關(guān)于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展探討

熊成立 湖北科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院

引言

豐富的太陽輻射是一種取之不盡、物美價(jià)廉、免費(fèi)使用的能源，如果地球表面的太陽能有0.1%轉(zhuǎn)化為電力，假設(shè)5%的轉(zhuǎn)換效率，每年的發(fā)電量是世界能源消耗的40 倍。

截止到目前，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在我國得到了廣泛的應(yīng)用，太陽能發(fā)電設(shè)備隨處可見，已經(jīng)成為一種規(guī)模性的發(fā)電方式，在我國大西北建造有大范圍太陽能發(fā)電電站。中國已成為世界上最大的太陽能設(shè)備出口國。而且伴隨著技術(shù)的發(fā)展太陽能發(fā)電設(shè)備的價(jià)格也越來越低廉。

一、太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的技術(shù)簡介

所謂太陽能光伏發(fā)電技術(shù)就是使用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)。由于半導(dǎo)體的不同部分在光照條件下的電子運(yùn)動，產(chǎn)生了電位差。被稱為“光生伏特效應(yīng)”。基于這一原理，1954 年，美國科學(xué)家查克和皮爾松初次在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室制作了適用的單晶硅太陽能電池，誕生了將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的核心是太陽能電池的制造。根據(jù)半導(dǎo)體材料和制造工藝的不同可將太陽能電池分為不同種類，目前常見的太陽能電池有多晶硅薄膜太陽能電池、非晶硅薄膜太陽能電池、cdte 薄膜太陽能電池、砷化鎵（gaas）薄膜太陽能電池和硒銦銅（cis）太陽能電池。是一種薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極太陽能電池、納米晶體化學(xué)太陽能電池、染料敏感二氧化鈦（色素沉淀）太陽能電池等。

（一）太陽能光伏發(fā)電技術(shù)原理

太陽能電池是由半導(dǎo)體制成的，當(dāng)陽光照在半導(dǎo)體上，會引發(fā)光電反應(yīng)。由于光的照射會帶來光子，當(dāng)光子聚集到一定數(shù)量的時(shí)候，就會作用在半導(dǎo)體上，光子和半導(dǎo)體反應(yīng)就會產(chǎn)生電子與空穴，分別產(chǎn)生正電荷與負(fù)電荷，正電荷與負(fù)電荷分別聚集在半導(dǎo)體的兩端，這時(shí)用一根導(dǎo)線連接半導(dǎo)體兩端就會引起電荷的定向流動從而產(chǎn)生電流。然后用電磁收集并儲存產(chǎn)生的電能，再用逆變器改變電池中的電壓就可以為人們提供生活所需要的標(biāo)準(zhǔn)電壓了。

（二）太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要是太陽能電池組件、電力電子設(shè)備，如充放電控制器、變頻器、測試儀和計(jì)算機(jī)監(jiān)控，以及電池或其它儲能和輔助發(fā)電設(shè)備；其中最重要的是太陽能電池板。

1.太陽能電池板

太陽能電池板是系統(tǒng)的核心和最有潛力的部分。最有研究價(jià)值的部分，他可以把光能轉(zhuǎn)化成電能，然后把產(chǎn)生的電送往蓄電池單元存儲起開，現(xiàn)在我們用的太陽能電池板大都是以“硅”為主要材料制作而成，表面一般由透光率為高達(dá)%91 的鋼化玻璃又稱白玻璃這種高密度的鋼化玻璃對里面的硅制電池板有著非常穩(wěn)固的保護(hù)而且對光照的影響非常小，鋼鋁支架起保護(hù)支撐的作用，有非常好的抗機(jī)械沖擊作用?，F(xiàn)在太陽能電池板有三種單晶硅太陽能電池，純度為16.5%以上的高效率單晶硅可以保證電池板的高發(fā)電效率。

2.蓄電池單元

現(xiàn)在我們對蓄電池的要求有使用壽命長，充放電要安全，電量流失率低，電池維護(hù)率低等特性，由于太陽能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電量是巨大的所以單一的電池難以存儲，實(shí)際運(yùn)用中是由一系列的電池經(jīng)串聯(lián)，并聯(lián)來形成來的電池單元來使用，蓄電池的特性對整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用性有著非常重要的作用。目前，我國廣泛使用的太陽能電池是無鉛酸電池和膠體電池，這是由于其固有的“免費(fèi)”維護(hù)特性和較少的環(huán)境污染。它適用于可靠的太陽能發(fā)電系，特別是無人工作站。

3. 控制器

控制器的主要功能是保持太陽能發(fā)電系統(tǒng)的功率，使其始終在最高功率附近運(yùn)行，以獲得最大的電能，現(xiàn)在發(fā)明了一種太陽能追蹤系統(tǒng)，上面的感應(yīng)器能感知最佳的受光點(diǎn)從而得到最大的功率。控制器分為充電控制和放電控制，電荷控制通常使用pwm 控制來運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)的最大功率pm。放電控制的作用主要是在電池發(fā)生故障時(shí)及時(shí)切斷電源達(dá)到保護(hù)設(shè)備以及人員安全的作用。因此在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中充放電控制器是必不可少的。

4.逆變器

逆變器是用來把電池中的直流電通過一系列的變換變?yōu)榻涣饕约疤嵘妷旱淖饔糜赡孀儤?，控制邏輯和濾波電路組成現(xiàn)在的逆變器有兩種獨(dú)立逆變器和并網(wǎng)逆變器。實(shí)際運(yùn)用中獨(dú)立逆變器運(yùn)用在獨(dú)立的太陽能電池板，并網(wǎng)逆變器用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)。兩者因?yàn)槠涔δ艿牟煌迷诓煌膱龊?。逆變器可根?jù)輸出波形分為方波逆變器（輸出波形為方波）。正弦波逆變器（輸出的為正弦波）方波逆變器不僅造價(jià)低，電路比較簡單，但是波分量比較大所以只能用來對幾百瓦以下的系統(tǒng)進(jìn)行電壓的逆變，與之相比的正弦波逆變器這是適用于各種負(fù)載的系統(tǒng)但是相比較起來成本也比較高。

二、太陽能光伏發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：沒有像風(fēng)力發(fā)電設(shè)備那樣的旋轉(zhuǎn)設(shè)備所以沒有噪音，太陽能作為可再生能源可以永久使用不用擔(dān)心能源耗盡問題，太陽能電池板使用壽命長達(dá)20 年非常穩(wěn)定，太陽能發(fā)電系統(tǒng)維護(hù)起來相對簡單維護(hù)成本也相對較低，維護(hù)起來危險(xiǎn)系數(shù)也是非常低的，一個(gè)太陽能發(fā)電站即使發(fā)生大的事故也不會造成太大的環(huán)境污染。太陽能發(fā)電站建立也比較容易建設(shè)周期比起水力發(fā)電以及風(fēng)力發(fā)電要短得多，而且可以更具太陽的大小來減少電池板的數(shù)量來減少浪費(fèi)，可以說太能發(fā)電是一種完全綠色無污染的技術(shù)，但是它也有缺點(diǎn)：天氣因素的限制，電能的存儲問題 ，電池板搭建以后對空中鳥類的危害，電能產(chǎn)生的效率過低，太陽能電池板制作成本太大，大約為常規(guī)的發(fā)電設(shè)備的3 至15 倍等等。

三、結(jié)束語

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展伴隨著能源的巨大消耗，煤、石油、天然氣等化石燃料即將在本世紀(jì)耗盡，此時(shí)太陽能作為一種綠色環(huán)保的可再生能源給人們帶來了希望，中國在太陽能發(fā)電方面有著非常大的應(yīng)用，世界上的太陽能份額將變得越來越重，廣闊的沙漠地區(qū)有著非常充分的日照只要在全球4%的沙漠覆蓋上太陽能電池板所產(chǎn)生的電能就可以滿足全球各行各業(yè)的用電需求。因此，太陽能的發(fā)展將是巨大的。太陽能發(fā)電的技術(shù)的研究和探討將是全世界學(xué)者的重大話題。