光伏发电及其关键技术

武萍

摘 要：光伏发电（PV）是指利用具有光伏效应的半导体材料将光转化为电能，这是物理学、光化学和电化学中研究的一种现象。太阳能光伏作为能源具有特殊的优势：一旦安装完毕，其运行不会产生污染，也不会产生温室气体排放，它在电力需求方面表现出简单的可扩展性，并且硅在地壳中具有较大的可用性。本文对光伏发电的特点进行了分析，并介绍了几种关键的光伏发电技术。

关键词：光伏发电；关键技术；能源

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）17-0127-02

1 光伏发电的特点

为获得最佳性能，地面光伏系统旨在最大限度地增加他们面对太阳的时间。太阳能跟踪器通过移动PV面板追踪太阳来实现这一点。静态安装的系统可通过分析太阳路径进行优化。面板通常设置为纬度倾斜，这个角度等于纬度，但是可以通过调整夏季或冬季的角度来提高性能。一般情况下，与其他半导体器件一样，室温以上的温度会降低光伏器件的性能。

如果太阳的天顶距离大于零，并且塔架可以作为整体水平转动并且每个面板另外围绕水平轴线，则多个太阳能面板也可以彼此垂直地安装在塔架中。最近的另一项发展涉及太阳能电池的组成。钙钛矿是一种非常便宜的材料，正在用于替代昂贵的晶体硅，而这种硅仍然是目前标准光伏电池的一部分。

光伏系统的主要缺点是功率输出依赖于直射阳光，因此如果不使用跟踪系统，大约会失去10-25%的功率，因为光伏电池在任何时候都不会直接面对太阳。大气中的灰尘、云层和其他障碍物也会降低功率输出。另一个主要问题是在与主要日照相对应的时间内产量的集中，这通常与人类活动周期中的需求峰值不匹配。除非目前的社会消费和电力网络模式相互适应这种情况，否则电力仍需储存起来供以后使用或由其他电源（通常为碳氢化合物）组成。

2 太阳能光伏发展现状

太阳能电池从阳光产生直流电，可用于为设备供电或为电池充电。光伏的第一个实际应用是为轨道卫星和其他航天器提供动力，但如今大多數光伏模块都用于并网发电。在这种情况下，逆变器需要将DC转换为AC。

光伏发电采用由多个含有光伏材料的太阳能电池组成的太阳能电池板。铜质太阳能电缆连接模块（模块电缆）、阵列（阵列电缆）和子场。由于对可再生能源的需求不断增长，近年来，太阳能电池和光伏阵列的制造已经取得了相当大的进展。

太阳能光伏发电长期以来一直被视为清洁能源技术，它利用了地球上最丰富和分布广泛的可再生能源——太阳。电池需要对环境进行保护，并且通常紧密包装在太阳能电池板中。

在“Wp”（瓦峰值）标准化测试条件下（STC），光伏发电容量被测量为最大功率输出。根据地理位置、一天中的时间、天气状况和其他因素，特定时间点的实际功率输出可能小于或大于此标准值或“额定值”。太阳能光伏阵列容量因素通常低于25%，低于许多其他工业电力来源。

3 光伏发电的影响因素

电效率（也称为转换效率）是选择光伏系统的一个促成因素。然而，最高效的太阳能电池板通常是最昂贵的，并且可能无法在市场上买到。因此，选择也受成本效率和其他因素的驱动。

PV电池的电效率是一个物理性质，它代表了电池在给定的日照下可以产生多少电能。光伏电池的最大效率基本表达式由输出功率与入射太阳能的比率（辐射通量时间面积）给出。

效率是在理想的实验室条件下测量的，代表了PV材料可实现的最大效率。实际效率受输出电压、电流、结温、光强度和光谱的影响。

到目前为止，最有效的太阳能电池类型是多联聚光太阳能电池，效率为46.0%，由Fraunhofer ISE于2014年12月生产。无浓度达到的最高效率包括夏普公司使用35.8%的材料2009年专有的三结制造技术和波音Spectrolab（40.7%也采用三层设计）。美国SunPower公司生产的电池效率为21.5%，远高于12-18%的市场平均水平。

目前正在努力提高光伏电池和模块的转换效率，主要是为了获得竞争优势。为了提高太阳能电池的效率，选择具有与太阳光谱相匹配的适当带隙的半导体材料是重要的。这将增强电气和光学特性。改进电荷收集方法对提高效率也很有用。有几组材料正在开发中。超高效器件（η> 30%）通过使用GaAs和GaInP2半导体与多结串联电池制成。高质量的单晶硅材料用于实现高效率，低成本电池（η>20%）。

自从二十世纪八十年代引进以来，有机光伏电池（OPV）的最新发展在功率转换效率方面取得了显着进步，从3%提高到15%以上。迄今为止，最高功率转换效率范围从小分子的6.7%到8.94%，聚合物OPV的8.4%-10.6%和钙钛矿OPV的7%到21%。预计OPV将在光伏市场中发挥重要作用。最近的改进提高了效率并降低了成本，同时保持了环保和可再生性。

几家公司已经开始将功率优化器嵌入称为智能模块的光伏组件中。这些模块分别为每个模块执行最大功率点跟踪（MPPT），测量用于监测的性能数据，并提供额外的安全功能。这样的模块还可以补偿阴影效应。

每升高1摄氏度，太阳能电池的效率就会下降约0.5%这意味着表面温度增加100度会使太阳能电池的效率降低大约一半。自冷却太阳能电池是解决这个问题的方法之一。锥体形状可以由二氧化硅形成，并附着在太阳能电池板的表面上。这样做可以使可见光到达太阳能电池，但会反射红外线（带有热量）。

4 光伏发电关键技术

4.1 屋顶和建筑综合技术

光伏阵列通常与建筑物相关联：或集成到它们中，安装在它们上面或附近安装在地面上。屋顶光伏系统通常改造成现有的建筑物，通常安装在现有屋顶结构的顶部或现有墙壁上。阵列也可以与建筑物分开放置，但通过电缆连接为建筑物供电。建筑一体化光伏发电（BIPV）越来越多地被纳入新的家庭和工业建筑物的屋顶或墙壁，作为主要或辅助电力来源。集成光伏电池的屋顶瓦片有时也会使用。如果有一个空气可以循环的开放空间，屋顶安装的太阳能电池板可以在白天对建筑物提供被动冷却效应，并且在夜间也可以保持蓄热。通常，住宅屋顶系统的小容量为5-10千瓦，而商用屋顶系统通常达到几百千瓦。虽然屋顶系统比地面安装的公用事业规模发电厂小得多，但它们占全球大部分的装机容量。

4.2 聚光光伏发电

聚光光伏（CPV）是一种光伏技术，与传统平板光伏系统相反，它使用透镜和曲面镜将太阳光聚焦到小型但高效率的多结（MJ）太阳能电池上。此外，CPV系统通常使用太阳能追踪器，有时还使用冷却系统来进一步提高效率。

4.3 光伏热混合太阳能集热器

光伏热混合太阳能集热器（PVT）是将太阳辐射转换成热能和电能的系统。这些系统将太阳能光伏电池与太阳能集热器相结合，该太阳能光伏电池将阳光转化为电能，该集热器捕获剩余能量并从光伏组件中移除废热。电力和热量的捕获使得这些设备具有更高的能量，因此比太阳能光伏或单独的太阳能热能更有效。

4.4 固定阵列技术

许多项目使用安装结构，其中太阳能模块以固定的倾角安装，以便提供最佳的年度输出特性。这些模块通常朝向赤道方向，倾角略小于现场的纬度。在某些情况下，根据当地的气候、地形或电力定价制度，可以使用不同的倾斜角度，或者阵列可能偏离正常的东西方轴线。

这种设计的一个变种是使用阵列，其倾斜角度可以每年调整两次或四次以优化季节性输出。还需要更多的土地面积来减少冬季倾斜角度较大时的内部阴影。

4.5 跟踪技术

为了最大限度地提高直接辐射的强度，太阳能电池板的方向应该与太阳光的方向垂直。为了达到这个目的，可以使用双轴追踪器来设计阵列，能够跟踪太阳在天空中的日常轨道，并且随着它的高度在一年中变化。

这些阵列需要被隔开以减少太阳移动和阵列方向改变时的阴影，因此需要更多的土地面积。还需要更复杂的机制来维持阵列表面所需的角度。在具有高水平直接辐射的地方，增加的输出量可能达到30%，但由于阴天条件、温度气候或散射辐射，电能增加幅度较小。出于这个原因，双轴跟踪器最常用于亚热带地区。单轴跟踪系统沿着大致南北向的轴对齐。一些使用行之间的连接，使得同一个致动器可以一次调整几行的角度。

4.6 电源转换

太阳能电池板产生直流电，因此需要转换设备将其转换为交流电（AC），这是电网传输的形式。这种转换是由逆变器完成的。为了最大限度地发挥其效率，太阳能发电厂还在逆变器内部或作为独立单元包含最大功率点跟踪器。这些设备使每个太阳能电池串保持接近其峰值功率点。

4.7 孤岛效应技术

在光伏发电过程中，为了避免某些线路出现问题，而无法正常运行，可以借助孤岛效应技术，其可以与周边装置连接在一起组成自己的供电装置，同时与其并网的放电设备共同作用来达到继续提供电量的目的。借助孤岛效应技术也会产生不良影响，最常见的就是孤岛内未按照实际情况预先设计和规划好控制对策，一旦发生孤岛效应时，将会导致主网无法对孤岛的频率和电压进行有效的调节。

4.8 分布式电源并网技术

在光伏电系统中，分布式电源并网技术得到了广泛的应用，其不仅可以使供电的可靠性得到有效提升，而且还能够确保光伏发电启停操作稳定性和可靠性。借助分布式电源并网技术，可以有效平衡并网中的传输负荷，使传输阶段所存在的负荷损失得到有效改善，以达到电力的就近供应和就近输送，使电网长距离供电问题得到有效解决。

5 光伏发电的优缺点

5.1 优点

太阳能在使用过程中无污染，可以在替代其他能源时减少污染。光伏装置在初始建立后可以运行100年甚至更长时间，而且需要的维护或干预很少，所以在建设任何太阳能电厂的初始投资成本后，与现有的電力技术相比，运营成本极低。并网太阳能电力可以在当地使用，从而减少输电/配电损失。与化石能源和核能源相比，太阳能电池的研发投入很少，所以还有很大的提升空间。尽管如此，在聚光光伏电池的情况下，实验高效太阳能电池已经具有超过40%的效率，并且在大规模生产成本迅速下降的同时，效率迅速提高。

5.2 缺点

光伏系统通常由光伏组件和逆变器组成（将直流电改为交流电）。光伏组件主要由光伏电池组成，与制作电脑芯片的材料没有本质区别。生产光伏电池（电脑芯片）的过程耗能大，涉及高度有毒和环境有毒化学品。世界上很少有光伏制造厂使用光伏发电生产光伏组件。这一措施大大减少了制造过程中的碳足迹。管理制造过程中使用的化学品受制于工厂的当地法律法规。

6 结语

光伏发电凭借其清洁、高效等特点，在现代生活中得到了更为广泛的应用。但当前的光伏发电系统还存在生产能耗大、电压不稳定等缺陷。因此，需要对现有的光伏发电技术进行分析和研究，并采取有效对现有的技术进行完善。

参考文献

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