基于太陽能光伏發電技術的便攜式系統研究

趙娟妮 皇甫國

（西安烽火光伏科技股份有限公司，陜西 西安710077）

0 引言

當電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約全球經濟發展的瓶頸時，越來越多的國家開始將目光投向太陽能的開發應用。太陽能能量的轉化方式主要分為：光化學轉換、光熱轉換及光電轉換[1]。本文重點討論光電轉換，即目前備受世人矚目的太陽能光伏發電技術。

1 太陽能光伏發電

1.1 太陽能光伏發電技術及其優勢

1954 年， 美國貝爾實驗室的Chapin 等研制出了世界上第一塊真正意義上的硅太陽電池[2]，光電轉化效率僅為6%左右，從此拉開了現代太陽能光伏的研究、開發和應用的序幕。

太陽能光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。應用太陽能光伏發電技術的系統具有安全可靠、無噪聲、無污染、能量隨處可得、無機械轉動部件、故障率低、維護簡便的特點。

1.2 太陽能光伏發電技術的發展

20 世紀70 年代后，能源危機和大氣污染問題日益突出，全世界都把目光投向了可再生資源，太陽能以其獨有的優勢：豐富的太陽能輻射能，無污染、“取之不盡，用之不竭”，成為了人們重視的焦點。

20 世紀90 年代后，光伏發電技術快速發展。 美國、歐洲和日本先后制定了太陽能發展計劃，由政府負責提供部分研究開發資金和相關的產業扶持政策[3]。

1980 年以后， 我國的國家高技術研究發展計劃和國家重大基礎研究計劃項目等都對太陽能光伏研究和開發給予了重要支持[1]。 2002年，我國政府啟動“光明工程”，投入資金20 億元人民幣，重點發展太陽能光伏發電。

1.3 太陽能光伏發電系統的應用領域

世界觀察研究所曾在報告中指出[4]，利用太陽能獲取電力已成為全球發展最快的能量補給方式。 隨著光伏發電成本的下降，光伏發電應用領域正在逐步擴大，目前主要用于以下四個方面：

1.3.1 并網太陽能光伏發電系統；

1.3.2 離網太陽能光伏發電系統；

1.3.3 遠離電網居民供電系統，包括家庭分散供電和獨立太陽能光伏電站的集中供電；

1.3.4 消費性產品，如光伏計算器、太陽能照明燈具、太陽能收音機等。

2 便攜式系統

目前太陽能光伏發電技術在國內外的應用形式，主要是固定式安裝光伏組件，這種發電系統主要以政府、企業或單位建設居多，特點是成本較高，容量較大，移動性不好。 針對以上系統特征，本文提出了便攜系統的概念。

2.1 系統結構組成

便攜系統為箱體式結構，箱內集成了可折疊光伏組件、鋰聚合物電池、逆控一體機及輸入輸出接口等部分，以下對主要部件進行說明。

2.1.1 可折疊光伏組件

便攜系統采用新型可折疊光伏組件（見圖1），與傳統玻璃組件相比，無前罩、無鋼化玻璃、無鋁邊框，厚度可做到3mm，大大減輕了組件的重量；另一方面，可折疊光伏組件以數碼迷彩做底襯，使用時將組件展開，可通過配套的小型支架調整組件的向日傾角和方位角，以便更充分地接受太陽輻射能，增加發電量；使用結束后將其打包折疊，便于攜帶。折疊光伏組件采用新工藝，可以按用戶要求定制規格尺寸、折疊塊數、組件功率電壓。

圖1 新型可折疊光伏組件

2.1.2 鋰聚合物電池

便攜系統采用鋰聚合物電池替代目前廣泛使用的鉛酸電池。由于鋰聚合物電池具有可薄形化， 可任意面積化與可任意形狀等多項優點[5]，因此可以配合便攜系統的產品需求，做成任意容量與形狀的電池。

充放電特性方面，鋰聚合物電池采用高分子正極材料與鋰金屬無機化合物作為負極。 它的重量能量密度比是鉛酸電池的3～4 倍，循環使用壽命是鉛酸電池的2～3 倍，因其環保特性，被稱為“綠色電池”；穩定性方面，由于采用高分子材料做電解質，所以不會產生漏液及燃燒爆炸等情況,安全可靠。

2.1.3 控制器和逆變器是系統的核心部分，控制器主要作用是使太陽能電池和蓄電池高效、安全、可靠地工作，以獲得最高效率并延長蓄電池壽命。逆變器則是將直流電逆變為穩定的交流電，為交流負載供電。市場上現有的控制器和逆變器是針對鉛酸蓄電池的而設計，由于蓄電池的單體電壓是2V，而鋰聚合物電池的單體電壓3.7V,這就要求在便攜系統中，必須參考鋰聚合物電池的充放電特性曲線重新研制逆控一體。

2.2 系統優勢

便攜系統定位于“智能移動電源”，其主要特點為設備一體化、攜帶方便化、容量最優化。

設備一體化主要體現在便攜系統的結構方面，將系統各部件合理集成于同一箱體內，結構緊湊，箱體大小可依據系統容量設計；采用可折疊光伏組件與鋰聚合物電池，大大減輕了系統重量，方便攜帶；將單個便攜系統作為獨立單元，若后期負載容量增加，適當增加折疊組件的數量即可擴容。 這種不需安裝的快連接方式，既滿足了后期負載的隨需擴容，又降低了初期購置成本，使系統容量最優化。

便攜系統可提供工頻交流正弦波、不同等級的直流輸出電壓（依用戶直流負載而定）。可有效緩解電力短缺地區的用電壓力，也可解決偏遠無電地區的生活及通訊問題；節能、環保的同時，價格適中，讓普通居民在日常消費能力范圍內，即可享受太陽能發電技術帶給生活的便利。

2.3 市場應用

目前市場上存在的與便攜系統相似的產品大致有兩類： 一類是，集成度較高的小型光伏發電系統，共由兩大部分構成，將鉛酸蓄電池、控制器、逆變器及接口部分集成于箱體內，再外配光伏組件，此類系統以40W 為例，重量約在17kg 左右,與相同容量的便攜系統相比，是其重量的3～4 倍，攜帶極其不便；另一類是，可方便攜帶的光伏產品，比如光伏移動電源等，此類產品雖可方便攜帶使用，但是容量大多數在10W 以下，只能在特定范圍內使用。

便攜系統的設計，既滿足了用戶對發電系統容量的需求，又解決了傳統發電系統不便移動的特點，作為“新一代光伏移動電源”，便攜系統必定會受到廣大用戶的青睞。

3 結束語

便攜系統填補了國內大容量移動電源領域的空缺，真正實現了太陽能的隨用隨取，隨需所取。 系統可用于軍隊、野外急救、采礦、探險、科考、旅游、抗震救災等，具有廣闊的市場應用前景。

［1］楊德仁.太陽能電池材料[M].北京:化學工業出版社,2006,10.

［2］Green M A. In: Proceeding of the 21st IEEE Photovoltaic Specialists Conference[J].Orlando,USA:IEEE Publication,1990.

［3］“中國新能源和可再生能源”1999 年白皮書[M].北京:中國計劃出版社,2000.

［4］周志敏,紀愛華.太陽能光伏發電系統設計與應用實例[M].北京:電子工業出版社,2010.

［5］成夙.鋰聚合物電池氣脹問題的研究[D].黑龍江:哈爾濱理工大學,2006,3.