太陽能電池與儲能設備技術的開發

田玉祥+史偉斌

摘要：太陽能是世界公認的經濟型生態能源，通過太陽能發電能夠補充電力能源供應不足問題，同時也是未來電力生產的主流發展趨勢。但是太陽能電池生產出的是直流電，只有經過直流/交流轉換器才能轉變為可用交流電，因此太陽能電池與儲能設備研究同等重要，以下將分別介紹太陽能電池類型及儲能設備的發展，以其為新能源建設發展提供更多的理論參考。

關鍵詞：太陽能電池；儲能設備；技術開發

太陽能是取之不盡用之不竭的天然能源，每小時到達地球的太陽光能量能夠供人類一年的能量需求。通過太陽能能夠將實現太陽光能的集中制備，并使之成為可利用的熱能或電能，太陽能電池就是利用太陽光發電的一種新型能源設備。通過太陽能與儲能技術的開發，有利于促進太陽能綠色能源應用范圍的拓展，實現再生能源的循環開發和利用。

一、太陽能電池的開發價值

隨著全球工業科技的迅猛發展，對于能源的攫取也更加激烈，傳統能源如石油和煤已經面臨資源枯竭，因此能源價格不斷上漲。不少國家已經著力開發替代能源，傳統能源不但不可再生，而且還會在燃燒時產生大量溫室氣體，破壞生態環境，造成溫室效應加劇。在這樣的嚴峻環境下，水力、風能、太陽能生態能源技術受到了空前重視，不少發達國家已經形成了完整的生態能源建設體系，太陽能就是這些生態能源中應用最為普遍的一種。它具有低成本、零污染、適應范圍廣等諸多優點，是未來生態能源開發的重要基礎。

二、太陽能電池種類

目前硅太陽能電池已經實現了商業化生產，市場上有95%的太陽能電池屬于這一類型，其中有分為單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太陽能電池。

2.1單晶硅太陽能電池

該電池由單晶硅規則排列制成，對于硅晶純度有較高要求，性能穩定而且使用壽命較長，太陽能轉換率能夠達到17%，是當前太陽能電池中轉化性能最高的。但是單晶硅電池造價過高，尤其是原材料價格居高不下，因此此類電池的未來研發重點在于降低制造成本、提高電能轉化率。

2.2多晶硅太陽能電池

多晶硅含有較多雜質，晶體顆粒較大，因此光電轉換效率約在14%左右。但是多晶硅電池成本造價較低，較之單晶硅可以節約20%的制造成本，所以市場推廣空間很大。由于多晶硅電池需求量的不斷增加，此類電池的市場價格也隨之上漲，價格因素成為其產能擴大的一大制約因素。

2.3非晶硅太陽能電池

這類電池也叫作太陽能薄膜電池，經過鍍膜工藝后實現太陽能轉化，其中硅原子呈現不規則排列狀態，可以將玻璃、金屬、陶瓷等作為基礎材質，無需采用價格昂貴的結晶硅。由于非晶硅原材料易得，制作工藝簡單，因此具有很大的推廣潛力。其主要缺陷表現為光電轉換率較低，僅為9%，每千瓦時發電成本約1.5美元。有專家預測，非晶硅電池性能提升到12%、千瓦時發電成本降至1美元時，還具備市場化發展的條件。

三、太陽能電池儲能設備

3.1鉛蓄電池

鉛蓄電池是傳統蓄電池應用的主要類型，迄今為止仍在民用和軍事領域有著廣泛的應用基礎。鉛蓄電池具有相對成熟的生產工藝，性能穩定，從而保證了電力的穩定存儲和供應。該電池不具備記憶效應，能夠隨時充放電，使用靈活易于維護，而且壽命較長。鉛蓄電池最大的優點在于自放電量非常低，即使是在高溫環境下自放電量也小于自身電池容量的5%，而且價格低廉。目前為止，鉛蓄電池仍是太陽能發電儲能的主要產品。

3.2鎘鎳電池

鎘鎳電池具有靈活的充電方式、快充慢充均可，可用直流電也可用脈沖電。與其它類型的蓄電池相比，鎘鎳電池充電時間更短，一般情況下充電一小時就能夠正常使用。長時間不用后也能迅速充電，無需激活。其放電性能較好，維護便利，充放電次數可達1000次。但是鎘鎳電池需要進行周期性完全充放電，否則電池將失去活性，電容量會明顯下降，因此該電池記憶效應明顯。鎘鎳電池還有一項優勢，就是可以在低溫環境下正常工作，其范圍覆蓋從-40℃到60℃，即使是在-40℃的極端溫度下，其電池放電量仍可維持在20%左右。電池儲存期長，通常可以保持5年以上，但是自放電率較高，充滿電的鎘鎳電池在二十四小時內自放電量可達10%，而且外界溫度越高，其自放電速率就越快，長期存放后需要進行再次充電。鎘鎳電池儲放電能量較之鉛電池要高出2倍左右，價格高出2.5倍左右。但是由于其循環壽命明顯高于其他電池，因此長期使用成本并不高。此類電池除記憶效應外，還有一大危害就是原材料具有很大毒性，不少發達國家已經禁止使用此類電池。

3.3鎳金屬氫化物電池

該電池又叫做MH-Ni電池，與鎘鎳電池相比具有更高的能量密度，可高出鎘鎳電池40%左右，不會對環境造成污染。同時電池不具備記憶效應，因此無需對其進行周期性的充放電操作，而且此類電池具有便捷的儲存和運輸優勢。其不足在于充電之后會產生較大的發熱量，因此電池循環周期比鎘鎳電池短，高熱作用會造成貯氫合金材料發生粉末化變化，所以間歇式充電更適合此類電池，同時在充電時間上較之鎘鎳電池更長。MH-Ni電池自放電率可達50%，因此需要對其進行定期全充電。在小電流充電中其能量輸出比較高，可達80-90Wh/kg，但是在大功率輸出中，能量密度僅為40Wh/kg以下。

3.4鋰離子電池

鋰離子電池具有突出的能量密度優勢，較之鎘鎳電池高出2-3倍。負荷性良好，充放電耐受力較好。電池單電壓達3.6V，高出鎘鎳電池3倍。鋰離子電池不具備記憶效應，無需對其進行周期充放電維護，因此使用更便捷。為了提高電池使用安全性，需要對金屬鋰進行嚴格控制，首先要保證單體電池均具備有效的充放電保護電路，充電電壓要控制在4.2V以內，放電電壓高于2.5V。最大充電電流需控制在1C以內，最大放電電流低于2C。同時還需要保持電池溫度在限定值以內。鋰離子電池使用壽命較短，一般為2-3年。這就需要存儲溫度低于15℃，存儲過程中需要對其進行補充充電。由于鋰離子電池這些特性，在小型移動電器中應用較廣，但是大規模應用尚有待進一步開發。

結語

能源是推動生產技術發展的核心要素，而科技則是改變能源生產、提高公眾生活品質的根本。科技與能源的融合發展，是太陽能電池技術的研究基礎，通過太陽能電池和儲能設備的研究，對于提高太陽能發電效率和應用價值有著積極的促進作用，是新能源發展和應用的一大進步，同時也是營造健康生態環境、發展綠色能源的可行路徑。

參考文獻：

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[3]陳維，沈輝，鄧幼俊.太陽能光伏應用中的儲能系統研究[J].蓄電池.2016（01）

作者簡介：

田玉祥，出生年月：1983-09-13，性別：男，民族：漢，籍貫：陜西西安，當前職務：設備維護，當前職稱：助理工程師，學歷：本科，研究方向：太陽能光伏電池.endprint