[摘 要]本文以青海尼那9.2MW光伏发电项目为背景，介绍了光伏组件的现状，然后叙述了光伏组件的发展趋势，阐明了未来光伏组件的重点探讨及研究方向。

[关键词]光伏组件 现状 发展趋势 研究方向

中图分类号：TN919.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）01-0273-03

引言

在现代社会中，传统的能源结构早已经不适应也不能够满足当今社会的发展需求，例如天然气、煤炭、石油等能源，现在勘探已知的储备最多可以支撑200年的发展需求。再者化石燃料的大量使用早已经使环境不堪重负，每年排除的二氧化碳等温室气体加快了全球变暖能厄尔尼诺现象的发生，造成全球大面积酸雨的形成，严重破坏了生态环境，同时也为我们的子孙后代埋下了巨大的生存隐患。所以说无论是从解决全球能源危机来说还是从解决环境保护角度问题来说对新能源的开发利用都已经迫在眉睫。迄今所开发的清洁能源有核能、水能、风能、潮汐能、地热能、太阳能等，在这些新开发的能源中太阳能的利用是最具有持续性也是现在开发利用最好的能源[1]。对太阳能的开发利用在已经步入实用阶段，而太阳能转换为电能是最为常见的使用方法，也是技术实现比较容易的手段。随着光伏组件生产工艺水平及并网技术逐渐提高，建设光伏电站的条件越来越成熟，发改委在2007年《可再生能源中长期发展规划》中决定建设为期5年的180万兆瓦中短期建设目标[2]。基于这样的背景，位于青海省贵德县的尼那水电站拟投建安装容量为8.448MW，占地面积约360亩的大型光伏并网项目，本文以此为背景介绍光伏组件的现状及未来发展状况。

1.光伏组件发展现状

太阳能电池是迄今为止全世界使用最多的光电能量转换装置，自从1941年有关光伏电池的报道以来，1954年成功研制转换效率为6%左右的单晶硅光伏蓄电池。在70年代之前，太阳能电池的造价昂贵、转换效率较低，在70年代以后随着工艺水平与转换效率的提高，太阳能光伏电池的使用才越来越多，但是与常规的发电手段相比较而言，成本仍然难以让人接受[3]。

目前来说，整体各种类型的光伏蓄电池转换效率为：非晶硅电池14.5%（初始）、12.8%（稳定），单晶硅电池24%（4cm2），多晶硅电池18.6%（4cm2），InGaP/GaAs双结电池30.28%（AM1），碲化镉电池15.8%。从上世纪60年代，国内也开始光伏电池的研究，当然也取得了不少让人值得骄傲的成绩。目前来说，我国的光伏电池转换效率为：多晶硅电池14.5%（2cm×2cm）、12%（10cm×10cm），非晶硅电池8.6%（10cm×10cm）、7.9%（20cm×20cm）、6.2%（30cm×30cm），二氧化钛纳米有机电池10%（1cm×1cm）、单晶硅电池20.4%（2cm×2cm），多晶硅薄膜电池13.6%（lcm×1cm，非活性硅衬底）。

从1999年开始到现在大约16年的时间里光伏组件平均每年增长约15%，并且到现在为止呈现增速越来越快的趋势。从产业的发展方面来看，无论是从提高工艺水平、扩大建设规模、提高系统的可操作性来说都是为了更好的降低系统组件成本。到07年为止，我国的光伏电池总计产量首次超越日本与欧洲，可商业化利用的光伏电池的转换效率从10%～13%提高到18%～20%，成为制造光伏电池的世界性工厂，到2011年为止，国内电池的海外出货量达到全世界的60%，根据《2013-2017年中国光伏发电产业市场前瞻与投资战略规划分析报告》的数据显示，截止到2015年全球累计安装容量超过70000兆瓦，新装机容量为27500兆瓦是2014年的1.5倍[4]。虽然说我国的光伏电池产量已经是世界首位，但是这种以清洁环保著称的能源并没有在自己国家中得到很好的开发利用，加上长年的对外出口，使得我国光伏产业过多的依赖海外市场，所以推动内需，在国内大量推广光伏项目、加大光伏市场的开拓显得尤为重要。伴随着国内大规模生产线的逐年递增，自主产品的质量与性能也在逐年提高，所以利用自主品牌的光伏组件作为项目的主要组件足以，同时也是为了促进国内产业的发展，展示国内品牌的发展成果[5]。

目前来说，单晶硅、多晶硅光伏组件仍然是市场的主体部分，单晶硅的转换效率一般在17%左右，多晶硅的转换效率一般在19%左右。如图1所示为单晶硅硅片，如图2所示为多晶硅硅片。

从第一块光伏电池研发出来之后，晶体硅电池一直是行业内的霸主地位，至今无人撼动，其成熟的技术、较为简单的工艺制造在以后的几十年里也不会被其他结构组成的光伏电池所取代，当然全世界各国的专家学者也在努力降低生产成本、提高光伏组件的转换效率，也取得了很多成绩。我国科学家在04年研制出了新型硅晶体光伏电池，其转换效率可以达到25%左右，紧随其后日本科学家在07年也研制出了转换效率高达23%的HIT太阳能光伏电池。晶体硅电池的转换效率的不断提高，使得晶体硅电池在光伏电池中的地位越来越牢固。如图3所示为光伏组件由晶体硅电池组成的实物图。

与晶体硅电池相似的有非晶体硅薄膜光伏电池，这种电池成本低，生产方便，其发展速度也很迅速。尽管成本低、生产方便，但是由于其本身的波长不敏感性造成这种材料制作的光伏电池转换效率只有晶体硅电池的三分之一甚至还不到，而且其光电转换效率随着时间的增长会出现衰退的现象，使得使用此材料制作的光伏电池在实际的应用中很容易出现不稳定甚至失效的情况。当然，这种非晶体的太阳能电池也具有弱光响应好、重量轻、高温性能好而且对整个光区的强弱感应适应能力强等优点。在未来的十几年里，如果能够突破转换效率低、使用寿命短的技术难点，有希望占领光伏市场的大部分份额[6]。

由于太阳光能量的分布密度小，而且一天之中光能也不是连续变化的，所以在对太阳光能研究时必须要对其如何进行采集、如何进行传输、如何进行存储进行研究。所以有些科学家提出对分散的太阳能进行聚光式的收集，已达对其集中收集，根据热力学第一定律和第二定律对太阳能聚光能量传输和利用系统进行热力学分析，发现理想系统对外输出功率最大时的集热温度为2464K，几何聚光比为2617，太阳能的转换效率极限值可达84.9%。也就是说如果跟踪到不同光谱强度的光线，那么可以对阳光进行更有效率的收集。所以说有一种被称为高倍聚光技术的材料也许会对未来的光伏行业带来革命性的变革，但是这项技术目前还未成熟，只处于行业初始阶段。其实它的原理就是在晶体硅的基础之上通过光学定律对光进行折射或者反射，让能量更为集中地被光伏电池进行吸收转换[7、8]。

目前来说，国内的聚光太阳能电池的研究尚处于实验阶段，已经研究过的聚光方式有：槽面聚光器、八面体聚光器、高聚光镜面菲涅尔透镜等。由于需要复杂的外部辅助设备的参与，例如冷却设备、机械扭转跟踪设备等，使得其造价成本高昂且实用效果很差，本意是为了追求节省光伏电池，可实际上就目前来说无异于舍本逐末，反而使成本大幅度提高。

综合以上三种光伏组件的构成及各自优缺点，不难发现晶体硅电池具有技术成熟、转换效率高、运行稳定可靠等其他两类光伏电池不可比拟的优势，所以青海尼那9.2MW光伏发电项目采用晶体硅电池作为最终的光伏组件。

2 光伏组件技术发展趋势

最近几年，随着技术的不断进步、工艺水平的不断提高、新材料的不断添加，标准化晶体硅电池转换效率与转换功率都在不断提高。目前已经开发出最大功率330瓦左右，面积约1.5平方米的晶体硅电池。

如表1所示，单晶硅与多晶硅的技术参数可以用以下两种组价作为代表进行对比：

从表1比较可知，光伏组件单个电池的功率越来越大，效率也越来越大，由原来的1.6米×0.8米170W上升到1.65米×0.99米280W，组价的功率密度由原来的百分之五十上升到大约百分之七十。此外组件之间的硬连接设备明显减少，也就是说光伏组件的模块化更好，通用性更强，这样全面降低了光伏电池的线路损耗，从侧面上也提高了光伏电池的转换效率，同时也降低了工程的安装工程量，使得系统的运维成本大大降低，达到了国家的节能减排的大方向目标，与国际上的光伏系统发张也是不谋而合。

根据《日本太阳能光伏发电系统2004年度报告》国际上单晶硅的输出制造由2002年的百分之三十下降到百分之二十，而多晶硅产品的生产却从02年的百分之七十上升到百分之八十，可以看出多晶硅的市场占有率越来越高。这是因为多晶硅的价格要比单晶硅要低，其制造成本低，生产工艺更加成熟，市场自然会选择它。虽然单晶硅的个体转换效率要比多晶硅高，但是在实际的应用中还是多晶硅在同样的转换功率要求下成本更低廉、施工成本更低、所需要的辅助设备更少。所以尼那9.2MW光伏发电项目采用的时250瓦光伏组件生产线，这套技术已经比较成熟，其后期的维护方便，对现场安装人员的要求较低选用的250W大功率多晶硅太阳能电池，电池组件详细技术参数见下表2。

综上所述，太阳能光伏组件作为清洁能源的代表之一无疑会在未来的能源结构中扮演越来越重要的角色。其发展方向不外乎提高电池的转换效率、提高系统的功率、减少安装运维成本等。我们可以结合集中光伏电池的优点进行研究，取长补短将这几种电池的优点结合到一起，例如将单晶硅电池的转换效率再次上提、将多晶硅的制造工艺更加完善、将高聚光技术研究成熟等，可以研发出新一代的强大光伏电池。当然对光伏组件本身的研究只是提高光伏系统性能的一个方面，此外重点还可以在光伏系统的逆变技术、MPPT算法跟踪技术、光伏电池离并网谐波抑制技术等方面重点进行研究。总之，道路永远是曲折的，但是光伏产业的美好发展前景是值得我们大家热切期待的。

3 结语

本文以尼那9.2兆瓦光伏电站为背景，介绍了光伏组件的现状及发展趋势，并指出了光伏组件下一步的研究方向，对国际国内的光伏组件未来研究指明了方向。

参考文献

[1] 王德良. 影响我国光伏发电成本的主要因素研究[D].华北电力大学，2013.

[2] 李金刚. 智能光伏组件的研究与应用[D].江南大学，2008.

[3] 李华. 中国光伏产业发展战略研究[D].上海交通大学，2009.

[4] 沙涛. 太阳能光伏组件阵列工况监测系统[D].西安科技大学，2013.

[5] 吴达成. 我国光伏组件封装设备制造现状及展望[J]. 太阳能，2012，08：14-16.

[6] 郑海兴，余荣斌，舒碧芬，沈辉. 光伏组件加速试验应用现状及发展趋势[J]. 太阳能，2013，11：45-49+7.

[7] 刘桂雄，何建林，余荣斌. 光伏组件可靠性评估的研究现状与思考[J]. 现代制造工程，2014，12：123-126.

[8] 徐永. 当前国际环境下我国光伏产业发展战略研究[D].贵州财经大学，2014.

徐大有（1974-01），男，甘肃兰州人，本科，工程师，工作单位：水电四局投资开发有限公司，主要从事工程技术管理工作.