太陽(yáng)能光伏技術(shù)運(yùn)用及發(fā)展分析

【摘要】太陽(yáng)能是儲(chǔ)量最豐富、最清潔、最安全、具有巨大的開(kāi)發(fā)利用潛力的綠色可再生能源。近年來(lái)，我國(guó)開(kāi)始實(shí)施“光伏能屋頂計(jì)劃”，光伏發(fā)電得到了迅速的發(fā)展，應(yīng)用范圍正從偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)入城鎮(zhèn)，開(kāi)始涉足龐大的電力市場(chǎng)，光伏技術(shù)的研究也在不斷深入。如何運(yùn)用光伏技術(shù)更好地發(fā)展太陽(yáng)能，成為當(dāng)下新能源的主要研究方向。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能；光伏技術(shù)；運(yùn)用；分析

1.太陽(yáng)能光伏技術(shù)

太陽(yáng)能儲(chǔ)量豐富，地球可接收到太陽(yáng)總輻射的二十二億分之一，即1.77×1014kW到達(dá)地球大氣層上邊緣，最終有8.5×1013kW達(dá)到地球表面，相當(dāng)于全世界發(fā)電量的幾十萬(wàn)倍。據(jù)估計(jì)太陽(yáng)的壽命約為50億年，可以說(shuō)太陽(yáng)的能量是取之不盡用之不竭的。

太陽(yáng)能光伏現(xiàn)象最早是于1839年法國(guó)人發(fā)現(xiàn)的，但在38年后研制出的硒太陽(yáng)能電池因?yàn)檗D(zhuǎn)換效率太低（1%）而沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。隨著科技的不斷發(fā)展以及能源危機(jī)的出現(xiàn)，以太陽(yáng)能為代表的可再生能源得到了世界的高度重視，太陽(yáng)能電池材料在生產(chǎn)工藝上得到了很大的發(fā)展。除了單晶硅電池外，多晶澆鑄電池得到迅速發(fā)展。此外以非晶硅、碲化鎘和銅銦硒為代表的薄膜太陽(yáng)能電池也相繼進(jìn)入市場(chǎng)。太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)是應(yīng)用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)將太陽(yáng)輻射直接轉(zhuǎn)換為電能。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的電全部為直流電，為了滿足平均日負(fù)荷下的用電需求可選擇不同數(shù)目的組件進(jìn)行串并聯(lián)得到所需的直流電，或經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電加以利用。

2.太陽(yáng)能光伏技術(shù)的應(yīng)用

為了充分利用儲(chǔ)量巨大、不受地域限制、清潔的太陽(yáng)能，各國(guó)都進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)劃，如美國(guó)的“百萬(wàn)屋頂計(jì)劃”，日本的“陽(yáng)光計(jì)劃”，德國(guó)的“10萬(wàn)屋頂發(fā)電計(jì)劃”以及我國(guó)的“光明工程”計(jì)劃等。目前，太陽(yáng)能光伏的利用主要集中在LED燈上，在家電上的應(yīng)用還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，相應(yīng)的批量化生產(chǎn)的產(chǎn)品比較匱乏。實(shí)際上，隨著太陽(yáng)能光伏技術(shù)的成熟，在空調(diào)器、電視機(jī)、電話、冰箱、換氣扇等家電上的應(yīng)用前景非常廣闊。

2.1太陽(yáng)能光伏技術(shù)在冰箱上的應(yīng)用

太陽(yáng)能光伏技術(shù)應(yīng)用的冰箱上分為直流應(yīng)用和交流應(yīng)用，其中直流應(yīng)用中又分為低直流和高直流。若使用交流電需使用逆變器將太陽(yáng)能電池板發(fā)出的直流電進(jìn)行逆變?yōu)榻涣麟姡孀兊膿p失較大。若用高直流來(lái)驅(qū)動(dòng)冰箱則需要太陽(yáng)能光伏電池板的面積比較大，根據(jù)實(shí)際情況經(jīng)濟(jì)方面不可行。中國(guó)家用電器研究院和北京工業(yè)大學(xué)在太陽(yáng)能光伏低直流冰箱方面進(jìn)行了全面的理論及實(shí)驗(yàn)研究。此系統(tǒng)由太陽(yáng)能光伏電池、蓄電池、控制器、低壓直流冰箱以及蓄冷部件等構(gòu)成。使用太陽(yáng)能功率計(jì)，光伏控制器，數(shù)字式點(diǎn)參量記錄儀及溫度采集儀記錄相關(guān)的參數(shù)。通過(guò)測(cè)試及相關(guān)分析結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)改造后的光伏直流冰箱系統(tǒng)各部件具有良好的匹配性，光伏電源部分的配置能夠較好的滿足負(fù)載冰箱的運(yùn)行需求。通過(guò)對(duì)改造后的冰箱進(jìn)行晴天及陰天兩種天氣下采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，證明太陽(yáng)能光伏直流蓄冷冰箱系統(tǒng)在兩種天氣情況的應(yīng)用情況都比較好，系統(tǒng)能夠正常工作，冰箱各間室溫度也基本能夠滿足要求，系統(tǒng)整體匹配性較好。通過(guò)對(duì)環(huán)境及太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度對(duì)太陽(yáng)能光伏直流蓄冷冰箱的性能影響的分析，得出該冰箱的地域適應(yīng)性。根據(jù)我國(guó)的溫度分布和太陽(yáng)能輻射分布自北向南劃分五個(gè)溫度帶，即寒溫帶、中溫帶、暖溫帶、亞熱帶、熱帶。根據(jù)北京、長(zhǎng)春、烏魯木齊、成都、昆明、福州等其他幾個(gè)典型城市的各月平均日照總輻射量、月平均室外溫度、月日照時(shí)間內(nèi)平均溫度、月平均輻射強(qiáng)度等條件來(lái)對(duì)以上城市進(jìn)行分析。太陽(yáng)能光伏直流蓄冷冰箱系統(tǒng)在北京以及長(zhǎng)春、烏魯木齊等地區(qū)的具有良好的匹配性，昆明、成都兩地次之，而福州的匹配性相對(duì)較差。通過(guò)對(duì)晴天及陰天的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出光伏電源部分的轉(zhuǎn)換效率分別為8.8%與11.4%，在晴天，陰天的情況下用負(fù)載冰箱消耗的電量與光伏電源部分的轉(zhuǎn)換效率的比值得到需吸收的光能量為3.602kWh和2.781kWh。根據(jù)冰箱的運(yùn)行情況用相應(yīng)的公式計(jì)算冰箱的基準(zhǔn)耗電量為0.698kWh/24h，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行下兩個(gè)周期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出兩個(gè)周期的耗電量分別為0.317kWh/24h與0.316kWh/24h。通過(guò)各個(gè)周期的耗電連與基準(zhǔn)耗電量的比值得到第一個(gè)周期的能效比為45.4%，第二天的能效比為45.3%。由最終試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化后的直流蓄冷冰箱屬于一級(jí)能效（η≤50%）。

2.2太陽(yáng)能光伏技術(shù)在空調(diào)上的應(yīng)用

由于太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換的成本要比光熱轉(zhuǎn)換的成本高，所以，太陽(yáng)能在空調(diào)上的應(yīng)用主要采用光熱轉(zhuǎn)換。光熱轉(zhuǎn)換中的太陽(yáng)能吸收式制冷是目前應(yīng)用最多的形式，其中溴化鋰吸收式制冷機(jī)的太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)較為成熟。2010年，我國(guó)空調(diào)產(chǎn)量超過(guò)8000萬(wàn)臺(tái)套，若利用太陽(yáng)能，僅替代部分城郊和部分農(nóng)村的空調(diào)器市場(chǎng)，所產(chǎn)生的節(jié)能減排的效益將十分可觀。空調(diào)系統(tǒng)的使用需要消耗巨大的電能（發(fā)達(dá)國(guó)家的空調(diào)能耗占全年民用能耗的25%），由此給能源、電力和環(huán)境帶來(lái)很大的壓力。太陽(yáng)能光熱的使用有一定的局限性，因此，太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)得到了迅猛的發(fā)展。太陽(yáng)能光伏空調(diào)器可選用全部由電池板供電或部分由電池板供電。全部由電池板供電的空調(diào)在理論上可行，但在經(jīng)濟(jì)方面，若按1.5匹功率為1200W，太陽(yáng)能電池板的價(jià)格按12元/瓦計(jì)算，電池板算需費(fèi)用為14400元。考慮到目前空調(diào)的售價(jià)問(wèn)題不能夠被接受，從而在經(jīng)濟(jì)上不可行。因此，可以采用將太陽(yáng)能光伏電并聯(lián)到市電中再供空調(diào)使用，實(shí)現(xiàn)部分應(yīng)用太陽(yáng)能。北京工業(yè)大學(xué)提出一種基于太陽(yáng)能發(fā)電和市電供電混合能源的全直流空調(diào)器，該系統(tǒng)將220V交流市電轉(zhuǎn)經(jīng)整流后變?yōu)橹绷麟姡c并網(wǎng)電源系統(tǒng)直接并聯(lián)。通過(guò)對(duì)每塊太陽(yáng)能電池模組標(biāo)配一個(gè)太陽(yáng)能控制器，可以實(shí)現(xiàn)每塊太陽(yáng)能電池板都能跟蹤到最大功率點(diǎn)，交流市電整流電路包含有源PFC電路。系統(tǒng)中應(yīng)用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，保證太陽(yáng)能電池陣列工作在最大功率點(diǎn)上，提高光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，應(yīng)用小型化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的太陽(yáng)能控制器安裝在太陽(yáng)能模組上，實(shí)現(xiàn)分布獨(dú)立控制。

2.3太陽(yáng)能光伏技術(shù)在飲水機(jī)上的應(yīng)用

太陽(yáng)能光伏技術(shù)也可在飲水機(jī)及純水機(jī)上應(yīng)用。對(duì)于有制冷和制熱能力的飲水機(jī)，其制熱功率400～1000W不等，制冷功率為75～80W左右，由于電池板的價(jià)格較高，可以采用太陽(yáng)能光伏電來(lái)實(shí)現(xiàn)飲水機(jī)的制冷。純水機(jī)具有除掉雜質(zhì)、鐵銹、泥沙、細(xì)菌等，剔除對(duì)人體有害的放射性粒子、有機(jī)物、水堿和重金屬等物質(zhì)。一般純水機(jī)都有增壓泵需要電源，其功率為25～35W，可利用太陽(yáng)能光伏電池板來(lái)驅(qū)動(dòng)，從而真正實(shí)現(xiàn)不使用化石能源的綠色產(chǎn)品。

3.結(jié)論與展望

我國(guó)于2006年1月1日正式實(shí)施的《中國(guó)人民共和國(guó)可再生能源法》，極大地促進(jìn)我國(guó)包括太陽(yáng)能在內(nèi)的可再生能源的發(fā)展。我國(guó)從上世紀(jì)80年代起進(jìn)行太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)，并實(shí)施了光明工程和鄉(xiāng)鄉(xiāng)通電等工程。2010年上海世博會(huì)三個(gè)主要場(chǎng)館——世博中心、世博會(huì)主題館、中國(guó)館都使用太陽(yáng)能供電，其總裝機(jī)容量為4兆瓦，年均發(fā)電量可達(dá)400萬(wàn)千瓦時(shí)。

總體來(lái)說(shuō)我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)還處于初級(jí)階段。與國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家相比有以下問(wèn)題：太陽(yáng)能利用的基礎(chǔ)材料特別是光伏材料主要靠進(jìn)口；關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備和測(cè)試儀器依靠進(jìn)口；太陽(yáng)能銷(xiāo)售市場(chǎng)和管理不規(guī)范，沒(méi)有相關(guān)的單位進(jìn)行監(jiān)督；基礎(chǔ)理論發(fā)展和科研力量以及資金支持上較為薄弱。太陽(yáng)能電池板的造價(jià)較高、轉(zhuǎn)換效率較低這些因素極大地限制了系統(tǒng)的推廣。然而，據(jù)IEA預(yù)測(cè)表明，到2050年，太陽(yáng)能電池板提供的電量將占到全球總耗能的45%，電池板的初投資降低86%。由此將給光伏產(chǎn)業(yè)帶來(lái)更大的應(yīng)用空間和市場(chǎng)價(jià)值。