新能源技术

为了发电，人类一直很努力，夏天的时候，大家经常说 我的命是空调给的。空调能够制冷，
离不开一样东西，电，今天咱们来聊聊电是怎么来的，发电的方法有很多种，今天简单接受
两派，电磁派和光电派。话说有个法国人在玩电池的时候啊，发现了一个奇怪的现象，被阳
光照射后，电池的电量居然变多了。这就是传说中的光生伏打效应，后来人们利用这个原理，
制造出了可以发电的新物种，太阳能电池，但我们知道不管是啥，要想通电，得满足两个条
件，1，有足够的自由电子，2，它们得定向移动，那太阳能电池是怎么发电的呢，咱们先来
看看太阳能电池的构造，他是两块硅板拍在一起做成的，为什么是硅板呢，大家都知道，原
子是由原子核和电子构成，而电子会分为好几层绕着核转。人们发现，通常最外层要有八个
电子，原子才会比较稳定，不瞎浪，但多数原子达不到八个，比如说硅原子，最外层电子数
就只有四个。没错，不太稳，想稳定就得再找四个电子，可多出来的电子从哪里来呢，找其
他硅凑一凑，于是，就变沉了这样，每个核周围都有8个电子，这就是普通硅板的结构，可
是这里的电子，一不自由，二不定向。稳得一笔 还痛什么电！于是我们在里面稍微加点料，
比如在一块硅板里加点磷，磷的最外层有五个点子，比硅还多一个，每个磷都多一个电子，
加在一起，这块板 就会多出很多自由电子，这种板也叫N型硅板。而另一块的，加点硼，
最外层有三个，比硅少一个，每个硼都少一个电子，加在一起，这块板，就会多出很多空位，
这块板也叫P型硅板，所以我们就得到了凉快不一样的硅板，结着我们把两块板贴在一起，
无家可归的自由电子，瞬间就有了使命，运气好的电子，迅速在中间占了坑，形成了中间没
有自由电子也没有空位的稳定区域，而剩下的自由电子，就没那么好运了。因为与此同时，
这也相当于磷的电子跑到了硼那里，他们各自开始带电，N区的磷原子失去电子，带了正电，
而p区的硼原子得到电子，就带了负电，于是在中间就形成了电场，而外面的电子就会受到
一个来自电场的力，不让他们钻空子。就好比一个结界，所以也叫PN结，那么如何发电呢，
当太阳光照向电池的N面，受到照射后的N型硅板上的电子瞬间活跃起来，有了自由电子，
再有之前说过pn结带来的力，就有了方向， 只要导线一连，电子就会疯狂往外跑，而PN
结内部原本稳定的电子，会去补充N区的空位，P区的电子补充PN结的空位，这么周而复
始，就通电了。这种发电方式，就叫做光伏发电。
已知的制造太阳能电池的半导体材料有十几种，因此，太阳能电磁的种类也很多。常用太阳
电池按其材料可以分为晶体硅电池，硫化镉电池，硫化锑电池，砷化镓电池，非晶硅电池，
和叠层串联电池等。目前，技术上最成熟并具有商业价值的太阳能电池是硅太阳能电池。
硅是地球上最丰富的元素之一，人们首先使用高纯硅制造太阳能电池，即单晶硅太阳能
电池。单晶硅太阳能电池的原料为高纯度的单晶硅。目前，大部分利用半导体器件加工时切
除的头尾料或废次单晶硅，经过单晶炉的复拉，生产专供太阳能电池使用的单晶硅。目前，
地面使用的单晶硅太阳能电池组件的光电转换效率一般为10%左右，空间技术使用的太阳能
电池则要求在13%以上。单片单晶硅太阳能电池的外形有圆片和方片两种，由于拉制的单晶
硅都是圆柱状，为了切片方便，提高材料的利用率，一般地面使用的硅太阳能电池都做成圆
片形，但空间使用的太阳能电池由于面积和重要有限，必须做成方形，以便于紧密排列。单
晶硅太阳能电池的发展非常迅速，随着电池制备和封装工艺的不断改进，在单晶硅太阳能电
池总成本中，硅所占的比重已由原先的1/3上升到1/2.生产厂家希望在不降低光电效率的前
提下，找到替代单晶硅的材料。多晶硅太阳能电池的电性能和机械性能都与单晶硅太阳能电
池基本相似，而生产成本却低于单晶硅太阳能电池。可以制备的多晶硅太阳能电池的转换效
率最高可达18%，光电效率为10%左右。非晶硅太阳能电池又称无定型硅太阳能电池，是最
理想的一种廉价太阳能电池，非晶硅的吸收系数很高，仅几瓦就能完全吸收阳光，因此，电
池做的很薄，其材料和制作成本较低。非晶硅有较高的光学吸收系数，对可见光的吸收系数
比单晶硅高一个数量级，制备材料成本也低。
砷化镓与太阳光谱匹配良好，具有高的光电转换理论效率，是很好的高效太阳电池材料。
由于禁带宽带相对较大，可以在较高温度下工作。
砷化镓材料对可见光的吸收系数高，电池可采用薄层结构，相对节约材料。
高能粒子辐射产生的缺陷对砷化镓中的光生电子-空穴复合的影响较小，因此，电池的
抗辐射能力较强
较高的电子迁移率使得在相同的掺杂浓度下，材料的电阻率比硅小，因此，由电池体电
阻引起的功率损耗较小。
P n结自建电场较高，因此，光照下太阳电池的开路电压较高。正是如此，砷化镓的单
结和多结太阳电池具有光谱响应特性好，空间应用寿命长，可靠性高的优势，尽管成本很高，
但在空间电源方面有较大的应用。
碲化镉薄膜太阳能电池中，碲化镉薄膜的P型掺杂较困难，对P型碲化镉薄膜低阻接触
较困难，结之间的损失较大。碲化镉存在自补偿效应，制备高导电率，浅同质结很困难，但
是光电转换效率很低，一般小于10%。其原因是：碲化镉的光吸收系数很高，使得大部分光
在电池表面1-2微米内就已经被复合掉，即在电池的表面形成了死区，从而导致其光电转换
效率很低。
聚光太阳电池是在高倍太阳光下工作的太阳电池。通过聚光器，使大面积聚光器上接受
的太阳光汇聚在一个较小的范围内，形成焦斑和焦带。
太阳电池种类较多，其性能各有利弊。单晶硅太阳电池所使用的单晶硅材料与半导体工
业所使用的材料具有相同的品质，所以，材料成本比较昂贵，但光电转换效率高。多晶硅太
阳电池由于本身晶向之间无规则性，造成光生的电子和空穴并不能全被内建电场所分离，从
而使光生的电子和空穴在未到达太阳电池两侧时被复合掉。因此，多晶硅太阳电池的效率比
单晶硅太阳电池低，但生产成本比单晶硅太阳电池要低。非晶硅太阳电池造价低廉，但由于
其具有光至衰减性，造成光电转换效率低下，稳定性也较差。当然，除了上面提到的硅太阳
电池也称为第一代太阳电池，随着技术的不断发展，目前，第二代太阳电池薄膜太阳电池技
术也日益成熟，第三代太阳电池正在不断发展中，综上所述，基于目前的技术成熟情况及市
场状况，太阳能光伏发电系统中常用的太阳电池主要是晶体硅太阳电池。
典型的光伏发电系统由四个部分组成:光伏电池阵列:单体光伏电池发出的电能很小，是直流
电，为满足实际应用需求，获得足够大的发电里，要将单体光伏电池连接成电池组，再由电
池组组成太阳能光伏阵列。储能系统:储能系统将光伏发电系统日间发出的电能诸存起来供
需要时使用。逆变器:为将光伏电地阵列所发出的直流电转换成实际应用中所需要的交流电，
需要将直流电转换成交流电的逆变系统,逆变系统的效率直接影响整个系统的效率。直流控
制系统:在电能从光伏阵列到储能单元，再到逆变单元的传输和交换过程中，要保持系统的
高效与安全运行，所以需要直流控制系统对整个过程进行调整、保护和控制。

光照强时，太阳能电池的低压直流电直接提供给直流升压电路，通过充电器给蓄电池充
电储能。光照弱时，太阳能电池输出功率达不到光伏发电的要求，这时，作为储能装置的蓄
电池就为直流升压电路提供低压直流电，保证了光伏发电系统的连续性和稳定性。直流升压
电路把低压直流电升高到330V高压直流电，然后通过逆变器就可得到50Hz/220V交流电。
输出交流电压和电流通过检测电路反馈给控制器，控制器可以实现闭环控制。太阳自动跟踪
系统使太阳能电地板跟随太阳运动而转动，充分利用太阳能，提高光伏发电系统的效率。

不久的将来，中国光伏发电的市场将会由独立发电系统转向并网发电系统，主要是建设
户用屋顶光伏系统和MW级集中型大型并网发电系统，同时，在交通工具和城市照明
等方面大力推广太阳能光伏系统的应用。
太阳能光伏发电系统主要由太阳电池方阵，储能装置，直流-交流逆变装置，控制设备与连
接装置等。主要讲讲控制设备和逆变器，控制设备通常应具有以下功能
1. 信号检测
2. 蓄电池的充放电控制
3. 其他设备的保护
4. 故障诊断定位
5. 运行状态指示
逆变器的功能主要体现在
1． 有效地去除受天气变化影响的太阳电池的输出功率，具有自动运行停止功能及最大
功率跟踪控制功能
2． 为保护系统，具有单独运行防止功能及自动调压功能
3． 当系统和逆变器出现异常时，可以安全的分离或使逆变器停止工作
太阳能光伏发电系统的应用的基本形式可分为两大类，没有与公用电网连接的太阳能光
伏系统称为离网太阳能光伏发电系统，也称为独立太阳能光伏发电系统。另外，与公共电网
相连接，共同承担电任务的太阳能光伏发电系统称为并网太阳能光伏发电系统，也称为联网
太阳能光伏发电系统。并网太阳能光伏发电系统具有许多独特的优越性，具体如下，
1. 可以对电网调峰，提高电网末端的电压稳定性，改善电网的功率因数，有效的消
除电网杂波
2. 所发电能回馈电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池。与独立太阳能光伏系统相
比可减少建设投资35%-45%，发电成本大大降低。
3. 光伏电池与建筑完美结合，既可发电又可作为建筑材料和装饰材料，使资源充分
利用，发挥多种功能。
4. 出入电网灵活，既有利于改善电力系统的负荷平衡，又可降低电路损耗。