒng)，兩種冷卻系統(tǒng)相比較，主冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是能夠最大化的利用太陽能，可靠性相對(duì)于被動(dòng)的冷卻系統(tǒng)來說較差，被動(dòng)冷卻系統(tǒng)在成本以及可靠性方面具有明顯優(yōu)勢。

8 結(jié)束語

隨著各國政府新能源政策實(shí)施力度的加強(qiáng)，以及太陽能發(fā)電技術(shù)的成熟，太陽能發(fā)電將在成本、性能和可靠性方面達(dá)到平衡，太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，具有儲(chǔ)量大，壽命長，無污染的優(yōu)點(diǎn)，成為最具潛力的一種新能源。而且太陽能發(fā)電在能源結(jié)構(gòu)中占的比例越來越大。從文中可以看出可以從多方面來進(jìn)一步提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率，如制作的材料，生產(chǎn)工藝，外界的環(huán)境，還有太陽電池的裝置等各個(gè)方面。

參考文獻(xiàn)

[1]趙勇強(qiáng).我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的近期進(jìn)展、挑戰(zhàn)和對(duì)策建議[J].宏觀經(jīng)濟(jì)研究，2009（2）：45-48.

[2]胡忠文.太陽能發(fā)電研究綜述[J].能源研究與管理，2011（1）.

[3]狄丹.太陽能光伏發(fā)電是理想的能源[J].華中電力，2008.

[4]楊貴恒，強(qiáng)生澤，張穎超，等.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[5]馮垛生.太陽能發(fā)電原理與應(yīng)用[M].人民郵電出版社，2007：95-96.

[6]王煥林.我國太陽能發(fā)展現(xiàn)狀[J].環(huán)境與生活，2009（4）：37-38.

[7]澳格林.太陽能電池工作原理、技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用[M].狄大衛(wèi)，等譯.上海交通大學(xué)出版社，2010：56-57.

[8]賀煒，郭愛娟，孟凡英，等.對(duì)多晶桂太陽電池性能影響的研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，2010，31（4）.

[9]曹倩苑.光伏發(fā)電的最大功率跟蹤研究[D].西安科技大學(xué)，2006.

[10]趙爭鳴，劉建政，孫曉英.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.