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光伏材料(6篇)发布日期:2024-04-29 浏览次数:

  太阳能电池是光伏发电的主要能量转换器,它也被称为光伏电池。关于太阳能光伏发电的原理简单概括就是光生伏特效应,太阳能电池接触到太阳光线时,电池会自然吸收其中的光能,进而构成光生电子。基于内建电场的控制,空穴与光生电子发生隔离,异号电荷积累到一定程度之后便会汇聚成为光生电压,这也就是所谓的光生伏特效应。在内建电场接上负载后会导致光生电流流出,这就实现了功率的输出,成功将太阳能转化为电能。

  太阳能光伏发电系统是将太阳能转换为电能的主要装置,这一装置也被称为太阳能电池发电系统,一般我们将地面太阳能光伏发电系统划分为联网运行方式和离网运行方式两个方面。所谓的离网太阳能光伏发电系统是指没有与公共电网相接的光伏发电系统,它是一种相对独立的光伏发电过程,常被应用于偏僻的农村或是公共电网难以覆盖的无电地区,甚至牧区及海岛照明也通常会选用这一独立的太阳能光伏发电系统。除此之外,离网太阳能发电系统还成功实现了为气象台站及通信中继站等特殊地区提供电能。联网太阳能光伏发电系统顾名思义是与公共电网相连接的光伏发电系统,通过并网光伏发电的方式将太阳能转化为交流点,它与电网电压同频同相,在与电网相连的过程中实现电能的输送。太阳能光伏发电技术涉及到太阳能电池技术、光伏阵列最大功率跟踪技术、孤岛效应检测技术以及聚光光伏技术等。商业化发电阶段有着显著的规模化特征,无论是联网运行还是离网运行都构成了电力工业的重要组成部分,它们势必将成为太阳能光伏发电领域的核心技术格局。

  利用太阳能光伏技术可以进行独立发电,其不需要与电网相连,独立运行光伏发电系统即可进行发电,这种独立光伏发电系统通常会在边远地区及野外的电源中进行应用,由于其可以将白天生产出来的部分电能通过蓄电池储存起来,而在晚上释放出来供人们对电能的需求,所以对于一些没有接入到电网中的居民也是十分好的选择。但由于独立光伏发电系统在日常应用中稳定性还较为欠缺,往往需要建立普通电站作为辅助,这不仅导致发电成本增加,而且与绿色能源的目的也不相符合。

  并网光伏发电系统是指将光伏发电设备与电网连接在一起的发电系统。太阳能光伏发电设备与其他类型的发电站一样能为公共电网提供有功电能和无功电能。光伏电池在阳光照射下产生的是直流电,需要经过相关设备变换成与公共电网频率相同的交流电,之后再以电流源、电流源等方式把电能送入电网,所以并网系统不需要蓄电池,系统运行成本低于独立光伏发电系统。另外,并网光伏发电系统的转换率比独立光伏发电系统高很多,所以发电系统的供电比较稳定,是太阳能光伏发电产业的比较合理发展方向。

  作为半导体材料制作而成的组件,LED与光伏发电的结合可实现电能至光能的转化。这一半导体照明技术不仅有着环保、节能、高效的技术优势,并且照明周期较长,且易于维护。光伏发电在LED照明系统中的应用突出了光生伏特效应的技术原理,通过太阳能电池实现对太阳能至电能的转化,再借助LED照明系统将其转化为最终的光能。由于LED照明和光伏发电技术同是直流电,因此转化过程并不需要借助变频器,这明显提高了整个过程的执行效率。除此之外,在可充放蓄电池的辅助下,光伏发电在LED照明中的技术优势必将更加突出。

  “光伏发电与建筑物一体化”的概念在1991年正式提出,是目前世界上大规模利用光伏发电的研发热点。太阳能光伏与建筑物相结合主要有两种形式:一种是在建筑物屋顶、立面安装平板光伏器、光伏阵列与电网并联向用户供电,从而形成用户联网光伏系统。第二种形式是将光伏器件与建筑实现集成一体化,即在建筑物屋顶或立面安装光伏发电电池板,用光伏发电的玻璃幕墙代替普通的玻璃幕墙,由屋顶和墙面的光伏器件直接吸收转化太阳能,太阳能系统平板既可以做建材又可以发电,进一步降低光伏发电的成本。目前,许多国家已研制出大尺度的彩色光伏模块可替代昂贵的墙体外饰材料,使光伏发电与建筑物一体化成本进一步降低。

  建筑物与太阳能光伏发电系统的进一步有机结合是将太阳能电池板与建筑顶面、立面材料集成一体化。建筑物建设使用过程中,建筑立面墙体结构表面通常采用喷涂涂料、铺贴瓷砖、安装幕墙玻璃等。如果用太阳能电池板替代建筑立面墙体及屋顶建筑材料,太阳能电池板既可作为建筑装饰材料,也可以用于光伏发电系统。由此可见,实现太阳能电池板与建筑的有机一体化结合,是太阳能光伏发电系统建筑一体化推广与应用的一个关键问题,这种结合并非是建筑与太阳能电池板简单“叠加”,而是在建筑与光伏系统设计方案阶段将太阳能电池板纳入建筑设计构思中。

  太阳能电池板用于建筑材料,必须具备建筑材料的基本要求,如坚固耐久、防水防潮、保温隔热、隔音等以及适当的强度和刚度等性能。若安装在屋顶、窗户等,还应具有透光的性能。太阳能光伏系统建筑有机结合,根据建筑工程使用及工况的需要,与普通的平板式光伏系统组件不同,太阳能电池板兼有发电与建筑装饰材料的功能,必须满足建筑材料的基本性能需要。应该遵循以下原则:①建筑物设计完成后使太阳能电池板成为建筑不可缺少的一部分,成为建筑结构构成部分。②太阳能电池板的颜色和肌理必须与建筑物的相关部分相和谐统一,与建筑物的整体风格相结合。③太阳能电池板的比例和尺度必须与建筑整体的比例与尺度相协调,这将决定太阳能电池板的分格尺寸与形式。④太阳能电池板屋顶具体的细部设计,如材料用量是否最小化、设计细节是否和谐、有机等需统一考虑。

  通常情况下,太阳能水泵并不需要蓄电池,而是借助太阳能电池板来带动水泵工作。在大型光伏水泵站中都会备有逆变器,逆变器可以将太阳能电池板的直流电转换为交流电,然后交流电再带动水泵进行工作。虽然刚开始要对太阳光伏水泵系统投入较多的资金,但是太阳光伏水泵系统的运行费用较低、使用寿命长,所以太阳光伏水泵系统仍然具有广阔的发展前景。

  在固体物理、半导体技术的快速发展下,科学家已经研发出了固体光源LED。其具有以下的几点优势:较低的功耗、较长的寿命、较高的光效以及较快的反应速度等,与白炽灯相比较,固体光源LED的污染也是非常小的。在不久的未来,固体光源LED有望占领整个灯源市场。

  成本控制是所有企业都必须面对的一个重要管理课题,成本控制的过程是对企业在生产经营过程中发生的各种耗费进行计算、调节和监督的过程,同时也是一个发现薄弱环节,挖掘内部潜力,寻找一切可能降低成本途径的过程。本文分析了某光伏设备制造公司的成本管理现状,并就目前该公司在成本控制方面的主要问题,提出了改进意见,设计符合公司的方案,树立节约成本意识,提高管理水平,降低公司成本,增强公司市场竞争力。

  企业为满足顾客需要而生产一定种类、一定数量的产品所支出的各种生产费用即为产品的生产成本,它是企业在生产产品过程中实际消耗的直接材料、直接人工、以及其他直接或间接的费用总和。笔者通过对某光伏设备制造公司公司近几年生产成本数据进行研究分析,光伏行业设备制造自2011年起受全球双反影响,生产规模有所缩减,故取09及10年数据为例,以下为该公司09年、10年生产成本明细(单位均为万元):(见表1)1、2009年的生产成本表中:直接材料所占比重=17,658.12/18,560.18=95.14%2、2010年的生产成本表中:直接材料所占比重=28,496.81/30,207.51=94.34%从以上数据中我们可以发现:该公司产品生产成本构成中,材料费用在生产成本中所占比例较高,占到90%以上,因此材料成本的降低对于公司成本管理具有重要意义。

  (1)原材料供应商选择,评审标准比较宽松,采购标准比较低,以致采购一些高价低质的原材料。质量不好的材料应用到产品上,不仅影响产品的质量,造成大量的返工,而且还影响了企业的信誉,导致更大的损失。供应商询价、比价流于形式。

  (2)原材料的领用控制方面,依据销售合同由技术部门依据产品要求进行设计,在保证质量要求的情况下合理确定原材料的材质,规格和数量。生产部门根据限额领料单领用原材料投入生产。对于在生产过程中出现的因质量损失,丢失等,没有经过严格的审批就给予批准领用。原材料失去控制,增加了生产成本,形成了成本管理中的漏洞。

  (3)在原材料库存控制方面,受仓库管理水平的限制,以及公司近年来新产品开发的不稳定,零件型号改动频繁,出现重复采购,材料积压。

  3.生产工人定额工时不合理,尤其是出现新产品时,定额工时不能及时核算更新。

  成本控制主要是指对生产阶段产品成本的控制,即使用一定的方法对生产过程中构成产品成本的一切耗费,进行科学、严格的计算、限制和监督,将各项实际耗费中预先确定在预算内、计划或标准的范围内,并分析造成实际脱离计划或标准的原因,积极采取对策,以实现全面降低成本目标的一种会计管理行为或工作。成本控制是企业增加利润的根本途径。无论在什么情况下,降低成本都可以增加利润。在企业销售收入不变的情况下,降低成本可以使利润增加;在企业销售收入增长的情况下,降低成本可以使企业利润更快地增长;在企业销售收入下降的情况下,降低成本可以有效地控制利润的下降。因此,公司应该把成本控制作为日常管理来抓。当然,企业在生产经营过程中,会遇到来自各方面的压力,如:同行业的竞争、企业职工要求提高薪水、改善福利待遇等。企业要想在压力中寻求生存及发展,降低成本是最重要的措施。降低成本可以降低保本点,扩大安全边际,增强企业抵抗风险的能力,使企业在激烈的市场竞争中处于有利地位。通过以上对公司情况的分析,结合公司的实际情况,笔者进行了改进设计,重点从直接人工、原材料等方面寻求控制光伏设备制造业成本的措施。

  企业要对人工成本进行管理,减少生产过程中活劳动投入的无效部分,可以采取薪金与绩效挂钩的管理制度,奖罚分明,提高生产的积极性,减少损失率,降低人工成本。通过定期的培训、考核确保生产工人的技术成熟,提高生产效率、降低次品率;或使产品寿命周期延长,可提升企业产品的竞争力和打响产品品牌的知名度。光伏设备制造业生产工人工资,主要有金加工和装配工资构成,金加工工序工人工资,按日常统计工时作为计算依据,装配工资按单台定额工资作为计算依据。定期梳理合理的劳动工时定额和产量定额工资,对劳动定额进行考核和评估,正确确定生产人员的编制,杜绝按人设岗,增加不必要的岗位,提高劳动生产率。事前制定相关指标的标准值,事中对生产过程进行记录分析,事后进行调整和控制,工时由生产车间主任记录,车间统计进行复核,要建全工时记录,产量记录,保证单位产品工时消耗减少,单位时间的产量增加,降低单位产品成本中的工时工资支出。从而达到合理配置劳动力,充分发挥每位员工的最大潜能,为公司创造更大的效益。

  光伏设备制造业生产成本中,直接材料占九成以上,笔者此处主要从采购过程、库存过程和生产过程对原材料进行成本的控制。

  (1)首先,要建立材料采购的相关规章和制度,建立一套供应商评选制度。该制度包括供应商的产品质量、价格、信誉、供货速度、信用期等指标。在质量第一的前提下,再确立价格最优的原则。及时了解市场行情,进行询价、比价,在保证质量的前提下采购物美价廉的材料;建立入库材料验收制度,对不合格材料拒绝入库,减少原材料损失。选择价格较低、质量较好、交货及时、信用程度较高的厂家,与之建立稳定的合作关系以便能提供方便、周到、快捷的服务,以满足公司运营的需要。建立供应商档案,对物资采购来源渠道实行动态分析管理,定期评审,不符合要求的及时调整。

  (2)采购计划的编制,按照公司产品生产的情况,根据期间的原材料的实际用量,考虑一定的变动情况,编制原材料采购计划,建立一套先计划、后采购,再入库的流程,杜绝盲目采购的现象。对于新产品,建议技术部设计师,尽量使用标准件,以免发生改动,形成材料积压浪费。

  (3)给供应商提参考意见。公司要将自已获得的市场信息告之供应商,将公司在使用该材料进程中出现的问题及时反馈给供应商,以使供应商可以为该产品及时改进,双方互利互惠。

  2、库存过程中原材料的控制建立健全材料的入库、仓储、会计结算和处理等业务规程,各部门严格按照规程办事。对于购入的原材料,要严格把好检验关,所有材料都要报检,质检员要有高度的责任心,检验合格的材料,才能保证生产的产品在源头上就有质量保证。在对材料的管理方面,要重点放在那些单位价格高,使用量多的材料上,这样可以提高管理效率。及时处理积压材料,对企业来说也是一种成本的节约。

  3、生产过程中的原材料的控制企业应建立严格的检验程序,对生产过程中发现有缺陷的产品必须返修,及时分析原因,并加以解决,最大程度的减少返修带来的费用,降低生产成本。此外,企业要加强设备的管理和维护,强化设备的现场管理和维护保养,增强操作人员责任心,提高设备管理人员的水平,加强安全管理,防止出现事故。企业要制定各种消耗定额,车间领用材料时,仓库应严格按定额发料,实行限额发料制度,最大程度的降低材料消耗。

  (1)制订用量定额标准。定额是生产部门、设计部门、财务部门以及公司管理层多方面参与的结果,材料消耗定额应通过具体制造公式加以确定。领用材料时应按定额标准严格执行,并监督和完善补料、退料制度。

  (2)避免不良品流入。生产过程中,车间主任要监督工人按图纸,工艺要求进行操作,防止报废根据生产批量,合理下料,避免浪费。按限额领料单领料,对于超过限额的领料要执行审批制度,并注明原因,每月末成本核算会计可会同仓库主管对限额领料进行汇总,分析查找原因,提出改进措施。(3)关注残次品。强化每位生产工人的节约意识,让控制材料成本成为每位员工的自觉行为。另外,企业还要积极开展材料物资的综合利用和修旧利废活动,提高材料的利用率,降低单位产品的材料消耗量。

  1、领导层高度重视、全员参与光伏设备制造公司由于多数是面向订单生产,管理层多重视经营订货,重视生产任务的完成,而对成本管理意识不强,公司基层职员和车间生产者的成本意识淡薄,很多公司认为成本控制只是财务部门的职责,但财务部门不可能对各项成本项目的合理性做出准确的判断。其实,成本的控制需要各部门之间的通力合作,各部门都要站在全局的高度,既满足生产的需要,又要平衡成本与工艺要求的关系。公司又要从生产经营的各个环节入手,让每个职工都参与到成本控制中来,共同为降低成本出谋划策。一切的生产活动是由人来操作的,工人的责任心和工作能力的强弱,认真负责的态度等“软因素”将会对日常生产成本控制起到决定性的作用。作为公司的领导要以身作则,重视成本控制,员工要养成节约的习惯,要有主人翁的意识。让员工了解公司面临的困难,让员工自觉的把成本控制落实到每天的工作中,消除不必要的劳动和浪费。

  2、设置成本控制专员,明确其职责。建立以责任成本中心,进行事前分解、事中控制和事后考核的成本核算体系,将责任指标细化分解到职能部门、生产班组直至个人,做到权责分明,有效地控制成本,不断改善经营管理,提高经济效益。太阳能光伏设备制造业经历了2011以来国内光伏产能严重过剩,市场过度依赖外需,国内光伏企业陷入困境的局面。2013年以来,国家先后出台多项支持政策,扩大国内市场,拉动内需,引导国内光伏行走上持续健康发展道路。据太阳能光伏行业门户网站—太阳能光伏网,2014年6月19日资讯,贸易协会SEMI报告,随着2014年第一季度订单出货比强劲反弹至1.24,全球范围内光伏制造设备订单出现明确的复苏信号。2015年4月7日资讯,面对国际新兴市场的逐步开拓和国内市场的迅速启动,一度饱受困扰的中国光伏产业开始回暖。2015年,伴随国内市场不断扩大,国家对智能电网建设的重视程度不断提高以及新型工业化和城镇化建设的推进,太阳能光伏的战略地位不断凸显,未来光伏制造设备和关键辅料领域国内具有十分广阔的发展空间。面对如此广阔的市场,光伏设备制造公司要把握机遇,切实做好管理,控制成本,提高光伏设备产品的市场竞争力,使公司在市场竞争的环境下生存、发展和壮大。

  [1]邢文锁,李撰兰.施工项目成本控制要点[J].山西建筑,2011(21)

  [2]李文勇.降低成本出利润[M].清华大学出版社,2010年1月第1版

  [3]秦国华.战略成本管理在我国企业的应用[J].边疆经济与文化,2010(1)

  我国光伏行业由产业大爆发到低迷似乎在产业发展之初已经埋下了“地雷”,产业大多集中在资金、技术门槛较低的产业链中下游环节(硅片、电池片、组件),产业扩张速度远大于技术更新速度,产品质量长期处于无标准状态,包括原材料进料控制环节、关键辅助材料的进料控制、生产过程质量监控、成品检验环节等等都无统一控制标准,甚至有些中小企业质量管理体系还不健全,缺乏系统的有效的管理体系,质量管理人员大多都是有生产人员兼任,缺乏系统质量管理知识,缺乏质量管理意识,这是制约产业发展的最大瓶颈。

  全面质量管理就是以质量为中心,以全员参与为基础,旨在通过使顾客和所有相关方受益而达到长期成功的一种管理途径,将全面质量管理运用到光伏企业质量管理的实践中,将有助于提升全员的质量意识,降低影响产品质量的隐患。本文将结合光伏产业的现状,对制约光伏产业发展的瓶颈问题进行分析,并结合全面质量管理理论和实践,对光伏产业现状进行深层次分析和探讨,全面质量管理作为现代企业管理的一种全新的管理模式,将会助推光伏产业在现阶段集体低迷阶段寻求一种新的突破,这是行业发展的必由之路,也是行业由不规范走向规范的必要手段。

  以硅材料的应用开发形成的产业链条称之为光伏产业,光伏产业链包括硅料、硅片、电池片、电池组件、应用系统5个环节。

  上游产业为硅料、硅片环节;中游产业为电池片、电池组件环节;下游产业为应用系统环节[3]。

  光伏产业目前主要问题是光电转换效率的瓶颈,影响转换效率的因素是个复杂和综合的因素,硅片生产原材料中金属杂质含量的控制,原材料生产环节的环境,硅片成品质量的控制,电池工艺,组件封装所使用原辅材料都是质量管理的重点,都是影响光电转换效率及光伏产品寿命的关键因素。而目前由于质量管理体系的不完善,各个环节的控制都有待加强。

  2011年下半年,受欧债危机及美欧双方的影响,光伏行业出现前所未有的危机,企业纷纷出现减产,甚至倒闭的浪潮。

  光伏产业除了面临外部市场变化带来的负面影响外,自身也存在方方面面问题,前几年各企业在纷纷抓住欧洲光伏市场,大搞企业规模扩张,产量至上的同时,却忽略了企业自身技术更新,新产品研发投入相对较少,质量管理体系不健全的问题,曾经一度行业内出现“拥硅为王”的局面,无论产品质量如何,只要有硅料就能赚钱的局面,原材料进料检验形同虚设,企业只是单纯忙于应付订单,质量控制完全处于失控状态。

  全面质量管理的思想是通过对产品、服务、人员、过程和环境的持续改进来增强企业的竞争力。开展全面质量管理是企业或各类组织提高自身素质、增强市场竞争能力的有效途径。

  上游多晶硅企业,由于其技术多半来自与国外,中下游需求量的巨大缺口,使得企业无暇顾及质量管理环节,诸多产品质量纠纷频发,中下游客户投诉较多,而且终端出现较多低效产品。因此引入全面管理,建立完善质量管理体系,加强质量管理在各生产环节、质量监控环节的有效贯彻,把全面质量管理在其他行业的经验借鉴到光伏企业中,人人参与企业管理,人人加强质量意识,并有效贯彻,才能有效降低下游企业的风险,降低本企业成本,增加自身竞争力。

  处于产业链中游的单晶硅片、铸造多晶硅片、电池及组件生产企业,对于原材料的控制,包括合格供应商的评定,在光伏市场好的时机,只是把更多精力放在抢市场上,企业在质量管理及质量控制上有时会流于形式,在质量管理中明显存在以下误区。

  (1)基层管理者或一线员工对质量管理体系文件的认识仅停留在很肤浅层次,存在质量控制和质量管理与质量体系无关,而且质量管理属于品质管理部门的事的误区。

  (2)有些企业在实施全面质量管理的过程中太过沉迷于理念,以宗教般的狂热去培植它,而不注意创造成果。如过多地将精力投放在产品质量、成本控制、员工培训和改进过程上,而不是关注如何提高顾客满意程度、提高产品质量和市场占有率上,没有以产品的市场和顾客接受程度作为质量管理的标准,而是盲目追求全面质量管理的内在过程和形式。

  (3)光伏企业由于属于新兴行业,生产、技术、研发、质量管理各部门对于质量管理存在各司其职,对于产品质量问题存在相互推诿,各扫门前雪的现象。

  (4)全面质量管理虽已在各部门,各个环节建立,单个部门各环节对于全面质量管理还存在理解上及应用上的偏差。

  另外由于缺乏对上下游产品的了解,没有从本质上去深入研究造成电池片低少数载流子寿命、低转换效率、高光衰减等质量问题的根本原因,首先表现为无法有效对上游原材料进行控制,究其原因固然有检测手段、检测人员的因素、检测方法不完善,无标准可依的因素,但根本性问题还是缺乏完善的质量管理体系,缺乏有效贯彻质量管理体系的意识和手段。因此到了下游光伏电站建设阶段,各种各样的质量问题都由点积累起来形成线和面,集中凸显出来,但是一旦电站建设完毕,再去考虑原材料质量的问题,已经于事无补,所以光伏产业各环节各链条的质量控制都至关重要。

  光伏产品质量问题,尤其是光电转效率及寿命问题,属于光伏产品的核心问题,是制约行业发展的瓶颈问题,光伏产业链中的每个控制环节不健全不完善,都会为光伏产品的光电转效率及寿命存在直接或潜在影响,在生产和质量控制的每个环节都要做到零差错,从这点来讲,全面质量管理重要性不言而喻。

  全面质量管理是指一个组织开展以质量为中心,以本组织全体成员参与为基础的一种管理方式。它的目标是通过顾客满意和该组织全体成员和社会受益,以达到长远成功。基于全面质量管理的本质是全员参与,全员获益,因此引入到新兴的光伏产业中,更能规范光伏企业发展的盲目性,更能提升整个产业链产品的档次,从原材料开始控制,而且全产业链从业人员达成统一的质量控制目标,以最终建设高质量,高光电转效率,高寿命的光伏发电系统为信念,就会在原料采购、产品生产、出厂检验各个环节各司其职,严格遵守质量管理体系规则,最终促使光伏产业持续升级,进入良性循环轨道。

  1铁电薄膜光伏效应目前对铁电薄膜光伏效应的研究主要集中在铁电性、界面、尺度及空间电荷与光伏特性的关系上。

  11铁电性与光伏特性的关系铁电性(主要是极化强度)直接影响铁电材料的光伏特性(光生电流(压))。姚魁等[12]研究多晶和择优取向的PLZT铁电薄膜的光伏特性时发现:择优取向薄膜的光生电流和光电转换效率比随机取向薄膜的高1个数量级(如图1所示),这是由于取向薄膜具有更大的剩余极化强度引起的。M.Ichiki等[23]也得到了类似结果。沈明荣等[24]在氧气中不同退火温度下对PZT薄膜进行处理后发现:随着退火温度的提高,剩余极化变大,光生电流增加。L.Pintilie、沈明荣等[25-26]研究PZT、(Bi37Nd03)Ti3O12(BNT)薄膜的光伏特性与电场关系时发现:光生电流对薄膜的极化状态变化极为敏感,光生电流随极化电压的变化呈现典型的电滞回线所示),这说明光生电流随极化强度增加而增大。

  12界面效应界面结构与状态(包括界面形成的肖特基势垒高度、界面层厚度等)对铁电薄膜光伏特性有重要影响。电极配置不同,铁电薄膜的界面结构与状态就不同,从而对光伏特性产生显著影响。常用的上电极有Au,Pt,La07Sr03MnO3(LSMO),Sn∶In2O3(ITO)等,下电极有Pt,Ir,Nb∶SrTiO3(Nb∶STO),SrRuO3等。姚魁等[27]采用三种电极配置(Au/PLZT/Pt,Au/PLZT/Nb∶STO,LSMO/PLZT/Nb∶STO)制备了“三明治”型的(Pb0.97La0.03)(Zr0.52Ti0.48)O3(PLZT)铁电薄膜,通过研究电极与光伏特性的关系发现:LSMO/PLZT/Nb∶STO和Au/PLZT/Nb∶STO薄膜具有远高于Au/PLZT/Pt的光生电流(如图3所示),这是由于下电极Nb∶STO与薄膜更匹配,缺陷更少,从而使光生载流子寿命更长。上电极为LSMO的薄膜光生电流远高于Au上电极,这是因为电极的介电常数对屏蔽电荷分布和光伏输出有显著影响,屏蔽效应越强,光伏输出越小。介电常数约为6较小的Au电极在铁电薄膜和电极间的屏蔽电荷更集中,屏蔽效应更强;而LSMO的介电常数约800较大,屏蔽效应较弱。R.Ramesh等[17]发现:BFO薄膜的光生电流和光生电压与界面的肖特基势垒高度存在对应关系,但无法区分极化和肖特基势垒对光伏特性所作的贡献。而沈明荣等[13]在对PZT铁电薄膜研究时发现光生电流既与PZT/Pt界面肖特基势垒引起的内建电场有关又与极化引起的退极化场有关,并提出了一种模型区分肖特基势垒和极化对光生电流的贡献,发现:PZT薄膜中的由定向极化引起的光生电流正比于2Pr(剩余极化强度),而由肖特基势垒的内电场引起的光生电流与薄膜厚度成反比,其中界面势垒起主要作用。同时,沈明荣等[26]在对比研究剩余极化强度基本相同的PZT和BNT铁电薄膜的界面效应与光生电流关系时发现:PZT薄膜的光生电流大于BNT薄膜(如图2(b)所示),Pt/PZT/Pt和Pt/BNT/Pt结构的上、下电极与薄膜形成的肖特基势垒高度分别为029和076eV,064和072eV,这说明电极与铁电薄膜形成的上、下界面非对称程度越大,产生光生电流越大。此外,界面势垒引起的光生电流不仅与势垒高度有关,还与界面层厚度相关,通过薄膜退火工艺可以调控界面层厚度,从而实现光伏特性的有效控制[28]。李润伟等[29]采用透明氧化物电极ITO作为上电极制备了ITO/BFO/Pt,发现:ITO/BFO/Pt相比使用金属电极的Au/BFO/Pt,其光电转换效率增大了25倍;在450μW/cm2的光强和0V偏压下,相应的光电流从02nA增加到200nA,光电导提高了1000倍,认为这主要是两方面引起的:一是ITO透明电极对可见光有更大的吸收使更多的可见光透过电极入射到BFO薄膜上,使BFO薄膜吸收了更多的可见光;二是ITO/BFO界面形成了更大的退极化电场,使光生电子、空穴更易分开。

  13尺度效应铁电薄膜的尺度包括膜厚、晶粒尺寸、电畴尺寸。一般而言,随着膜厚的减小,光生电压逐渐下降,光生电流逐渐增大。姚魁等[12,25]发现:膜厚在260~1500nm范围时,光生电流随着PLZT膜厚减小PbZr0.2Ti0.8O3薄膜,研究其光伏特性与晶粒尺寸关系时发现:PZT薄膜的开路光电压Voc和短路光电流Isc随晶粒尺寸均先增加后减小,峰值出现在平均晶粒尺寸为40nm处,此时Voc=096V,Isc=577nA(如图5所示),当PZT薄膜晶粒尺寸小于40nm时,短路光电流Isc和开路光电压Voc有较大幅度的降低,这可能是因为PZT薄膜晶粒尺寸达到其铁电临界尺寸,电畴结构消失所致。但R.Ramesh[19]却发现了一个独特的现象:单畴结构的BFO薄膜的光生电压随膜厚增大而无明显变化。多晶铁电薄膜的晶界、电极与薄膜界面上均存在空间电荷,这将直接影响到铁电薄膜的光伏特性。沈明荣等[24]研究在不同气氛和退火温度下制备的PZT铁电薄膜光伏特性时发现:在氧气中700℃退火得到的PZT薄膜具有最大的光生电流(如图6所示),这是因为这种薄膜具有最低的空间电荷密度,且漏电流特性表明其上、下界面的势垒高度最不对称,这都使得其光生电流最大。

  目前,人们普遍认可的铁电材料光伏形成机制是:具有与带隙相对应的光辐照到铁电体上,铁电体吸收光子产生载流子(电子和空穴),光生电子和空穴在极化引起的反方向内电场的驱动下分别向正极和负极移动,从而产生光伏信号输出,这是由铁电材料的极化以及缺陷、空间电荷分布不对称所引起的一种体效应(如图7(a)所示),完全不同于硅p-n结的界面光伏效应[13,27,30]。但R.Ramesh等[17,19]在发现BFO薄膜具有非常高的光生电压的同时提出了新的铁电材料光伏形成机制:BFO薄膜的光生电压是由71°或109°电畴畴壁引起的(如图7(b)所示),而体光伏效应非常小。铁电材料光生电压远大于传统硅p-n结的原因在于:①内建电场大。对于硅p-n结,耗尽层电压为07V,耗尽层厚度为1μm,即内建电场为07kV/mm[19];而对于BFO薄膜,畴间电势差为10mV,畴壁厚度为2nm,即内建电场为5kV/mm[17]。②铁电材料中存在很多的电畴,形成串联电路。R.Ramesh将铁电光伏形成机制的研究引入到电畴结构层次,这是极为重要的突破。

  南海诸国对我国诸多岛域和海域长期的侵犯已严重威胁到我国领土的,但由于很多的海岛自然环境恶劣,不利于人员驻守,领土的守卫非常困难。如果海岛电力供应问题有效解决,就可明显改善驻岛人员生存条件,相关负荷设施也可正常使用,守卫海岛的实力就会大大加强。但目前由于这些海岛远离大陆,电力供应很难依托大陆电网,本文提及的待开发光伏组件在一定程度上可以满足驻岛人员的电力需求。这种组件采用高性能防水材料,通过优化结构设计,漂浮在海岛附近的海域上,既可以通过微电网技术为海岛直接供电,也可通过对蓄电池组的充电储能满足岛屿驻守人员的需要。

  海岛环境具有高风速、高湿度、高盐碱的特点,同时部分战略意义极大的岛屿可能陆地面积非常狭小,光伏系统可能要建设安装在附近海域。首先,海岛环境风速较高,这需要光伏组件本身抗风压的机械载荷能力要强。第二,海岛环境湿度极大,组件可能长期浸泡在海水中,对防水性能要求极为苛刻。第三,高盐碱的海水和空气会对组件本身产生较为严重的腐蚀,使其寿命大大缩短。第四,组件安装可能需考虑在临近海域进行。在海面上安装组件带来的连接、安装、储能方式等一系列问题需待解决。如果在技术上可以满足上述要求,高品质海岛组件的实现就顺理成章,这对于常规光伏组件性能而言,虽然有挑战却并非不可实现。

  晶硅组件按晶粒排布分为单晶硅和多晶硅。迫于成本压力,组件厂商更多的以生产多晶硅组件为主,但是单晶硅组件在弱光性能、温度系数、发电效率和外观造型上要优于多晶。虽然性能有差异,但其组件结构基本相同:钢化玻璃-EVA-晶硅电池-EVA-背板,在组件四周一般装有保护和安装作用的铝边框,背板顶部装有防热斑作用的接线盒及接插件。晶硅电池由于耐氧化性较差,所以需要内部封装材料(多为EVA)的密封,由于易碎,所以需要正反面板(即钢化玻璃和背板)的保护。这些功用不可或缺,但边框的主要功用是便于组件安装,如果有合适的替代方式,这部分结构可以舍弃。铝边框耐腐蚀性较差,海岛环境下,在满足组件防水性能前提下可以考虑去除铝边框。

  晶硅组件在推向市场前,需进行产品认证。目前欧洲较流行的TUV认证,是产品以IEC61215和IEC61730两个标准进行的各项测试通过的证明。通过认证的组件可达到抵抗5400Pa压强和在双85(指温度85℃和湿度85%)条件下2000h使用寿命的性能。测试中5400Pa压强是模拟雪压而来,风压使用2400Pa测试。2400Pa的物理意义是3倍12级风对组件正面(或背面)造成的静载荷。即使在多风的海域,目前光伏组件的抗风压能力已经具备。而双85条件下2000小时的寿命保障根据模拟换算,可以得出其在双45环境下(温度45℃和湿度45%)使用寿命约25年。这个保障对于高湿度的海岛环境是不够的,需要进一步从材料选择和结构设计上优化,延长其生命期。根据部分资料显示,近海区域的盐碱地安装的光伏电站,其组件老化速度比常规环境要快三至五倍。分析其原因,是因为常规组件的背板、封装材料、接线盒和边框内部的密封胶属于高分子材料,支架和边框多为铝合金材质,在腐蚀性较强区域,其寿命自然会大大缩短。

  综上,目前适于海岛环境的新式组件已具备雏形,但离实用性产品还有一个过程。

  组件厂商在成本有效控制前提下,对下述性能突出的产品非常青睐:第一,高寿命和高可靠性的产品(可树立厂商形象,宣传厂家品牌)。第二,结构简单化的产品(可更节约成本,便于量产)。第三,突出特色的产品(比如轻质化组件等,可开拓市场)。为追求更高寿命高可靠性和更具特色的光伏产品,组件厂商纷纷引入了多种材料,进行替换实验,某家组件商双85的实验测试时间已经由原来的2000小时增加至8000小时,在这个过程中,很多新式的材料开始闪亮登场,比如厚度减薄的超薄钢化玻璃,原应用于薄膜领域的丁基热熔胶,防水性能极佳的无影胶,构造简单小巧的接线盒,抗紫外性能极佳的封装材料等等。

  经分析,适用海岛环境组件开发技术难点主要在于①组件防水防盐雾性能的提升②组件间连接方式和安装方式的可行。第一点,可首先从材料方向考虑。常规组件边框为铝合金材料,对海水耐腐蚀性较弱,可考虑使用橡胶类材料替代或去除。背板材料为高分子物质,其耐候性相对于无机物较弱,可考虑用超薄玻璃替代。组件四周为防水汽的渗入,可考虑新式密封材料,如丁基热熔胶或无影胶等抗水汽渗透能力极强的材料。其次,对组件结构优化。如安装在海面上的组件,可将接线盒由组件背面用到正面,以减少接触水的概率。第二点,分析如下:首先,组件由于密度远高于水,故需要漂浮物(其寿命要与组件相匹配)。其次,组件同漂浮物需牢固连接。第三,组件间的接线对防水的要求极高,即便是IP67的接插件也需改善后才可适用于该种环境。综合而论,选用优质材料、优化机构设计和考虑特殊环境下的连接安装方式三方面可使组件获得更适于海岛环境的性能。

  光伏组件的布置方式直接影响到其发电的效果,所以在节能建筑概念设计或者初步设计阶段,要充分考虑太阳能的最大限度利用,从而确定有利于光伏组件布置的建筑造型。同时,光伏构件本身也有着丰富多变的美学特征,不同颜色,不同大小尺寸光伏板通过一定规律组合运用在建筑的围护结构上,不仅满足了建筑的能源供给,同时具有韵律感,成为立面的活泼元素,丰富立面形态。

  就光伏材料的发电效率而言,坡屋面是比较理想的屋面形式,他能够自然形成倾斜角,比平屋面的布置方式更有利。在设计中可考虑协调建筑的功能,在屋顶造型上设计出南向倾斜的坡屋面。在我国城市住宅和公共建筑更多采用的是平屋面,平屋面光伏构件的布置方式同样分两种:支架式和嵌入式。支架式布置光伏构件以倾斜面接收太阳辐射,布置的自由度和灵活性较大,光伏阵列可以调整倾斜角、方位角以及前后组光伏构件的间距,以此避免阴影,最大效率的发电。支架式构造简单,适用于各类平屋面建筑,比较容易普及。但支架式布置的情况下光伏和建筑二者的关系比较松散,融合的程度低,同时支架式布置光伏构件对提升建筑美观的作用较小。嵌入式的布置方式是在屋面系统集成光伏材料。光伏构件的使用可以与被动式利用太阳能、自然采光相互协调,有利于降低建筑能耗。但水平的光伏构件由于难以利用雨水自洁,灰尘和树叶往往会影响其发电效率,因而需要定期清扫。平屋顶的建筑也可以同时使用两种布置方式,不需要天窗的部分屋面采用支架式,需要设置天窗的部分采用嵌入式光伏屋面。公共建筑的屋顶也可做成锯齿形高侧窗,南面为斜坡用来铺设光电板,北向玻璃窗用来采光。

  中庭上铺设光伏构件的构造处理方式,同嵌入式的墙面或屋面类似。在办公楼、商场展览建筑中往往设有中庭,夏季大量的太阳辐射往往使中庭成为建筑节能的薄弱环节。在中庭上布置光伏构件,一方面可获得电能;另一方面,调节光伏电池的间距和不透明度,可有效控制室内照度,避免室内热负荷过大。

  在竖直的墙面上布置光伏构件是较直接的方式。考虑到建筑立面效果,光伏的颜色需要与其他建筑材料协调。光伏构件的构造方式可根据不同墙面系统(实墙,窗户与窗间墙,玻璃幕墙)来确定,总体上可分为外挂和内嵌两种方式。考虑到采光和视线的因素.在竖向高度上要区分光伏材料的不透明度,如视线上下范围内采用透明玻璃窗或半透明光伏材料,其他窗间墙可采用不透明光伏材料。

  对于高层建筑,竖直墙面的面积较多而屋顶面面积有限,南向墙面可布置光伏材料。如果在城市中建筑物比较密集,或者建筑周围有树木环绕,太阳光收到阻挡,可以在建筑物较高部位的墙面上设置光伏板。纽约时代广场4号楼在35-48层墙上就安装了光伏板。部分地区东西向也可设置,因为低纬度地区建筑的南向墙面在夏季获得太阳直接辐射明显少于水平屋面和东西墙面。

  建筑平面布局有时不能面向太阳光辐射最优的朝向,局部采用水平向锯齿状布置方式,是巧妙化整为零的处理手法,以此优化光伏构件布置的方向,趣味变化的造型也改变了建筑的视线光伏组件结合遮阳设计

  光伏组件可布置在遮阳板上,成为建筑的附属构件,如图1为荷兰能源研究中心31号建筑的光伏遮阳构架。建筑外遮阳常常具有一定的倾斜角,为光伏板的设置提供了合适的条件。夏季阳光照射到光伏组件,采用光伏发电遮挡阳光直射到室内,减少建筑物制冷负荷,在冬季通过调节光伏组件不影响阳光照射到室内。且光伏遮阳板与建筑表皮独立,不影响外墙的保温.防水和防噪。对于新建或改建的情况都比较适用,建造成本也较低。

  安装倾角是太阳能电池阵列平面与水平地面的夹角。确定安装倾角需综合考虑多种因素,如可实现装机容量、发电效率、安装成本、上网电价等,有降雪的地区还要特别考虑积雪滑落的倾斜角(斜率大于50%~60%)。目前已安装的光伏发电系统,安装倾角大多参照安装所在地的纬度并综合考虑多方面因素进行确定,方阵从垂直放置到10°~20°倾角放置的都有。

  本文利用AutodeskEcotectAnalisys的太阳能辐射量分析,输入沈阳市的地理坐标及气候参数,并绘制正南朝向、不同倾角的光伏阵列进行太阳辐射量分析,倾角范围选在10°~90°,每隔5°度放置一个模型。图3是沈阳地区8:00~10:00不同倾角的的全年累计辐射量分析,由于辐射量差别不是很多,所以颜色差别不大,通过表1数据分析,可以很清楚的看出,模型旋转角度在50°时,即安装倾角在40°时,全年9:00~15:00的太阳能辐射量最大,同时看出此处的每平方米累计辐射量约为1169657.875Wh/㎡。

  在组件排布方案中,电池阵列间距也需要计算分析。两阵列的垂直距离过小,前面的阵列对后面的阵列形成遮挡;距离过大,又会造成安装面积的浪费。两阵列之间的垂直距离一般以冬至日当天9:00~15:00光伏电池阵列不被遮挡为最佳。建筑师在进行光伏系统方案设计时,一般采用计算方法得出光伏阵列间距D,计算公式如下:

  我们同样取沈阳地区纬度

  =41.7°,H=964mm,计算得D=2252.6mm。接下来,我们运

  用AutodeskEcotectAnalisys软件对阵列间距进行直观地分析设计。设置纬度

  =41.7°,H=964mm,时间为冬至日9:00~15:00。分析结果如图4,图中现实了高度964mm的阵列在冬至日9:00~15:00产生阴影范围,阴影长度为2553mm,考虑测量误差和计算误差,软件模拟结果和公式计算结果基本一致。

  徐燊,李保峰.光伏建筑的整体造型和细部设计[J].建筑学报,2010,1

  陈维,沈辉,刘勇.BIPV中光伏阵列朝向和倾角对性能影响理论研究[J].太阳能学报,2009,30(2)

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