光伏技術(shù)研發(fā)范文
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第1篇
關(guān)鍵詞 光伏技術(shù);專利分析;技術(shù)路徑
1 國內(nèi)外光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展概況
1.1 世界光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展概況
自1839年發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應(yīng)”和1954年第一塊實用的光伏電池問世以來，國外太陽能光伏發(fā)電取得了長足進步。單晶硅電池的實驗室效率已經(jīng)從20世紀(jì)50年代的10%提高到目前25%，多晶硅電池的實驗室效率也達到20.4%，非晶硅薄膜電池實驗室效率達到10.1%，碲化鎘太陽能電池實驗室效率達到16.4%，銅銦鎵硒太陽能電池實驗室效率達到20.3%[1]。以美國SunPower和日本Panasonic為代表的高效電池組件制造商的光伏產(chǎn)品效率已達到24%。日本的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)形成了成熟的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)體系，尤其是住宅建筑的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，已成為最大的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)置用戶。目前高效單晶組件產(chǎn)品的成本已低于傳統(tǒng)單晶組件產(chǎn)品，但還高于多晶產(chǎn)品，高效電池技術(shù)在全球范圍內(nèi)蓄勢待發(fā)[2]。
目前，世界光伏技術(shù)呈現(xiàn)的特點是經(jīng)濟越發(fā)達的國家對光伏產(chǎn)業(yè)越重視，其技術(shù)發(fā)展也就越先進。在歐洲，德國、法國的光伏技術(shù)處于領(lǐng)先地位;在亞洲，日本走在前面，尤其是福島核電站事故后，綠色可再生能源成為日本發(fā)展的主流，日本的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)已形成了成熟的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)體系，戶用電源系統(tǒng)發(fā)展迅速，已成為太陽能發(fā)電的重要組成部分。中國也緊跟發(fā)展步伐，分布式電站和戶用電站將成為我國的主要支持方向。
1.2 中國光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展概況
我國光伏電池的研究始于1958年，自1981年開始，光伏電池及其應(yīng)用開始列入國家的科技攻關(guān)計劃，通過“六五”到“十一五”六個五年計劃，在光伏電池器件及應(yīng)用技術(shù)方面取得了可喜成績;2000年之后，國家科技部啟動了國家863計劃和973計劃，分別對光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)和基礎(chǔ)性研究給予支持，尤其在晶體硅電池領(lǐng)域，重點加強對單晶硅電池技術(shù)、多晶硅鑄錠技術(shù)、高效電池技術(shù)、晶體硅電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)以及特殊太陽電池組件的開發(fā)[3]。目前，單晶硅電池的實驗室效率最高24%，產(chǎn)業(yè)化單晶硅電池的最高效率已經(jīng)超過20%;多晶硅電池的實驗室效率最高達19.5%，產(chǎn)業(yè)化多晶硅電池的效率已經(jīng)達到18.5%。
在世界光伏市場拉動下和國家隊發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)的支持和促進下，我國光伏制造業(yè)從小到大、從弱到強，已經(jīng)成為全球太陽電池和組件的最大制造國?？傮w看，一是我國晶硅電池/組件在性價比上具有國際競爭優(yōu)勢;二是多晶硅材料不具有晶硅電池/組件那樣的競爭優(yōu)勢，特別是成本處于劣勢。我國現(xiàn)有一部分多晶硅制造企業(yè)由于成本高于國際平均水平而不得不停產(chǎn)，因此針對提高多晶硅性價比的技術(shù)是我國多晶硅的奮斗目標(biāo);三是在原輔材料及設(shè)備制造方面，有些材料，如封裝玻璃、切割液、密封膠等，基本滿足了國內(nèi)的市場需求。但有些材料，如組件封裝材料EVA和背板材料TPT等與國外還有一定差距。我國光伏設(shè)備制造為滿足國內(nèi)需求做出了重大貢獻，但高端設(shè)備與國際相比還有一定差距。高端原輔材料及高端設(shè)備制造技術(shù)水平的全面提升是我國光伏產(chǎn)業(yè)的重要戰(zhàn)略任務(wù)之一。
2 河北省光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展情況
2.1 基本情況
河北光伏產(chǎn)業(yè)起步較早，具備較好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和競爭力。目前，河北省光伏產(chǎn)業(yè)水平和規(guī)模在全國處于“第一梯隊”。由《河北省高新技術(shù)企業(yè)統(tǒng)計報表》可知河北從事光伏產(chǎn)業(yè)的高新技術(shù)企業(yè)有30余家。雖然河北省有一些在全國具有較大影響力的光伏企業(yè)，比如晶龍集團、英利集團，但河北光伏行業(yè)也存在著各光伏企業(yè)科技發(fā)展水平總體差異較大的現(xiàn)實情況。
2012年行業(yè)危機對河北省光伏產(chǎn)業(yè)形成嚴(yán)重沖擊。資料顯示，當(dāng)年河北省太陽能電池產(chǎn)量3 321.4MW，同比增長26.69%;主營業(yè)務(wù)收入累計200.11億元，同比增長-33.48%，利稅總額-27.24億元，增產(chǎn)不增收，虧損額逐月加大，部分以光伏產(chǎn)業(yè)為電子信息領(lǐng)域發(fā)展重點的地市虧損局面較為嚴(yán)重。即便如此，主營業(yè)務(wù)收入占河北省光伏行業(yè)近30%的晶龍、英利集團等一批太陽能光伏重點企業(yè)，在2012年的行業(yè)危機中卻逆市上揚。
2.2 重點企業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀
河北以晶龍集團和英利集團為代表的光伏企業(yè)在國內(nèi)外技術(shù)和市場方面都占有重要地位。晶龍集團以生產(chǎn)單晶硅和單晶硅太陽能電池見長，英利集團在多晶電池及多晶硅鑄碇方面發(fā)展迅猛。
晶龍集團旗下子公司晶澳公司開發(fā)了許多高效率、低成本的量產(chǎn)工藝和技術(shù)，打通了電池和組件量產(chǎn)中的技術(shù)環(huán)節(jié)，率先將所有產(chǎn)線上單晶電池（P型）效率提高至19.5%以上，單晶組件功率提升至270W以上，多晶電池效率提高至18.0%以上，多晶組件功率提升至260W以上。由于較好的產(chǎn)品品質(zhì)、有競爭力的生產(chǎn)成本，在歐盟“雙反”背景下，晶澳能夠獲得超過50%的歐盟進口配額（晶硅電池）。從2010年開始，晶澳研發(fā)N型電池技術(shù)（Bycium，倍秀）已有4年基礎(chǔ)，目前Bycium實驗室批量效率達20.5%，最高到20.9%。憑借業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的制造技術(shù)水平以及優(yōu)秀的電池技術(shù)研發(fā)能力，為低成本、高質(zhì)量、高功率N型單晶產(chǎn)品的規(guī)?；慨a(chǎn)提供富有競爭力的解決方案。
英利集團的Panda（熊貓）電池源于ECN的n-Pasha電池，熊貓電池量產(chǎn)后電池光電轉(zhuǎn)換效率在19.5%～20.0%，組件功率在270W～275W，開創(chuàng)了國內(nèi)N型太陽能電池的新發(fā)展方向。但熊貓電池為了為了平衡成本，未采用特別復(fù)雜的流程。其與傳統(tǒng)P型單晶電池技術(shù)主要差異如下：需要以少子壽命較高的N型硅片作為襯底，前表面進行硼擴獲得PN結(jié)結(jié)構(gòu)，需要應(yīng)用前表面鈍化技術(shù)和背表面鈍化技術(shù)，背面需要金屬Ag柵線收集電流，流程相對復(fù)雜、輔料成本較高。
3 光伏產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵領(lǐng)域技術(shù)分析
多晶硅原材料、硅片的制備、高效太陽能電池制備等幾個關(guān)鍵領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展情況是：
3.1 多晶硅原材料
改良西門子法加低溫氫化技術(shù)是目前全球多晶硅原料的主流科技方向，在提高效率、降低成本特別是降低電消耗方面效果顯著。我國90%以上是改良西門子法，改良西門子法加低溫氫化技術(shù)是我國行業(yè)發(fā)展的基本態(tài)勢。
3.2 硅片的制備
3.2.1 晶體硅的制備。晶體硅分為單晶硅和澆鑄硅，兩條技術(shù)路線的爭論持續(xù)了近30年。市場的占有率與兩種方法在不同時期所產(chǎn)生的科技進步緊密相連。澆鑄硅產(chǎn)量大成本低，但是制備電池的轉(zhuǎn)換效率相對較低;單晶硅產(chǎn)量低、成本偏高，但轉(zhuǎn)換效率是目前光伏電池中最高的。歐洲屋頂電站最興旺的時候，也是單晶硅在世界市場占有率最高的時候。中國光伏發(fā)電的發(fā)展初期階段主要以地面大型電站為主，由于不受占地面積的限制，澆筑硅因其成本較低得到了長足的發(fā)展。隨著分布式電站的實施，單晶硅還會重新占據(jù)上風(fēng)，兩條技術(shù)路線的競爭也還會長期存在。
在單晶硅制備中，目前全球主要采用的是P型摻硼晶硅制作，光照10小時后會產(chǎn)生5%～8%不可恢復(fù)效率衰減，該難題長期困擾著光伏界，河北省科學(xué)家研發(fā)低光衰摻鎵硅單晶，平均消除6%光衰，成本降低6%。
3.2.2 硅片的切割。線切割技術(shù)的問世，完全取代了內(nèi)圓切割，實現(xiàn)了切割技術(shù)的升級換代。隨著科技的不斷進步，金剛線切割技術(shù)已經(jīng)問世，不僅切割速度是常規(guī)線切割的2倍，而且冷卻漿液無污染，避免了線切割后的砂漿廢液后處理，具有很好環(huán)保效果。冷卻方式的革新，推動了線切割的更新?lián)Q代，金剛線切割技術(shù)是未來的發(fā)展主流。
3.3 高效太陽能電池的制備技術(shù)
高效太陽能電池的制備技術(shù)分為：碲化鎘薄膜電池、非晶硅薄膜電池、銅銦鎵硒薄膜電池、染料敏化柔性電池、晶硅電池。晶硅電池以轉(zhuǎn)化效率高、成本低占據(jù)了市場的主流，目前的市場占有率達到85%以上，成為光伏發(fā)電的主要技術(shù)。相比而言，薄膜電池成本高、效率低，投資巨大。
晶硅電池的發(fā)展近幾年有了突破性的進展，量產(chǎn)效率已超過20%，2012-2014年科技部資助的863計劃把中國晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率提高到了一個嶄新的階段，達到國際先進水平。繼續(xù)提高晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率，是目前光伏發(fā)電的研究的主流方向和目標(biāo)。
3.4 其他關(guān)鍵光伏制造技術(shù)
背接觸電池技術(shù)、二次印刷技術(shù)、大功率高效低衰減光伏組件技術(shù)是目前最新的科技動態(tài)和發(fā)展方向。
4 光伏技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠治鯷4]
本部分對光伏領(lǐng)域的專利進行分析，從發(fā)展規(guī)模、發(fā)展趨勢、主要國家技術(shù)領(lǐng)域和主要機構(gòu)技術(shù)分布等方面考察光伏技術(shù)發(fā)展態(tài)勢。研究對象為全球光伏技術(shù)的相關(guān)專利，專利數(shù)據(jù)來源于中國科技信息研究所專利分析數(shù)據(jù)庫，通過關(guān)鍵詞與分類號的組配檢索下載建成“光伏產(chǎn)業(yè)專題專利數(shù)據(jù)庫”，并基于該數(shù)據(jù)庫進行相關(guān)分析。由于專利數(shù)據(jù)的延遲性，導(dǎo)致2010年和2011年的專利數(shù)據(jù)不完整，因此下文分析中這兩個年度的內(nèi)容僅供參考，不做結(jié)論。
4.1 世界光伏領(lǐng)域技術(shù)情況專利分析
4.1.1 世界光伏技術(shù)專利逐年申請情況
20世紀(jì)60-70年代光伏技術(shù)處于發(fā)展初期，總體專利申請量較小，每年的專利申請數(shù)量基本維持在10之內(nèi);直到20世紀(jì)70年代末，光伏技術(shù)越來越受到重視，專利申請數(shù)量開始逐步增長，最高的年份是1983年，達235項;20世紀(jì)80年代中后期光伏技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)波動，表現(xiàn)為專利申請數(shù)量開始小幅回落，這種回落的態(tài)勢一直持續(xù)到20世紀(jì)90年代中期，由每年200余項降到不足百項;從1995年開始光伏技術(shù)開始進入上升階段，穩(wěn)步、平緩的發(fā)展一直持續(xù)到2001年，該年專利申請量達306項;在2002年增長速度有一個小幅回調(diào)之后，光伏技術(shù)度專利申請量出現(xiàn)了新一輪的、真正的高速發(fā)展期，全球?qū)＠暾垟?shù)量迅猛增長，在2002年到2005年4年間，專利申請數(shù)量翻了一番，由每年近300項上升到600余項，在2006年到2009年的4年間，專利申請數(shù)量又翻了一番，由每年不到1 000項增長2 085項。
4.1.2 光伏技術(shù)專利在各國的分布
美國、中國、韓國、日本、英國、法國、德國、中國臺灣、加拿大、澳大利亞這10個國家和地區(qū)擁有全球?qū)＠暾垟?shù)的96.7%，其中美國和中國均占24%，日本占20.5%，韓國和德國分別占有8%左右的份額。
4.1.3 光伏重點技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠植?/p>
在六大技術(shù)領(lǐng)域中，結(jié)晶硅專利申請量最多，其次為化合物薄膜和薄膜硅，化合物結(jié)晶及染料敏化最少。其中結(jié)晶硅專利申請起始年限最早在20世紀(jì)60年代。
4.1.4 各國重點發(fā)展技術(shù)
中國在光伏技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量總量位于世界領(lǐng)先地位，在結(jié)晶硅和化合物薄膜方面研發(fā)實力強，專利申請數(shù)量超過了其他國家，而化合物結(jié)晶核方面研發(fā)能力弱，專利數(shù)量較少;美國在不同領(lǐng)域的技術(shù)分布態(tài)勢和全球技術(shù)分布一致，專利申請量最多的是結(jié)晶硅，薄膜硅和化合物薄膜專利申請數(shù)量相近，位于其次，染料敏化方面的專利申請數(shù)量最少;日本在結(jié)晶硅和薄膜硅兩個領(lǐng)域的專利申請數(shù)量相近，且為最多，其次是化合物薄膜專利申請數(shù)量，染料敏化方面的專利申請數(shù)量最少;歐洲和德國的光伏技術(shù)專利分布相似，它們的專利申請數(shù)量遠低于前三個國家，專利申請量最多的是結(jié)晶硅，薄膜硅和化合物薄膜專利申請數(shù)量相近，位于其次，化合物結(jié)晶的專利申請數(shù)額位于倒數(shù)第二，不過在染料敏化和有機半導(dǎo)體方面，這兩個地區(qū)存在明顯差異，德國染料敏化專利數(shù)遠大于歐洲，而歐洲的有機半導(dǎo)體專利數(shù)遠大于德國;韓國在專利申請量最多的是結(jié)晶硅，其次化合物薄膜，薄膜硅和有機半導(dǎo)體專利申請數(shù)量相近，位于再次，最少的染料敏化和化合物結(jié)晶的專利申請數(shù)額。
4.1.5 光伏研究機構(gòu)的專利分析
光伏技術(shù)領(lǐng)域主要專利申請機構(gòu)全球排名如圖2，在前20位的排名中，日本機構(gòu)有12家，占60%;美國機構(gòu)有4家，占20%;韓國和德國分別有2家機構(gòu)。其中，專利申請數(shù)量最多的3個機構(gòu)分別是日本的三洋電力、佳能和三菱集團，其次是德國西門子;再次是德國默克集團、日本夏普、日本昭和殼牌石油、美國RCA以及美國應(yīng)用材料公司;剩余的11家機構(gòu)光伏專利申請量差別不大。從中看出，日本科研機構(gòu)在光伏領(lǐng)域具有很強實力，不僅擁有光伏專利的機構(gòu)數(shù)量多，而且機構(gòu)擁有光伏專利的數(shù)量也多;德國雖然只有2家機構(gòu)進入全球20強，但這2家機構(gòu)擁有的專利數(shù)量都在排名前5位。中國雖然擁有光伏專利總數(shù)很多，但沒有一家機構(gòu)能進入全球20強。
4.2 中國光伏領(lǐng)域技術(shù)情況專利分析
4.2.1 中國光伏技術(shù)總體專利申請情況
中國光伏專利發(fā)展動向如圖3，在20世紀(jì)90年代中期之前中國光伏技術(shù)仍處于發(fā)展初期，總體專利申請量較小，每年的專利申請數(shù)量基本維持在1～2項;在1995年-2004年的10年間，中國光伏技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展，專利申請量逐漸增加，這比世界光伏技術(shù)增速發(fā)展的時間晚20年;2005-2010年是中國光伏技術(shù)真正的高速發(fā)展期6年間光伏專利申請數(shù)量增長了7倍，在2010年達到頂峰。
由世界和中國光伏領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展趨勢圖的分析，初步認(rèn)為從生命周期上看，光伏技術(shù)已經(jīng)走過萌芽期和成長期，正處于成熟期。
4.2.2 中國光伏技術(shù)領(lǐng)域分布
通過對近10年中國光伏技術(shù)專利申請情況的統(tǒng)計分析，不同類型的光伏技術(shù)在中國的發(fā)展情況各有不同。結(jié)晶硅和化合物薄膜起步稍早，在2002年已經(jīng)開始進入新一輪較長時期的快速增長階段，在經(jīng)過4年的穩(wěn)步增長之后，接下來又有5年的飛速發(fā)展階段，2010年的專利申請數(shù)是2002年的幾十倍到上百倍;薄膜硅的發(fā)展趨勢類似于結(jié)晶硅，只是該領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)最多的年份是2009年，早結(jié)晶硅1年;化合物結(jié)晶在2002-2007年度6年間，專利申請數(shù)量保持較穩(wěn)定的狀態(tài)，在2008年有一個突然急速增長，之后的4年就維持在這個較高專利申請數(shù)狀況;有機半導(dǎo)體專利申請數(shù)在這些年變化不大，前幾年保持穩(wěn)定狀態(tài)，后幾年又保持在比前面稍高的一個穩(wěn)定狀態(tài);染料敏化起步稍晚，從2006年起一直處于穩(wěn)步增長的趨勢。
4.3 重點光伏領(lǐng)域情況分析
4.3.1 結(jié)晶硅
結(jié)晶硅發(fā)展趨勢圖很清晰，在經(jīng)過30多年的少有起伏的持平和平緩發(fā)展階段后，進入一個快速發(fā)展期，然后又開始回落。具體來說，結(jié)晶硅起步較早，開始于上世紀(jì)60年代中期。在1964年到1974年期間，結(jié)晶硅技術(shù)處于起步期，每年的專利數(shù)不超過5項;1975年到1985年結(jié)晶硅專利申請數(shù)開始穩(wěn)步增長;但到1986年突然開始出現(xiàn)回落，這種回落振蕩期一直延續(xù)到90年代中期;從此之后，結(jié)晶硅技術(shù)進入不斷發(fā)展階段，這種發(fā)展有個鮮明的特點，先是平穩(wěn)發(fā)展然后就有一個急速增長期，1996年到2004年就是穩(wěn)步發(fā)展期，隨后的5年就是急速發(fā)展期。整個發(fā)展趨勢看，結(jié)晶硅技術(shù)已走過初始期、增長期，目前應(yīng)該處于成熟期階段。
在結(jié)晶硅專利全球分布中，中國、美國、日本、德國、韓國、中國臺灣、澳大利亞、加拿大、法國和英國這10個國家和地區(qū)擁有全球?qū)＠暾垟?shù)的96.7%，其中中國占27%，美國23%，日本18%，韓國和德國分別占9%和7%的份額。
4.3.2 薄膜硅
薄膜硅的技術(shù)發(fā)展趨勢較簡單，經(jīng)過長期持續(xù)穩(wěn)定，進入發(fā)展階段，又迅速回落。具體可分為3個階段：1984年到2004年的20年間，都處于平穩(wěn)期，每年的專利申請數(shù)量基本穩(wěn)定在同一數(shù)值;從2005年開始的5年，薄膜硅專利申請數(shù)開始逐年增長，5年增長了近5倍。
在薄膜硅專利全球分布中，日本、美國、中國、韓國、德國、中國臺灣、澳大利亞、法國、加拿大和英國等10個國家擁有全球?qū)＠暾垟?shù)的97%，其中日本31%，美國25%，中國占17%，韓國和德國分別占6%的份額。
4.3.3 化合物薄膜
化合物薄膜專利申請數(shù)在1984年到1995年間基本穩(wěn)定在相同水平;從1995年之后的連續(xù)10年都是一個平緩的發(fā)展階段;到2005年就進入了快速發(fā)展階段，每年化合物薄膜的專利申請數(shù)量都有大幅增長。
在化合物薄膜專利全球分布中，中國、美國、日本、韓國、德國、中國臺灣、加拿大、法國、澳大利亞和英國等10個國家擁有全球?qū)＠暾垟?shù)的94%，其中中國占30%，美國24%，日本14%，韓國和德國分別占8%和6%的份額。
5 結(jié)論
5.1 河北光伏產(chǎn)業(yè)鏈最為完整，不僅有晶體制備和硅片加工，還有光伏電池封裝設(shè)備生產(chǎn)。河北晶龍實業(yè)集團、晶澳太陽能有限公司、天威英利新能源有限公司、光為綠色新能源股份有限公司等企業(yè)是河北省光伏產(chǎn)業(yè)的代表性企業(yè)，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力較強，在全國光伏企業(yè)名列前茅，具有較強影響力。但同時河北省光伏企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新水平差別很大，僅有少數(shù)幾個企業(yè)實力較強，大部分企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新實力不足。
5.2 從世界和中國光伏領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展趨勢分析，初步認(rèn)為從生命周期上看，光伏技術(shù)已經(jīng)走過萌芽期和成長期，正開始步入成熟期。美國、中國、韓國、日本、英國、法國、德國、中國、加拿大和澳大利亞這10個國家和地區(qū)擁有全球?qū)＠暾垟?shù)的96.7%。中國在光伏技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量總量位于世界領(lǐng)先地位，在結(jié)晶硅和化合物薄膜方面研發(fā)實力強，而化合物結(jié)晶核方面研發(fā)能力弱。
5.3 河北是光伏大省，代表性企業(yè)在中國光伏界具有舉足輕重的地位，擁有引領(lǐng)潮流的科研成果也較多。因此，支持這些企業(yè)將突破性科研成果實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化對河北省乃至全國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都具有重大意義?？蓪⒌湫推髽I(yè)多項先進技術(shù)集成形成拳頭產(chǎn)品、優(yōu)秀品牌進行推廣，通過以點帶面推動河北省光伏技術(shù)的進步。
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基金項目：本文由石家莊經(jīng)濟學(xué)院博士科研啟動基金、石家莊市軟科學(xué)項目與中國科學(xué)技術(shù)信息研究所科研項目共同資助。
第2篇
關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電技術(shù)；太陽能；水上光伏
由于地球上人口數(shù)量的不斷增加，人類對資源需求量隨之上升，這給全球資源帶來了極大壓力，資源浪費現(xiàn)象的不斷出現(xiàn)，導(dǎo)致自然災(zāi)害問題頻發(fā)。而為了能夠有效的緩解這一問題，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與水上光伏發(fā)電技術(shù)被廣泛應(yīng)用。水上光伏主要指水上太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要通過若干陣列排布的太陽電池組件以及浮于水面的水上光伏陣列支架等部分組成。該技術(shù)的應(yīng)用，在節(jié)省電能源方面有著積極意義。
1 光伏發(fā)電技術(shù)內(nèi)涵
光伏發(fā)電主要依據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，通過太陽電池的應(yīng)用，將太陽光能直接的轉(zhuǎn)化為一定的電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅能夠獨立的應(yīng)用，還能夠并網(wǎng)發(fā)電，并且通過太陽電池板、控制器以及逆變器三個部分所構(gòu)成，而這三個部分的構(gòu)成主要由電子元器件所構(gòu)成，與機械部件之間沒有任何關(guān)聯(lián)。
光伏發(fā)電主要通過半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)，直接的對光能進行轉(zhuǎn)變，是一種將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿募夹g(shù)。而作為該種技術(shù)的關(guān)鍵元件，太陽能電池在其中發(fā)揮這極為重要的作用[1]。太陽能電池在串聯(lián)以后進行封裝保護，使其能夠形成較大面積的太陽電池組件，之后與功率控制器相結(jié)合所形成的部件，便成為光伏發(fā)電的重要裝置。
2 我國發(fā)展光伏發(fā)電技術(shù)的必要性與環(huán)保意義探究
2.1 我國發(fā)展光伏發(fā)電技術(shù)的必要性
由于我國是一個能源生產(chǎn)與消費大國，我國每年的能源消耗量極高。導(dǎo)致出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因在于，我國的能源開采技術(shù)較為落后，能源得不到有效的利用，傳統(tǒng)高能耗產(chǎn)業(yè)比重較大等等，導(dǎo)致我國能源消耗增長速度不斷加快。尤其我國電能源的消耗量與消耗速度都在首位，為此，需充分的開發(fā)煤電、水電以及核電，可盡管如此，我國在電力供需方面仍存在較大的缺口，該缺口便需要可再生能源發(fā)電進行補充。這便推動了太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，在未來該種技術(shù)將會在新能源供應(yīng)方面占據(jù)著極為重要的位置。
在不久的將來，太陽能發(fā)電將會在世界能源消費中占據(jù)著首席位置，該技術(shù)的發(fā)展不僅會替代部分常規(guī)能源的使用，同時還會成為供應(yīng)世界能源的主體所在。預(yù)計到了2030年，可再生能源的消耗將會占據(jù)總能源消耗量的30%以上，而此時太陽能光伏發(fā)電將會在世界總電力供應(yīng)中的比例遠遠超過10%，并且該比例會隨著時間的不斷推移而增加，甚至在21世紀(jì)末，太陽能光伏發(fā)電將會達到60%以上，在未來十年的發(fā)展中，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)將會發(fā)展到另一個階段[2]，其地位也日益凸顯。
2.2 太陽能光伏發(fā)電的環(huán)保意義
太陽能光伏發(fā)期間與燃料能源之間存在著極大的差別，太陽能光伏發(fā)電有較少的二氧化碳排放出來。而二氧化碳是溫室氣體的最為主要氣體。太陽能電池板能夠循環(huán)的使用，同時其系統(tǒng)材料也能夠被有效的利用起來，這都能夠進一步的降低光伏能源的投入。而光伏發(fā)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，能夠有效的緩解氣候變化等問題。
3 水上光伏的優(yōu)點研究
水上光伏發(fā)電站的組成部分主要包括兩方面，一方面是光伏，另一方面是水面模式。其中水面的利用在當(dāng)前主要有水塘、小型湖泊等。水面光伏發(fā)電站的硬件組成部分主要有：光伏面板、逆變設(shè)備以及變壓器、集電線路等。這些部分的存在，共同構(gòu)成了水上光伏發(fā)電站，并且通過水上光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，有效的緩解了我國能源危機問題，在帶動我國社會更好發(fā)展方面有著積極意義。
水上光伏擁有較多的優(yōu)點，具體而言主要表現(xiàn)在以下幾點，即：
第一，水上光伏能夠極大程度的節(jié)約土地資源，不會給水生態(tài)環(huán)境帶來過大的影響。水上光伏發(fā)電工程不需要有支架基礎(chǔ)，更不需要開挖電纜溝，更加沒有場內(nèi)道路的施工，這在極大程度上減少了對地面的開挖，這在保護水土方面有著積極意義；第二，水上光伏擁有較高的發(fā)電效率。水面地勢較為開闊，這便能夠有效的避免陰影給光伏組件效率發(fā)揮帶來制約，同時通過太陽能的照射，其照射面積往往較為均勻，并且光照的時間較長[3]。這與張云天在《面向大城市居民小區(qū)的太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用分析》一文中的觀點有著相似之處。而水能夠冷卻太陽能電池，在抑制組件表明溫度上升方面有著積極意義。有測算表明，如果電池板的溫度降低1℃，那么其輸出功率極有能能增加0.5%，這便能夠獲得比相同地面或者屋頂電站高的發(fā)電量，夏季高溫的時候，水上光伏和地面、屋頂太陽能電池板相比，能夠大幅度的降低發(fā)電損失量；第三，通過組件的覆蓋，能夠大幅度的減少水面蒸發(fā)量，這便能夠達到節(jié)約水資源的目標(biāo)；第四，太陽能光伏遮擋板，陽光一部分能夠射到水面，這便能夠減少光合作用的出現(xiàn)，這在抑制藻類繁殖方面有著積極作用；第五，水上光伏存在一定的成本優(yōu)勢。水面浮動式光伏存在著整體性的特征，這給太陽能跟蹤系統(tǒng)的安裝與運行創(chuàng)造了便利的條件，同時也能夠大幅度的減少地面光伏電站安裝電池板方面的費用；第六，水上光伏的組件清理較為方便快捷。在選擇水上光伏發(fā)電材料的過程中，必須確保所選材料的質(zhì)量能夠達到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求，與地面光伏相比，清潔期間往往不會給組件發(fā)電效率帶來較大程度的損害[4]；第七，不受土地的限制。水上光伏技術(shù)適合應(yīng)用在土地資源有限、土地開發(fā)難度大等地區(qū)。水上光伏項目的發(fā)展已經(jīng)成為未來的重要發(fā)展趨勢，這給光伏發(fā)電的應(yīng)用與發(fā)展創(chuàng)造了更好的條件。
在建設(shè)水上光伏發(fā)電站期間，相關(guān)工作人員需選擇合適的地址進行建設(shè)，例如選擇具有面積廣闊、徑流穩(wěn)定、風(fēng)速遞以及光照條件好等特點的地區(qū)，該種區(qū)域能夠?qū)⑺瞎夥l(fā)電的作業(yè)工充分發(fā)揮出來；與此同時，由于水上存在較多的不確定性因素，這便要求相關(guān)單位安排工作人員加強監(jiān)控力度，通過對該系統(tǒng)水質(zhì)量、對動植物影響的監(jiān)測，來實現(xiàn)水上光伏l電目標(biāo)。
4 結(jié)束語
如今，光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用能夠有效緩解我國能源危機問題，并且隨著光伏發(fā)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其特殊優(yōu)勢也逐漸的體現(xiàn)出來。與此同時，水上光伏發(fā)電也隨之發(fā)展起來，其發(fā)展速度也逐漸的提升，其原因在于，水上光伏發(fā)電擁有較多方面的優(yōu)勢，如能夠節(jié)約土地資源、發(fā)電效率高以及能夠減少水量蒸發(fā)等等。太陽能光伏發(fā)電與水上光伏發(fā)電擁有較好的發(fā)展前景，并且在未來發(fā)展趨勢會越來越好。太陽能光伏與水上光伏發(fā)電技術(shù)擁有一定的社會與環(huán)境保護意義，從而使得我國能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)保型與經(jīng)濟型的社會。
參考文獻
[1]胡俊鵬.光伏發(fā)電技術(shù)在變電站中的應(yīng)用研究[D].山東大學(xué)，2013（45）：89-102.
[2]王磊.光伏發(fā)電技術(shù)在公共建筑供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].桂林理工大學(xué)，2013（12）：23-56.
第3篇
關(guān)鍵詞：太陽能發(fā)電 仿真系統(tǒng) 實訓(xùn)軟件
1 概述
目前太陽能電池板廣泛應(yīng)用于軍事、航天、農(nóng)業(yè)、通信、民用及公用設(shè)施、發(fā)電等，但我國基于太陽能電池板模擬仿真操作實訓(xùn)軟件還處于空白狀態(tài)，急需開展。其次，針對于授課形式，傳統(tǒng)的理論授課不能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，實訓(xùn)課的設(shè)備條件在技術(shù)上難以滿足要求，而太陽能電池仿真軟件的操作可以彌補上述授課形式的不足，模擬式的教學(xué)是高校當(dāng)前最為有效的實踐教學(xué)手段；另外，從節(jié)約成本考慮，光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，設(shè)備更新頻率極快，而職業(yè)院校的設(shè)備的頻繁更新具有不可行性。綜上所述，開發(fā)一款針對于太陽能電池板的操作軟件是極其必要的?；谏鲜霰尘?，對太陽能電池板進行模擬仿真操作，主要基于軟件層面，面向職業(yè)院校學(xué)生，通過對太陽能電池板的操作，研究光電轉(zhuǎn)化能力、太陽能電池伴隨外界環(huán)境及自身性質(zhì)的變化關(guān)系及外界環(huán)境（光、熱等）對太陽能電池板的主要影響等。
2 建立模擬仿真實訓(xùn)平臺
此實訓(xùn)平臺服務(wù)于職業(yè)類院校光電領(lǐng)域太陽能電池的課堂教學(xué)，主要實現(xiàn)一個可替代實際太陽能電池板實訓(xùn)項目的太陽能電池仿真模擬系統(tǒng)。其階段內(nèi)容主要有：太陽能電池系統(tǒng)運行原理流程、太陽能電池系統(tǒng)物理與數(shù)學(xué)模型編程、模擬及驗證及可視化處理及數(shù)據(jù)庫建立。
2.1 物理模型和數(shù)學(xué)模型的確定 影響太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出效率的因素有很多，諸如硅片產(chǎn)品質(zhì)量（電池的自身屬性：如尺寸、材料、結(jié)構(gòu)）、太陽能電池組件制造工藝、天氣因素、溫度因素、地理位置因素等。將上述影響因素做歸納整合，并綜合考慮到本課題軟件所能達到的仿真環(huán)境，將此仿真系統(tǒng)簡化分為外界環(huán)境、電池自身屬性和輸出存儲設(shè)備三大塊，本仿真系統(tǒng)采用了型號為HT001.5P的硅太陽能電池，建立的可直接使用的數(shù)據(jù)庫參量主要有不同城市的緯度值、不同顏色光的頻率及其對應(yīng)產(chǎn)生的光子數(shù)量。
根據(jù)所建立數(shù)據(jù)庫做相應(yīng)簡化，再經(jīng)物理模型的簡化整理，并根據(jù)光學(xué)、光電子技術(shù)、熱學(xué)和電學(xué)的基本知識，找到相應(yīng)物理模型的運算公式，做出如下推導(dǎo)，在推導(dǎo)的過程中我們忽略了暗電流的影響，暗電流Id與反向漏電流及溫度有關(guān)，但其計算出的結(jié)果對整體的功率影響很小，故在這里近似忽略不計。
So=Scosθ （2-1）
這樣可以計算出太陽能電池板的有效面積S0，其中，S為電池板的面積，θ為城市緯度。
Eo=hv （2-2）
通過式子（2-2）可以算出單個光子的能量E0，其中，h為普朗克常量，v為光頻。
E=E0-ε0 （2-3）
由上式可以得到每種一種光頻下的光子總能量E，其中，ε0為硅的躍遷能。
P=P0η （2-4）
由以上各式推導(dǎo)得到最后的太陽能電池板的輸出功率運算公式為：
P=n（hv-ε）Scosθη （2-5）
其中，P為太陽能電池的輸出功率，n為光子數(shù)量。由最終的式子說明，太陽能電池板的輸出功率與光子頻率、城市緯度、電池板類型及轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)有關(guān)。
2.2 模擬仿真平臺的搭建 通過調(diào)研及分析上述數(shù)據(jù)資料及公式，可以清晰的看出，主要變化因素為各城市所處緯度θ和光子頻率ν。通過改變這兩個變量，可以對比得出不同城市及不同光子頻率下硅太陽能電池的輸出功率。硅電池的其他參量均當(dāng)作常量使用，只需固定其中一個變量，就可以得到另一變量對于輸出功率的影響。下面將會通過labview軟件，重點圍繞這兩組對比實驗來模擬仿真出功率的輸出情況。如圖1所示，為模擬仿真前面板所需建立的電路圖。
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圖1 labview環(huán)境下后臺界面的建立
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圖2 太陽能電池功率對比輸出曲線（七種顏色）
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圖3 太陽能電池功率對比輸出曲線（典型城市）
通過在后置程序面板中搭建好電路，最終將會得到以上兩組可視化仿真界面圖。在仿真面板中先設(shè)置好基本參量值，橫坐標(biāo)為城市緯度，縱坐標(biāo)為輸出功率值。將各城市的緯度值固定，通過輸入7種光的頻率值，運行后會生出如圖2所示的7組不同光頻的功率輸出。與圖2的設(shè)置過程類似，設(shè)置好基本常量值，固定各色光的頻率，通過輸入變量城市緯度值，則會生成如圖3所示的7組對比功率輸出值。
由以上兩個光輸出功率圖，可以通過輸入單個光頻或某個城市下的緯度值，來看一組條件下光的輸出功率；也可以輸入多個光頻或多個城市緯度值，來對比分析多組光頻及城市緯度值對輸出功率的影響。因此，學(xué)生在操作時無需動用后臺程序，只需操作上述可視化界面即可，通過改變相應(yīng)參量即可非常直觀、立體的得出不同的太陽能電池功率輸出情況。
3 結(jié)束語
為了提高職業(yè)類院校光電領(lǐng)域太陽能電池的課堂教學(xué)效果，利用可替代實際太陽能電池板實訓(xùn)項目的太陽能電池仿真模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)實訓(xùn)項目中太陽能電池原理展示，太陽能電池性能測試等所有的項目。將此仿真系統(tǒng)可以反映出不同的季節(jié)、天氣、緯度和時段條件下光伏發(fā)電效率等，學(xué)生可以根據(jù)自身的需求設(shè)計不同的模擬實驗和模擬研究。構(gòu)建以素質(zhì)教育為重點的仿真教育平臺，可提高學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，改變了以往光伏發(fā)電技術(shù)課程教學(xué)中存在的枯燥、繁雜問題，提高了教學(xué)質(zhì)量。
參考文獻：
[1]耿亞新，周新生.太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的理論及發(fā)展路徑[J].中國軟科學(xué)，2010（04）.
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