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            太阳能光伏发电技术

            发布时间: 2016-07-09 16:28:04   作者:无   来源:

            第一部分:概述

            第二部分:技术原理

            第三部分:国内发展和应用现状

            第四部分;国外发展和应用现状

            第五部分:供应商信息

            第六部分:经典案例

            第七部分:参考文献

             
            概述
            光伏发电技术(Photovoltaic)是将太阳能转化为电能的技术,其核心是可释放电子的半导体物质。最常用的半导体材料是在地壳中储量丰富的硅。太阳能光伏电池有两层半导体,一层为正极,一层为负极。阳光照射在半导体上时,两极交界处产生电流。阳光强度越大,电流就越强。太阳能光伏系统不仅只在强烈阳光下运作,在阴天也能发电。由于反射阳光,少云的天气甚至比晴天发电效果更好。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池(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。中国国产晶体硅电池效率在10至13%左右,国际上同类产品效率约12至14%。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。
            光伏发电产品主要用于三大方面:一是为无电场合提供电源;二是太阳能日用电子产品,如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地各种灯具等;三是并网发电,这在发达国家已经大面积推广实施。到2009年,中国并网发电还未开始全面推广,不过,2008年北京奥运会部分用电是由太阳能发电和风力发电提供的。
             
            技术原理
            1太阳能光伏发电原理简介
            P型半导体和N型半导体接合后,在接合面上,电子从N型区向P型区流动,空穴从P型区向N型区流动,稳定后,在接合面形成电势差,产生由N型区指向P型区的“内建电场”,如图1、图2所示,即形成PN结。
            太阳光照射PN结时,在半导体原子内的电子受激发,产生电子一空穴对,如图3所示。外部电路连接好后,在“内电场”的作用下,将有电流产生,从而为外电路供电源。
            2太阳能光伏电池分类及应用
            晶体硅系列太阳能电池中,单晶硅太阳能光伏电池转换效率最高,技术最成熟,使用寿命也最长。单晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率已经达到了24.7%,规模生产的单晶硅太阳能电池效率为15%。单晶硅太阳能电池主要用于光伏电站、航空器的电源以及聚焦光伏发电系统等。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率能够达到20.3%,规模生产的多晶硅太阳能电池效率可达10%。多晶硅的制作成本比单晶硅低很多,但多晶硅由于存在晶界和晶粒取向的影响,导致其寿命比单晶硅太阳能电池低很多,并且转换效率不高.多晶硅太阳能电池主要用于光伏电站和光伏建筑材料使用,如光伏幕墙或屋顶光伏系统。
            2.2非晶硅薄膜太阳能电池
            非晶硅薄膜太阳能电池是在特定的基体上,通过化学或物理方法淀积非晶硅薄膜形成PN结而制作的太阳能电池。这种方法电耗很低,硅材料消耗很少,材料成本远低于硅晶体电池,许多材料都可以作为基体材料,如不锈钢、玻璃等,甚至可以采用聚合材料制作成柔性太阳能电池。在弱光条件非晶硅太阳能电池也能发电,非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大,是单晶硅的40倍,1mm厚的非晶硅薄膜,可以吸收大约90%有用的太阳光能。Kin等利用稀释PECVD法在低纯度硅片上制备出a—Si:H/c—Si异质结太阳能电池转化效率达到12.5%。缺点是非晶硅太阳电池与晶体硅太阳能光伏电池相比光电转换效率较低,稳定性较差[83;非晶硅薄膜电池的光学带隙(1.7eV)与太阳光光谱不匹配,所以限制了非晶硅太阳能电池的转化效率,并且其光电效率会随光照时间增加而衰减。非晶硅太阳能电池常用于光伏电池建筑幕墙发电,以及为小型太阳能用电器如计算器、LCD掌上游戏机、电子表、便携收音机等供电。
            2.3化合物太阳能电池
            化合物太阳电池是由两种以上的半导体元素构成的太阳能电池,主要有I—V族化合物太阳电池、I-Vl族化合物太阳电池以及三元化合物太阳电池等。化合物太阳能电池优点:抗辐射性能好;材料消耗少;化合物半导体材料的带隙约为1.40 eV,与太阳光谱匹配性好。目前,CdTe/CdS薄膜太阳能电池的实验室转化效率达到16.5%。Contreras们和Egaas在不同条件下得到的Cu(In,Ga)Se2太阳能电池的转化效率分别为19.5%和20%.化合物太阳能电池由于包含某些稀少的元素,所以不适合大规模利用;某些构成元素有毒,对环境会造成污染。化合物太阳能电池主要用于宇宙发电领域,为人造卫星提供电源。
            2.4有机太阳能电池
            有机太阳能电池是指以有机材料构成核心部分的新型太阳能电池,主要有色素增感太阳能电池和有机薄膜太阳能电池两种。有机太阳能电池的优点是制造成本低,耗能少而且这种太阳电池柔软性较好,可以制成各种形状;加工容易,可大面积成膜;化学可变性大,原料来源广泛。有机太阳能电池可以有多种途径改变和提高材料光谱吸收能力、扩展光谱吸收范围,并提高载流子的传送能力m3。有机薄膜太阳能电池的转换效率为6。5%,目前色素增感太阳能电池的最高转换效率可达lo%。有机太阳能电池载流子迁移率比无机半导体低,稳定性差,使用寿命短。色素增感有机太阳能电池。
            3太阳能电池应用的主要技术问题
            太阳能电池存在的主要问题是光电转换率低,围绕这一问题,主要开展以下应用技术方面的研究。
            3.1提高太阳光的利用率
            通过在材料进光面上制备特殊表面结构,如绒面和V槽面等提高光能利用率。有文献报道[1引,采用化学腐蚀方法在单晶硅太阳能电池表面上制备出许多极小尺寸(1~2,um)的金字塔状或V型的凹凸层。在这种表面结构上,入射光在经入射表面第一次反射后,又得到了第二次入射硅衬底的机会,从而提高了光能利用率。使用这种结构后,规模生产的单晶硅太阳能电池最高转换效率可增加到18%。
            麻省理工大学的研究人员利用反应性粒子刻蚀技术,在多晶硅太阳能电池表面增加纹理,使得多晶硅太阳能电池的转换率明显提高。但这种技术在降低表面反射的同时也增加表面载流子的复合,且其工序时间较长,因此,给工业化生产带来不便。
            此外,采用减反射膜技术口副,阻止太阳能电池表面对太阳光的反射造成的效率损失。硅太阳能电池常用的单层减反射膜有SiO。、Ta。O;、TiO。等,双层减反射膜有Ta:O。、TiO:等薄膜。膜的制备方法有化学气相沉积法和物理气相沉积法等。
            在多晶硅太阳能电池中用铝等金属做成反射镜,可以使长波长的光不会透射出电池,从而增加太阳光线在太阳能电池中的停留时间,达到提高太阳光的利用率的目的。为防止在衬底的背面附近由于载流子的复合引起效率的降低可以采用背电场技术。背电场技术是指在衬底的背面实现与衬底同类型的高浓度掺杂的技术,背电场技术对高电阻率衬底的硅太阳能电池效率的提高很明显,经背电场技术处理后规模化生产的单晶硅太阳能电池的转换效率可达15%~20%。硅太阳能电池中,电池表面的栅线的遮光影响很严重。通过激光或机械刻槽埋栅线技术可以大大减少遮光造成的效率损失。目前这方面的研究也在继续进行中。
            薄膜太阳能电池采用氟的等离子处理技术,使表面光的散射发生变化,增加了光线在太阳能电池中的停留时间,从而提高光电转换效率。在有机太阳能电池中,导电玻璃基底上的光生电子与电解液中的的复合,是造成染料敏化太阳能电池转换效率降低的原因,通过在光阳极导电玻璃基底上制备阻挡层薄膜,可以有效提高转换效率。
            3.2减少太阳能电池中的能量损失
            研究表明,造成太阳电池能量损失的主要因素有:(1)第一位的损失是热损失,光生载流子对能很快地将能带多余的能量以热的形式损失掉。(2)另一主要损失是电子一空穴对引起的。(3)还有一部分能量是由PN结接触电压损失引起的。为减少热损失,可设法使通过电池的光子能量恰好大于能带能量,使光子的能量激发出的光生载流子无多余的能量损失。为减少电子一空穴结合所造成的损失,可设法延长光生载流子寿命,这可通过消除不必要的缺陷来实现。减少PN结的接触电压损失,可通过聚集太阳光以加大光子密度的方法来实现。
            在多晶硅太阳能电池中,通过改进采集硅板电流的银丝布局,减少电流在传输过程中的损耗,从而提高银丝采集电流的效率。
            目前,澳大利亚和美国分别提出了第三代太阳电池的概念进行研究探索。由马丁•格林教授领导的新南威尔士大学第三代太阳电池研究中心,正积极开展高效太阳电池的理论研究工作和科学实验工作。研究的重点是如何充分收集由价带跃迁到高层导带的载流子,提出了“超晶格”电池、“热载流子”电池、新型“叠层”电池和“热光伏”电池等概念。
            3.3采用复合结构提高太阳能电池的综合性能
            非晶硅太阳能电池通过进行层叠结构,增加太阳光的利用率,也使得非晶硅太阳能电池的实验室光电转换效率有所提高。通过研发新工艺,采用复合结构提高太阳能电池的综合性能。现在正研究的HIT太阳能电池是由单晶硅和非晶硅(a—Si)进行叠层得到的新型太阳能电池,它既具有晶体硅电池的高光电转化效率、高稳定性的优势,又具有氢化非晶硅a—Si:H薄膜材料的性能优点,成为新的研究热点。
            2.2.1太阳能电池方阵
            2.2.1.1定义和作用
            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"光生伏打效应"。在光生伏打效应的作用下,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。
            2.2.1.2太阳能电池方阵技术支持
            ①单晶硅太阳能电池:单晶硅太阳能电池,是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池,是当前开发得最快的一种太阳能电池。单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%,规模生产时的效率为15%。
            ②多晶硅薄膜太阳电池:是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上。用相对薄的晶体硅层作为太阳电池的激活层,不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性。而且材料的用量大幅度下降。明显地降低了电池成本多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样 。是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。光与半导体的相互作用可以产生光生载流子。当将所产生的电子空穴对靠半导体 内形成的势垒分开到两极时,两极问会产生电势。
            ③非晶硅薄膜太阳能电池:是以玻璃、不锈钢及特种塑料为衬底的薄膜太阳电池。非晶硅电池一般采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Depp——等离子增强型化学气相沉积)方法使高纯硅烷等气体分解沉积而成的。
            2.2.2蓄电池组:
            2.2.2.1定义和作用
            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。
            2.2.2.2蓄电池技术支持
            ①铅酸蓄电池: 电极主要由铅及其氧化物制成,电解液是硫酸溶液的一种蓄电池.。在电池中,一部分数量的电解液被吸收在极片和隔板中,以此增加负极吸氧能力,阻止电解液损耗,使电池能够实现密封。
            ②镉镍蓄电池:
             
            国内发展和应用现状
            我国对太阳能电池的研究开发工作高度重视,早在七五期间,非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题;八五和九五期间,我国把研究开发的重点放在大面积太阳能电池等方面。2003年10月,国家发改委、科技部制定出未来5年太阳能资源开发计划,发改委"光明工程"将筹资100亿元用于推进太阳能发电技术的应用,计划到2015年全国太阳能发电系统总装机容量达到300兆瓦。
            到2007年年底,中国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦(100MW),从事太阳能电池生产的企业达到50余家,太阳能电池生产能力达到290万千瓦(2900MW),太阳能电池年产量达到1188MW,超过日本和欧洲,并已初步建立起从原材料生产到光伏系统建设等多个环节组成的完整产业链,特别是多晶硅材料生产取得了重大进展,突破了年产千吨大关,冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约,为中国光伏发电的规模化发展奠定了基础。2007年是中国太阳能光伏产业快速发展的一年。受益于太阳能产业的长期利好,整个光伏产业出现了前所未有的投资热潮,但也存在诸如投资盲目、恶性竞争、创新不足等问题
             
            国外发展和应用现状
            据Dataquest的统计资料显示,目前全世界共有136 个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发,积极生产各种相关的节能新产品。1998年,全世界生产的太阳能电池,其总的发电量达1000兆瓦,1999年达 2850兆瓦。2000年,全球有将近4600 家厂商向市场提供光电池和以光电池为电源的产品。
            20世纪90年代后,光伏发电快速发展,到2006年,世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统,6个兆瓦级的联网光伏电站。美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家。1997年又提出“百万屋顶”计划。日本1992年启动了新阳光计划,到2003年日本光伏组件生产占世界的50%,世界前10大厂商有4家在日本。而德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价,大大推动了光伏市场和产业发展,使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国,也纷纷制定光伏发展计划,并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。
             
            供应商信息
            北京天柱阳光太阳能科技有限公司
            中广核能源开发有限责任公司
            江苏百世德太阳能高科技有限公司
            比利时Enfinity公司
            经典案例
            见“太阳能光伏发电在上海电网中的运用与展望.pdf
             
            参考文献
            [1]张鹏飞光伏发电自动跟踪系统的设计[D]. 哈尔滨:哈尔滨理工大学,2009.
            [2]李建忠,尹志新,秦嵩. 太阳能光伏发电应用研究进展综述[J]. 广西大学学报(自然科学版),2009,34(z1):192—202.
            [3]龚华. 太阳能光伏发电在上海电网中的运用与展望[A]. 上海市电气工程设计研究会2009年学术年会论文集[C].上海:上海市电气工程设计研究会,2009.27—30.