太陽能發(fā)電

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　　照射在地球上的太陽能非常巨大，大約40分鐘照射在地球上的太陽能，足以供全球人類一年能量的消費。可以說，太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源。而且太陽能發(fā)電干凈，不產(chǎn)生公害。所以太陽能發(fā)電被譽為是理想的能源。

　　從太陽能獲得電力，需太陽電池進行光電變換來實現(xiàn)。它同以往其他電源發(fā)電原理完全不同，具有以下特點：

　　①無枯竭危險；

　　②干凈（無公害）；

　　③不受資源分布地域的限制；

　　④可在用電處就近發(fā)電；

　　⑤能源質(zhì)量高；

　　⑥使用者從感情上容易接受；

　　⑦獲取能源花費的時間短。

　　不足之處是：

　　①照射的能量分布密度小，即要占用巨大面積；

　　②獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關(guān)。但總的說來，瑕不掩瑜，作為新能源，太陽能具有極大優(yōu)點，因此受到世界各國的重視。

　　要使太陽能發(fā)電真正達到實用水平，一是要提高太陽能光電變換效率并降低其成本，二是要實現(xiàn)太陽能發(fā)電同的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。

　　太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶態(tài)硅三種。單晶硅太陽電池變換效率高，已達20%以上，但價格也奡貴。非晶態(tài)硅太陽電池變換效率較低，但價格較便宜，今后奡有希望用于一般發(fā)電的將是這種電池。一旦它的大面積組件光電變換效率達到10%，每瓦發(fā)電設(shè)備價格降到1－2美元時，便足以同其他的發(fā)電方式競爭。估計本世紀末便可達到這一水平。

　　當然，特殊用途和實驗室中用的太陽電池效率要高得多，如美國波音公司開發(fā)的由砷化鎵半導(dǎo)體同銻化鎵半導(dǎo)體重疊而成的太陽電池，光電變換效率可達36%，快趕上了燃煤發(fā)電的效率。但由于它太貴，只能限于在衛(wèi)星上使用。

　　太陽能發(fā)電是利用電池組件將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。太陽能電池組件（Solar cells）是利用半導(dǎo)體材料的電子學特性實現(xiàn)P-V轉(zhuǎn)換的固體裝置，在廣大的無電力網(wǎng)地區(qū)，該裝置可以方便地實現(xiàn)為用戶照明及生活供電，一些發(fā)達還可與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)實現(xiàn)互補。目前從民用的角度，在國外技術(shù)研究趨于成熟且初具產(chǎn)業(yè)化的是"光伏--建筑（照明）一體化"技術(shù)，而國內(nèi)主要研究生產(chǎn)適用于無電地區(qū)家庭照明用的小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

　　太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要包括：太陽能電池組件（陣列）、控制器、蓄電池、逆變器、用戶即照明負載等組成。其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護系統(tǒng)，負載為系統(tǒng)終端。

　　太陽能電池與蓄電池組成系統(tǒng)的電源單元，因此蓄電池性能直接影響著系統(tǒng)工作特性。

　　電池單元

　　由于技術(shù)和材料原因，單一電池的發(fā)電量是十分有限的，實用中的太陽能電池是單一電池經(jīng)串、并聯(lián)組成的電池系統(tǒng)，稱為電池組件（陣列）。單一電池是一只硅晶體二極管，根據(jù)半導(dǎo)體材料的電子學特性，當太陽光照射到由P型和N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N結(jié)上時，在一定的條件下，太陽能輻射被半導(dǎo)體材料吸收，在導(dǎo)帶和價帶中產(chǎn)生非平衡載流子即電子和空穴。同于P-N結(jié)勢壘區(qū)存在著較強的內(nèi)建靜電場，因而能在光照下形成電流密度J，短路電流Isc，開路電壓Uoc。若在內(nèi)建電場的兩側(cè)面引出電極并接上負載，理論上講由P-N結(jié)、連接電路和負載形成的回路，就有"光生電流"流過，太陽能電池組件就實現(xiàn)了對負載的功率P輸出。

　　理論研究表明，太陽能電池組件的峰值功率Pk，由當?shù)氐奶柶骄椛鋸姸扰c末端的用電負荷（需電量）決定。

　　儲存單元

　　太陽能電池產(chǎn)生的直流電先進入蓄電池儲存，蓄電池的特性影響著系統(tǒng)的工作效率和特性。蓄電池技術(shù)是十分成熟的，但其容量要受到末端需電量，日照時間（發(fā)電時間）的影響。因此蓄電池瓦時容量和安時容量由預(yù)定的連續(xù)無日照時間決定。

　　控制器

　　控制器的主要功能是使太陽能發(fā)電系統(tǒng)始終處于發(fā)電的較大功率點附近，以獲得高效率。而充電控制通常采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)即PWM控制方式，使整個系統(tǒng)始終運行于較大功率點Pm附近區(qū)域。放電控制主要是指當電池缺電、系統(tǒng)故障，如電池開路或接反時切斷開關(guān)。目 前日立公司研制出了既能跟蹤調(diào)控點Pm，又能跟蹤太陽移動參數(shù)的"向日葵"式控制器，將固定電池組件的效率提高了50%左右。

　　逆變器

　　逆變器按激勵方式，可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。全橋電路，一般采用SPWM處理器經(jīng)過調(diào)制、濾波、升壓等，得到與照明負載頻率f，額定電壓UN等匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。

　　發(fā)電系統(tǒng)反充二極管

　　太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的防反充二極管又稱阻塞二極管，在太陽電池組件中其作用是避免由于太陽電池方陣在陰雨和夜晚不發(fā)電或出現(xiàn)短路故障時，擂電池組太陽電池方陣放電。防反充二極管串聯(lián)在太陽電池方陣電路中，起單向?qū)ㄗ饔谩Ｒ虼怂仨毺岣?增加回路中有較大電流，而且要承受較大反向電壓的沖擊。一般可選用合適的整流二極管作為防反充二極管。一塊板的話可以不用任何二極管，因為控制器本來就可防反沖。板子串聯(lián)的話，需要安裝旁路二極管，如果是并聯(lián)的話就要裝個防反沖二極管，防止板子直接沖電。防反充二極管只是保護作用，不會影響發(fā)電效果。

　　效率

　　在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總效率ηese由電池組件的PV轉(zhuǎn)換率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負載的效率等組成。但相對于太陽能電池技術(shù)來講，要比控制器、逆變器及照明負載等其它單元的技術(shù)及生產(chǎn)水平要成熟得多，而且系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換率只有17%左右。因此提高電池組件的轉(zhuǎn)換率，降低單位功率造價是太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的重點和難點。太陽能電池問世以來，晶體硅作為主角材料保持著統(tǒng)治地位。對硅電池轉(zhuǎn)換率的研究，主要圍繞著加大吸能面，如雙面電池，減小反射；運用吸雜技術(shù)減小半導(dǎo)體材料的復(fù)合；電池超薄型化；改進理論，建立新模型；聚光電池等。幾種太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率見表1。

　　轉(zhuǎn)換效率

　　實驗室典型電池 商品薄膜電池

　　各種太陽能電池 ηmax(%) 各種太陽能電池 η（%)

　　單晶硅 24.4 多晶硅 16.6

　　多晶硅 18.6 銅銦鎵硒 18.8

　　GaAs（單結(jié)） 25.7 碲化鎘 16.0

　　a-si（單結(jié)） 13 銅銦硒 14.1

　　充分利用太陽能是綠色照明的重要內(nèi)容之一。而真正意義上的綠色照明至少還包括：照明系統(tǒng)的高效率，高穩(wěn)定性，高效節(jié)能的綠色光源等。

　　設(shè)計

　　成功地把太陽能組件和建筑構(gòu)件加以整合，如太陽能屋面（頂）、墻壁及門窗等，實現(xiàn)了"光伏--建筑照明一體化（BIPV)"。1997年6月，美國宣布了以總統(tǒng)命名的"太陽能百萬屋頂計劃"，在2010年以前為100萬座住宅實施太陽能發(fā)電系統(tǒng)。日本"新陽光計劃"已在2000年以前將光伏建筑組件裝機成本降到170～210日元/W，太陽能電池年產(chǎn)量達10MW，電池成本降到25～30日元/W。

　　1999年5月14日，德國僅用一年兩個月建成了全球首座零排放太陽能電池組件廠，完全用可再生能源提供電力，生產(chǎn)中不排放CO2。工廠的南墻面為約10m高的PV陣列玻璃幕墻，包括屋頂PV組件，整個工廠建筑裝有575m2的太陽能電池組件，僅此可為該建筑提供三分之一以上的電能，其墻面和屋頂PV組件造型、色彩、建筑風格與建筑物的結(jié)合，與周圍的自然環(huán)境的整合達到了十分很好的協(xié)調(diào)。該建筑另有約45kW容量，由以自然狀態(tài)的菜子油作燃料的熱電廠提供，經(jīng)設(shè)計燃燒菜子油時產(chǎn)生的CO2與油菜生長所需的CO2基本平衡，是一座真正意義上的零排放工廠。BIPV還注重建筑裝飾藝術(shù)方面的研究，在捷克由德國WIP公司和捷克合作，建成了世界面彩色PV幕墻。印度西孟加拉邦為一無電島117家村民安裝了12.5kW的BIPV。

　　國內(nèi)常州天合鋁板幕墻制造有限公司研制成功一種"太陽房"，把發(fā)電、節(jié)能、環(huán)保、增長融于一房，成功地把光電技術(shù)與建筑技術(shù)結(jié)合起來，稱為太陽能建筑系統(tǒng)（SPBS），SPBS已于2000年9月20日論證。上海浦東建成了國內(nèi)首座太陽能--照明一體化的公廁，所有用電由屋頂太陽能電池提供。這將有力地推動太陽能建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)化與市場化的進程。

　　研究

　　綠色照明系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，要求低能耗下獲得高的光效輸出，并延長燈的使用壽命。因此DC-AC逆變器設(shè)計，應(yīng)獲得合理的燈絲預(yù)熱時間和激勵燈管的電壓和電流波形。處在研究開發(fā)中的太陽能照明光源激勵方式有四種典型電路：①自激推挽振蕩電路，燈絲串聯(lián)啟輝器預(yù)熱啟動。該光源系統(tǒng)的主要參數(shù)是：輸入電壓DC=12V，輸出光效>495Lm/支，燈管額定效率9W，壽命3200h，連續(xù)開啟次數(shù)>1000次。②自激推挽振蕩（簡單式）電路，該光源系統(tǒng)的主要參數(shù)是：輸入電壓DC=12V，燈管功率9W，輸出光效315Lm/支，連續(xù)啟動次數(shù)>1500次。③自激單管振蕩電路，燈絲串聯(lián)繼電器預(yù)熱啟動方式。④自激單管振蕩(簡單式）電路等方式的高效節(jié)能綠色光源。

　　結(jié)束語

　　綠色能源和可持續(xù)發(fā)展問題是本世紀人類面臨的重大課題，開發(fā)新能源，對現(xiàn)有能源的充分合理利用已經(jīng)得到各國政府的極大重視。太陽能發(fā)電作為一種取之不盡，用之不竭的清潔環(huán)保能源將得到少有的發(fā)展。隨著太陽能產(chǎn)業(yè)化進程和技術(shù)開發(fā)的深化，它的效率、性價比將得到提高，它在包括BIPV在內(nèi)的各個領(lǐng)域都將得到廣泛的應(yīng)用，也將極大地推動中國"綠色照明工程"的快速發(fā)展。