【文章內(nèi)容簡介】 3美元∕瓦。但隨著技術(shù)進步、產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴大，光伏發(fā)電的成本將繼續(xù)不斷降低。 產(chǎn)業(yè)化方面，各國一直在通過改進工藝、擴大規(guī)模和開拓市場等措施降低成本，并取得了巨大進展。以美國為代表，其能源部 1990年起動了光伏制造技術(shù) (PVMaT)的產(chǎn)業(yè)化計劃，通過國家可再生能源實驗室 (NREL)實施，并成立了國家光伏中心，聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界、大學和研究機構(gòu)共同進行攻關(guān)，以求大幅度降低成本。這一計劃的實施已經(jīng)產(chǎn)生了非常明顯的效果， 商品化電池效率從 10%一 13%提高到 12%15%。生產(chǎn)規(guī)模從 15兆峰瓦 /年發(fā)展到 520兆峰瓦 /年，并正在向 50兆峰瓦擴大。生產(chǎn)工藝不斷簡化，自動化程度不斷提高。三年來，世界的光伏組件的生產(chǎn)成本降低了 32%以上，第一次降到 3美元 /峰瓦以下，國際市場光伏組件售價在 4美元 /峰瓦左右，這種趨勢還在繼續(xù)發(fā)展 .美國光伏系統(tǒng)電價成本目標 :2021年光伏系統(tǒng)安裝成本 3美元 /峰瓦 (11美分 /千瓦時 )， 2021年 /峰瓦(6美分 /千瓦時以下 )。歐洲和日本也有類似的計劃。競爭促使各發(fā)達國家的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)幾乎以大致相同 的水平和速度向前發(fā)展。在太陽能光伏發(fā)電領(lǐng)域，印度在發(fā)展中國家處領(lǐng)先地位。目前印度有 80個公司從事光伏工業(yè)和太陽電池組件的生產(chǎn)， 6個太陽電池制造廠 12個組件生產(chǎn)廠， 19971998年間，電池生產(chǎn) ，組件生產(chǎn) 11兆峰瓦，出口4兆峰瓦，預(yù)計 2021年生產(chǎn)將達到 50兆峰瓦 /年 。截至 1998年，印度光伏系統(tǒng)安裝容量達到 35兆峰瓦，計劃 19982021安裝 150兆峰瓦。 [7] 世界各大公司也紛紛制定和實施擴產(chǎn)計劃， 1998年初 PVIR統(tǒng)計，正在實施和擴產(chǎn)的新增能力為 /年，比 1997年高出 2倍，可以說，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)華中科 技大學文華學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 正在騰飛，預(yù)測今后 10年光伏組件的生產(chǎn)將以 20%一 30%甚至更高的遞增速度發(fā)展，到2021年生產(chǎn)將達到 ，總裝機容量達到 18千兆瓦。快速發(fā)展的屋頂計劃、各種減免稅政策、補貼政策以及逐漸成熟的綠色電力價格為光伏市場的發(fā)展提供了堅實的發(fā)展基礎(chǔ)。市場發(fā)展將逐步由邊遠地區(qū)和農(nóng)村的補充能源向全社會的替代能源過渡。預(yù)測到下世紀中葉，太陽能光伏發(fā)電將達到世界總發(fā)電量的 15%一 20%，成為人類的基礎(chǔ)能源之一。 [8] 我國從 20 世紀 80 年代起就開始太陽能電池的開發(fā)與生產(chǎn) ,國家 也在西部無電地區(qū)大力推廣了離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的應(yīng)用 ,其中“光明工程”和“鄉(xiāng)鄉(xiāng)通工程”等實施 ,為我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展和光伏技術(shù)提高起到了積極作用。近年來 ,國家在“ 973”和“ 863”等重大項目中將太陽能光伏電池的發(fā)展也放到了重要的位置。 2021 年 2 月通過的《中華人民共和國可再生能源法》中明確提出，“國家鼓勵單位和個人安裝和使用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)等太陽能利用系統(tǒng)”。在 2021 年 3 月兩會發(fā)布的中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要中也指出送電到村和綠色能源縣工程：建成 50 個綠色能源示范縣，利用電網(wǎng)延 伸、風力發(fā)電、小水電、太陽能光伏發(fā)電等，解決 350 萬戶無電人口用電問題。 光伏電池的工作原理 太陽能光伏電池是利用半導體材料的電子特性把陽光直接轉(zhuǎn)換成電能的一種固態(tài)器件。用適當波長的光照射到半導體系統(tǒng)上時，系統(tǒng)吸收光能后兩端產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。例如，當光照射到由 P 型和 N 型兩種不同導電類型的同質(zhì)半導體材料構(gòu)成的 P－ N 結(jié)上時，在一定條件下，光能被半導體吸收后，在導帶和價 帶中產(chǎn)生非平衡載流子一電子和空穴。由于 PN 結(jié)勢壘區(qū)存在著較強的內(nèi)建靜電場，因而產(chǎn)生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空 穴，或者產(chǎn)生在勢壘區(qū)外但擴散進勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場的作用下，各向相反方向運動。離開勢壘區(qū)，結(jié)果使 P 區(qū)電勢升高， N 區(qū)電勢降低， PN 結(jié)兩端形成光生電動勢，這就是 P－ N 結(jié)的光生伏特效應(yīng)。由于光照產(chǎn)生的非平衡載流子各向相反方向漂移，從而在內(nèi)部構(gòu)成自 N 區(qū)流向 P區(qū)的光生電流，在 P－ N 結(jié)短路情況下構(gòu)成短路電流密度 Isc。在 P－ N 結(jié)開路清況下， PN 結(jié)兩端建立起光生電勢差 Voc，這就是開路電壓。如將 PN 結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會不斷地有電流流過電路， P－ N 結(jié)起了電源的作用 ，這就是光電池的基本工作原理。顯然，光電池之所以能在光照下形成電流密度 J，短路電流密度 Isc，開路電壓Voc，都是由于材料內(nèi)部存在內(nèi)建靜電場的緣故。若在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負載，則負載中就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。這樣，太陽的光能就直接變成了可付諸實用的電能。 [9] 光伏電池的特性 光伏電池的輸出特性太陽能電池具有獨特的 IV 特性，該特性由太陽能電池材料的物理特性所決定。如下圖是太陽能單體工作的輸出特性。 華中科 技大學文華學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 I / VS = 1 0 0 0 W / m太 陽 能 電 池 溫 度2 5 176。 c8 0 06 0 04 0 02 0 01 0 02 0 03 0 0 4 0 05 0 00 . 51 . 01 . 52 . 0U / V( A ) 常 溫 不 同 日照 下I / A2 . 0S = 1 0 0 0 W / m5 0 176。 c2 5 176。 c0 176。 c1 0 0 2 0 03 0 04 0 05 0 0 6 0 0( B ) 相 同 日 照不 同 溫 度 下U / v 圖 21 太陽能光伏電池的 IV特性曲線 光伏電池由于其受外界影響因素 (溫度、光照等 ) 很多 ,且其輸出具有非線性特性 ,如圖 (電壓 電流 ) 特性。從特性曲線看 ,太陽能電池在不同的光照強度下和 12不同的環(huán)境溫度下的伏安特性曲線大致的形狀是一樣的，也就是說太陽能電池的伏安特性曲線可以劃分三個區(qū)域，恒流源區(qū)、最大功率區(qū)以及恒壓源區(qū)。 為了能更加具體的說明，可以直觀的從圖 圖看出。圖中曲線為太陽能電池不同的測量點所組成。直線是負載電阻的 IV特性，兩者的交點即為太陽電池 的工作點，也即工作點的電壓－電流即符合太陽電池的 IV特性又符合負載自身的 IV特性。當工作負載發(fā)生變化時，工作狀態(tài)亦發(fā)生變化，但是變化的軌跡沿著特定的曲線完成。不同的曲線代表不同的光強下的變化。在實際使用時，負載往往工作在最大功率點附近。 [10] IV恒 流 源 區(qū) 域A( V a , I a )工 作 點M( V m , I m )B( V m , I b )最 大 功 率 區(qū) 域恒 壓 源 區(qū) 域 圖 22太陽能光伏電池單體輸出特性曲線 當受光照射的太陽能光伏電池接上負載時，光生電流流經(jīng)負載，并在負載兩端建立起端電壓，這時太陽能光伏電池的工作情況可用圖 所示等效電路來描述。圖中把太陽能光伏電池看成能穩(wěn)定地產(chǎn)生光電流 IL 的電流源 (只要光源穩(wěn)定 )，與之并聯(lián)的有一個處于正偏壓下的二極管及一個并聯(lián)電阻 Rsh(也稱跨接電阻 )。顯然，二極管的正向華中科 技大學文華學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 電流 ID和旁路電流 Ish都要靠 IL提供，剩余的光電流經(jīng)過一個串聯(lián)電阻 Rs流出太陽能電池而進入負載 RL。對于實際的太陽能電池，應(yīng)當把它看成由很多個具有這種等效電路結(jié)構(gòu)的電池單元 (也稱于電池 )并聯(lián)而成，因而應(yīng)當把如圖 所示的等效電路中的各個參量視為集中參量 (即各子電池參量的總和 )。 I LI dC j R s hR sIU 圖 23光伏電池等效電路圖 由于器件的瞬時響應(yīng)時間與絕大多數(shù)光伏系統(tǒng)的時間常數(shù)相比微不足道，因此結(jié)電容 jC 在分析中可以忽略。設(shè)定圖中所示的電壓、電流正方向，可以得出太陽能電池的 IV方程為 ? ?? ?/0 1sq V I R A K T SL D S H L SHV I RI I I I I I e R? ?? ? ? ? ? ? ? (21) 式中： LI — 光生電流 (A)。 I — 反向飽和電流 (A)。 A — 二極管因子 : SR — 太陽能電池串聯(lián)電阻 。 SHR — 太陽能電池的并聯(lián)電阻 。 q — 電子電荷， 10－ 19C。 K — 玻耳茲曼常數(shù)， 1. 38 10－ 23J/K。