光伏發(fā)電及其關(guān)鍵技術(shù)

武萍

摘 要：光伏發(fā)電（PV）是指利用具有光伏效應(yīng)的半導(dǎo)體材料將光轉(zhuǎn)化為電能，這是物理學(xué)、光化學(xué)和電化學(xué)中研究的一種現(xiàn)象。太陽(yáng)能光伏作為能源具有特殊的優(yōu)勢(shì)：一旦安裝完畢，其運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生污染，也不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放，它在電力需求方面表現(xiàn)出簡(jiǎn)單的可擴(kuò)展性，并且硅在地殼中具有較大的可用性。本文對(duì)光伏發(fā)電的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并介紹了幾種關(guān)鍵的光伏發(fā)電技術(shù)。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；關(guān)鍵技術(shù)；能源

中圖分類(lèi)號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）17-0127-02

1 光伏發(fā)電的特點(diǎn)

為獲得最佳性能，地面光伏系統(tǒng)旨在最大限度地增加他們面對(duì)太陽(yáng)的時(shí)間。太陽(yáng)能跟蹤器通過(guò)移動(dòng)PV面板追蹤太陽(yáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。靜態(tài)安裝的系統(tǒng)可通過(guò)分析太陽(yáng)路徑進(jìn)行優(yōu)化。面板通常設(shè)置為緯度傾斜，這個(gè)角度等于緯度，但是可以通過(guò)調(diào)整夏季或冬季的角度來(lái)提高性能。一般情況下，與其他半導(dǎo)體器件一樣，室溫以上的溫度會(huì)降低光伏器件的性能。

如果太陽(yáng)的天頂距離大于零，并且塔架可以作為整體水平轉(zhuǎn)動(dòng)并且每個(gè)面板另外圍繞水平軸線(xiàn)，則多個(gè)太陽(yáng)能面板也可以彼此垂直地安裝在塔架中。最近的另一項(xiàng)發(fā)展涉及太陽(yáng)能電池的組成。鈣鈦礦是一種非常便宜的材料，正在用于替代昂貴的晶體硅，而這種硅仍然是目前標(biāo)準(zhǔn)光伏電池的一部分。

光伏系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是功率輸出依賴(lài)于直射陽(yáng)光，因此如果不使用跟蹤系統(tǒng)，大約會(huì)失去10-25%的功率，因?yàn)楣夥姵卦谌魏螘r(shí)候都不會(huì)直接面對(duì)太陽(yáng)。大氣中的灰塵、云層和其他障礙物也會(huì)降低功率輸出。另一個(gè)主要問(wèn)題是在與主要日照相對(duì)應(yīng)的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)量的集中，這通常與人類(lèi)活動(dòng)周期中的需求峰值不匹配。除非目前的社會(huì)消費(fèi)和電力網(wǎng)絡(luò)模式相互適應(yīng)這種情況，否則電力仍需儲(chǔ)存起來(lái)供以后使用或由其他電源（通常為碳?xì)浠衔铮┙M成。

2 太陽(yáng)能光伏發(fā)展現(xiàn)狀

太陽(yáng)能電池從陽(yáng)光產(chǎn)生直流電，可用于為設(shè)備供電或?yàn)殡姵爻潆姟９夥牡谝粋€(gè)實(shí)際應(yīng)用是為軌道衛(wèi)星和其他航天器提供動(dòng)力，但如今大多數(shù)光伏模塊都用于并網(wǎng)發(fā)電。在這種情況下，逆變器需要將DC轉(zhuǎn)換為AC。

光伏發(fā)電采用由多個(gè)含有光伏材料的太陽(yáng)能電池組成的太陽(yáng)能電池板。銅質(zhì)太陽(yáng)能電纜連接模塊（模塊電纜）、陣列（陣列電纜）和子場(chǎng)。由于對(duì)可再生能源的需求不斷增長(zhǎng)，近年來(lái)，太陽(yáng)能電池和光伏陣列的制造已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電長(zhǎng)期以來(lái)一直被視為清潔能源技術(shù)，它利用了地球上最豐富和分布廣泛的可再生能源——太陽(yáng)。電池需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，并且通常緊密包裝在太陽(yáng)能電池板中。

在“Wp”（瓦峰值）標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試條件下（STC），光伏發(fā)電容量被測(cè)量為最大功率輸出。根據(jù)地理位置、一天中的時(shí)間、天氣狀況和其他因素，特定時(shí)間點(diǎn)的實(shí)際功率輸出可能小于或大于此標(biāo)準(zhǔn)值或“額定值”。太陽(yáng)能光伏陣列容量因素通常低于25%，低于許多其他工業(yè)電力來(lái)源。

3 光伏發(fā)電的影響因素

電效率（也稱(chēng)為轉(zhuǎn)換效率）是選擇光伏系統(tǒng)的一個(gè)促成因素。然而，最高效的太陽(yáng)能電池板通常是最昂貴的，并且可能無(wú)法在市場(chǎng)上買(mǎi)到。因此，選擇也受成本效率和其他因素的驅(qū)動(dòng)。

PV電池的電效率是一個(gè)物理性質(zhì)，它代表了電池在給定的日照下可以產(chǎn)生多少電能。光伏電池的最大效率基本表達(dá)式由輸出功率與入射太陽(yáng)能的比率（輻射通量時(shí)間面積）給出。

效率是在理想的實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)量的，代表了PV材料可實(shí)現(xiàn)的最大效率。實(shí)際效率受輸出電壓、電流、結(jié)溫、光強(qiáng)度和光譜的影響。

到目前為止，最有效的太陽(yáng)能電池類(lèi)型是多聯(lián)聚光太陽(yáng)能電池，效率為46.0%，由Fraunhofer ISE于2014年12月生產(chǎn)。無(wú)濃度達(dá)到的最高效率包括夏普公司使用35.8%的材料2009年專(zhuān)有的三結(jié)制造技術(shù)和波音Spectrolab（40.7%也采用三層設(shè)計(jì)）。美國(guó)SunPower公司生產(chǎn)的電池效率為21.5%，遠(yuǎn)高于12-18%的市場(chǎng)平均水平。

目前正在努力提高光伏電池和模塊的轉(zhuǎn)換效率，主要是為了獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。為了提高太陽(yáng)能電池的效率，選擇具有與太陽(yáng)光譜相匹配的適當(dāng)帶隙的半導(dǎo)體材料是重要的。這將增強(qiáng)電氣和光學(xué)特性。改進(jìn)電荷收集方法對(duì)提高效率也很有用。有幾組材料正在開(kāi)發(fā)中。超高效器件（η> 30%）通過(guò)使用GaAs和GaInP2半導(dǎo)體與多結(jié)串聯(lián)電池制成。高質(zhì)量的單晶硅材料用于實(shí)現(xiàn)高效率，低成本電池（η>20%）。

自從二十世紀(jì)八十年代引進(jìn)以來(lái)，有機(jī)光伏電池（OPV）的最新發(fā)展在功率轉(zhuǎn)換效率方面取得了顯著進(jìn)步，從3%提高到15%以上。迄今為止，最高功率轉(zhuǎn)換效率范圍從小分子的6.7%到8.94%，聚合物OPV的8.4%-10.6%和鈣鈦礦OPV的7%到21%。預(yù)計(jì)OPV將在光伏市場(chǎng)中發(fā)揮重要作用。最近的改進(jìn)提高了效率并降低了成本，同時(shí)保持了環(huán)保和可再生性。

幾家公司已經(jīng)開(kāi)始將功率優(yōu)化器嵌入稱(chēng)為智能模塊的光伏組件中。這些模塊分別為每個(gè)模塊執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），測(cè)量用于監(jiān)測(cè)的性能數(shù)據(jù)，并提供額外的安全功能。這樣的模塊還可以補(bǔ)償陰影效應(yīng)。

每升高1攝氏度，太陽(yáng)能電池的效率就會(huì)下降約0.5%這意味著表面溫度增加100度會(huì)使太陽(yáng)能電池的效率降低大約一半。自冷卻太陽(yáng)能電池是解決這個(gè)問(wèn)題的方法之一。錐體形狀可以由二氧化硅形成，并附著在太陽(yáng)能電池板的表面上。這樣做可以使可見(jiàn)光到達(dá)太陽(yáng)能電池，但會(huì)反射紅外線(xiàn)（帶有熱量）。

4 光伏發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)

4.1 屋頂和建筑綜合技術(shù)

光伏陣列通常與建筑物相關(guān)聯(lián)：或集成到它們中，安裝在它們上面或附近安裝在地面上。屋頂光伏系統(tǒng)通常改造成現(xiàn)有的建筑物，通常安裝在現(xiàn)有屋頂結(jié)構(gòu)的頂部或現(xiàn)有墻壁上。陣列也可以與建筑物分開(kāi)放置，但通過(guò)電纜連接為建筑物供電。建筑一體化光伏發(fā)電（BIPV）越來(lái)越多地被納入新的家庭和工業(yè)建筑物的屋頂或墻壁，作為主要或輔助電力來(lái)源。集成光伏電池的屋頂瓦片有時(shí)也會(huì)使用。如果有一個(gè)空氣可以循環(huán)的開(kāi)放空間，屋頂安裝的太陽(yáng)能電池板可以在白天對(duì)建筑物提供被動(dòng)冷卻效應(yīng)，并且在夜間也可以保持蓄熱。通常，住宅屋頂系統(tǒng)的小容量為5-10千瓦，而商用屋頂系統(tǒng)通常達(dá)到幾百千瓦。雖然屋頂系統(tǒng)比地面安裝的公用事業(yè)規(guī)模發(fā)電廠(chǎng)小得多，但它們占全球大部分的裝機(jī)容量。

4.2 聚光光伏發(fā)電

聚光光伏（CPV）是一種光伏技術(shù)，與傳統(tǒng)平板光伏系統(tǒng)相反，它使用透鏡和曲面鏡將太陽(yáng)光聚焦到小型但高效率的多結(jié)（MJ）太陽(yáng)能電池上。此外，CPV系統(tǒng)通常使用太陽(yáng)能追蹤器，有時(shí)還使用冷卻系統(tǒng)來(lái)進(jìn)一步提高效率。

4.3 光伏熱混合太陽(yáng)能集熱器

光伏熱混合太陽(yáng)能集熱器（PVT）是將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換成熱能和電能的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)將太陽(yáng)能光伏電池與太陽(yáng)能集熱器相結(jié)合，該太陽(yáng)能光伏電池將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能，該集熱器捕獲剩余能量并從光伏組件中移除廢熱。電力和熱量的捕獲使得這些設(shè)備具有更高的能量，因此比太陽(yáng)能光伏或單獨(dú)的太陽(yáng)能熱能更有效。

4.4 固定陣列技術(shù)

許多項(xiàng)目使用安裝結(jié)構(gòu)，其中太陽(yáng)能模塊以固定的傾角安裝，以便提供最佳的年度輸出特性。這些模塊通常朝向赤道方向，傾角略小于現(xiàn)場(chǎng)的緯度。在某些情況下，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂颉⒌匦位螂娏Χ▋r(jià)制度，可以使用不同的傾斜角度，或者陣列可能偏離正常的東西方軸線(xiàn)。

這種設(shè)計(jì)的一個(gè)變種是使用陣列，其傾斜角度可以每年調(diào)整兩次或四次以?xún)?yōu)化季節(jié)性輸出。還需要更多的土地面積來(lái)減少冬季傾斜角度較大時(shí)的內(nèi)部陰影。

4.5 跟蹤技術(shù)

為了最大限度地提高直接輻射的強(qiáng)度，太陽(yáng)能電池板的方向應(yīng)該與太陽(yáng)光的方向垂直。為了達(dá)到這個(gè)目的，可以使用雙軸追蹤器來(lái)設(shè)計(jì)陣列，能夠跟蹤太陽(yáng)在天空中的日常軌道，并且隨著它的高度在一年中變化。

這些陣列需要被隔開(kāi)以減少太陽(yáng)移動(dòng)和陣列方向改變時(shí)的陰影，因此需要更多的土地面積。還需要更復(fù)雜的機(jī)制來(lái)維持陣列表面所需的角度。在具有高水平直接輻射的地方，增加的輸出量可能達(dá)到30%，但由于陰天條件、溫度氣候或散射輻射，電能增加幅度較小。出于這個(gè)原因，雙軸跟蹤器最常用于亞熱帶地區(qū)。單軸跟蹤系統(tǒng)沿著大致南北向的軸對(duì)齊。一些使用行之間的連接，使得同一個(gè)致動(dòng)器可以一次調(diào)整幾行的角度。

4.6 電源轉(zhuǎn)換

太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生直流電，因此需要轉(zhuǎn)換設(shè)備將其轉(zhuǎn)換為交流電（AC），這是電網(wǎng)傳輸?shù)男问健＿@種轉(zhuǎn)換是由逆變器完成的。為了最大限度地發(fā)揮其效率，太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)還在逆變器內(nèi)部或作為獨(dú)立單元包含最大功率點(diǎn)跟蹤器。這些設(shè)備使每個(gè)太陽(yáng)能電池串保持接近其峰值功率點(diǎn)。

4.7 孤島效應(yīng)技術(shù)

在光伏發(fā)電過(guò)程中，為了避免某些線(xiàn)路出現(xiàn)問(wèn)題，而無(wú)法正常運(yùn)行，可以借助孤島效應(yīng)技術(shù)，其可以與周邊裝置連接在一起組成自己的供電裝置，同時(shí)與其并網(wǎng)的放電設(shè)備共同作用來(lái)達(dá)到繼續(xù)提供電量的目的。借助孤島效應(yīng)技術(shù)也會(huì)產(chǎn)生不良影響，最常見(jiàn)的就是孤島內(nèi)未按照實(shí)際情況預(yù)先設(shè)計(jì)和規(guī)劃好控制對(duì)策，一旦發(fā)生孤島效應(yīng)時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致主網(wǎng)無(wú)法對(duì)孤島的頻率和電壓進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)。

4.8 分布式電源并網(wǎng)技術(shù)

在光伏電系統(tǒng)中，分布式電源并網(wǎng)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，其不僅可以使供電的可靠性得到有效提升，而且還能夠確保光伏發(fā)電啟停操作穩(wěn)定性和可靠性。借助分布式電源并網(wǎng)技術(shù)，可以有效平衡并網(wǎng)中的傳輸負(fù)荷，使傳輸階段所存在的負(fù)荷損失得到有效改善，以達(dá)到電力的就近供應(yīng)和就近輸送，使電網(wǎng)長(zhǎng)距離供電問(wèn)題得到有效解決。

5 光伏發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)

5.1 優(yōu)點(diǎn)

太陽(yáng)能在使用過(guò)程中無(wú)污染，可以在替代其他能源時(shí)減少污染。光伏裝置在初始建立后可以運(yùn)行100年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，而且需要的維護(hù)或干預(yù)很少，所以在建設(shè)任何太陽(yáng)能電廠(chǎng)的初始投資成本后，與現(xiàn)有的電力技術(shù)相比，運(yùn)營(yíng)成本極低。并網(wǎng)太陽(yáng)能電力可以在當(dāng)?shù)厥褂茫瑥亩鴾p少輸電/配電損失。與化石能源和核能源相比，太陽(yáng)能電池的研發(fā)投入很少，所以還有很大的提升空間。盡管如此，在聚光光伏電池的情況下，實(shí)驗(yàn)高效太陽(yáng)能電池已經(jīng)具有超過(guò)40%的效率，并且在大規(guī)模生產(chǎn)成本迅速下降的同時(shí)，效率迅速提高。

5.2 缺點(diǎn)

光伏系統(tǒng)通常由光伏組件和逆變器組成（將直流電改為交流電）。光伏組件主要由光伏電池組成，與制作電腦芯片的材料沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。生產(chǎn)光伏電池（電腦芯片）的過(guò)程耗能大，涉及高度有毒和環(huán)境有毒化學(xué)品。世界上很少有光伏制造廠(chǎng)使用光伏發(fā)電生產(chǎn)光伏組件。這一措施大大減少了制造過(guò)程中的碳足跡。管理制造過(guò)程中使用的化學(xué)品受制于工廠(chǎng)的當(dāng)?shù)胤煞ㄒ?guī)。

6 結(jié)語(yǔ)

光伏發(fā)電憑借其清潔、高效等特點(diǎn)，在現(xiàn)代生活中得到了更為廣泛的應(yīng)用。但當(dāng)前的光伏發(fā)電系統(tǒng)還存在生產(chǎn)能耗大、電壓不穩(wěn)定等缺陷。因此，需要對(duì)現(xiàn)有的光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)行分析和研究，并采取有效對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行完善。

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