李朝開　鄧洪亮　劉磊　林娜

太陽(yáng)能 光伏發(fā)電 理論基礎(chǔ) 背包

全球資源正在逐步走向匱乏之路，但是人們生活生產(chǎn)中的能源需求仍在不斷地增長(zhǎng)，為了緩解或者尋求解決二者之間日益凸顯的矛盾，大眾對(duì)作為綠色清潔能源的太陽(yáng)能倍加青睞、越來越多的關(guān)注和研究，光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。根據(jù)IHSMarkit發(fā)表的光伏市場(chǎng)需求，跟蹤分析表明：2016年全球太陽(yáng)能光伏裝機(jī)量達(dá)77GW。2004年全球太陽(yáng)能光伏累計(jì)裝機(jī)量3.7Gw。2016全球太陽(yáng)能光伏累計(jì)裝機(jī)容量則達(dá)到313GW。2004 2016全球太陽(yáng)能光伏累計(jì)裝機(jī)量年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)44.75%。

國(guó)內(nèi)外研究狀況簡(jiǎn)析

我國(guó)自2009年開始實(shí)施“金太陽(yáng)示范工程”以來，光伏產(chǎn)品規(guī)?；瘧?yīng)用帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能發(fā)電的商業(yè)化進(jìn)程和技術(shù)進(jìn)步。同時(shí)，國(guó)家開始出臺(tái)了一系列的扶持光伏發(fā)展的政策，近些年國(guó)內(nèi)光伏市場(chǎng)發(fā)展勢(shì)態(tài)良好。還有，國(guó)家適時(shí)對(duì)光伏行業(yè)設(shè)定準(zhǔn)入門檻，鼓勵(lì)企業(yè)的創(chuàng)新、淘汰落后產(chǎn)能，加大了扶持光伏行業(yè)的龍頭企業(yè)的力度。在國(guó)外，20世紀(jì)80年代以來太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，可以說是世界上增長(zhǎng)最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。2004年，世界太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到964.9MW。2006年底，世界太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到4961.69Mw。至此，太陽(yáng)能光伏發(fā)電已經(jīng)商品化、實(shí)用化。太陽(yáng)能光伏的電池種類主要有單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、聚光電池、帶狀硅電池及薄膜電池等幾類。同時(shí)，在太陽(yáng)能光伏發(fā)電生產(chǎn)生活實(shí)用化的過程中，光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率也在不斷提高。目前，國(guó)外光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的總量可以說是巨大的，約占世界光伏發(fā)電量的80%。今后光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向主要是低成本、高效率、長(zhǎng)壽命、實(shí)用美觀等。專家們的預(yù)測(cè)是：太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展到2050年，其發(fā)電量中將占發(fā)電總量13-15%。

《創(chuàng)意太陽(yáng)能背包》實(shí)驗(yàn)研究擬達(dá)成的預(yù)期目的、內(nèi)容和擬解決的相關(guān)問題大致如下。

（1）項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)研究擬達(dá)成的預(yù)期目的：第一，讓學(xué)生了解當(dāng)今太陽(yáng)能源系統(tǒng)的發(fā)展近況，了解國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的研究簡(jiǎn)況；第二，探討和研究無污染的太陽(yáng)能儲(chǔ)能系統(tǒng)及原理，產(chǎn)品的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)、驗(yàn)證原理實(shí)驗(yàn)等；第三，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)于生產(chǎn)生活實(shí)踐，和激化學(xué)生的探究和解決實(shí)際問題的能力。

（2）項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容：研究本項(xiàng)目，我們將設(shè)計(jì)一款環(huán)保節(jié)能、適于大眾遠(yuǎn)足出游的生活實(shí)際需要、新穎時(shí)尚的太陽(yáng)能背包。書包的面料優(yōu)先考慮防水面料，而顏色會(huì)選取藍(lán)黑色、灰色為主調(diào)。這樣可以更好的搭配太陽(yáng)能板的顏色，顯得更加時(shí)尚，書包的規(guī)格初步采用30cm*16cm*44cm。我們初步將選用型號(hào)為SFM25的單晶硅太陽(yáng)能板，由若干個(gè)太陽(yáng)能電池片按一定方式組裝在一塊板上的組裝件。目前，最主要的光伏材料是晶體硅材料，包括多晶硅和單晶硅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其市場(chǎng)的占有率約在90%以上，同時(shí)也可以說在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，晶體硅材料也依然是太陽(yáng)能電池的主流材料。對(duì)于多晶硅的需求，主要來源于半導(dǎo)體和太陽(yáng)能電池。按照不同的純度要求，一般可分為電子級(jí)和太陽(yáng)能級(jí)。有大量專家預(yù)測(cè)，到二十一世紀(jì)前半期，太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)將超過核電、并將成為最重要的基礎(chǔ)能源之一。它具有較高的積發(fā)電量，轉(zhuǎn)換率可高達(dá)18.3%，據(jù)數(shù)據(jù)顯示，此型號(hào)太陽(yáng)能板性能比較穩(wěn)定，具有質(zhì)量輕、超薄、可彎曲、使用范圍廣等特點(diǎn)。相對(duì)應(yīng)的薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)也屬于新一代太陽(yáng)能電池技術(shù)，它具有綠色環(huán)保、零污染、低成本、平均發(fā)電量高、弱光響應(yīng)好等優(yōu)勢(shì)。從成本上講，材料制作簡(jiǎn)便，節(jié)約電耗。并且聯(lián)機(jī)已經(jīng)在串聯(lián)電池制造時(shí)內(nèi)建，由此不會(huì)有內(nèi)部電路短路問題?？紤]到美觀問題，我們的太陽(yáng)能板的規(guī)格將會(huì)占用書包的1/3。裝太陽(yáng)能板的外層面料選用較硬材質(zhì)，其目的是為了更好的保護(hù)太陽(yáng)能板。USB接口可以鑲嵌在書包上，外層用防水面料包裹，以及可裝卸的太陽(yáng)能板。儲(chǔ)電器使用500000MAH移動(dòng)電路板與14500MA的多節(jié)鋰電池組成，還增加了過充過放的保護(hù)功能，延長(zhǎng)了使用壽命，也增加了安全性。

（3）本項(xiàng)目擬解決的主要技術(shù)問題：

本項(xiàng)目擬解決的關(guān)鍵技術(shù)是：設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試出各種性能參數(shù)：如額定電壓，功率，最大輸出功率，工作時(shí)長(zhǎng)，性價(jià)比，壽命，質(zhì)量，充電快慢等。期望能設(shè)計(jì)出一款時(shí)尚美觀，物廉價(jià)美的高效的太陽(yáng)能背包，材料制作簡(jiǎn)便、綠色環(huán)保、節(jié)約電耗、適合大眾遠(yuǎn)足出游等生活實(shí)際所需。這是本項(xiàng)目研究最基礎(chǔ)的內(nèi)容，也是關(guān)鍵一環(huán)。在完成創(chuàng)意太陽(yáng)能背包的原理理論研究、期望產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及產(chǎn)品實(shí)際論證后，需要解決的就是本項(xiàng)目研究產(chǎn)品的市場(chǎng)推廣問題：我們利用現(xiàn)有的大學(xué)生創(chuàng)業(yè)平臺(tái)，創(chuàng)立自己的微信公眾平臺(tái)，微信商城，同時(shí)利用學(xué)校各大官方以及個(gè)人微信公眾平臺(tái)進(jìn)行宣傳推廣。所能創(chuàng)造的市場(chǎng)價(jià)值的預(yù)測(cè)：以邵陽(yáng)學(xué)院為例，我們對(duì)邵陽(yáng)學(xué)院在讀的2萬名學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查，若我們的書包售價(jià)為120元左右，有80%的學(xué)生愿意購(gòu)買我們的背包，假設(shè)一個(gè)背包的純利潤(rùn)是20元，假設(shè)這80%的學(xué)生里面有10%學(xué)生購(gòu)買我們的背包則我們創(chuàng)造的市場(chǎng)價(jià)值為32000元。

本項(xiàng)目相關(guān)研究知識(shí)的積累

我們通過專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)和查閱大量資料，對(duì)光伏發(fā)電有了初步的認(rèn)識(shí)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成如下：太陽(yáng)能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜、太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)等設(shè)備系統(tǒng)化組成。

一般來說，以太陽(yáng)能發(fā)電有光-熱-電、光-電兩種方式。通過利用太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，即光-熱-電。利用光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，即光-電直接轉(zhuǎn)換；太陽(yáng)能電池即其基本裝置。太陽(yáng)能電池，是一種由于光生伏特效應(yīng)原理，將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件。太陽(yáng)能電池可以說是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管。每當(dāng)光電二極管上照射有太陽(yáng)光時(shí)，光電二極管可以將把太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)變成電能，產(chǎn)生電流。自然串聯(lián)或并聯(lián)許多個(gè)電池構(gòu)成的太陽(yáng)能電池方陣，就將有比較大的輸出功率。目前，提高轉(zhuǎn)換效率、改良電池組概念、有效地減少資源消耗、制造自動(dòng)化等是晶體硅光伏組件存在的主要挑戰(zhàn)。在早期的非晶硅單結(jié)電池的基礎(chǔ)上，由非晶硅制成的薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展了串聯(lián)和三聯(lián)的非晶硅電池結(jié)構(gòu)。同時(shí)，將單晶硅和多晶硅薄膜結(jié)合在一起，這樣就形成了能達(dá)到更高效率的微晶硅?，F(xiàn)如今，相對(duì)較少使用硅原料就可以相應(yīng)降低產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目成本，較高自動(dòng)化程度可以達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的，在高溫氣候或環(huán)境下能讓使用性能能維持良好，還降低了對(duì)高溫的敏感度；這些均是薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)在生產(chǎn)生活實(shí)踐中體現(xiàn)出來的主要優(yōu)點(diǎn)。

本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色

（1）創(chuàng)新點(diǎn)：一是，利用太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)能源從而達(dá)到綠色環(huán)保、節(jié)能的目的；二是，應(yīng)用范圍廣，尤其是適合于遠(yuǎn)游出行的應(yīng)急使用；三是，年輕大學(xué)生消費(fèi)群體，可以起到很好的示范帶動(dòng)作用。

（2）特色：一是，方便、便捷；二是，環(huán)保、節(jié)約能源；三是，外型時(shí)尚，攜帶方便。

本項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)按照電池技術(shù)路線一般可以分為晶體硅太陽(yáng)能電池、聚光光伏電池和薄膜太陽(yáng)能電池。我們本項(xiàng)目的研究期望以晶體硅太陽(yáng)能電池和薄膜太陽(yáng)能電池的技術(shù)路線為主。相對(duì)聚光光伏電池這條路線來說，項(xiàng)目所涉及的兩條路線使用較為廣泛，技術(shù)比較成熟，選擇性更高。

如今，光伏組件的絕大多數(shù)是硅基晶片。據(jù)調(diào)查報(bào)告顯示，直到2020年晶體硅光伏組件將持續(xù)占據(jù)光伏技術(shù)主流，市場(chǎng)份額也將期望超過百分之五十。這些主要原因就是依賴于晶體硅光伏組件的以下特性：可靠性的技術(shù)、豐富的原料儲(chǔ)備以及長(zhǎng)壽命等。提高轉(zhuǎn)換效率、改良電池組概念、有效地減少資源消耗、制造自動(dòng)化等是晶體硅光伏組件存在的主要挑戰(zhàn)?，F(xiàn)今，單晶硅和多晶硅是電池組件所采用硅材料的兩種主要形式。有數(shù)據(jù)顯示，目前市面上的單晶硅電池組件的最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到百分之十四至百分之二十；預(yù)計(jì)到2020年，其轉(zhuǎn)換效率將可能會(huì)達(dá)到百分之二十三至百分之二十五；多晶硅電池組件雖然原子結(jié)構(gòu)更加無序轉(zhuǎn)換效率低于單晶硅，但是相對(duì)更低的成本讓其使用非常廣泛，預(yù)計(jì)在今后一段時(shí)間內(nèi)其效率將可能達(dá)到百分之二十一。在早期的非晶硅單結(jié)電池的基礎(chǔ)上，由非晶硅制成的薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展了串聯(lián)和三聯(lián)的非晶硅電池結(jié)構(gòu)。同時(shí)，將單晶硅和多晶硅薄膜結(jié)合在一起，這樣就形成了能達(dá)到更高效率的微晶硅。在ⅡⅥ族化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)展了其他的薄膜技術(shù)，包括CdTe、CIGS。

這些知識(shí)對(duì)本項(xiàng)目的研究是至關(guān)重要的，也是本項(xiàng)目研究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐過程中尋求和解決的至關(guān)重要的技術(shù)問題的理論基礎(chǔ)。我們將在當(dāng)今研究成果和生產(chǎn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究原理知識(shí)和本項(xiàng)目產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念，利用太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)能源，研究和設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)便、環(huán)保節(jié)能的適于人們遠(yuǎn)足出游的應(yīng)急使用的生活必需品。