太陽能光伏發(fā)電基本原理

1. 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能光伏電池組，光伏系統(tǒng)電池控制器，蓄電池和交直流逆變器是其主要部件。其中的核心元件是光伏電池組和控制器。各部件在系統(tǒng)中的作用是： 　　光伏電池：光電轉(zhuǎn)換。 　　控制器：作用于整個(gè)系統(tǒng)的過程控制。光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用的控制器類型很多，如2點(diǎn)式控制器，多路順序控制器、智能控制器、大功率跟蹤充電控制器等，我國目前使用的大都是簡單設(shè)計(jì)的控制器，智能型控制器僅用于通信系統(tǒng)和較大型的光伏電站。 　　蓄電池：蓄電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，用于存儲從光伏電池轉(zhuǎn)換來的電力。目前我國還沒有用于光伏系統(tǒng)的專用蓄電池，而是使用常規(guī)的鉛酸蓄電池。 　　交直流逆變器：由于它的功能是交直流轉(zhuǎn)換，因此這個(gè)部件最重要的指標(biāo)是可靠性和轉(zhuǎn)換效率。并網(wǎng)逆變器采用最大功率跟蹤技術(shù)，最大限度地把光伏電池轉(zhuǎn)換的電能送入電網(wǎng)。 　　2.太陽能光伏電池板： 　　太陽能電池主要使用單晶硅為材料。用單晶硅做成類似二極管中的P-N結(jié)。工作原理和二極管類似。只不過在二極管中，推動P-N結(jié)空穴和電子運(yùn)動的是外部電場，而在太陽能電池中推動和影響P-N結(jié)空穴和電子運(yùn)動的是太陽光子和光輻射熱（*）。也就是通常所說的光生伏特效應(yīng)原理。目前光電轉(zhuǎn)換的效率，也就是光伏電池效率大約是單晶硅13％－15％，多晶硅11％－13％。目前最新的技術(shù)還包括光伏薄膜電池。 　　1839年，法國物理學(xué)家A．E．Becquerel在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng)（由光照射在液體蓄電池的金屬電極板上使得蓄電池電路中的伏特表產(chǎn)生微弱變化）至今，在所有能找到的材料中，由單晶硅做成的P-N結(jié)光伏電池是光電轉(zhuǎn)換效率最高的材料。 　　3.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類： 　　目前太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)大致可分為三類，離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及前兩者混合系統(tǒng)。 　　A）離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)。這是一種常見的太陽能應(yīng)用方式。在國內(nèi)外應(yīng)用已有若干年。系統(tǒng)比較簡單，而且適應(yīng)性廣。只因其一系列種類蓄電池的體積偏大和維護(hù)困難而限制了使用范圍。 　　B）光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)用電負(fù)荷較大時(shí)，太陽能電力不足就向市電購電。而負(fù)荷較小時(shí)，或用不完電力時(shí)，就可將多余的電力賣給市電。在背靠電網(wǎng)的前提下，該系統(tǒng)省掉了蓄電池，從而擴(kuò)張了使用的范圍和靈活性，并降低了造價(jià)。 　　C）A, B兩者混合系統(tǒng)，這是介于上述兩個(gè)方之間的系統(tǒng)。該方案有較強(qiáng)的適應(yīng)性，例如可以根據(jù)電網(wǎng)的峰谷電價(jià)來調(diào)整自身的發(fā)電策略。但是其造價(jià)和運(yùn)行成本較上述兩種方案高。 光伏產(chǎn)業(yè)投資焦點(diǎn)應(yīng)集中在薄膜光伏電池領(lǐng)域 　　新能源板塊短期面臨估值偏高的窘境全球光伏產(chǎn)業(yè)維持熱絡(luò)，薄膜光伏電池地位崛起      根據(jù)Solarbuzz最新數(shù)據(jù)，07年全球光伏系統(tǒng)裝置容量達(dá)2826MW，較06年大增62%，其中德國07年光伏系統(tǒng)裝置容量達(dá)1328MW(占比高達(dá)47%)占居第一位，增速為38%，其次是西班牙的640MW(占比達(dá)23%)，增速為480%，美國為220MW(占比為8%)，增速為57%，日本市場占比持續(xù)下降，07年裝置容量僅230MW(占比8%)，衰退了22%。 　　07年全球太陽能電池產(chǎn)量達(dá)到3436MW，較06年增長了56%，中國廠商07年市占率由06年的20%提升至35%，而日本廠商市占率則由06年的39%下滑至26%，日本廠商市占率下滑除了受到上游硅料供應(yīng)吃緊及日本本土市場光伏系統(tǒng)裝置容量下降等因素影響之外，日系廠商開始布局下一世代薄膜太陽能電池領(lǐng)域發(fā)展也有相當(dāng)大的關(guān)系。      07年薄膜太陽能電池產(chǎn)量(包括a-Si、μc-Si、CdTe、CIGS等技術(shù))增速持續(xù)超越整體產(chǎn)業(yè)，07年薄膜太陽能電池產(chǎn)量達(dá)到400MW，較06年的181MW大幅增長了120%，07年薄膜太陽能電池市占率由06年的8.2%提升至07年的12%，在上游硅料供應(yīng)持續(xù)吃緊下，薄膜太陽能電池透過電池轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升以及大面積生產(chǎn)的成本優(yōu)勢，其市占率有進(jìn)一步提升空間。     投資焦點(diǎn)應(yīng)轉(zhuǎn)往薄膜光伏電池領(lǐng)域做發(fā)掘      目前晶體硅光伏電池產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)上肥下瘦的狀況，中下游電池模塊廠利潤率持續(xù)萎縮，更多的光伏電池廠已轉(zhuǎn)往發(fā)展薄膜光伏電池技術(shù)，目前國內(nèi)廠商在上游硅料的擴(kuò)充計(jì)劃未來將面臨較大的產(chǎn)能去化疑慮，我們建議光伏產(chǎn)業(yè)投資焦點(diǎn)應(yīng)該轉(zhuǎn)往薄膜電池領(lǐng)域去做發(fā)掘，我們目前看好孚日股份(002083.SZ, Rmb14.58,未評級)的CIGSSe光伏電池項(xiàng)目。 電子科技集團(tuán)第十八所解密“神七”太陽能電池陣    　　“每當(dāng)飛船發(fā)射進(jìn)入到星箭分離狀態(tài)時(shí)，我與同事們的心都會‘提到嗓子眼兒’，耳朵支棱著，直到聽見指揮控制室傳來‘電池帆板展開！工作正常’的口令，才大出一口氣，然后抱在一起跳著歡呼著，那個(gè)喜慶勁兒沒嗎能比。”在中國電子科技集團(tuán)公司第十八所一間簡陋的辦公室里，空間總體室主任、航天電源系統(tǒng)專家韓振森繪聲繪色地向記者描述他們與神舟號系列飛船的不解之緣，話語中包含著一種至愛深情。 　　從第一顆人造地球衛(wèi)星到今天的神舟七號飛船，十八所一直擔(dān)負(fù)尖端科研項(xiàng)目——太陽能電池陣的研制生產(chǎn)裝配，為中國步入航天強(qiáng)國制造著源源動力。 　　電池之于飛船，好比血液之于人 　　十八所主要負(fù)責(zé)飛船的電力系統(tǒng)，在載人航天工程七大系統(tǒng)中，它是飛船系統(tǒng)的分系統(tǒng)。“它的要害程度怎么說都不過分，就好比人的血液，這個(gè)系統(tǒng)不靈，飛船就飛不動。”從事二十多年電池科研工作的韓振森一直試圖以通俗的語言，講解艱深的技術(shù)名詞。 　　從“神舟”一號到“神舟”七號，十八所共為“神舟”飛船生產(chǎn)和提供了80塊太陽能電池板。這些電池板在飛船進(jìn)入軌道后展開，像一雙翅膀，保證飛船正常飛行。這雙翅膀在太陽角計(jì)、光敏傳感器的自動調(diào)節(jié)下，始終跟著太陽走，“無論飛船飛行姿態(tài)嗎樣兒，這雙翅膀都與太陽保持垂直角，讓光直射到電池陣，這樣光強(qiáng)最大。”電池陣像發(fā)電機(jī)一樣，把光能轉(zhuǎn)換成電能，源源不斷地輸送到飛船中的其它系統(tǒng)。飛船在軌運(yùn)行時(shí)，太陽能電池陣是飛船唯一主動提供能源的子系統(tǒng)。 　　之所以稱“陣”，是因?yàn)榧狭藥状髥卧?。其中供電陣為飛船直接供電，充電陣為蓄電池組充電。在陰影區(qū)，蓄電池組再將儲存的電能輸出為飛船供電。太陽能電池陣是飛船電能的直接來源，沒有它，飛船就無法工作。 　　神七與神六電池陣完全相同 　　“神七”是中國載人航天工程二期工程的第一條飛船。此行太空，主要任務(wù)之一便是實(shí)現(xiàn)中國航天員首次太空行走，而且同時(shí)搭載3名航天員，因此，對各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。韓振森解釋說，主電源太陽能電池陣是電源分系統(tǒng)主要部件之一，飛船光照時(shí)提供負(fù)載電能，同時(shí)給蓄電池組充電。這一次任務(wù)，太陽能電池陣沒有設(shè)留軌電源，主電源8塊板的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與“神六”完全相同。 　　韓振森在一張紙上畫出飛船草圖，繼續(xù)講解：大家在電視上看到的兩個(gè)翅膀，就是主電源太陽能電池陣的左右兩翼帆板。 　　從電視轉(zhuǎn)播中，我們能看到電池板上密密麻麻的小方塊，那是什么元件？韓振森解釋，那是單晶硅高效單體電池，整個(gè)飛船上共使用一萬多片，光電轉(zhuǎn)換效率和布片系數(shù)達(dá)到國際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。 　　韓振森透露，神七太陽能電池陣的材料工藝水平也達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。“這種材料非常非常先進(jìn)，完全能應(yīng)對太空中的復(fù)雜環(huán)境。這是中國航天技術(shù)上的一大突破”。 　　伴飛衛(wèi)星也有神奇電池 　　這次“神七”太空之旅有兩大亮點(diǎn)，一是航天員出艙行走，二是放飛伴飛衛(wèi)星。這顆衛(wèi)星上的電池也由十八所研制。 　　韓振森介紹，伴飛衛(wèi)星星體結(jié)構(gòu)為六面體，其中五個(gè)面粘貼太陽能電池，科研人員選用了轉(zhuǎn)換效率較高的三結(jié)砷化鎵太陽能電池作為基本發(fā)電單元，單體電池平均光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)27%，是我國首次將此類電池批量應(yīng)用于衛(wèi)星工程。SZ-7飛船微小伴隨衛(wèi)星未來的在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)，將為載人航天二期工程三結(jié)砷化鎵電池的應(yīng)用提供寶貴的在軌飛行數(shù)據(jù)。 　　地面封閉訓(xùn)練有模擬供電設(shè)備 　　除了保障飛船在軌飛行的電力外，十八所還承擔(dān)了飛船在地面期間的全部供電工作，設(shè)計(jì)研制了地面模擬供電設(shè)備。這也是“神七”電力保障系統(tǒng)的神奇之處。 　　航天員封閉訓(xùn)練時(shí)，要模擬太空飛行的各種狀態(tài)，以適應(yīng)太空環(huán)境。供電系統(tǒng)也要同步模擬，而且是按太陽與飛船、地球之間的關(guān)系曲線設(shè)計(jì)電池陣的太空姿態(tài)。這種模擬，要在負(fù)計(jì)時(shí)30分鐘時(shí)才完成使命。 　　韓振森解釋“負(fù)30分”：通常把飛船發(fā)射時(shí)稱為“零秒”，“零秒”之前為“負(fù)”計(jì)時(shí)，“零秒”之后即發(fā)射升空后為“正”計(jì)時(shí)。地面模擬供電設(shè)備不是簡單的供電電源，而是在各種特性方面均模擬太陽能電池翼在空間軌道運(yùn)行時(shí)的供電特性。模擬供電時(shí)間從電源系統(tǒng)單機(jī)聯(lián)試、整船總裝后的測試就開始了，一直到飛船發(fā)射前的30分鐘才與船體脫離。而每次發(fā)射，技術(shù)人員都要提前4個(gè)月到位，保障航天員的封閉訓(xùn)練，這也是升空前最關(guān)鍵的訓(xùn)練時(shí)段。 　　小小電池，光耀寰宇。從神一到神七，十八所的科技人員書寫了中國載人航天的神來之筆。