光伏發(fā)電及化學(xué)儲能研究現(xiàn)狀簡介光伏發(fā)電光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏打效應(yīng)原理，利用太陽電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機械部件，所以，光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護簡便。光伏電池的分類單晶硅光伏電池單晶硅光伏電池是開發(fā)較早、轉(zhuǎn)換率最高和產(chǎn)量較大的一種光伏電池。目前單晶硅光伏電池轉(zhuǎn)換效率在我國已經(jīng)平均達到14.5％至15.5%,而實驗室記錄的最高轉(zhuǎn)換效率超過了24.7%。這種光伏電池一般以高純的單晶硅硅棒為原料，純度要求99.9999%。單晶硅光伏電池又分為普通單晶硅光伏電池和背接觸式單晶硅光伏電池，背接觸硅太陽電池是指電池的發(fā)射區(qū)電極和基區(qū)電極均位于電池背面的一種硅太陽電池。背接觸電池有很多優(yōu)點：①效率高。由于降低或完全消除了正面柵線電極的遮光損失，從而提高了電池效率，有報道稱某新型背接觸單晶硅光伏電池效率高達21%。②易組裝。采用全新的組件封裝模式進行共面連接，既減小了電池片間的間隔，提高了封裝密度，又簡化了制作工藝，降低了封裝難度。③更美觀。電池的正面均一、美觀，滿足了消費者的審美要求。圖1單晶硅電池多晶硅光伏電池多晶硅光伏電池是以多晶硅材料為基體的光伏電池。由于多晶硅材料多以澆鑄代替了單晶硅的拉制過程，因而生產(chǎn)時間縮短，制造成本大幅度降低。再加之單晶硅硅棒呈圓柱狀，用此制作的光伏電池也是圓片，因而組成光伏組件后平面利用率較低。與單晶硅光伏電池相比，多晶硅光伏電池就顯得具有一定競爭優(yōu)勢。目前實驗室最高光電轉(zhuǎn)換效率為20.3%，商業(yè)化批量生產(chǎn)效率為14%至14.5%。圖2多晶硅電池非晶硅光伏電池非晶硅光伏電池是用非晶態(tài)硅為原料制成的一種新型薄膜電池。非晶態(tài)硅是一種不定形晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。用它制作的光伏電池只有1微米厚度,相當(dāng)于單晶硅光伏電池的1/300。它的工藝制造過程與單晶硅和多晶硅相比大大簡化,硅材料消耗少,單位電耗也降低了很多。目前實驗室最高光電轉(zhuǎn)換效率為12.8%，商業(yè)化批量生產(chǎn)效率為6%至9%。雖然非晶薄膜光伏電池的效率比單晶硅和多晶硅要低很多，但由于其經(jīng)濟性，如果不考慮其占地面積的因素，則其相同電力規(guī)模的造價要低于單晶硅和多晶硅。圖3非晶硅電池銅銦硒光伏電池銅銦硒光伏電池是以銅、銦、硒三元化合物半導(dǎo)體為基本材料，在玻璃或其它廉價襯底上沉積制成的半導(dǎo)體薄膜。由于銅銦硒電池光吸收性能好，所以膜厚只有單晶硅光伏電池的大l/100。砷化鎵光伏電池砷化鎵光伏電池是一種Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體光伏電池。與硅光伏電池相比,砷化鎵光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率高，硅光伏電池理論效率為23%,而單結(jié)砷化鎵光伏電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到27%；可制成薄膜和超薄型太陽電池，同樣吸收95%的太陽光,砷化鎵光伏電池只需5-10μm的厚度,而硅光伏電池則需大于150μm。碲化鎘光伏電池碲化鎘是一種化合物半導(dǎo)體,其帶隙最適合于光電能量轉(zhuǎn)換。用這種半導(dǎo)體做成的光伏電池有很高的理論轉(zhuǎn)換效率，目前,已實際獲得的最高轉(zhuǎn)換效率達到16.5%。碲化鎘光伏電池通常在玻璃襯底上制造，玻璃上第一層為透明電極，其后的薄層分別為硫化鎘、碲化鎘和背電極，其背電極可以是碳槳料，也可以是金屬薄層。碲化鎘的沉積技術(shù)方法很多，如電化學(xué)沉積法、近空間升華法、近距離蒸氣轉(zhuǎn)運法、物理氣相沉積法、絲網(wǎng)印刷法和噴涂法等。碲化鎘層的厚度通常為1.5-3um，而碲化鎘對于光的吸收有1.5um的厚度也就足夠了。聚合物光伏電池聚合物光伏電池是利用不同氧化還原型聚合物的不同氧化還原電勢,在導(dǎo)電材料表面進行多層復(fù)合,制成類似無機P-N結(jié)的單向?qū)щ娧b置。聚光電池聚光電池包括高倍聚光、低倍聚光電池，技術(shù)還在發(fā)展完善過程中。聚光電池對電池方向的定位要求極高，如果聚光電池方向與標(biāo)準(zhǔn)方向偏差1%，則其轉(zhuǎn)換效率要降低90%。圖4聚光電池所參觀的國家風(fēng)光儲輸示范工程，在已投運的40MW的光伏發(fā)電中，多晶硅光伏組件占37MW，單晶硅光伏組件占1MW，非晶薄膜光伏組件占1MW，背接觸式光伏組件占0.5MW，高倍聚光電池組件占0.05MW，進口背接觸式光伏組件占0.5MW。光伏發(fā)電陣列布置方式最佳傾角固定式固定傾角式安裝是組件以一定的傾角固定在地面上，整個發(fā)電過程組件處于靜態(tài)，該安裝方式簡單易行，成本低。但太陽處于動態(tài)運動過程，在一天中太陽光與太陽能電池板相互位置時刻都在發(fā)生變化，光線與電池板相互垂直的時間很短。研究表明，太陽能電池板發(fā)電能力與接收垂直光強成正比，每天有35%以上的能量被無形的浪費掉。另外，為了防止大風(fēng)、大雪等惡劣天氣可能損壞太陽能電池板的支架，一般將基礎(chǔ)和支架的安全系數(shù)設(shè)計的很高。單軸跟蹤式顧名思義，即只有一個旋轉(zhuǎn)軸，來改變電池板的位置角度，來達到太陽光線垂直于電池面板光射強度的最大化，從而提高光伏轉(zhuǎn)化率。單軸跟蹤根據(jù)轉(zhuǎn)軸的方位可以分為：水平單軸跟蹤，傾斜單軸跟蹤，豎直單軸跟蹤。如果按照運動機構(gòu)動力執(zhí)行件類型，以及傳動系統(tǒng)類型又可以分為：電動推桿單體結(jié)構(gòu)類型，電動推桿聯(lián)動結(jié)構(gòu)類型，回轉(zhuǎn)減速器單體結(jié)構(gòu)類型，回轉(zhuǎn)減速器聯(lián)動結(jié)構(gòu)。水平單軸單軸跟蹤由電池板支撐系統(tǒng)，轉(zhuǎn)軸梁，動力驅(qū)動系統(tǒng)，電動控制系統(tǒng)，中央監(jiān)控系統(tǒng)等組成。水平跟蹤適合在緯度低于30度的地區(qū)內(nèi)使用，可以提高20%-30%的發(fā)電量。圖5水平單軸跟蹤式b、斜單軸斜單軸跟蹤以及垂直單軸跟蹤適合在緯度高于40的區(qū)域使用，可以提高25%-35%的發(fā)電量。圖6斜單軸跟蹤式雙軸跟蹤式顧名思義，是指具備兩個方向的旋轉(zhuǎn)軸。這樣電池板可以在太陽的方位角，以及高度角上同時跟蹤太陽。從而達到電池板保持垂直于太陽光線。雙軸結(jié)構(gòu)雙軸跟蹤系統(tǒng)，一般由分為T型結(jié)構(gòu)或V型結(jié)構(gòu)。V型結(jié)構(gòu)可以安裝更多的電池組件。雙軸跟蹤系統(tǒng)由電池面板支撐結(jié)構(gòu)，方位角回轉(zhuǎn)減速器，高度角回轉(zhuǎn)減速器或電動推桿，電動控制系統(tǒng)，中央監(jiān)控系統(tǒng)等組成。雙軸跟蹤適合在緯度高于40度的地區(qū)使用，可以提高35-45%的發(fā)電量。電化學(xué)儲能系統(tǒng)儲能電站在電網(wǎng)中的作用主要有平滑出力、跟蹤計劃、削峰填谷、調(diào)頻等，主要分為以下幾類：鈉硫電池鈉硫電池在300℃的高溫環(huán)境下工作，其正極活性物質(zhì)是液態(tài)硫（S）；負(fù)極活性物質(zhì)是液態(tài)金屬鈉（Na），中間是多孔性陶瓷隔板。鈉硫電池的主要特點是能量密度大（是鉛蓄電池的3倍）、充電效率高（可達到80%）、循環(huán)壽命比鉛蓄電池長等；然而鈉硫電池在工作過程中需要保持高溫，有一定安全隱患。目前，鈉硫電池在國外已是發(fā)展相對成熟的儲能電池，其壽命可達10-15年。日本在2002年就已進入商業(yè)化實施階段，2007年日本年產(chǎn)鈉硫電池量已超過100MW，并開始向海外輸出。在國內(nèi)，國家電網(wǎng)同中科院上海硅酸鹽研究所合作，2008年完成了電池模塊研制、2009年度攻關(guān)百萬千瓦級儲能設(shè)備、2010年實現(xiàn)世博會示范應(yīng)用，到2011年進入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段。將來該項技術(shù)極有可能成為首批電化學(xué)儲能電站的應(yīng)用技術(shù)。（1）鈉硫電池儲能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換原理功率轉(zhuǎn)換部分由電壓源逆變器，監(jiān)測傳感器系統(tǒng)控制器和變壓器組成它是連接儲能部分和交流電網(wǎng)間的接口實現(xiàn)電池直流能量和交流電網(wǎng)間雙向能量傳遞其核心是一個大容量電壓源逆變器。鈉硫電池應(yīng)用電池技術(shù)的應(yīng)用主要是移動應(yīng)用和固定應(yīng)用，儲能用鈉硫電池是各種先進二次電池中最為成熟的一種也是最具有潛力的一種先進儲能電池，移動應(yīng)用主要應(yīng)用于航天和軍事方（如衛(wèi)星潛艇和坦克電動車）。固定應(yīng)用主要用：于削峰填谷、應(yīng)急電源風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的穩(wěn)定輸出及提高電能質(zhì)量方面。電池儲能系統(tǒng)組成電池儲能系統(tǒng)組成包括鈉硫電池模塊電池儲柜、模塊連接線和直流斷路開關(guān)電壓源逆變器、監(jiān)測傳感器、系統(tǒng)控制器、變壓器等組成如圖：圖7鈉硫電池系統(tǒng)組成與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機相比，其較短的行程較低的功率尤其是較高的價格使得用于移動電池的研發(fā)受到了制約但隨著人們面臨的能源與環(huán)境問題日趨嚴(yán)重以及各國政府對能源和環(huán)境問題的日益重視，旨在用于移動驅(qū)動的鈉硫電池的研發(fā)活動又重新啟動并活躍起來其技術(shù)關(guān)鍵是，鈉離子導(dǎo)體的固體電解質(zhì)的性能和高活性鈉高腐蝕性及多硫化（放電產(chǎn)儲存和密封防腐技術(shù)。液流電池液流電池的活性物質(zhì)可溶解分裝在兩大儲存槽中，溶液流經(jīng)液流電池，在離子交換膜兩側(cè)的電極上分別發(fā)生還原與氧化反應(yīng)。此化學(xué)反應(yīng)為可逆的，因此可達到多次充放電的能力。此系統(tǒng)之儲能容量由儲存槽中的電解液容積決定，而輸出功率取決于電池的反應(yīng)面積。由于兩者可以獨立設(shè)計，因此系統(tǒng)設(shè)計的靈活性大而且受設(shè)置場地限制小。20世紀(jì)90年代初開始，英國Innogy公司成功開發(fā)出系列多硫化鈉/溴液流儲能電堆，并建造了儲能電站，用于電站調(diào)峰和UPS；2001年，250KW/520KW全釩液流電池在日本投入商業(yè)運營。近十多年來，歐美日將與風(fēng)能/光伏發(fā)電配套的全釩液流電池儲能系統(tǒng)用于電站調(diào)峰。目前液流電池已有全釩、釩溴、多硫化鈉/溴等多個體系，液流電池電化學(xué)極化小，其中全釩液流電池具有能量效率高、蓄電容量大、能夠100%深度放電、可實現(xiàn)快速充放電，且壽命長等優(yōu)點，全釩液流電池已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化運作，能夠有效平滑風(fēng)能發(fā)電功率。在日本運營的容量為4兆瓦的全釩液流電池為當(dāng)?shù)?2兆瓦的風(fēng)電場提供儲能，并已運行27萬次循環(huán)，世界上還沒有任何其他儲能技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一要求。液流電池的特點液流電池分多種體系,其中全釩電池是技術(shù)發(fā)展主流。全釩液流儲能電池,是將具有不同價態(tài)的釩離子溶液分別作為正極和負(fù)極的活性物質(zhì),分別儲存在各自的電解液儲罐中。在對電池進行充、放電實驗時,電解液通過泵的作用,由外部貯液罐分別循環(huán)流經(jīng)電池的正極室和負(fù)極室,并在電極表面發(fā)生氧化和還原反應(yīng),實現(xiàn)對電池的充放電。其工作原理圖，如圖8所示圖8液流電池工作原理充放電時正負(fù)極的化學(xué)反應(yīng)方程式為:正極:V4+=V5++e-負(fù)極:V3++e-=V2+充電時,負(fù)極電解液V3+在電極表面得到電子反應(yīng)為V2+;同時正極電解液V4+失去電子變?yōu)閂5+。若實現(xiàn)對一定負(fù)載的放電,在負(fù)極表面V2+失去電子變?yōu)閂3+,電子通過電極傳遞流向負(fù)載進而到達正極,在正極表面V5+在電極表面得到電子,被還原為V4+。電解質(zhì)作為只傳導(dǎo)離子的非電子導(dǎo)體,其內(nèi)部的電荷平衡是通過溶液中H+在離子交換膜兩側(cè)的遷移來完成。上述工作原理實現(xiàn)了電池在一個完整回路中的充放電過程而全釩液流電池,與其它電池相比具有如下特點:a.液流儲能電池系統(tǒng)的能量效率高,可達70%～80%;b.功率與儲能量可以分離設(shè)計,且蓄電容量易于擴展,可達百兆瓦時;c.系統(tǒng)設(shè)計靈活,電堆易于模塊組合,蓄電容量便于調(diào)節(jié);d.使用壽命長,循環(huán)壽命高。超深度放電不引起電池的不可逆損傷;e.環(huán)保性好,電池部件材料性能穩(wěn)定,且易于回收,不造成環(huán)境污染;f.建設(shè)周期短,系統(tǒng)運行和維護費用低。全釩液流電池儲能系統(tǒng)的功率容量可達百兆瓦級,而儲能容量可至百兆瓦時級,而其功率響應(yīng)速度為10ms級。因此該儲能技術(shù)應(yīng)用廣泛,潛在應(yīng)用有:①風(fēng)能(或太陽能)/儲能系統(tǒng)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng);②邊遠(yuǎn)地區(qū)及中小型電力用戶、工廠及辦公樓供電的不間斷電源和應(yīng)急電源系統(tǒng)等;③電力儲存和負(fù)載調(diào)峰系統(tǒng)。鉛酸電池鉛酸蓄電池的主要特點是采用稀硫酸做電解液，是用二氧化鉛和絨狀鉛分別做為電池的正極和負(fù)極的一種酸性蓄電池，具有成本低、技術(shù)成熟、儲能容量大等優(yōu)點，主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)的備載容量、頻率控制，不斷電系統(tǒng)；缺點是儲存能量密度低、可充放電次數(shù)少、制造過程中存在一定污染等。日本DEDO曾經(jīng)資助鉛酸電池與光伏發(fā)電配合使用的示范項目，鉛酸電池儲能系統(tǒng)總儲能容量為4.95兆瓦。鋰離子電池鋰離子電池的陰極材料為鋰金屬氧化物，具有高效率、高能量密度的特點，并具有放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲存壽命長、無記憶效應(yīng)及無公害等優(yōu)點。但目前鋰離子電池在大尺寸制造方面存在一定問題，過充控制的特殊封裝要求高，價格昂貴，所以尚不能普遍應(yīng)用。目前世界上運行的最大鋰離子儲能系統(tǒng)是A123公司投資建設(shè)的，裝機容量為2兆瓦。超級電容器儲能超級電容器根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率，充電時處于理想極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。超級電容器歷經(jīng)三代及數(shù)十年的發(fā)展，已形成容量0.5～1000F、工作電壓12～400V、最大放電流400～2000A系列產(chǎn)品，儲能系統(tǒng)最大儲能量達30MJ。但超級電容器價格較為昂貴，在電力系統(tǒng)中多用于短時間、大功率的負(fù)載平滑和電能質(zhì)量峰值功率場合，如大功率直流電機的啟動支撐、態(tài)電壓恢復(fù)器等，在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平。按采用的電極不同,超級電容器可分為以下幾種:(1)碳電極電容器;(2)貴金屬氧化物電極電容器;(3)導(dǎo)電聚合物電容器。按儲存電能的機理不同,超級電容器可分為兩種類型:一種是“雙電層電容器”,其電容的產(chǎn)生主要基于電極P電解液上電荷分離所產(chǎn)生的雙電層電容,如碳電極電容器;另一種則被稱為“法拉第準(zhǔn)電容”,由貴金屬和貴金屬氧化物電極等組成,其電容的產(chǎn)生是基于電活性離子在貴金屬電極表面發(fā)生欠電位沉積,或在貴金屬氧化物電極表面及體相中發(fā)生的氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生的吸附電容,該類電容的產(chǎn)生機制與雙電層電容不同,并伴隨電荷傳遞過程的發(fā)生,通常具有更大的比電容。根據(jù)超級電容器的結(jié)構(gòu)及電極上發(fā)生反應(yīng)的不同,又可分為對稱型和非對稱型。如果兩個電極的組成相同且電極