【科普】光伏发电关键技术

光伏发电采用由多个含有光伏材料的太阳能电池组成的太阳能电池板。多个光伏组件经串并联，连同支撑结构共同构成光伏阵列。由于对可再生能源的需求不断增长，近年来，太阳能电池和光伏支架的制造已经取得了相当大的进展。光伏最早的实际应用是为轨道卫星和其他航天器提供动力，但如今大多数光伏模块都用于并网发电。

1.晶硅太阳能电池创新

内部结构：

发电原理：

（1）本征半导体：纯净的半导体称为本征半导体。本征半导体中电子和空穴总是成对的出现，称为电子-空穴对。

（2）N型半导体：在本征半导体中掺入五价磷元素取代硅原子，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子；因此，掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为N型半导体。

（3）P型半导体：在本征半导体中掺入三价硼元素取代硅原子，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”；因此，掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为P型半导体。

（4）PN结：是由一个N型掺杂区和一个P型掺杂区紧密接触所构成的；在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，两种半导体的交界面附近的区域为PN结；太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面PN结；在太阳光照射到PN结上时，PN结吸收光能激发出电子和空穴，在PN结中产生电压，称为“光生伏特效应”或简称“光伏效应”。

（5）晶硅太阳电池发展技术路线：2008 年冷氢化技术的突破大幅降低了光伏生产成本，奠定了晶硅的主流路线；2015 年以来的单晶替代潮提升了光伏发电效率，同时生产成本下降，有效扩大了行业需求。

2.组件技术发展创新

常见的品体硅太阳光伏组件，多为平板式封装结构，经真空层压而成，从上至下依次为琉璃、EVA材料、电池片、EVA材料、TPT材料。

技术创新：

（1）双面组件

2017 年起，光伏行业掀起双面组件之风，采用上下两层玻璃封装。双面组件是指采用双面电池、胶膜、双层玻璃，其背面也能够接收来自环境的散射光和反射光进行发电，因此有着更高的综合发电效率。早期因光伏玻璃的价格、强度、重量、透光度等方面的限制，双玻组件对比一般组件而言，优势并不突出。随着可开发的空置士地越来越少，双面组件因此成为大型电站主流。

双面组件与单面组件性能对比：

（2）半片技术应用

在光伏组件的制造过程中，半片是指将一块晶体硅或多晶硅切割成两个相等或不相等的半片，然后将它们组装在电池片上。半片技术的出现，是为了提高光伏组件的功率输出和效率。半片的尺寸可以根据实际需要进行调整，通常可以实现不同功率等级的匹配。半片技术的实施，可以将光伏组件的功率提高5%至8%。

采用半片技术可以增加组件的功率输出和效率，同时还可以减少组件的温度系数，降低光老化的速度。半片技术的另一个作用是提高组件的可靠性和稳定性。由于组件中的每个单元都被切成两个半片，从而减小了组件之间的功率差异，提高了组件的一致性。

（3）多主栅技术

光伏组件的栅线是晶硅电池的汇流线，用于将电池片产生的电流汇集到汇流带(焊带)上，才能将光伏产生的电力进行使用。栅线越多，转换效率和综合性能越好。一般情况下，栅线都在两根或三根，多栅线技术则会达到四根甚至更多。但栅线并非越多越好，因组件面积本就有限，栅线太多会减少晶硅电池受光面积。多主栅技术同时提高了光的利用率与电流的收集能力，从而提高了电池效率与组件功率。

3.光伏支架的发展创新

光伏支架是太阳能光伏发电系统中为了摆放、安装、固定太阳能面板设计的特殊的支架。一般材质有铝合金、碳钢及不锈钢，碳钢表面做热镀锌或镀镁铝锌处理，户外使用30年不生锈。光伏支架系统的特点是无焊接、无钻孔、可调、可重复利用。结合其应用场景及降本增效等约束因素，有几种演化形式：

地面电站支架：

水面电站支架：

（1）固定支架

光伏项目的太阳能模块（光伏板）以固定的倾角安装，以便提供最佳的年度输出特性。这些模块通常朝向赤道方向，倾角略小于现场的纬度。根据项目当地的气候、地形或电力定价制度，可以使用不同的倾斜角度，或者阵列可能偏离正常的东西方轴线。这种设计的一个变种是使用阵列，其倾斜角度可以每年调整两次或四次以达到较理想的发电量。

（2）跟踪支架

若要最大限度地提高直接辐射的强度，光伏板的方向应该与太阳光的方向垂直。为了达到这个目的，可以使用双轴追踪器来设计阵列，能够跟踪太阳在天空中的日常轨道，并且随着它的高度在一年中变化。

这些阵列需要被隔开以减少太阳移动和阵列方向改变时的阴影，因此需要更多的土地面积。在具有高水平直接辐射的地方，增加的输出量可能达到30%，但受阴天条件、温度气候或散射辐射影响，电能增加幅度会较小，出于这个原因，双轴跟踪器最常用于亚热带地区。

（3）柔性支架

柔性支架指以拉索固定光伏组件并作为主要受力构件而形成的预应力支架结构。目前主要技术路线分为单层悬索结构、索桁架结构。

单层悬索结构是两索结构，结构体系由两根平行布置的受拉索作为主要受力构件；索桁架结构是双层索结构，相比单层悬索结构，通过增加额外的承重索，并用刚性撑杆连接前后排，组成索桁架结构，提高结构刚性及稳定性。

柔性支架常见应用场景有停车棚、污水处理厂等。

（4）漂浮支架

漂浮式安装主要应用于水面，如湖泊、水库或海洋等。这种安装方式可以充分利用水面资源，提高土地利用率。同时，由于水面的反射作用，漂浮式安装的光伏系统还能接收到更多的太阳辐射。但需要注意的是，漂浮式安装需要考虑到水体的波动、腐蚀和防洪等问题。

4.屋顶和建筑综合技术创新

光伏阵列通常与建筑物相关联，或集成到它们中，或安装在它们上面或就近安装在地面上，如屋顶光伏系统通常安装在现有屋顶结构的顶部。阵列也可以与建筑物分开放置，但通过电缆连接为建筑物供电。近年来建筑一体化光伏发电(BIPV)也越来越多地被纳入新的家庭和工业建筑物的屋顶或墙壁，作为主要或辅助电力来源。