太阳能光伏发电主要技术及应用评述

王光伟，沈 洁，杨 旭，张 巍，葛 颖，许书云

（1.天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222；2.天津轻工职业技术学院电子信息与自动化系，天津 300180）

太阳能光伏发电主要技术及应用评述

王光伟1，沈 洁2，杨 旭1，张 巍1，葛 颖1，许书云1

（1.天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222；2.天津轻工职业技术学院电子信息与自动化系，天津 300180）

论述了太阳能光伏发电的基本原理、设备和实际应用。重点评述了具有重要现实意义的太阳能发电系统和光伏电站建设，指出了光伏发电技术存在的优缺点，提出了改进建议，并对发展前景做了展望。

太阳能利用；光生伏特效应；光伏发电；太阳能发电系统；光伏电站

Photovoltaic power station

如今，能源短缺和环境污染是困扰人类生存的突出问题，在中国尤为明显，因为我国有13亿人口，技术和装备总体上较落后，人均资源占有量不到全球平均水平。从世界范围看，人口在增长，化石能源（石油、天然气和煤炭等）将在百年左右耗尽，不可再生。所以，一方面依靠科技进步节能减排；另一方面，开发利用可再生清洁能源成为一个全球性的紧迫课题。在绿色可再生能源中，太阳能首屈一指，因为太阳能取之不尽，用之不竭，总量巨大，可直接利用，对环境无害。当然，太阳能也有分散、不稳定、利用效率低和成本高等严重缺点。尽管如此，世界各国认识到，社会可持续发展应建立在尽可能多地用清洁能源替代矿物能源，最大限度减少污染物排放，保护环境。因此，从长远看，太阳能利用新技术和装置的研发必将越来越受到重视，亦会在全球范围内逐步推广应用[1]。本文从太阳能光伏发电的基本原理、装置和技术应用的角度予以分析，以期对本领域的工作者有所启示。

1 太阳能光伏发电

1.1 发电原理

太阳能光伏发电的基本部件是光伏电池（太阳能电池）。其基础结构是半导体PN结，当太阳光照射到PN结上时，大于禁带宽度的光子能量被电子吸收，电子从价带顶跃迁至导带底，产生电子-空穴对，在PN结内建电场作用下分离，载流子传输、被收集，形成电动势，通过电极连接外电路，产生电流，输出功率。由于电池对阳光的反射、选择吸收、发热以及载流子的复合、陷阱等效应而造成电子-空穴数目减少，因此电池的光电转换效率和理论值尚有较大差距。

1.2 光伏电池及其分类

第1代晶体硅电池和第2代薄膜型电池已商业化。薄膜型电池主要有硅基薄膜型以及化合物半导体薄膜型等，半导体层比第一代更薄（2～3 μm），可做成多结叠层结构，其特点是成本低，光电转换效率也较低[2]。目前来看，薄膜电池有良好的发展潜质和市场空间，在未来较长一段时间内，基于单晶硅与多晶硅光伏电池仍将是市场上的主流产品。

经过多年研发，现在，第3代光伏电池（如叠层光伏电池、多带隙缓变光伏电池、量子点电池、染料敏化电池和热载流子太阳电池等）在快速发展中，目前接近实用的有叠层多能隙电池、纳米光伏电池和玻璃窗式光伏电池等。图1是一种基于非晶硅/非晶锗硅的多层电池的剖面图[3]。

图1 基于非晶硅/非晶锗硅的多层电池的结构示意图

第3代光伏电池的效率较高，得益于减少热损耗、增加光子能量利用率和减小电池的内阻[4]。第3代电池成本大大降低的原因是采用价格较低的丝网印刷和涂层技术，在制程中耗能较少，设备投资较低。第3代电池不需要第1、2代光伏电池制作所必需的超净室内环境。它可在塑料、陶瓷以及有机材料等廉价基板上制作，电池材料的吸光率高，在弱光下也能工作，厚度只有几微米，透明度好，可通过丝网印刷印在窗户玻璃甚至衣料上。因此，可以把光伏电池安装在建筑物内，或集成在可穿戴产品里。

1.3 光伏组件

单个电池片的电压和电流很小，有必要把若干个电池片串并联焊接起来，按一定方式装配封装在一块较大面积的背板上，加上铝合金边框和引线，获得较大的电压和电流，称作光伏电池板（电池组件）。封装的好坏直接决定光伏组件工作的可靠性[5]。光伏组件是光伏方阵的一个单元，其作用是将太阳能转化为电能，给蓄电池充电或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本决定着整个系统的质量和成本[6-7]。图2示出了太阳能电池板的构成及剖面结构示意图。

图2 太阳能电池板的构成和剖面结构示意图

光伏电池板表层是钢化绒面玻璃，用来保护发电主体电池片，减少光反射。钢化玻璃之下是透明EVA（乙烯-醋酸乙烯酯共聚物）胶膜，用来粘结钢化玻璃和电池片，EVA材质的优劣影响组件的性能和寿命，暴露在空气中的EVA易老化发黄，降低组件的透光率和发电功率。通过引入无定形结构的乙烯醋酸酯共聚链段（一般是33%左右）可提高材料的韧性和透明度[8]。除了EVA本身质量外，层压工艺影响也很大，如EVA粘度不达标，EVA与钢化玻璃、背板粘接强度不够，造成EVA提早老化，缩短组件寿命。电池片的功能是发电，当前市场的主流产品是晶体硅太阳电池片（包括单晶硅和多晶硅）。电池片之下的一层EVA用来粘结电池片和背板。背板的作用是支撑、密封、绝缘、防水，一般用TPT、TPE等材质，必须耐老化，关键在于背板和硅胶是否达标。最外边的铝合金边框用来保护层压部件，起密封、支撑和抗冲击作用。光伏板背面有接线盒，串接二极管，防止反充电，也起到电流旁路的作用。如果组件有短路，接线盒自动断开短路的电池串，防止烧坏整个系统。接线盒中二极管的选用，要和电池片的类型匹配。

1.4 光伏发电系统

太阳能发电系统由太阳电池板（方阵）、充放电控制器、逆变器、蓄电池、太阳跟踪控制器和交流配电柜等设备组成[9]。光伏发电系统建设之前，应先预先规划，进行输出电压、电流和功率计算以及蓄电池容量设计，做好最大功率点追踪控制和逆变控制[10]。在光伏方阵里，注意监测热斑效应，它有可能导致整个发电系统瘫痪[11]。充放电控制器是防止蓄电池过充电和过放电的设备。通过控制蓄电池的充放电电压和电流，合理对负载输出电能[12]。市面上有以单片机为核心的光伏充放电控制器出售，成本低，可靠性高，它对太阳能电池板电压、蓄电池电压、充电电流、环境温度等参数检测判断，控制开关管的通断，实现充放电控制和保护功能[13-14]。我国目前与太阳能发电系统使用的蓄电池主要有铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。研究表明，基于电流调节的蓄电池充电控制策略可充分利用光伏电能，尽快提升蓄电池的荷电状态。系统全年运行结果表明，分组管理有利于改善蓄电池处于欠充电状态，有效延长其使用寿命[15]。

太阳能电池是直流电源，对交流负载，系统须接入逆变器。逆变器是将直流电转换成交流电的设备。逆变器分为用于离网太阳能电池发电系统的独立逆变器和并网逆变器。并网逆变器作为太阳能电池与电网间的关键接口装置，将光伏电池电压较低、变化范围较广的直流电转换成交流电并传输到电网。在光伏电池电压较低时，采用两级高频逆变技术，前级采用DC-DC变换器升压，后级采用DC-AC三相全桥逆变，得到需要的三相交流电[16]。目前，市场上受欢迎的是适用于各种负载的正弦波逆变器。此外，逆变器还有过载保护、短路保护、接反保护、过欠压保护和温度补偿等功能。逆变器接入电网，应满足电网电能质量、防止孤岛效应和安全隔离接地3个要求[17]。目前，将控制器和逆变器结合在一起的逆控一体机已经面世。

太阳跟踪控制器是根据安放点的经纬度等信息计算1年当中每1天不同时刻太阳的角度，将每个时刻的太阳位置存储到可编程逻辑控制器（PLC）、单片机或电脑中，靠计算太阳位置来实现实时跟踪，以获取最大电功率输出（光伏发电最大功率点追踪）。刘丽红采用地平坐标系下的太阳跟踪系统，运用太阳运动轨迹跟踪和光强传感器相结合的方法，由光强传感器的检测结果来判断天气状况，控制跟踪的启停，用天文公式计算太阳的运行轨迹来确定太阳的方位，利用单片机MSP430f149输出控制信号，控制云台带动太阳能电池板运动，实现太阳光垂直入射电池板，提高太阳能辐射利用率，提升光伏系统发电效率[18]。研究表明，与非跟踪方式比较，带太阳跟踪控制器的光伏系统发电效率提高35%[19]。

光伏发电系统根据接入的不同，可分为分布式（离网）光伏系统和并网光伏系统。2013年11月，国家能源局发布了《分布式光伏发电项目管理暂行办法》，对规范分布式光伏发电项目建设管理，推进分布式光伏发电应用起到了很好的作用。图3给出了离网太阳能发电系统组成框图[20]。为了使太阳能发电系统能为负载提供足够的电源，应根据用电器的功率，合理选择各部件。下面以100 W输出功率，每天使用6 h为例，介绍一下计算方法：

（i）首先，算出每天消耗的瓦时数（包括逆变器的损耗）：若逆变器的转换效率为90%，则当输出功率为100 W时，则实际输出功率应为100 W/90%=111 W；若按每天使用5h，则耗电量为111 W×5 h=555 Wh。

（ii）电池板输出功率：按每日有效日照时间为6 h计算，太阳能电池板的实际输出功率应为555 Wh/6 h/ 70%=132.1 W。其中70%是考虑了充电效率和充电过程中的损耗。

图3 离网太阳能发电系统组成框图

1.5 光伏电站

系指与电网相连并向电网输送电能的光伏发电系统，是太阳能光伏利用的主要发展趋势[21]。并网光伏电站主要由光伏阵列、具有最大功率跟踪功能的逆变装置及滤波电容器、滤波电感器、变压器和控制系统等组成，并网逆变器是其中的关键设备[22-23]。目前，谐波是制约光伏电站并网最主要的问题之一，很多大型并网光伏电站存在谐波超标，在低光照条件下更加突出[24]。

带蓄电池的并网发电系统有调度性，可根据需要并入或退出电网，有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电。这种光伏并网发电系统常常安装在居民建筑上，在保证建筑物供电的同时，把多余电力供给电网，简化了蓄电池的配置[25]。不带蓄电池的并网发电系统没有可调度性和备用电源的功能，一般安装在大、中型工业系统上。图4为不带蓄电池的并网光伏发电系统组成图[26]。

图4 一种不带蓄电池的并网光伏发电系统组成图

集中式大型并网光伏电站将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配，向用户供电。分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统（BIPV），具有投资小、见效快、占地小、政策扶持力度大等优点，是并网光伏发电发展的主流方向之一。并网光伏电站维护应注意的问题，包括由于各种故障、电性能不匹配和损耗引起的发电量低于预期值等[27]。

2 光伏发电的应用

太阳能光伏发电已成为太阳能利用最基本、最普遍和最有前景的形式之一，在通讯、农业、照明和家用等方面有广泛的应用。

在通讯/通信领域，可设置太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯电源系统、载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。在农业上，有基于光伏水泵、太阳能杀虫灯、太阳能哄鸟器、太阳能滴灌设备等。在照明上，有单块光伏电池供电的手机充电器、LED电源和太阳能手电等；也有基于太阳能发电系统的路灯、景观灯、广告灯箱等。在居家生活中，光伏发电系统可为用户提供中小型电源，为小家电、充电器、庭院灯、草坪灯等供电。将太阳能发电系统与建筑物结合，使未来的大型建筑基本实现太阳能电力自给。与汽车技术结合，开发太阳能驱动的新型混合动力汽车，是太阳能发电技术的重要发展方向。现在，在一些有条件的地区，把风力发电和太阳能发电结合于一体的风光互补发电系统方兴未艾，其特点是夜间和阴雨天由风力发电，晴天由太阳能发电，在既有风又有太阳的情况下两者同时发挥作用，实现了全天候发电，比单用风机和太阳能更经济、科学和实用。

3 存在的问题及改进建议

由于太阳光辐射能量密度小，获得的电能同季节、昼夜及阴晴等气象条件有关，发电系统中光伏电池板占地面积较大，光伏电池转换效率低以及生产中会造成环境污染等缺点是制约光伏事业发展的瓶颈因素。当前，光伏系统初始投资高，上网电价比较贵（为常规电价的3～15倍）。在我国，光伏产业尚未建立起全面的技术研发和创新体系，缺乏相关高科技产业的支撑，因此我国太阳能电池和组件关键生产制造设备基本依赖进口。所以，第一，应积极创新、改进太阳能电池技术，提高光电转换效率，降低成本，特别注重从原理、结构和材料角度创新光伏电池技术（如新型纳米光化学电池等）。第二，从系统的角度，创新并网光伏发电技术，优化系统组成和结构，因地制宜，合理建站，开发诸如风光互补等发电技术，弥补光伏发电的不足。第三，国家应加大对上网光伏电价的补贴力度，各地应完善相应的配套措施，鼓励更多户用光伏发电系统向国家电网卖电，以体现对绿色可再生能源的扶持政策。第四，鉴于我国光伏应用专业人才的巨量缺口，建议教育主管部门组织实验实训条件具备的职业院校，尽快论证设立应用光伏学专业的必要性和可行性，为我国培养太阳能光伏专业人才搭建平台。

4 前景展望

当前，研发基于新原理、新材料及新结构的太阳能电池是提高效率和降低成本的主要思路。从原理上，应研究基于量子效应、纳米特性和光化学效应的新型电池。材料上，大力研发基于非晶硅、微晶硅、纳米硅等薄膜硅系列的叠层电池和化合物薄膜电池，它们具有成本低，弱光适应性强等优点。化合物薄膜电池，如碲化镉太阳电池、砷化镓太阳电池、铜铟镓硒电池等，效率已接近晶体硅水平，发展前景不错。从技术改进角度，开发诸如聚光型光伏电池、玻璃窗式电池及可穿戴柔性电池等。另外，积极制订和推行建筑设计、施工与太阳能光伏产品一体化的标准，规范光伏发电系统的安装，使二者融合得更好。国家要适时出台太阳能光伏产品的支持政策，加大投入力度，把诸如太阳能汽车、太阳能家电等产品的研发作为优先方向，使太阳能利用的范围更广，强度更大，深度更深。

5 结束语

本文从介绍太阳能光伏发电基本原理入手，论述了光伏发电系统组成、设备和运行特点，强调了光伏发电在节能环保方面的优越性，指出了不足之处及改进措施。今后研发的重点应从原理、材料和制造工艺上创新太阳能电池技术，优化光伏发电系统，合理建设光伏电站，解决光伏发电并网的一些突出问题，以提高发电效率，降低成本。

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Review on the main technologies and applications of photovoltaic power generation

WANG Guang-wei1，SHEN Jie2，YANG Xu1，ZHANG Wei1，GE Ying1，XU Shu-yun1
（1.School of Electronic Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.Department of electronic information and automation，Tianjin light industry vocational technical college，Tianjin 300180，China）

It has been elucidated the fundamentals of solar photovoltaic electricity generation，equipments and practical applications.The construction of photovoltaic power generation system and photovoltaic power station with vital practical significance has been reviewed in a focused manner.Meanwhile，it has been pointed out that the advantages and disadvantages of photovoltaic power generation technology，recommendations for improvement have been put forward and the development prospect was also forecast.

Solar energy utilization；Photovoltaic effect；Photovoltaic power generation；solar energy generating system；

TK514，TK519

A

2095－0926（2014）04－0001－04

2014-00-00

天津市人社局职业培训包项目（TJPXB02-07）

光 伟(1971—)，男，山东省滨州市人，博士后，教授，硕士生导师，主要研究方向为新型太阳能电池和太阳能利用新技术.