太陽能發電技術論文精選(九篇)

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第1篇：太陽能發電技術論文范文

摘要:本文概述了目前全球能源現狀,表明了太陽能發電的重要性和前景,詳細介紹了各種太陽能發電方式和它們的優點,并對這幾種發電方式作了參數對比。同時指出太陽能發電面臨的困難和解決措施,以及我國太陽能發電的有利條件和難點,對未來我國太陽能發電進行了展望。

關鍵詞:太陽能發電方式規模化

人類社會已進入21世紀,在新千年開始之際,熱門正面臨著一系列重大的挑戰,全球經濟發展,人口迅速增加,需要提供更多的食物、住房和原料,因而對能源的需求量也不斷增加。在過去20年中,全世界能源消耗量增加了40%,其中85%以上使用的是礦物燃料。這些礦物燃料燃燒時要產生大量溫室氣體,全球單是CO2排放量每年就超過500億噸,而且還在不斷擴大。形成的酸雨造成土壤退化,危害動植物。全球氣候變暖可能會產生災難性后果,必須采取堅決措施,減少溫室氣體的排放。因此,治理環境污染,已成為當務之急。同時,礦物燃料的儲藏量是有限的,按目前探明的儲藏與開發速度的比例計算,地球上可再開采的能源,石油為40年,天然氣約為60年,煤炭為200年。如不采取有效措施,到本世紀中葉,人類必將面臨礦物燃料枯竭的嚴重局面。

為了減少大氣污染、保護人類生態環境、保證能源的長期穩定供應,必須實施可持續發展戰略,逐步改變現有的能源結構,大力開發利用新能源。這已成為各國的共識。

在新能源中,公認技術含量最高、最有發展前途的是太陽能發電。下面就這兩大類太陽能發電方式逐一介紹。

1.太陽能發電的類型及其優點

太陽能發電可分為太陽能熱發電和太陽能光發電兩大類。

1.1太陽能熱發電

聚光式系統的集熱部分由聚光器、跟蹤定位器、吸收器構成,不同的技術常在此部分有所區別;傳輸部分由管道和介質構成,介質常是空氣或水;儲熱部分用來保證發電的連續性,介質多為熔鹽。聚光式系統可分為塔式太陽能熱發電系統、槽式太陽能熱發電系統以及碟式太陽能熱發電系統。

1.1.1塔式太陽能熱發電系統

塔式太陽能熱發電系統也稱為集中式太陽能熱發電系統。它利用定日鏡將太陽光聚焦在中心吸熱塔的吸熱器上,在那里將聚焦的輻射能轉變成熱能,然后將熱能傳遞給熱力循環的工質,再驅動熱機做功發電。

1.1.2槽式太陽能熱發電系統

槽式太陽能熱發電系統是利用槽式拋物面反射鏡聚光的太陽能熱發電系統的簡稱。該聚光鏡面從幾何上看是將拋物線平移而形成的槽式拋物面,它將太陽光聚在一條線上,在這條焦線上安裝有管狀集熱器,以吸收聚焦后的太陽輻射能,并常常將眾多的槽式拋物面串并聯成聚光集熱器陣列。該系統中機熱油回路和動力蒸汽回路分離開來,經過一系列換熱器來交換熱量。當太陽能供應不足時,利用一個輔助加熱器將油回路中的導熱油加熱,從而實現系統的穩定連續運行。

1.1.3碟式太陽能熱發電系統

碟式太陽能熱發電系統借助雙軸跟蹤,利用旋轉拋物面反射鏡,將入射的太陽輻射進行點聚集,聚光點的溫度一般為500—1000℃,吸熱器洗手這部分輻射能并將其轉換成熱能,加熱工質以驅動熱機(如燃氣輪機、斯特林發動機或其他類型透平等),從而將熱能轉換成電能。該方式的優點是:轉化效率最高;可模塊化;可以混合發電。

除了上述幾種聚光式太陽能熱發電方式以外,太陽池發電、太陽能塔熱氣流發電等新領域的研究也有進展。

1.2太陽能光發電

太陽能光發電是指無需通過熱過程直接將光能轉變為電能的發電方式。它包括光伏發電、光化學發電、光感應發電和光生物發電。光伏發電是利用太陽能級半導體電子器件有效地吸收太陽光輻射能,并使之轉變成電能的直接發電方式,是的那股勁太陽光發電的主流。目前世界上應用最廣泛的太陽電池是單晶體硅太陽電池、多晶硅太陽能電池、薄膜太陽能電池等。

1.2.1單晶硅電池

單晶硅電池是建立在高質量單晶硅材料和相關的加工處理工藝基礎上的。它的轉換效率最高,技術也最為成熟。在實驗室里最高的轉換效率為23%,而規模生產的單晶硅太陽能電池,其效率為15%。硅電池進展的重要原因之一是表面鈍化技術的提高。此外,倒金字塔技術、雙層減反射膜技術以及陷光理論的完善也是高晶硅電池發展的主要原因。

1.2.2多晶硅電池

多晶硅電池與單晶硅比較,由于所使用的硅遠比單晶硅少,其成本遠低于單晶硅電池,具有獨特的優勢。但是由于它存在著晶粒界面和晶格錯位的明顯缺陷,造成多晶硅電池光電轉換率一直無法突破20%的關口,低于單晶硅電池。薄膜太陽能電池

薄膜太陽能電池發電是另一種光伏發電方式。由于受到原材料、加工工藝和制造過程的制約,若要再大幅度地降低單晶硅太陽電池成本是非常困難的。作為單晶硅電池的替代產品,現在發展了薄膜太陽電池。目前薄膜電池主要有硅基薄膜太陽電池、化合物半導體薄膜電池、燃料敏化TiO2太陽電池等。

太陽能光伏發電系統的主要優點是:可以有效利用建筑物屋頂和幕墻,無需占用土地資源;可原地發電,原地使用,減少電力輸送的線路損耗;各種彩色光伏組件可取代和節約外飾材料(如玻璃幕墻等)在白天用電高峰期供電,從而舒緩高峰電力需求;配備蓄電池后,還能滿足安全用電設施的不斷電要求;太陽能發電板陣列直接吸收太陽能,降低墻面及屋頂的溫升,減輕建筑空調負荷。

2.太陽能發電面臨的困難和解決措施

前面介紹了幾種太陽能熱發電技術,除碟式發電系統外,都屬于大規模發電系統,只有做成幾十到幾百兆瓦級的發電站,成本才可能降下來。太陽能塔熱氣流發電和太陽池發電占地面積大,利用效率不高,僅僅在1%左右。因此太陽能塔熱氣流發電應放在土地廣闊、人口稀少的沙漠地區使用;而太陽池發電應適合放在日照條件好、鹽資源比較豐富的地區使用。總體來看,槽式發電系統技術上最為成熟,且其跟蹤機構比較簡單易于實現,總體成本最低。太陽能熱發電系統要實現的是低成本的投資和技術上的高可靠性運行。這要求未來在技術上要進行新型集熱材料的研究和開發,快速提高跟蹤機構的技術并降低其實現成本。同時發電產業要努力實現規模化,建立大規模的并網系統,既節約成本,又保證系統平穩安全運行。

對于光伏發電來說,總體來看,該產業尚處于起步階段,主要是由于太陽能發電初期投資大,控制成本高,而太陽能轉化效率比較低,且容易受天氣等多種因素影響。根據目前光伏發電發展狀況和其技術難點,未來的光伏發電研究需要重視以下幾個方面:一是加快太陽能原材料晶體硅生產技術的研究和新型替代材料的開發,降低材料成本并提高其轉化效率;二是提高系統控制技術,如達到光伏電池陣列的最優化排列組合、實現太陽光最大功率跟蹤等;三是研究光伏發電的并網技術,減少光伏電能對電網的沖擊;四是研究光伏發電與其他可再生能源發電技術的結合應用,保證供電持續性。

3.我國太陽能發電的優勢和難點

發展太陽能發電的需求主要來自滿足農村和邊遠地區的生產與生活用電和21世紀中持續發展我國電力事業兩個方面。在太陽能發電上我國具有得天獨厚的有利條件:

(1)豐富的太陽能資源。我國總面積2/3以上的地區年平均日照時數在2000h以上,年平均日輻射量在4000MJ/m2以上,要優于歐洲和日本,與美國相近。如此豐富的太陽能資源可以節省太陽能電池的用量,有利于太陽能發電在較低成本下加以推廣。

(2)我國太陽能電池的生產能力超過日本、美國和歐洲,居世界第一位,2007年我國太陽能電池的產量約為1180兆瓦。2007年在全球太陽能生產企業16強中,我國占據了6席。(3)逆變技術是太陽能發電的關鍵技術之一,由于在大功率開關器件開發和逆變技術的應用等方面,我國已取得長足進步,生產出適用于光伏并網、高效率、高可靠性、低污染、低成本的逆變器成為可能。

但為了太陽能發電產業的快速發展,必須解決以下幾個問題:

(1)我國生產太陽能電池的原材料主要依靠進口,而絕大多數太陽能電池和切片用于出口,這種不利于產業發展的加工業局面必須盡快扭轉。

(2)太陽能發電的成本在每千瓦小時3元以上,遠遠高于目前居民電網用店家的每千瓦小時0.5元。這也是發展太陽能發電的不利一面。

(3)目前,太陽能電池的光電轉換效率比較低,比如小尺寸(1cm2)多晶硅太陽能電池的光電轉換效率為19.8%,而大尺寸(1000cm2)多晶硅太陽能電池的光電轉換效率為12%,為了降低太陽能發電的成本必須提高太陽能電池的光電轉換效率。

(4)我國的太陽能發電產業起步于獨立型太陽能發電設備(10kW以下),主要用于解決太陽能資源豐富而又無電的邊遠地區的居民用電。而更大容量(MW級)的并網型太陽能發電設備的投產是降低成本的途徑之一。

(5)截止到2005年,我國的風力發電總裝機容量為1500MW左右,是太陽能發電總裝機容量的20倍,到2020年規劃總裝機容量為30000MW,也是規劃太陽能發電總裝機容量的15倍。但兩者特點各異。夏季日照足風速低,冬季日照弱風速強;同樣白天日照強時風小,夜晚無光照時風大。太陽能發電與風力發電并網是提高電能質量和降低成本的另一途徑。

第2篇：太陽能發電技術論文范文

關鍵詞：電力電子；能量管理系統；電能質量控制

中圖分類號：TU852文獻標識碼：A文章編號：1007-9599 (2010) 14-0000-01

Power Electronics and New Energy Power Generation Technology

Yang Lin

(Institute of Electrical Engineering,Northwest University for Nationalities,Lanzhou730030,China)

Abstract:This paper discusses several new forms of energy generation and integrated power supply system transformation,control,intelligence management and safety issues,and hope in the future development of new energy power,we can overcome difficulties and achieve electronic power of new development.

Keywords:Power electronics;Energy management system;Power quality control

我們已進入21世紀，這是一個全新的時代，經濟的高速發展給人們的生活帶來了很多的便利，但隨之而來的卻是能源的耗竭，原本豐富的能源如今已變得匱乏，并危及到人們未來的生產生活。與此同時，毫無顧忌的能源利用還造成了大氣的嚴重污染，從而又引發能源危及，這樣的惡性循環會直接危及到人類的發展，甚至威脅人類的健康和繁衍。因此，開拓新能源，減少能量源浪費成為當今世界最為關注的話題。

一、新能源的發電方式

（一）太陽能發電

太陽能發電開始于上世紀50年代，當時，第一塊實用的硅太陽電池研制成功，如今，太陽能發電技術已經經歷了半個世紀的發展，其技術也在日益成熟。目前，占主流的太陽電池仍然是硅太陽電池，主要分為單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池。典型的太陽能供電系統結構如圖1所示，太陽電池陣列進行光電轉換，把太陽能變為電能，再由功率變換器將太陽電池輸入到直流電中，最后轉換成用戶所要使用的電源模式。根據用戶的需求，功率變換器可以選擇直流斬波器進行DC/DC變換，或采用逆變器進行DC/AC變換。而功率變換裝置還應包括蓄電池系統，主要是為了平衡電流。如果太陽光充足，可以利用太陽能，并利用蓄電池充電；如果在夜晚或者陽光不充足時，就可以使用蓄電池供電。

（二）風力發電

如今，風力的主要運用方式就是風力發電，它的發展速度最快，也最受全世界關注。風力發電主要有3種運轉方式：

1.獨立運行方式，利用一臺小型的風力發電機向需要的用戶提供電能，它還可以通過蓄電池充電，預防無風時影響發電效果；

2.風力發電與其他發電方式相結合的聯合供電方式，主要向交通不便或偏遠山區供電，以及地廣人稀的草原牧場提供電力；

3.并網型風力發電運行方式，將風力發電網安裝在條件較好的地區，常常是一處風場安裝幾十臺甚至幾百臺風力發電機，這也是風力發電的主要發展方向。風力發電機組在不同風速的條件下運行，其發電機輸出的電壓的幅值和頻率是變化的，所以，通常要配置電力電子功率變換器，通過這種裝置控制電流，保證輸出的電壓是平衡穩定的。

（三）燃料電池發電系統

燃料電池（Fuel Cell）是將反應物如氫氣等的化學能直接轉化為電能的電化學裝置。它通過燃料（通常是氫氣）和氧氣結合所發生的光電反應來發電。燃料電池發展了這么久，根據電介質的不同，主要分為5種燃料電池：堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，AFC）；質子交換膜燃料電池（Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC）；磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）；熔鹽燃料電池（Molten Car-bonate Fuel Cell，MCFC）；固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。

實際上，燃料電池也有其優點，例如：發電效率高：發熱少；噪音低，污染小；功率密度高。目前，燃料電池發電主要集中在以下幾個方面：燃料電池特性研究；燃料電池發電系統結構和高效功率變換的研究；能量管理技術；孤島檢測和保護技術，并網電流控制；并網運行與獨立運行之間的無縫切換控制技術。

燃料電池所輸出的電壓會隨著電壓的變化，發生較大范圍的變化。燃料電池的輸出電壓在負載發生突變時還要經過一段時間才能停止反應，對于質子交換模燃料電池響應延遲達2秒。因此，燃料電池一般與負荷動態的具體要求無法很好的匹配。

二、電力儲能技術

可再生能源發電裝置所產生的電能主要還存在無法預測的周期性變化，例如風能、光伏發電等，如果將其電能直接輸入普通電網，將會對電流帶來不良影響，而電力儲備裝置就可以平衡能源發電輸入與電網之間的矛盾。電力儲能技術有蓄水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、電池儲能等它們都各具特點，各有優勢，但它們的正常運行主要是依靠電子電力技術。

蓄水儲能與壓縮空氣儲能主要是對電力高峰期進行調節，但是對地理條件的要求較高。電池儲能的精密性高，需要在技術成熟的條件下進行，理論上可以用于電力調峰，單電池使用壽命有效，這成為蓄電技術的難點。飛輪儲能的儲能量有限，運行復雜，一般用于電能質量調節。

三、電能質量控制

（一）電源諧波檢測和分析技術

諧波的測量和分析都是以思想諧波治理為前提條件的，精準的諧波測量和分析可以為諧波的治理提供準確的依據。自提出快速傅里葉變換算法（FFT）以來，基于傅里葉變換的諧波測量得到了普遍應用。然而基于傅里葉變換的諧波測量要求整周期同步采樣，不然就會嚴重影響其效果。因此，怎樣減少因同步偏差而引起的測量誤差成為電子電力技術人員迫切要解決的難題。

（二）電能質量控制和管理

首先，電能質量的控制和管理主要包含功率因數校正和濾波器設計，由于傳統的無源濾波器體積和重點都很大，還需要對不同的頻率進行設計，而功率因數較技術正是提高功率因數和降低諧波污染的重要途徑。如今，電能質量控制和管理的研究重點在與PFC控制技術上，比如：單開關、多開關以及軟開關三相PFC電路的研制，軟開關技術與PFC技術的融合已經成為未來的發展趨勢，雖然目前的PFC產品受到功率的限制，但應用于分布式新能源發電系統卻是重要機遇。

四、總結

綜上所述，隨著科技的發展，新能源的開拓和使用技術越來越成熟，但是，要真正做好新能源發電技術，還需要從解決先存的各種問題，因此，電子電力技術人員應在在電氣、電子、控制和信息等工程技術領域加強合作研究，通過系統集成和技術融合，實現各種技術的突破，我相信，我們一定可以克服各種困難，迎來新能源造福人類的燦爛明天。

參考文獻：

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第3篇：太陽能發電技術論文范文

關鍵詞：風光熱儲；新能源；電氣二次設計

中圖分類號：TM7 文獻識別碼：A 文章編號：1001-828X（2016）009-000-02

引言

作為能源戰略調整、轉變電力發展方式的重要內容，近年來，以風電、太陽能為代表的可再生能源發電技術在中國得到了快速發展。目前主流的太陽能發電技術主要有光熱發電與光伏發電兩種形式，其中太陽能光熱發電是通過光學聚焦原理，將太陽光通過拋物形鏡面聚集起來產生高溫，加熱傳熱介質，最后通過工作介質驅動熱動力裝置并帶動同步發電機發電。相對于光伏發電，光熱發電能實現電網大容量供電，是太陽能大規模利用的有效途徑之一，當前投資成本過高是限制光熱電站發展的主要障礙。風能利用的主流形式是采用風力發電機組（如雙饋風機、直驅永磁風機等）將風能轉換為50Hz的工頻交流電，并接入電網。與常規能源電站相比，風功率的可預測性和可控性均較差，其大量接入會顯著影響電能質量和電網穩定運行。將光伏、光熱與風能聯合構成發電系統，可顯著改善總體的有功輸出特性，提高電網運行的安全性和穩定性。本文依托風光熱儲智能互補綜合示范項目工程，介紹了太陽能光伏發電、太陽能光熱發電和風能發電三種型式聯合發電的電氣二次部分功能、電氣二次設計的方案。

一、項目總體介紹

深圳中科藍天包頭達茂旗600MW風光熱儲智能互補綜合示范項目立足于新能源，借助達茂旗地區豐富的太陽能資源與風能資源，通過風光熱儲智能互補，實現負荷平穩輸出。項目總規模600MW，建設發電形式為太陽能光伏發電、太陽能光熱發電和風能發電三種，其中光熱工程采用塔式集熱方式。

二、項目太陽能光伏、風能發電部分

1.逆變器選型

光伏并網逆變器按容量大小劃分主要有20kW、28kW、40kW、100kW、250kW、500kW、750kW、1000kW等幾種容量等級，一般大容量逆變器效率要高于小容量逆變器。但逆變器容量過大，一旦故障，電量損失較大。綜合以上兩因素，本項目采用單臺容量為500kW的逆變器。目前國內500kW逆變器技術已經成熟，廣泛應用到光伏發電系統中，性價比高，用戶反映良好。

逆變器按結構分為有隔離變和無隔離變兩種。從造價考慮無隔離變逆變器要優于有隔離變逆變器，且能減少每個逆變器室占地面積。因此，本項目選用無隔離變逆變器。

2.匯流箱接線方式及逆變器單元接線方案

本項目206MWp的光伏陣列可分為206個1MWp的光伏方陣，組成206個1MWp并網發電單元，每1MWp的并網發電單元的光伏組件都通過直流匯流裝置分別接至2臺500kW的逆變器。每個1MW光伏發電單元共安裝4032件260Wp光伏組件，每21件光伏組件串聯為一個支路，共192個支路，各支路平均分配接入14個PVC-16直流匯流箱，1至7號PVC-16直流匯線箱接入1面直流防雷配電柜，8至14號直流匯線箱接入1面直流防雷配電柜，共2面直流柜；每面直流防雷配電柜出線接入1面500kW逆變器柜，共2面逆變器柜。

3.光伏、風能發電部分升壓站UPS電源及直流電源

光伏、風能發電部分升壓站設置2套交流不停電電源（UPS），容量為10kVA。

升壓站采用控制負荷與動力負荷混合供電的220V直流電源系統，共裝設兩組220V閥控鉛酸蓄電池組，設置兩組充電裝置，充電裝置選用高頻開關型。每組蓄電池容量為400Ah。

4.光伏、風能發電部分二次線、繼電保護及自動裝置

（1）升壓站部分

光伏、風能發電部分升壓站電氣設備監控采用計算機監控系統，設置網絡監控系統，通過遠動工作站與中調、地調進行信息傳送和遠程監控。網絡監控系統采用分層分布式結構。主變壓器保護采用雙重化配置，非電量保護單套配置，保護裝置采用微機型、35kV配電裝置配置微機型綜合保護測控裝置。35kV線路及220kV線路側設置電能質量監測裝置。為防止升壓站電氣設備誤操作，設置一套微機五防閉鎖系統。本升壓站配置GPS/北斗星時間同步系統各1套，為保護和自動裝置提供時間同步信號。

（2）光伏區部分

光伏發電系統設備監控采用計算機監控系統，和升壓站監控系統共用上位機，由升壓站監控上位機統一進行管理。光伏監控系統通過光纖環網將光伏通信設備與升壓站監控系統站控層通信設備互聯。每個逆變器房設2臺直流配電柜測控單元用來采集每路直流回路的電流、直流母線電壓及直流空開的跳閘信號以及煙霧報警信號，并將其上傳給光伏發電計算機監控系統。箱式變壓器的運行狀態信號由就地設置的箱變智能測控單元采集，通過光纖網絡上傳給升壓站光伏監控系統。

匯流箱里的每組電池串配熔斷器作為整個電池串的保護，出線設直流空氣開關用來保護匯流箱至直流配電柜之間的電纜。逆變器設過流、單相接地、過載、過壓、欠壓、孤島保護、電網異常等保護。箱式變壓器高壓側設熔斷器作為變壓器內部的短路保護；低壓側設空氣開關，帶智能脫扣器，作為箱式變壓器至逆變器之間電纜的保護，同時兼做逆變器的后備保護。

（3）風電場部分

風電機組采用微機監控系統。微機監控系統分就地監控系統、遠程中央監控系統、遠程監測系統三部分。箱式變壓器的低壓側開關采用就地和遠方控制方式。

風力發電機設有過載、堵轉、短路、缺相、三相不平衡、過壓、失壓、溫度過高、振動超時、過速、電纜纏繞等保護。風電機組需監測電網的電壓、頻率，發電機的電流、功率、轉速、功率因數和風速，風向，葉輪轉速，液壓系統狀況，偏航系統狀況，系統狀況、齒輪箱狀況、軟啟動狀況，風力發電機組關鍵設備的溫度及戶外溫度等。

箱式變壓器的非電量信號及高壓熔斷器、刀閘、低壓開關的狀態、箱變內火災報警等信號由箱變智能監控單元采集，箱變智能監控單元通過光纖環網與變電站內監控系統的以太網交換機連接，箱式變壓器的控制及信號監視由升壓站監控系統來完成。

三、項目太陽能光熱發電部分

1.發電機及勵磁系統

光熱發電部分發電機采用交流勵磁機帶旋轉整流器的無刷勵磁系統，或機端自并勵靜態勵磁系統。自動電壓調節裝置（AVR）采用微機型，且為雙通道冗余配置，隨發電機成套供貨。

2.光熱發電機組UPS及直流系統

光熱發電部分每臺機組設置一套靜態型交流不間斷電源裝置（UPS），UPS容量為60kVA。UPS系統包括主機柜（靜態轉換開關、整流器、逆變器、輸入/輸出隔離變壓器、手動旁路開關）、旁路柜、饋線柜等。

本光熱發電機組采用控制負荷與動力負荷混合供電的220V直流電源系統，兩臺機組共裝設兩組220V閥控鉛酸蓄電池組，設置兩組充電裝置，充電裝置選用高頻開關型。UPS屏及直流屏布置在主廠房UPS及直流屏室內。

3.光熱發電機組二次線、繼電保護及自動裝置

光熱發電機組及廠用電源系統采用DCS集中控制方式，僅在LCD操作臺上留有發電機斷路器、滅磁開關的緊急跳閘按鈕。發變組及廠用電源操作員站布置在主廠房集控室內。

光熱工程220kV升壓站設備采用微機監控方式，設置網絡監控系統，通過遠動工作站與中調、地調進行信息傳送和遠程監控。網絡監控系統操作員站布置在主廠房集控室內。

光熱工程發電機變壓器組、高壓廠用電源、啟動/備用變壓器保護裝置采用微機型，保護采用雙重化配置，非電量保護單套配置，保護屏布置在主廠房電子設備間內。6kV廠用設備保護采用綜合測控保護裝置，380V廠用電動機保護采用智能馬達控制器。

每臺光熱發電機組設置1套自動準同期裝置和1面發變組故障錄波裝置柜。6kV工作段每段裝設1套微機型快速切換裝置。機組測量及自動裝置柜布置在主廠房電子設備間。為防止升壓站電氣設備誤操作，設置一套微機五防閉鎖系統。光熱機組配置GPS/北斗星時間同步系統各1套，為保護和自動裝置提供時間同步信號。

四、總結

本論文的內容主要是風光熱儲電廠項目的電氣二次設計特點及方案。本設計首先對項目概況及規模進行總體分析，其次是介紹該項目太陽能光伏、風能發電部分的主要設計方案，下一步就是介紹該項目太陽能光熱發電部分的主要設計方案。在設計過程中還要對相關圖紙（主接線圖、保護配置、監控系統、自動裝置） 進行選擇和繪制，希望本論文能夠使我們對風光熱儲電廠項目結構和設計理論有進一步的理解和認識，對新能源電力系統有更深的了解。

參考文獻：

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第4篇：太陽能發電技術論文范文

【關鍵詞】太陽能，光伏一體化，可再生能源，可持續發展

中圖分類號： TK511 文獻標識碼： A 文章編號：

目前能源與環境問題越來越受到重視，如何開發利用新能源和可再生能源，如何改變和優化能源消費結構等一系列問題成為世界關注的新焦點。太陽能是一種取之不盡, 用之不竭且沒有污染的清潔能源。隨著全球常規能源的緊張和環境污染的加劇, 太陽能被用在供熱、空調、制冷及發電等越來越多的領域。太陽能光伏發電是直接將太陽光轉換成電能的一種發電形式,具有安全可靠、清潔衛生、無噪聲、無污染、建設周期短、維護簡單等特點, 正成為一種快速發展的可再生能源技術而被廣泛應用。其中，太陽能光伏建筑一體化（BIPV）技術是將太陽能光伏發電系統與建筑有機結合，這項技術為光伏產業的蓬勃發展注入了新的源動力，也開辟了新的光伏應用領域。

太陽能光伏建筑一體化綜述

1.1 太陽能光伏建筑一體化的概念

（1）太陽能光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaic，簡稱BIPV）技術即將太陽能發電(光伏)產品集成或結合到建筑上的技術， 它不但具有護結構的功能，同時又能產生電能供建筑使用。光伏與建筑一體化(BIPV)是“建筑物產生能源”新概念的建筑，是利用太陽能可再生能源的建筑。

（2）太陽能光伏建筑一體化不等于太陽能光伏加建筑。所謂太陽能光伏建筑一體化不是簡單的“相加”，而是根據節能、環保、安全、美觀和經濟實用的總體要求， 將太陽能光伏發電作為建筑的一種體系進入建筑領域，納入建設工程基本建設程序，同步設計，同步施工，同步驗收，與建設工程同時投入使用，同步后期管理， 使其成為建筑有機組成部分的一種理念、 一種設計、一種工程的總稱。

（3）光伏建筑一體化的核心建筑是一體化設計、一體化制造、一體化安裝，而其輔助技術則包括了低能耗、低成本、優質、綠色建筑材料的技術。光伏建筑一體化也是光伏建筑的規范化和標準化。

（4）光伏建筑一體化賦予了建筑物以新的屬性，首先它使建筑物具有了能源的功能，建筑物不僅能夠供人居住，還提供能源。隨著光伏建筑一體化的進一步發展，今后房產的升值將會逐步地轉變到更多地依靠科技價值的含量和提升，以及采用更加科學和嚴格的價格評價體系上來。BIPV極大的豐富了建筑物的科技內涵，提高了建筑物的使用價值。

1.2 太陽能光伏建筑一體化在國內外的發展現狀

在光伏建筑方面，德國、日本走在了前面，代表了人類可再生能源利用的發展方向，德國、日本光伏推廣模式都非常成功，值得借鑒。這兩個國家發展的基本思路是將晶體硅太陽電池作為主導產品，并采用屋頂計劃和并網發電的基本形式，發展的主要推動力是政府的光伏發電補貼政策和銀行貸款的激勵機制。如德國政府帶頭利用太陽能，像柏林的議會大廈、柏林火車站等許多公共設施與場所，都大量采用光伏發電設備[2]。

近年來，我國太陽能光伏產業取得了振奮人心的進展，為今后的大發展打下了良好的基礎。從發展觀念和經濟實力分析來看，在太陽能光伏示范推廣方面，上海、江蘇和廣東有望像發展經濟和高技術產業一樣走在國內的前沿。我國政府拉動光伏產業和自主創新的政策日臻完善，各方利益逐步協調，將使我國太陽能光伏產業成為推動我國經濟發展的新的動力，同時，還會推動我國太陽能科技快速跨入國際前列。

二、太陽能光伏建筑一體化的設計

2.1 光伏建筑一體化的安裝

（1）光伏建筑一體化主要安裝類型如下。

建材型，指將太陽能電池與瓦、磚、卷材、玻璃等建筑材料復合在一起，成為不可分割的建筑構件或建筑材料，如光伏瓦、光伏磚、光伏屋面卷材、玻璃光伏幕墻、光伏采光頂等。

構件型， 指與建筑構件組合在一起或獨立成為建筑構件的光伏構件，如以標準普通光伏組件或根據建筑要求定制的光伏組件構成雨篷構件、遮陽構件、欄板構件等。

與屋頂、墻面結合安裝型，指在平屋頂上安裝、坡屋面上順坡架空安裝以及在墻面上與墻面平行安裝等形式。

（2）屋頂一體化方式是指將PV板做成屋面板或瓦的形式覆蓋平屋頂或坡屋頂整個屋面，后者與建筑的整體結合方式具有更高的靈活性，為在舊房改造中使用PV板提供了可能。PV板與屋頂整合一體化可以最大限度地接受太陽光的照射，且可兼做屋頂的遮陽板或者做成通風隔熱屋面，減少屋頂夏季熱負荷。PV板與屋頂的構造做法有兩種方式：一種是兼為屋頂防水構造層次的部分，要求PV系統具有良好的防水性能；另一種是單獨作為構造層次位于防水層之上，對屋頂防水具有保護功能，可延長防水層的使用壽命。

（3）墻面一體化方式是指PV板與墻面材料一起進行集成。現代建筑支撐系統和維護系統的分離，可使PV板能如同木材、金屬、石材、混凝土等預制板一樣成為建筑護系統的貼面材料。 PV板墻面一體化主要有PV板外墻裝飾板和PV板玻璃幕墻兩種方式。PV板玻璃幕墻是指透光型PV板和玻璃集成制成的光電幕墻。 該組件由太陽電池芯片和雙層玻璃板構成， 芯片夾在玻璃板之間， 芯片之間和芯片與玻璃板邊端之間留有一定的間隙，以便透光，芯片面積占總面積的70%，也即透光率為30%,可有效解決幕墻的遮陽，降低建筑的熱負荷，同時可為室內提供特殊的光照氣氛；更因其特殊的顏色和質感，拓展了建筑的表現空間。目前PV板價格和某些天然石材己沒有差別，今后隨著PV板的發展，成本只會越來越低，這就為PV板在建筑的廣泛應用創造了良好條件。 光電屋頂與光電幕墻的出現，為建筑師展示建筑藝術作品多了一種新的選擇

（4）建筑構件一體化方式是指將PV板與建筑的雨篷、遮陽板、陽臺、天窗等構件有機整合，在提供電力的同時可為建筑增加美觀的細部。 PV板和遮陽板的結合不僅可為建筑在夏季提供遮陽， 還可使入射光線變得柔和， 改善室內的光環境， 且使窗戶保持清潔。但應注意，高效率的PV系統并不一定是高效率的一體化系統。一體化建筑除要求美觀外，還要求通過科學的計算和設計，滿足建筑構件所要求的強度、防雨、熱工、防雷、防火等技術條件。

（5）光伏LED一體化——光電LED多媒體動態幕墻和天幕。 將光伏LED一體化夾層內的太陽能電池和LED半導體的透明基板放置在幕墻、屋面邊框內構成光電單元，可以模塊化。常規交流供電系統作為LED供電電源，必須將電源轉換成低壓直流電才能使用。考慮到功率因素的影響和LED供電的特殊性，需要合理設計復雜控制轉換電路，這不僅增加了照明系統成本，又降低了能源的利用效率。太陽能光伏發電技術與LED結合的關鍵，在于兩者同為直流電、電壓低且能互相匹配。因此兩者的結合不需要將太陽能電池產生的直流電轉化為交流電，太陽能電池組直接將光能轉化為直流電能，通過串、并聯的方式任意組合，可得到LED實際需要的直流電，再匹配對應的蓄能電池，便能實現LED照明的供電和控制，無需傳統的復雜逆變裝置進行供電轉換。 因而這種系統可獲得很高的能源利用效率，較高的安全性、可靠性和經濟性。太陽能電池與半導體照明LED一體化是太陽能電池和LED技術產品的最佳匹配，是集發電、照明、多媒體、建筑節能、動態幕墻和動態天幕于一體的多功能新產品。

2.2 光伏建筑一體化的系統工作原理

（1）光伏建筑一體化主要是光伏發電系統通過光伏組件用于建筑屋頂（光電屋頂）、墻面（光電幕墻）、遮陽（光電遮陽板）來獲取電能的一種方式。光伏系統工作時，安裝在建筑物上的光伏組件產生直流電源，通過接線盒與逆變器連接，將直流轉換成交流，給建筑物負載供電或給建筑物以外其他負荷供電。光伏建筑一體化的發電主要有兩種方式，一種是獨立的供電系統，即所發電能直接用于建筑物內部分負載；另一種是過剩時采取蓄電池儲存。

（2）光伏建筑一體化系統分為獨立光伏系統、并網光伏系統和混合光伏系統。帶蓄電池可獨立運行的PV系統是獨立光伏系統。并網光伏發電系統是與電網相連，并向電網輸送電力的光伏發電系統。從長遠角度來看，并網光伏發電系統更有優越性。因此，建筑物光伏市場正在或即將從獨立發電系統轉向并網發電系統。混合光伏系統是獨立發電加并網發電，又稱防災型系統。

2.3 在我國發展太陽能光伏建筑一體化的必要性

（1）我國人口多，電力需求很大，大、中城市更為突出，電力負載主要在建筑物內或其四周，BIPV可充分利用建筑物的外部空間面積，自產能源，減少電纜線架設及電力輸送(就近利用)，BIPV使PV系統與建筑、藝術及生活緊密結合。

（2）光伏建筑一體化的系統，如幕墻光伏發電系統，其成本隨建筑物的設計階段和光伏電池與建筑裝飾材料生產過程的結合程度有很大的關系。研究表明，如果設計院、建材生產商和光伏制造商能夠充分協作，建材光伏一體化的發電單元制造成本與單獨生產光伏組件的成本類似，甚至比建材加光伏組件的成本還低；而逆變和布線系統則可整體并入建筑物的電力系統中去，BIPV的成本可能比單獨的光伏發電低得多。

三、結語

和世界上的先進國家和地區相比，光伏建筑一體化技術在我國還處于示范項目階段，雖然不斷有示范項目建成，但大部分項目都是由政府全部或部分投資建造，光伏建筑技術本身難以在能源市場競爭中獲得份額。這與德國、日本等光伏產業發達國家相比差距較大，造成這種差異的關鍵問題是光伏技術發電成本高，而我國缺少保障光伏產業發展的法律和經濟激勵政策[4]。為此，光伏產業的發展要因地制宜，爭取更多的政策支持，充分利用現有適合光伏產品的建筑，并在新建建筑上進行光伏建筑一體化的設計；通過對項目全壽命周期成本進行經濟與社會評價，增強投資者和民眾的信心，引導生活習慣及居住理念的轉變，鼓勵民眾使用太陽能光伏產品。

參考文獻：

1.張雪松.太陽能光電板在建筑一體化中的應用[J].建筑,2005（2）:80-83.

2.陳維,沈輝,褚玉芳,等.太陽能光伏建筑一體化的現狀與展望[J].新材料產業,2007(7):36-39

3.龍文志.太陽能光伏建筑一體化[J].建筑節能,2009.

第5篇：太陽能發電技術論文范文

關鍵詞：微電網；混合儲能；模糊PID；

中圖分類號：TM619 文獻標識碼：A

1 引言

分布式發電作為環保、靈活、高效的新型發電技術受到越來越多的關注，并且在電力能源中所占比例越來越大[1-2]，但是，風電、光伏發電等可再生微電源自身的不穩定性，波動性以及負載的擾動，會嚴重影響微電網并網運行的公共供電點的電壓和頻率的穩定。尤其是在微電網孤島運行時，微電源

無法保證系統的功率平衡，因此為了充分發掘微電源的價值，提高電能質量，有必要抑制輸出功率波動。而隨著儲能技術的發展，除了傳統的鉛酸蓄電池和鋰電池技術得到較大的飛躍外，新的儲能裝置發展得也越來越好，比如超級電容和飛輪儲能等，這也為采用儲能解決光伏并網發電系統功率問題奠定了基礎[3-4]。

文章[5]采用了蓄電池儲能來解決功率波動問題，但蓄電池儲能在平抑高頻功率波動時，平抑效果不甚理想。文章[6]采用超級電容器作為儲能元

件，超級電容器雖然對平抑功率波動有很好的效果，但本身的成本高、容量低，不能作為微電網的主要儲能器件。文章[7]采用了超級電容器和蓄電池的混合儲能，但是，光伏系統受環境影響很大，無法達到最好的控制效果。

本文根據以上的問題，提出了基于模糊PID控制的混合儲能技術，通過對誤差和誤差變化率的實時追蹤，實時調節PI參數，以得到最佳的控制效果。

2 含混合儲能的光伏系統構成及其工作原理

2.1 含混合儲能的光伏系統構成和結構分析

本文含混合儲能元件的光伏系統結構見圖1，系統主要有基于MPPT的光伏模塊、超級電容器、大容量蓄電池、雙向DC-DC變換模塊、濾波模塊、逆變整流器、負載。混合儲能單元連接到直流母線上，給直流負載供電。直流母線經過逆變器和濾波器后進入交流母線，給交流負載供電。直流母線結構具有良好的擴展性，其它形式的儲能元件和微電源可以通過直流母線加入到微電網中。交流母線結構是傳統的母線結構，可以很好的應用已有成熟的斷路器保護技術，同時對電動機等傳統負載供電非常容易。本文結合兩種母線結構的優點，采用了交直流混合母線結構。

儲能系統采用蓄電池儲能和超級電容器組成復合儲能系統，超級電容器主要平抑系統中的高頻功率波動，該功率波動變化迅速，瞬時功率高，維持時間短，恰好利用超級電容器容量不大但可以頻繁充放電且瞬時功率大的特點，平抑效果理想。大容量蓄電池主要平抑系統中的低頻功率波動。該功率波動的變化平緩，維持時間長，恰好利用了大型蓄電池響應速度慢，不能頻繁充放電且容量大的特點，平抑效果明顯。

2.2 系統的工作原理

如圖1的系統，當光照充足時，光伏電池發出的功率較大，光伏電池工作在MPPT方式下，此時，光伏電池除了供給逆變器和負載能量外還有能量剩余，此部分能量將給蓄電池和超級電容充電，以保證功率平衡，保證直流母線的電壓穩定。當光照不足時，光伏電池的輸出功率不足以供給逆變器和負載的功率，儲能裝置工作在放電模式下，以保證系統的功率平衡和直流母線的電壓穩定。

3 混合儲能的模糊PID協調控制策略的研究

太陽能發電受環境因素影響很大，輸出功率具有波動性和間歇性，根據上文的分析，本文基于蓄電池和超級電容的不同特性，設計了混合儲能的模糊PID協調控制策略。

由實驗結果可知，在實驗一中，0.1s時刻，由于負載突減，蓄電池開始緩慢由放電狀態改變為充電狀態，此時，直流母線電壓突增，然后緩慢降回設定電壓。在0.3s時刻，由于負載突增，蓄電池開始緩慢由充電狀態變為放電狀態，此時直流母線電壓突減，而后緩慢升回設定電壓。在實驗二中，在0.1s時，負載所需功率突降，光伏電池在那一瞬間的功率過大，需要儲能元件來吸收多余的能量，由于是瞬時突變，超級電容快速響應，電流有一個瞬間的階躍，蓄電池則緩慢下降，由放電轉變成充電模式。在0.23s左右時，負載突升，此時，超級電容器迅速響應，階躍上升，而蓄電池緩慢上升，對不足的能量進行補充。

實驗一的整個過程中，直流母線電壓不能穩定在700v，因此單一的蓄電池儲能無法滿足抑制微電網功率波動的需求；而在實驗二的整個過程中直流母線電壓基本穩定在700v左右，在系統突變瞬間超級電容起了主要作用，而在穩定狀態，蓄電池起主導作用，這樣蓄電池在負載功率變化的瞬間也保持了良好的充放電狀態。驗證了基于模糊PID的混合儲能技術在抑制微電網功率波動上的效果。

5 結束語

針對抑制微電網輸出功率波動的問題，本文采用了超級電容器和大容量蓄電池混合儲能的方法，并設計了基于模糊PID的協調控制策略，利用模糊控制，實時尋優得到合適的PI參數，改良了以往的控制方法。仿真結果顯示，直流母線的電壓得到了穩壓，輸出的功率波動得到了較好的抑制，且充分發揮了超級電容器和大容量蓄電池各自的優點，在提高性能的同時節省了成本，提高了儲能元件的使用壽命，說明此種方法是充分發揮了儲能元件在微電網輸出功率波動上的抑制作用。

參考文獻

[1] 王成山，王守相.分布式發電供能系統若干問題研究[J].電力系統自動化，2008，32（20）：1-4.

[2] 丁明，包敏，吳紅斌，等.復合能源分布式發電系統的機組組合問題[J].電力系統自動化，2008，32（6）：46―50.

[3] 王金良.風能光伏發電與儲能[J].電源技術.2009（7）：628-632.

[4] 王立喬.分布式發電系統中的光伏發電技術[M].北京：機械工業出版社，2010.

[5] 王偉，朱小龍，錢磊等.微電網中蓄電池的建模與控制[J].電工電氣，2013（4）：1-6.

[6] 王鑫，郭佳歡等.超級電容器在微電網中的應用[J].電網技術.2009，25（6）：1-6.

第6篇：太陽能發電技術論文范文

這就是光的能量所帶來的“引力”。

那么，你知道太陽每年可以為地球提供多少能量嗎？你又知道地球上的人類一年工業生產和人們的生活活動一共需要多少能量嗎？

太陽能在我們三分之二的國土上， 年輻射量超過60萬焦耳/cm2， 每年地表吸收的太陽能大約相當于1.7萬億噸標準煤的能量。中國煤炭的總儲量為約6000億噸，換句話說，每年地表吸收的太陽能相當于2.8倍中國的煤炭總儲量。

太陽每年通過大氣向地球輸送的能量高達3×1024焦耳，這種免費潔凈的能源是地球生命和人類生存發展的可靠保證。據統計，地球上人類一年的能源總需求達到約5×1020焦耳，也就是說，如果我們可以收集其中的萬分之一到萬分之二就足夠全世界人類的需求了。

在提高太陽能電池的轉換效率和模塊技術創新上具有很高造詣、被日本媒體譽為“下一代新型太陽能電池第一人”的韓禮元教授告訴我們，僅僅需要將地球上0.2%的面積覆蓋上太陽能電池（假設光電能量轉化效率10%），也就是說，相當于中國戈壁灘沙漠或者整個日本國土那么大的面積，就可以收集到足夠的能量來滿足地球居民全部使用需求！

夸父逐日的故事已經過去了幾千年，但是直到今天，太陽所散發出的高能量，依然激勵著無數科學家不屈不撓地向著滿足人類利用太陽能的目標進發。

其中，開發出高效、價廉、實用的太陽能電池，并使之普及應用，造福人類，更是成為幾代科研工作者的夢想。韓禮元教授所致力研制的染料敏化型太陽能電池，就是這樣一種新型太陽能電池。

染料敏化太陽能電池――未來陽光燦爛

能源問題已經日益成為全球社會經濟發展的制約，二十多年研制染料敏化型太陽能電池的經驗，使韓禮元對實行“陽光計劃”、開發太陽能資源充滿期待和信心，這也是越來越多的國家尋求經濟發展的新動力。

他告訴我們，太陽能發電具有安全可靠、無噪聲、無污染、不消耗原材料、不必架設高壓輸電線路、建站周期短、規模可大可小、可以無人值守等一系列優點。特別對于偏遠地區的居民供電，或者野外科考、野外作業、軍事指揮臨時系統的穩定供電具有非常便利的優點。

太陽能高效發電技術早已列入國家中長期科學和技術發展規劃中的重點支持和優先發展的方向，成為支撐我國國民經濟可持續發展的前瞻性、戰略性新能源技術。尤其隨著人類對能源的需求量，特別是城市對能源的需求量日益增加，太陽電池的使用更顯得勢在必行。

目前，進入應用領域的太陽電池主要以硅基電池為主，已歷經半個多世紀的發展。在將來進一步更大規模的應用中，硅太陽能電池仍受到諸多限制。因為生產工藝苛刻，在生產過程中會產生污染物等原因，盡管成本降低至3-5元/峰瓦，但是仍然遠高于火電和水電的成本，離開政府的支持和補貼，難以大規模普及到農村及城市居民中。

因此，開發低成本和對環境友好的太陽能電池迫在眉睫。

隨著納米材料科學的迅速發展，納米薄膜太陽能電池日益受到研究者青睞，特別是基于納米晶多孔膜的染料敏化太陽能電池。

染料敏化太陽能電池，它模擬自然界中的光合作用原理，采用吸附染料的納米多孔二氧化鈦半導體膜作為光陽極，鍍碳或鍍鉑的導電玻璃作為光陰極，電極間選用適當的氧化-還原電解質。只要太陽光一照到電池上，它就會源源不斷地開始發電了。

從1996年至今，將近二十年的光陰歲月，染料敏化太陽能電池猶如精心呵護下長大成人的孩子，韓禮元教授對它的優點如數家珍：成本低廉，制作工藝簡單，環境友好而且能高度響應低水平的照射條件，擁有潛在的高光電轉換效率，極有可能取代傳統硅系太陽電池，成為未來太陽電池的主導，緩解能源危機問題。

染料與電池的結合――一條破釜沉舟之路

韓禮元教授是學染料出身，也許這早已注定了他與染料敏化太陽能的不解之緣。

上世紀70年代，在那個“白卷英雄”的時代，中學畢業的韓禮元即進入農場工作，然而，將近四年的電工生涯使他意識到知識的重要性。恢復高考第二年，韓禮元一舉考取華東紡織工學院（今東華大學），進入染色專業學習。1982年，大學畢業后不久，他又以優異的成績考取了國內第一屆公派留學，前往日本京都工藝纖維大學攻讀碩士研究生，進一步深入學習染料專業。此時的韓禮元在染料世界里盡情暢游，如海綿般汲取染料領域的各種知識，在一次偶然的機會中，他與同事發現合成的染料導電性非常好。當時，超電導是非常熱門的研究領域，京都工藝纖維大學電子系的一名導師看中了韓禮元的勤奮好學與專業方面的才氣，將他借調到自己的專業研修，從事電子材料領域的研究。這次借調使韓禮元發現了自己在染料專業以外的興趣所在：“也許是有以前的電工工作背景，我非常喜歡電子材料這樣的專業。”

擁有橫跨兩個專業的背景，1993年，韓禮元進入日本夏普工作之后，順理成章地成為有機感光材料領域的一名研究人員。作為感光材料的業界翹楚，公司要求韓禮元在材料領域做出開發和創新。

根據當時的文獻資料，韓禮元查到1991年瑞士洛桑高等工業學院Michael教授領導的研究小組將納晶多孔薄膜引入了染料敏化太陽能電池。“我當時想，我喜歡做電子材料和有關的器件，又懂染料，選擇研究染料敏化太陽能電池是最合適不過了。”韓禮元這樣描述自己當時選擇染料敏化太陽能電池道路的心里的想法，“事后證明我的想法有些幼稚”，談及此，他不禁大笑起來。盡管染料敏化太陽能電池并非韓禮元當初設想的那樣是染料與電子材料的組合，但他的這一建議在當時卻極具創新意識，得到了夏普公司的采納和首肯。

1996年，韓禮元正式著手染料敏化太陽能電池的研究工作。但這個選擇并不為業內同行所看好，因為相對于其他材料電池，太陽能在當時并非十分引人注目的領域。作為爭取利益最大化的私人公司，夏普公司盡管同意韓禮元進行染料敏化太陽能電池，但面對前有技術已經相對成熟的硅基太陽能電池，后有要求投入與產出效益的公司利益，夏普公司仍持謹慎態度，在前期的投入非常少。

這就造成了韓禮元教授當時的困境，前期投入與獲得成果，先有雞，還是先有蛋？

僅僅用了半年多的時間，在人力財力都十分欠缺的條件下，韓禮元教授就將染料敏化太陽能電池做到了3%的效率。

英雄，往往是先他人行一步的首位“吃螃蟹者”，因此在選擇之初也會承受更多的困難和打擊。回憶起當時的情形，韓禮元教授沒有過多描述自己面臨的困境，只是說：“正因為是自己心甘情愿做出的選擇，而非他人命令，所以即使是最困難的階段，我也不曾萌生過退意，正所謂‘破釜沉舟’吧。”

世界紀錄與“韓家族”的誕生

韓禮元教授領導的研究團隊制作的染料敏化太陽能電池，其能量轉化效率已經超過了11%。

近10年的努力，濃縮成這樣短短的一句話；從3%到11%，呈現在人們面前只是這樣簡單的數字。

背后的付出，又有幾人知？

染料敏化太陽能電池的工作原理，是染料吸收光子后發生電子躍遷，光生電子快速注入到光陽極半導體的導帶并經過收集進入外電路而流向光陰極。失去電子的染料分子成為正離子，被還原態的電解質還原再生。還原態的電解質本身被氧化，擴散到光陰極，與外電路流入的電子復合，這樣就完成了一個循環。在染料敏化太陽能電池中，光能被直接轉換成了電能。

在3%的轉化效率基礎上，韓禮元教授深入、系統地研究了染料敏化太陽能電池的電子傳運機理。他從技術已經成熟的硅基太陽能入手，借鑒等效回路方法，率先提出了染料敏化太陽能電池的等效回路模型，為系統地提高轉換效率和長期穩定性奠定了基礎。

他所領導的團隊，在等效回路模型的基礎上，成功地提高了電池的光電流和降低了電池的內電阻，創造了單片電池最高光電轉換效率的世界紀錄。

這一成果于2006年在日本物理學會雜志（Japanese Journal of Applied Physics Express Letter）上刊登，7年來被引用了1100次以上。“我的成果對其他科研工作者有幫助，為大家提供了一個很方便的工具。”這一打破世界紀錄的成果，韓禮元教授只是把它描述成“一個很方便的工具”，欣慰的語言中透出學者的謙虛。

2009年，日本《中文導報》專門以“日本最尖端研究領域的帶頭人”為題進行報道，將韓禮元稱為“下一代太陽電池的色素敏化型電池的第一人”。報道中還寫道：太陽光能源轉換為電力的效率達到11.1%，創世界紀錄。

2011年6月， 韓禮元領導的團隊再一次創造世界紀錄：染料敏化太陽能電池單片電池光電轉換效率達到11.4%，是當時公認最高的光電轉換效率。

除此之外，韓禮元教授還對在氧化鈦上的染料吸附狀態、從染料到氧化鈦的電子轉移等基礎研究，以及在新染料的開發上做出了多項貢獻；同時，在有機薄膜太陽能電池、有機半導體材料上也有著深厚的造詣；韓禮元教授還非常關注染料敏化電池在實用化方向上的研究，開發了高效率大面積電池模塊，效率達到8%以上，并多次刷新世界紀錄。

至今，他已經在國際期刊上發表了近120篇學術論文，并申請了90多項日本專利和40多項國際專利（美國、歐洲、中國、澳大利亞）。根據2005年度日本專利局調查數據，在染料敏化太陽能電池領域，韓禮元教授按發明者計算的專利申請件數也被列為世界第一。

在做出巨大成果的同時，韓禮元教授也帶出了一支精兵強將。他對學生和部下要求嚴格是出名的。“剛開始他們甚至都有點反感我這種嚴格的做法”，韓教授笑著說。他鼓勵年輕人挑戰難題，時間久了，大家都發現韓禮元教授有一個特點：支持學生按照自己的觀點去嘗試，無論事先辯論得多么面紅耳赤，只要是正確和合理的，都會得到韓教授的認可。“后來我發現，他們誰都不肯輸給我了。”

他說：“大學里主要是建立適合自己的學習方法，學會自我學習，才能不斷成長。”作為導師，他認為不應當滿足于讓學生幫助老師做課題，而要推動學生有自己的想法，培養學生對新事物的高敏感度和創新精神，不盲從，不守舊。尚顯稚嫩時出手幫扶，羽翅漸豐后及時放手，是韓禮元教授育人的原則。同時，也要讓團隊內的成員互相配合，及時發現學生的特點，取其長而舍其短，做到人盡其才。

韓禮元教授有句名言：“學生不超過老師，老師就是失敗的。”正所謂嚴師出高徒，韓禮元教授曾經的學生和部下如今也紛紛成為業內骨干，有些甚至由于與韓禮元教授分屬不同機構而成為“競爭對手”。曾有同行開玩笑：以后染料敏化太陽能電池領域的競爭都是在“韓家族”內部產生。對此，韓教授平靜的話語下掩蓋不住內心的欣慰，青出于藍而勝于藍，想來這是每一位為人師者最值得驕傲的時刻吧。

冬天來了 春天還會遠嗎

染料敏化太陽能電池具有許多硅基太陽能電池所不能應用的領域，例如大型玻璃幕墻，小型家用充電器等。因此，對于納米薄膜太陽電池尤其是染料敏化太陽電池，研發產業化關鍵技術具有重要意義。

現階段，韓禮元教授的研究方向主要集中在染料敏化太陽能電池基礎研究，有機薄膜太陽能電池和量子點太陽能電池。

盡管取得了舉世矚目的成就，但韓教授對整個行業有著非常清醒和理性的定位：太陽能電池行業尚處于冬天階段，這也是我們的積累階段，儲備知識和技術，以迎接即將到來的春天。幸運的是，染料敏化太陽能電池正得到國家的大力支持，韓禮元教授期望經過行業內洗牌，逐漸趨于正規之后，太陽能電池可以再次浮出水面，得到關注并創造價值。

他坦言，與硅基太陽能電池相比，盡管染料敏化太陽能電池具有發電成本低、環境友好、光入射角度依賴性低等優點，但是也有能量轉化效率相對偏低的弱點，而且未來想提高其效率尚有一定難度。正因為存在這樣的難題，才更需要研究，更需要年輕人去挑戰。

韓禮元教授認為，我國目前在染料敏化太陽能領域的基礎工藝和研發水平與國外尚存在一定差距，但是也存在有利條件：國內市場競爭者眾多，有利于國內的公司在技術上得到提高，通過競爭達到質量、性能、價格等各方面的提升。

染料敏化太陽能領域仿佛蹣跚學步的幼兒，眼下仍需要依賴于國家相關政策的幫扶，尚未達到自己站立。未來，韓禮元教授期望它能夠成長為獨立生存的產業，展現出太陽能的優勢，這也是需要技術人員、市場以及國家相關部門等業內人士共同研究和探討的課題。

目前，除了科研以外，韓禮元教授也在為染料敏化太陽能相關產品的開發而奔忙和努力。

從經濟角度來講，若實現批量生產，染料敏化太陽能電池的發電成本會接近現有電力價格，而普通的硅電池成本則高出2-3倍，因而染料敏化太陽能電池非常適合批量生產，滿足城市居民以及廣大農村的需要，特別是對我國近7000萬邊遠地區人口的用電具有實際的意義。

戰略角度來講，我國是一個能源的消耗大國，特別是電力的短缺嚴重影響我國的經濟持續穩定發展。但是無論是核電還是火電，所需要的燃料都是非常有限的，發電的同時也給環境造成了嚴重的污染。因此，我國尤其應當注重太陽能這種可再生綠色能源的開發與利用，為經濟、環境、社會的協調發展奠定良好的基礎。

從實用性角度來講，從染料敏化太陽能電池的結構可以看出，電池是由透明導電玻璃及有一定顏色的染料和電解質構成，且帶一定顏色，所以可以通過適當選擇染料和電解質的顏色及TiO2膜的厚度來控制整個電池的透光率，這樣可以把電池用作窗戶玻璃，即透光又可當電池用。

希望十年后當你搬入新家，看到帶有裝飾色彩的窗玻璃時，別忘了它正在靜靜為你發電，幫你大量節省著電費的開支。

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染料敏化太陽能電池小知識

染料敏化太陽能電池的研究歷史可以追溯到19世紀早期的照相術。

1837年，Daguerre制出了世界上第一張照片。兩年后，Fox Talbot將鹵化銀用于照片制作，但是由于鹵化銀的禁帶寬度較大，無法響應長波可見光，所以相片質量并沒有得到很大的提高。

1883年，德國光電化學專家Vogel發現有機染料能使鹵化銀乳狀液對更長的波長敏感，這是對染料敏化效應的最早報道。

1887年，Moser將這種染料敏化效應用到鹵化銀電極上，從而將染料敏化的概念從照相術領域延伸到光電化學領域。

1964年，Namba和Hishiki發現同一種染料對照相術和光電化學都很有效。

直到20世紀60年代，德國的Tributsch發現了染料吸附在半導體上并在一定條件下產生電流的機理，才使人們認識到光照下電子從染料的基態躍遷到激發態后繼而注入半導體的導帶的光電子轉移是造成上述現象的根本原因。這為光電化學電池的研究奠定了基礎。

但是由于當時的光電化學電池采用的是致密半導體膜，染料只能在膜的表面單層吸附，而單層染料只能吸收很少的太陽光，多層染料又阻礙了電子的傳輸，因此光電轉換效率很低，達不到應用水平。

后來人們制備了分散的顆粒或表面積很大的電極來增加染料的吸附量，但一直沒有取得非常理想的效果。