創意太陽能背包的理論基礎研究

李朝開　鄧洪亮　劉磊　林娜

太陽能 光伏發電 理論基礎 背包

全球資源正在逐步走向匱乏之路，但是人們生活生產中的能源需求仍在不斷地增長，為了緩解或者尋求解決二者之間日益凸顯的矛盾，大眾對作為綠色清潔能源的太陽能倍加青睞、越來越多的關注和研究，光伏發電是利用太陽能電池直接將太陽能轉換成電能的發電裝置。根據IHSMarkit發表的光伏市場需求，跟蹤分析表明：2016年全球太陽能光伏裝機量達77GW。2004年全球太陽能光伏累計裝機量3.7Gw。2016全球太陽能光伏累計裝機容量則達到313GW。2004 2016全球太陽能光伏累計裝機量年均復合增長率達44.75%。

國內外研究狀況簡析

我國自2009年開始實施“金太陽示范工程”以來，光伏產品規模化應用帶動了國內太陽能發電的商業化進程和技術進步。同時，國家開始出臺了一系列的扶持光伏發展的政策，近些年國內光伏市場發展勢態良好。還有，國家適時對光伏行業設定準入門檻，鼓勵企業的創新、淘汰落后產能，加大了扶持光伏行業的龍頭企業的力度。在國外，20世紀80年代以來太陽能光伏發電產業迅猛發展，可以說是世界上增長最快的高新技術產業之一。2004年，世界太陽能光伏發電裝機總容量達到964.9MW。2006年底，世界太陽能光伏發電裝機總容量達到4961.69Mw。至此，太陽能光伏發電已經商品化、實用化。太陽能光伏的電池種類主要有單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、聚光電池、帶狀硅電池及薄膜電池等幾類。同時，在太陽能光伏發電生產生活實用化的過程中，光伏電池的光電轉化效率也在不斷提高。目前，國外光伏發電產業的總量可以說是巨大的，約占世界光伏發電量的80%。今后光伏發電系統的發展方向主要是低成本、高效率、長壽命、實用美觀等。專家們的預測是：太陽能光伏發電產業發展到2050年，其發電量中將占發電總量13-15%。

《創意太陽能背包》實驗研究擬達成的預期目的、內容和擬解決的相關問題大致如下。

（1）項目實驗研究擬達成的預期目的：第一，讓學生了解當今太陽能源系統的發展近況，了解國內外太陽能光伏發電產業的研究簡況；第二，探討和研究無污染的太陽能儲能系統及原理，產品的簡單設計、驗證原理實驗等；第三，培養學生運用所學知識于生產生活實踐，和激化學生的探究和解決實際問題的能力。

（2）項目研究的主要內容：研究本項目，我們將設計一款環保節能、適于大眾遠足出游的生活實際需要、新穎時尚的太陽能背包。書包的面料優先考慮防水面料，而顏色會選取藍黑色、灰色為主調。這樣可以更好的搭配太陽能板的顏色，顯得更加時尚，書包的規格初步采用30cm*16cm*44cm。我們初步將選用型號為SFM25的單晶硅太陽能板，由若干個太陽能電池片按一定方式組裝在一塊板上的組裝件。目前，最主要的光伏材料是晶體硅材料，包括多晶硅和單晶硅。據統計，其市場的占有率約在90%以上，同時也可以說在今后相當長的一段時期內，晶體硅材料也依然是太陽能電池的主流材料。對于多晶硅的需求，主要來源于半導體和太陽能電池。按照不同的純度要求，一般可分為電子級和太陽能級。有大量專家預測，到二十一世紀前半期，太陽能光伏產業將超過核電、并將成為最重要的基礎能源之一。它具有較高的積發電量，轉換率可高達18.3%，據數據顯示，此型號太陽能板性能比較穩定，具有質量輕、超薄、可彎曲、使用范圍廣等特點。相對應的薄膜太陽能電池技術也屬于新一代太陽能電池技術，它具有綠色環保、零污染、低成本、平均發電量高、弱光響應好等優勢。從成本上講，材料制作簡便，節約電耗。并且聯機已經在串聯電池制造時內建，由此不會有內部電路短路問題。考慮到美觀問題，我們的太陽能板的規格將會占用書包的1/3。裝太陽能板的外層面料選用較硬材質，其目的是為了更好的保護太陽能板。USB接口可以鑲嵌在書包上，外層用防水面料包裹，以及可裝卸的太陽能板。儲電器使用500000MAH移動電路板與14500MA的多節鋰電池組成，還增加了過充過放的保護功能，延長了使用壽命，也增加了安全性。

（3）本項目擬解決的主要技術問題：

本項目擬解決的關鍵技術是：設計、實驗測試出各種性能參數：如額定電壓，功率，最大輸出功率，工作時長，性價比，壽命，質量，充電快慢等。期望能設計出一款時尚美觀，物廉價美的高效的太陽能背包，材料制作簡便、綠色環保、節約電耗、適合大眾遠足出游等生活實際所需。這是本項目研究最基礎的內容，也是關鍵一環。在完成創意太陽能背包的原理理論研究、期望產品的設計及產品實際論證后，需要解決的就是本項目研究產品的市場推廣問題：我們利用現有的大學生創業平臺，創立自己的微信公眾平臺，微信商城，同時利用學校各大官方以及個人微信公眾平臺進行宣傳推廣。所能創造的市場價值的預測：以邵陽學院為例，我們對邵陽學院在讀的2萬名學生進行了問卷調查，若我們的書包售價為120元左右，有80%的學生愿意購買我們的背包，假設一個背包的純利潤是20元，假設這80%的學生里面有10%學生購買我們的背包則我們創造的市場價值為32000元。

本項目相關研究知識的積累

我們通過專業知識學習和查閱大量資料，對光伏發電有了初步的認識。光伏發電系統的構成如下：太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜、太陽跟蹤控制系統等設備系統化組成。

一般來說，以太陽能發電有光-熱-電、光-電兩種方式。通過利用太陽輻射產生的熱能發電，即光-熱-電。利用光伏效應，將太陽輻射能直接轉換成電能，即光-電直接轉換；太陽能電池即其基本裝置。太陽能電池，是一種由于光生伏特效應原理，將太陽光能直接轉化為電能的器件。太陽能電池可以說是一個半導體光電二極管。每當光電二極管上照射有太陽光時，光電二極管可以將把太陽的光能轉變成電能，產生電流。自然串聯或并聯許多個電池構成的太陽能電池方陣，就將有比較大的輸出功率。目前，提高轉換效率、改良電池組概念、有效地減少資源消耗、制造自動化等是晶體硅光伏組件存在的主要挑戰。在早期的非晶硅單結電池的基礎上，由非晶硅制成的薄膜太陽能電池發展了串聯和三聯的非晶硅電池結構。同時，將單晶硅和多晶硅薄膜結合在一起，這樣就形成了能達到更高效率的微晶硅。現如今，相對較少使用硅原料就可以相應降低產業項目成本，較高自動化程度可以達到提高生產效率的目的，在高溫氣候或環境下能讓使用性能能維持良好，還降低了對高溫的敏感度；這些均是薄膜太陽能電池技術在生產生活實踐中體現出來的主要優點。

本項目的創新點和特色

（1）創新點：一是，利用太陽能作為驅動能源從而達到綠色環保、節能的目的；二是，應用范圍廣，尤其是適合于遠游出行的應急使用；三是，年輕大學生消費群體，可以起到很好的示范帶動作用。

（2）特色：一是，方便、便捷；二是，環保、節約能源；三是，外型時尚，攜帶方便。

本項目的技術路線及預期成果

光伏發電產業按照電池技術路線一般可以分為晶體硅太陽能電池、聚光光伏電池和薄膜太陽能電池。我們本項目的研究期望以晶體硅太陽能電池和薄膜太陽能電池的技術路線為主。相對聚光光伏電池這條路線來說，項目所涉及的兩條路線使用較為廣泛，技術比較成熟，選擇性更高。

如今，光伏組件的絕大多數是硅基晶片。據調查報告顯示，直到2020年晶體硅光伏組件將持續占據光伏技術主流，市場份額也將期望超過百分之五十。這些主要原因就是依賴于晶體硅光伏組件的以下特性：可靠性的技術、豐富的原料儲備以及長壽命等。提高轉換效率、改良電池組概念、有效地減少資源消耗、制造自動化等是晶體硅光伏組件存在的主要挑戰。現今，單晶硅和多晶硅是電池組件所采用硅材料的兩種主要形式。有數據顯示，目前市面上的單晶硅電池組件的最高轉換效率可達到百分之十四至百分之二十；預計到2020年，其轉換效率將可能會達到百分之二十三至百分之二十五；多晶硅電池組件雖然原子結構更加無序轉換效率低于單晶硅，但是相對更低的成本讓其使用非常廣泛，預計在今后一段時間內其效率將可能達到百分之二十一。在早期的非晶硅單結電池的基礎上，由非晶硅制成的薄膜太陽能電池發展了串聯和三聯的非晶硅電池結構。同時，將單晶硅和多晶硅薄膜結合在一起，這樣就形成了能達到更高效率的微晶硅。在ⅡⅥ族化合物半導體領域發展了其他的薄膜技術，包括CdTe、CIGS。

這些知識對本項目的研究是至關重要的，也是本項目研究和產品設計實踐過程中尋求和解決的至關重要的技術問題的理論基礎。我們將在當今研究成果和生產的產品設計的基礎上，根據研究原理知識和本項目產品設計理念，利用太陽能作為驅動能源，研究和設計出簡便、環保節能的適于人們遠足出游的應急使用的生活必需品。