光伏电池的发展现状及应用

张 萌

（沈阳农业大学信息与电气工程学院，辽宁 沈阳 110866）

0 前言

面对日益枯竭的化石能源和不断恶化的生态环境，人类需要进行第三次能源结构转换，从矿物能源向可再生能源转换，用可再生能源代替矿物能源，用无碳能源、低碳能源代替高碳能源[1]。太阳能是众所周知的可以就地取材、取之不竭、用之不尽的清洁自然能源，光伏电池利用太阳能，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点，使得光伏电池在越来越多的领域得到了更广泛的利用。

1 国内外发展现状

1.1 国外发展现状

光伏产业是世界发展速度最快的行业之一。为实现能源和环境的可持续发展，世界各国均将光伏发电作为发展的重点[2]。20世纪80年代初，国外政府开始投资试验性的大型光伏并网电站。90年代后，许多发达国家掀起“屋顶光伏并网系统”，美国在1997年就提出了“百万屋顶”计划，日本则在1992年启动了“新阳光计划”，并在10年内使日本的光伏组件产量占全球生产总量的50%[3]。这种户用型光伏系统在经济型和灵活性方面都远远胜过大型光伏并网电站，因而受到各国的重视[4]。德国的光伏产业起步较晚，但是发展最快，完善的产业支持政策使德国迅速发展成为世界最大的光伏市场。IMS 研究公司于2013年4月30日发布“能量储存在光伏产业中的作用”预测报告，预计全球光伏存储市场，将从2012年的小于2 亿美元迅速增长至2017年达到190亿美元[5]。

1.2 国内发展现状

我国太阳能资源十分丰富，适宜太阳能发电的国土面积和建筑受光面积也很大，具有大规模开发利用太阳能的资源潜力。在全球太阳能光伏能源快速发展的大背景下，我国太阳能光伏能源产业也飞速发展。2001年我国光伏电池产量为4.5MW，2010年达到8000MW，十年间增加1770 多倍[6]。2011年，我国光伏电池产量达到2000 万kW，占到全球光伏电池产量的60%以上，形成了从晶体硅提纯、电池生产、组件封装、系统集成等完整的光伏产品制造产业链，成为名副其实的光伏电池制造大国[7]。

2 光伏电池模型

作为太阳能电池工作基本原理的光伏效应（Photovoltaic Effect 缩写PV）是1839年被发现的。由太阳光的光量子与材料互相作用而产生电势，从而把光的能量转换成电能，此种进行能量转化的光电元件成为太阳电池（Solar Cell），也可称之为光伏电池[8]。

图1 光伏电池等效电路图

图1 中Iph 为生光电流；Id 为二极管结电流：Cj 为结电容：Rsh 为并联电阻；Rs 为串联电阻。根据电路原理和SHOCKLOY 的扩散理论可得光伏电池的I-V 方程：

式中：I0 为反向饱和电流（数量级为0.1A）：q 为电子电荷（1.6×10-19C）；n 为二极管因子（取值范围1～5）；k 为波尔兹曼常数（1.38×10-23J/K）;T 为绝对温度。

3 常见光伏电池

目前晶体硅高效光伏电池和各类薄膜光伏电池是全球新型光伏电池研究开发的热点和重点。

3.1 单晶硅光伏电池

单晶硅光伏电池是最早发展起来的，是以高纯度的单晶硅棒为原料的光伏电池，其转换效率最高，技术也最为成熟。随着技术的发展与革新。单晶硅光伏电池主要用于光伏电站，特别是通讯电站，也可用于航空器电源，货用于聚焦光伏发电系统。单晶硅光伏电池的生产工艺如图2 所示。

图2 单晶硅光伏电池的生产工艺图

3.2 多晶硅薄膜光伏电池

多晶硅薄膜太阳能电池是将多晶硅薄膜生长在成本低的衬底材料上，用相对薄的晶体硅层作为光伏电池的激活层，不仅保持了晶体硅光伏电池的高性能和稳定性，而且材料的用量大幅度下降，明显降低了电池成本。

3.3 非晶硅光伏电池

非晶硅电池的院子排列呈现无规则状态，转换效率的理论值为18%，但实际产品的转换效率为9%左右。尽管非晶硅光伏电池的转换效率不高，但由于非晶硅光伏电池具有制造工艺简单，易大量生产，制造所需能源、使用材料较少、大面积化容易以及可以做成成本较低的薄膜电池等特点，所以有广阔的应用前景。

表1 硅系光伏电池的特点

4 光伏电池的应用

光伏产业的快速发展，市场应用规模迅速扩大，已广泛应用于航天、通讯、交通以及偏远沙漠地区居民的供电等领域。

4.1 光伏发电系统

光伏发电系统大致可以分为独立离网型光伏发电系统和并网型光伏发电系统两大类[9]。独立离网型光伏发电系统的光伏组件，在接受太阳照射后将太阳能转化成为直流电，通过太阳控制器把直流电存储电池中，因此，独立离网型光伏发电系统发出的电，可以及时的使用，或者先存起来等到需要时使用，图3 为独立离网型光伏发电系统工作原理图。并网型光伏发电系统在光伏组件接收到太阳光照射后，将太阳能转化成直流电经过直流配电线箱进入到并网逆变器，经并网逆变器出来的电流时交流电用于直接连接电网，给电网供电。当光伏系统因天气等原因发不出电的时候，就可通过公共电网向交流负载供电。图4 为并网型光伏发电系统工作原理图。

图3 独立离网型光伏发电系统工作原理

图4 并网型光伏发电系统工作原理

目前，光伏发电系统已经广泛应用于农业、工业、国防、科技和人们日常生活中的方方面面：大型光伏电站的应用，通讯领域的应用，铁路、公路和航空等交通领域的应用，海洋、石油和气象领域的应用，太阳能光伏建筑一体化并网发电。预计到21世纪中叶，光伏发电在可再生能源发电中占到一定的比例。

4.2 分布式太阳能农村户用系统

分布式发电又称为嵌入式发电，这种发电系统相对于集中发电系统不但降低了系统点力传输中的线损，同时电网电压分布情况也得到了改善，增加了电网运行的经济性和稳定性[10]。图5 为分布式太阳能农村户用系统的结构图。分布式发电时近年电力系统讨论的热点，是利用小型发电系统向用户端直接提供能源供应的一种新型的能源利用方式。它的特点有以下几个方面：

1）农村和边远地区供电，投资少，安装和运营具有更高的灵活性。

2）有效的提高供电系统的可靠性和弥补了大电网传输在安全性和稳定性方面的不足。

3）具有清洁高效的性能。

4）用户得到最大限度的经济实惠。

图5 分布式太阳能农村户用系统结构图

分布式太阳能农村户用系统在偏远地区独立用户系统和集中村落电站的供电系统中得到了大量的应用，对比传统大型集中式发电系统，分布式发电系统靠近负载，不需要投资大量资金建设大型电网进行远距离高压或高压输配电，达到减少传输线路上的损耗，提高能源的综合利用率。

5 光伏行业发展展望

世界常规能源供应短缺危机日益严重，寻找新兴能源已成为世界热点问题。在各种新能源中，太阳能光伏发电以其无污染、总量大、应用形式多样等优点，受到世界各国的高度重视。我国光伏产业在制造水平、产业体系、技术研发等方面具有良好的发展基础，国内外市场前景总体看好，在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展，只要抓住发展机遇，加快转型升级，后期必将迎来更加广阔的发展空间。

［1］车孝轩.太阳能光伏系统概论[M].武汉：武汉大学出版社，2006.

［2］王长贵.中国光伏产业的发展与挑战[J].太阳能，2008(9).

［3］韩延刚，陈洪波.国内外太阳能光伏标准体系分析及展望[J].太阳能，2012(13).

［4］蔡宣三.太阳能光伏发电发展现状与趋势[J].电力电子，2007(2).

［5］钱伯章等.国际可再生能源新闻[J].太阳能，2012(23).

［6］孟宪淦.中国光伏发电的政策和市场[J].太阳能2011(12).

［7］唐黎标，我国新能源可持续发展的思考[J].太阳能2013(7).

［8］成志秀，王晓丽.太阳能光伏电池综述[J].信息记录材料，2007，8(2).

［9］李安定.太阳能光伏发电技术[M].北京：北京工业大学出版社，2001.

［10］白明，许敏，崔新雨，等.给予可再生能源的分布式发电技术的应用及前景[J].研究探讨，2008，2（1）.