太阳能发电技术论文精选(九篇)

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第1篇：太阳能发电技术论文范文

摘要:本文概述了目前全球能源现状,表明了太阳能发电的重要性和前景,详细介绍了各种太阳能发电方式和它们的优点,并对这几种发电方式作了参数对比。同时指出太阳能发电面临的困难和解决措施,以及我国太阳能发电的有利条件和难点,对未来我国太阳能发电进行了展望。

关键词:太阳能发电方式规模化

人类社会已进入21世纪,在新千年开始之际,热门正面临着一系列重大的挑战,全球经济发展,人口迅速增加,需要提供更多的食物、住房和原料,因而对能源的需求量也不断增加。在过去20年中,全世界能源消耗量增加了40%,其中85%以上使用的是矿物燃料。这些矿物燃料燃烧时要产生大量温室气体,全球单是CO2排放量每年就超过500亿吨,而且还在不断扩大。形成的酸雨造成土壤退化,危害动植物。全球气候变暖可能会产生灾难性后果,必须采取坚决措施,减少温室气体的排放。因此,治理环境污染,已成为当务之急。同时,矿物燃料的储藏量是有限的,按目前探明的储藏与开发速度的比例计算,地球上可再开采的能源,石油为40年,天然气约为60年,煤炭为200年。如不采取有效措施,到本世纪中叶,人类必将面临矿物燃料枯竭的严重局面。

为了减少大气污染、保护人类生态环境、保证能源的长期稳定供应,必须实施可持续发展战略,逐步改变现有的能源结构,大力开发利用新能源。这已成为各国的共识。

在新能源中,公认技术含量最高、最有发展前途的是太阳能发电。下面就这两大类太阳能发电方式逐一介绍。

1.太阳能发电的类型及其优点

太阳能发电可分为太阳能热发电和太阳能光发电两大类。

1.1太阳能热发电

聚光式系统的集热部分由聚光器、跟踪定位器、吸收器构成,不同的技术常在此部分有所区别;传输部分由管道和介质构成,介质常是空气或水;储热部分用来保证发电的连续性,介质多为熔盐。聚光式系统可分为塔式太阳能热发电系统、槽式太阳能热发电系统以及碟式太阳能热发电系统。

1.1.1塔式太阳能热发电系统

塔式太阳能热发电系统也称为集中式太阳能热发电系统。它利用定日镜将太阳光聚焦在中心吸热塔的吸热器上,在那里将聚焦的辐射能转变成热能,然后将热能传递给热力循环的工质,再驱动热机做功发电。

1.1.2槽式太阳能热发电系统

槽式太阳能热发电系统是利用槽式抛物面反射镜聚光的太阳能热发电系统的简称。该聚光镜面从几何上看是将抛物线平移而形成的槽式抛物面,它将太阳光聚在一条线上,在这条焦线上安装有管状集热器,以吸收聚焦后的太阳辐射能,并常常将众多的槽式抛物面串并联成聚光集热器阵列。该系统中机热油回路和动力蒸汽回路分离开来,经过一系列换热器来交换热量。当太阳能供应不足时,利用一个辅助加热器将油回路中的导热油加热,从而实现系统的稳定连续运行。

1.1.3碟式太阳能热发电系统

碟式太阳能热发电系统借助双轴跟踪,利用旋转抛物面反射镜,将入射的太阳辐射进行点聚集,聚光点的温度一般为500—1000℃,吸热器洗手这部分辐射能并将其转换成热能,加热工质以驱动热机(如燃气轮机、斯特林发动机或其他类型透平等),从而将热能转换成电能。该方式的优点是:转化效率最高;可模块化;可以混合发电。

除了上述几种聚光式太阳能热发电方式以外,太阳池发电、太阳能塔热气流发电等新领域的研究也有进展。

1.2太阳能光发电

太阳能光发电是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能级半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能,并使之转变成电能的直接发电方式,是的那股劲太阳光发电的主流。目前世界上应用最广泛的太阳电池是单晶体硅太阳电池、多晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等。

1.2.1单晶硅电池

单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的加工处理工艺基础上的。它的转换效率最高,技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%。硅电池进展的重要原因之一是表面钝化技术的提高。此外,倒金字塔技术、双层减反射膜技术以及陷光理论的完善也是高晶硅电池发展的主要原因。

1.2.2多晶硅电池

多晶硅电池与单晶硅比较,由于所使用的硅远比单晶硅少,其成本远低于单晶硅电池,具有独特的优势。但是由于它存在着晶粒界面和晶格错位的明显缺陷,造成多晶硅电池光电转换率一直无法突破20%的关口,低于单晶硅电池。薄膜太阳能电池

薄膜太阳能电池发电是另一种光伏发电方式。由于受到原材料、加工工艺和制造过程的制约,若要再大幅度地降低单晶硅太阳电池成本是非常困难的。作为单晶硅电池的替代产品,现在发展了薄膜太阳电池。目前薄膜电池主要有硅基薄膜太阳电池、化合物半导体薄膜电池、燃料敏化TiO2太阳电池等。

太阳能光伏发电系统的主要优点是:可以有效利用建筑物屋顶和幕墙,无需占用土地资源;可原地发电,原地使用,减少电力输送的线路损耗;各种彩色光伏组件可取代和节约外饰材料(如玻璃幕墙等)在白天用电高峰期供电,从而舒缓高峰电力需求;配备蓄电池后,还能满足安全用电设施的不断电要求;太阳能发电板阵列直接吸收太阳能,降低墙面及屋顶的温升,减轻建筑空调负荷。

2.太阳能发电面临的困难和解决措施

前面介绍了几种太阳能热发电技术,除碟式发电系统外,都属于大规模发电系统,只有做成几十到几百兆瓦级的发电站,成本才可能降下来。太阳能塔热气流发电和太阳池发电占地面积大,利用效率不高,仅仅在1%左右。因此太阳能塔热气流发电应放在土地广阔、人口稀少的沙漠地区使用;而太阳池发电应适合放在日照条件好、盐资源比较丰富的地区使用。总体来看,槽式发电系统技术上最为成熟,且其跟踪机构比较简单易于实现,总体成本最低。太阳能热发电系统要实现的是低成本的投资和技术上的高可靠性运行。这要求未来在技术上要进行新型集热材料的研究和开发,快速提高跟踪机构的技术并降低其实现成本。同时发电产业要努力实现规模化,建立大规模的并网系统,既节约成本,又保证系统平稳安全运行。

对于光伏发电来说,总体来看,该产业尚处于起步阶段,主要是由于太阳能发电初期投资大,控制成本高,而太阳能转化效率比较低,且容易受天气等多种因素影响。根据目前光伏发电发展状况和其技术难点,未来的光伏发电研究需要重视以下几个方面:一是加快太阳能原材料晶体硅生产技术的研究和新型替代材料的开发,降低材料成本并提高其转化效率;二是提高系统控制技术,如达到光伏电池阵列的最优化排列组合、实现太阳光最大功率跟踪等;三是研究光伏发电的并网技术,减少光伏电能对电网的冲击;四是研究光伏发电与其他可再生能源发电技术的结合应用,保证供电持续性。

3.我国太阳能发电的优势和难点

发展太阳能发电的需求主要来自满足农村和边远地区的生产与生活用电和21世纪中持续发展我国电力事业两个方面。在太阳能发电上我国具有得天独厚的有利条件:

(1)丰富的太阳能资源。我国总面积2/3以上的地区年平均日照时数在2000h以上,年平均日辐射量在4000MJ/m2以上,要优于欧洲和日本,与美国相近。如此丰富的太阳能资源可以节省太阳能电池的用量,有利于太阳能发电在较低成本下加以推广。

(2)我国太阳能电池的生产能力超过日本、美国和欧洲,居世界第一位,2007年我国太阳能电池的产量约为1180兆瓦。2007年在全球太阳能生产企业16强中,我国占据了6席。(3)逆变技术是太阳能发电的关键技术之一,由于在大功率开关器件开发和逆变技术的应用等方面,我国已取得长足进步,生产出适用于光伏并网、高效率、高可靠性、低污染、低成本的逆变器成为可能。

但为了太阳能发电产业的快速发展,必须解决以下几个问题:

(1)我国生产太阳能电池的原材料主要依靠进口,而绝大多数太阳能电池和切片用于出口,这种不利于产业发展的加工业局面必须尽快扭转。

(2)太阳能发电的成本在每千瓦小时3元以上,远远高于目前居民电网用店家的每千瓦小时0.5元。这也是发展太阳能发电的不利一面。

(3)目前,太阳能电池的光电转换效率比较低,比如小尺寸(1cm2)多晶硅太阳能电池的光电转换效率为19.8%,而大尺寸(1000cm2)多晶硅太阳能电池的光电转换效率为12%,为了降低太阳能发电的成本必须提高太阳能电池的光电转换效率。

(4)我国的太阳能发电产业起步于独立型太阳能发电设备(10kW以下),主要用于解决太阳能资源丰富而又无电的边远地区的居民用电。而更大容量(MW级)的并网型太阳能发电设备的投产是降低成本的途径之一。

(5)截止到2005年,我国的风力发电总装机容量为1500MW左右,是太阳能发电总装机容量的20倍,到2020年规划总装机容量为30000MW,也是规划太阳能发电总装机容量的15倍。但两者特点各异。夏季日照足风速低,冬季日照弱风速强;同样白天日照强时风小,夜晚无光照时风大。太阳能发电与风力发电并网是提高电能质量和降低成本的另一途径。

第2篇：太阳能发电技术论文范文

关键词：电力电子；能量管理系统；电能质量控制

中图分类号：TU852文献标识码：A文章编号：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

我们已进入21世纪，这是一个全新的时代，经济的高速发展给人们的生活带来了很多的便利，但随之而来的却是能源的耗竭，原本丰富的能源如今已变得匮乏，并危及到人们未来的生产生活。与此同时，毫无顾忌的能源利用还造成了大气的严重污染，从而又引发能源危及，这样的恶性循环会直接危及到人类的发展，甚至威胁人类的健康和繁衍。因此，开拓新能源，减少能量源浪费成为当今世界最为关注的话题。

一、新能源的发电方式

（一）太阳能发电

太阳能发电开始于上世纪50年代，当时，第一块实用的硅太阳电池研制成功，如今，太阳能发电技术已经经历了半个世纪的发展，其技术也在日益成熟。目前，占主流的太阳电池仍然是硅太阳电池，主要分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池。典型的太阳能供电系统结构如图1所示，太阳电池阵列进行光电转换，把太阳能变为电能，再由功率变换器将太阳电池输入到直流电中，最后转换成用户所要使用的电源模式。根据用户的需求，功率变换器可以选择直流斩波器进行DC/DC变换，或采用逆变器进行DC/AC变换。而功率变换装置还应包括蓄电池系统，主要是为了平衡电流。如果太阳光充足，可以利用太阳能，并利用蓄电池充电；如果在夜晚或者阳光不充足时，就可以使用蓄电池供电。

（二）风力发电

如今，风力的主要运用方式就是风力发电，它的发展速度最快，也最受全世界关注。风力发电主要有3种运转方式：

1.独立运行方式，利用一台小型的风力发电机向需要的用户提供电能，它还可以通过蓄电池充电，预防无风时影响发电效果；

2.风力发电与其他发电方式相结合的联合供电方式，主要向交通不便或偏远山区供电，以及地广人稀的草原牧场提供电力；

3.并网型风力发电运行方式，将风力发电网安装在条件较好的地区，常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这也是风力发电的主要发展方向。风力发电机组在不同风速的条件下运行，其发电机输出的电压的幅值和频率是变化的，所以，通常要配置电力电子功率变换器，通过这种装置控制电流，保证输出的电压是平衡稳定的。

（三）燃料电池发电系统

燃料电池（Fuel Cell）是将反应物如氢气等的化学能直接转化为电能的电化学装置。它通过燃料（通常是氢气）和氧气结合所发生的光电反应来发电。燃料电池发展了这么久，根据电介质的不同，主要分为5种燃料电池：碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）；质子交换膜燃料电池（Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC）；磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）；熔盐燃料电池（Molten Car-bonate Fuel Cell，MCFC）；固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。

实际上，燃料电池也有其优点，例如：发电效率高：发热少；噪音低，污染小；功率密度高。目前，燃料电池发电主要集中在以下几个方面：燃料电池特性研究；燃料电池发电系统结构和高效功率变换的研究；能量管理技术；孤岛检测和保护技术，并网电流控制；并网运行与独立运行之间的无缝切换控制技术。

燃料电池所输出的电压会随着电压的变化，发生较大范围的变化。燃料电池的输出电压在负载发生突变时还要经过一段时间才能停止反应，对于质子交换模燃料电池响应延迟达2秒。因此，燃料电池一般与负荷动态的具体要求无法很好的匹配。

二、电力储能技术

可再生能源发电装置所产生的电能主要还存在无法预测的周期性变化，例如风能、光伏发电等，如果将其电能直接输入普通电网，将会对电流带来不良影响，而电力储备装置就可以平衡能源发电输入与电网之间的矛盾。电力储能技术有蓄水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、电池储能等它们都各具特点，各有优势，但它们的正常运行主要是依靠电子电力技术。

蓄水储能与压缩空气储能主要是对电力高峰期进行调节，但是对地理条件的要求较高。电池储能的精密性高，需要在技术成熟的条件下进行，理论上可以用于电力调峰，单电池使用寿命有效，这成为蓄电技术的难点。飞轮储能的储能量有限，运行复杂，一般用于电能质量调节。

三、电能质量控制

（一）电源谐波检测和分析技术

谐波的测量和分析都是以思想谐波治理为前提条件的，精准的谐波测量和分析可以为谐波的治理提供准确的依据。自提出快速傅里叶变换算法（FFT）以来，基于傅里叶变换的谐波测量得到了普遍应用。然而基于傅里叶变换的谐波测量要求整周期同步采样，不然就会严重影响其效果。因此，怎样减少因同步偏差而引起的测量误差成为电子电力技术人员迫切要解决的难题。

（二）电能质量控制和管理

首先，电能质量的控制和管理主要包含功率因数校正和滤波器设计，由于传统的无源滤波器体积和重点都很大，还需要对不同的频率进行设计，而功率因数较技术正是提高功率因数和降低谐波污染的重要途径。如今，电能质量控制和管理的研究重点在与PFC控制技术上，比如：单开关、多开关以及软开关三相PFC电路的研制，软开关技术与PFC技术的融合已经成为未来的发展趋势，虽然目前的PFC产品受到功率的限制，但应用于分布式新能源发电系统却是重要机遇。

四、总结

综上所述，随着科技的发展，新能源的开拓和使用技术越来越成熟，但是，要真正做好新能源发电技术，还需要从解决先存的各种问题，因此，电子电力技术人员应在在电气、电子、控制和信息等工程技术领域加强合作研究，通过系统集成和技术融合，实现各种技术的突破，我相信，我们一定可以克服各种困难，迎来新能源造福人类的灿烂明天。

参考文献：

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[2]汤天浩.新能源与变换:系统集成、技术融合及应用展望[J].电源技术学报,2004,2,1

[3]李俊峰,高虎,王仲颖.中国风电发展报告[M].北京:中国环境科学出版社,2008

[4]戴慧珠,陈默子,王伟胜.中国风电发展现状及有关技术服务[J].中国电力,2005,38,1

第3篇：太阳能发电技术论文范文

关键词：风光热储；新能源；电气二次设计

中图分类号：TM7 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2016）009-000-02

引言

作为能源战略调整、转变电力发展方式的重要内容，近年来，以风电、太阳能为代表的可再生能源发电技术在中国得到了快速发展。目前主流的太阳能发电技术主要有光热发电与光伏发电两种形式，其中太阳能光热发电是通过光学聚焦原理，将太阳光通过抛物形镜面聚集起来产生高温，加热传热介质，最后通过工作介质驱动热动力装置并带动同步发电机发电。相对于光伏发电，光热发电能实现电网大容量供电，是太阳能大规模利用的有效途径之一，当前投资成本过高是限制光热电站发展的主要障碍。风能利用的主流形式是采用风力发电机组（如双馈风机、直驱永磁风机等）将风能转换为50Hz的工频交流电，并接入电网。与常规能源电站相比，风功率的可预测性和可控性均较差，其大量接入会显著影响电能质量和电网稳定运行。将光伏、光热与风能联合构成发电系统，可显著改善总体的有功输出特性，提高电网运行的安全性和稳定性。本文依托风光热储智能互补综合示范项目工程，介绍了太阳能光伏发电、太阳能光热发电和风能发电三种型式联合发电的电气二次部分功能、电气二次设计的方案。

一、项目总体介绍

深圳中科蓝天包头达茂旗600MW风光热储智能互补综合示范项目立足于新能源，借助达茂旗地区丰富的太阳能资源与风能资源，通过风光热储智能互补，实现负荷平稳输出。项目总规模600MW，建设发电形式为太阳能光伏发电、太阳能光热发电和风能发电三种，其中光热工程采用塔式集热方式。

二、项目太阳能光伏、风能发电部分

1.逆变器选型

光伏并网逆变器按容量大小划分主要有20kW、28kW、40kW、100kW、250kW、500kW、750kW、1000kW等几种容量等级，一般大容量逆变器效率要高于小容量逆变器。但逆变器容量过大，一旦故障，电量损失较大。综合以上两因素，本项目采用单台容量为500kW的逆变器。目前国内500kW逆变器技术已经成熟，广泛应用到光伏发电系统中，性价比高，用户反映良好。

逆变器按结构分为有隔离变和无隔离变两种。从造价考虑无隔离变逆变器要优于有隔离变逆变器，且能减少每个逆变器室占地面积。因此，本项目选用无隔离变逆变器。

2.汇流箱接线方式及逆变器单元接线方案

本项目206MWp的光伏阵列可分为206个1MWp的光伏方阵，组成206个1MWp并网发电单元，每1MWp的并网发电单元的光伏组件都通过直流汇流装置分别接至2台500kW的逆变器。每个1MW光伏发电单元共安装4032件260Wp光伏组件，每21件光伏组件串联为一个支路，共192个支路，各支路平均分配接入14个PVC-16直流汇流箱，1至7号PVC-16直流汇线箱接入1面直流防雷配电柜，8至14号直流汇线箱接入1面直流防雷配电柜，共2面直流柜；每面直流防雷配电柜出线接入1面500kW逆变器柜，共2面逆变器柜。

3.光伏、风能发电部分升压站UPS电源及直流电源

光伏、风能发电部分升压站设置2套交流不停电电源（UPS），容量为10kVA。

升压站采用控制负荷与动力负荷混合供电的220V直流电源系统，共装设两组220V阀控铅酸蓄电池组，设置两组充电装置，充电装置选用高频开关型。每组蓄电池容量为400Ah。

4.光伏、风能发电部分二次线、继电保护及自动装置

（1）升压站部分

光伏、风能发电部分升压站电气设备监控采用计算机监控系统，设置网络监控系统，通过远动工作站与中调、地调进行信息传送和远程监控。网络监控系统采用分层分布式结构。主变压器保护采用双重化配置，非电量保护单套配置，保护装置采用微机型、35kV配电装置配置微机型综合保护测控装置。35kV线路及220kV线路侧设置电能质量监测装置。为防止升压站电气设备误操作，设置一套微机五防闭锁系统。本升压站配置GPS/北斗星时间同步系统各1套，为保护和自动装置提供时间同步信号。

（2）光伏区部分

光伏发电系统设备监控采用计算机监控系统，和升压站监控系统共用上位机，由升压站监控上位机统一进行管理。光伏监控系统通过光纤环网将光伏通信设备与升压站监控系统站控层通信设备互联。每个逆变器房设2台直流配电柜测控单元用来采集每路直流回路的电流、直流母线电压及直流空开的跳闸信号以及烟雾报警信号，并将其上传给光伏发电计算机监控系统。箱式变压器的运行状态信号由就地设置的箱变智能测控单元采集，通过光纤网络上传给升压站光伏监控系统。

汇流箱里的每组电池串配熔断器作为整个电池串的保护，出线设直流空气开关用来保护汇流箱至直流配电柜之间的电缆。逆变器设过流、单相接地、过载、过压、欠压、孤岛保护、电网异常等保护。箱式变压器高压侧设熔断器作为变压器内部的短路保护；低压侧设空气开关，带智能脱扣器，作为箱式变压器至逆变器之间电缆的保护，同时兼做逆变器的后备保护。

（3）风电场部分

风电机组采用微机监控系统。微机监控系统分就地监控系统、远程中央监控系统、远程监测系统三部分。箱式变压器的低压侧开关采用就地和远方控制方式。

风力发电机设有过载、堵转、短路、缺相、三相不平衡、过压、失压、温度过高、振动超时、过速、电缆缠绕等保护。风电机组需监测电网的电压、频率，发电机的电流、功率、转速、功率因数和风速，风向，叶轮转速，液压系统状况，偏航系统状况，系统状况、齿轮箱状况、软启动状况，风力发电机组关键设备的温度及户外温度等。

箱式变压器的非电量信号及高压熔断器、刀闸、低压开关的状态、箱变内火灾报警等信号由箱变智能监控单元采集，箱变智能监控单元通过光纤环网与变电站内监控系统的以太网交换机连接，箱式变压器的控制及信号监视由升压站监控系统来完成。

三、项目太阳能光热发电部分

1.发电机及励磁系统

光热发电部分发电机采用交流励磁机带旋转整流器的无刷励磁系统，或机端自并励静态励磁系统。自动电压调节装置（AVR）采用微机型，且为双通道冗余配置，随发电机成套供货。

2.光热发电机组UPS及直流系统

光热发电部分每台机组设置一套静态型交流不间断电源装置（UPS），UPS容量为60kVA。UPS系统包括主机柜（静态转换开关、整流器、逆变器、输入/输出隔离变压器、手动旁路开关）、旁路柜、馈线柜等。

本光热发电机组采用控制负荷与动力负荷混合供电的220V直流电源系统，两台机组共装设两组220V阀控铅酸蓄电池组，设置两组充电装置，充电装置选用高频开关型。UPS屏及直流屏布置在主厂房UPS及直流屏室内。

3.光热发电机组二次线、继电保护及自动装置

光热发电机组及厂用电源系统采用DCS集中控制方式，仅在LCD操作台上留有发电机断路器、灭磁开关的紧急跳闸按钮。发变组及厂用电源操作员站布置在主厂房集控室内。

光热工程220kV升压站设备采用微机监控方式，设置网络监控系统，通过远动工作站与中调、地调进行信息传送和远程监控。网络监控系统操作员站布置在主厂房集控室内。

光热工程发电机变压器组、高压厂用电源、启动/备用变压器保护装置采用微机型，保护采用双重化配置，非电量保护单套配置，保护屏布置在主厂房电子设备间内。6kV厂用设备保护采用综合测控保护装置，380V厂用电动机保护采用智能马达控制器。

每台光热发电机组设置1套自动准同期装置和1面发变组故障录波装置柜。6kV工作段每段装设1套微机型快速切换装置。机组测量及自动装置柜布置在主厂房电子设备间。为防止升压站电气设备误操作，设置一套微机五防闭锁系统。光热机组配置GPS/北斗星时间同步系统各1套，为保护和自动装置提供时间同步信号。

四、总结

本论文的内容主要是风光热储电厂项目的电气二次设计特点及方案。本设计首先对项目概况及规模进行总体分析，其次是介绍该项目太阳能光伏、风能发电部分的主要设计方案，下一步就是介绍该项目太阳能光热发电部分的主要设计方案。在设计过程中还要对相关图纸（主接线图、保护配置、监控系统、自动装置） 进行选择和绘制，希望本论文能够使我们对风光热储电厂项目结构和设计理论有进一步的理解和认识，对新能源电力系统有更深的了解。

参考文献：

[1]梅生伟，王莹莹，刘峰.风-光-储混合电力系统的博弈论规划模型与分析[J].电力系统自动化，2011，35（20）：13-19.

[2]王宇.风光互补发电控制系统的研究和开发[D].硕士研究生学位论文，2008：5-7.

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第4篇：太阳能发电技术论文范文

【关键词】太阳能，光伏一体化，可再生能源，可持续发展

中图分类号： TK511 文献标识码： A 文章编号：

目前能源与环境问题越来越受到重视，如何开发利用新能源和可再生能源，如何改变和优化能源消费结构等一系列问题成为世界关注的新焦点。太阳能是一种取之不尽, 用之不竭且没有污染的清洁能源。随着全球常规能源的紧张和环境污染的加剧, 太阳能被用在供热、空调、制冷及发电等越来越多的领域。太阳能光伏发电是直接将太阳光转换成电能的一种发电形式,具有安全可靠、清洁卫生、无噪声、无污染、建设周期短、维护简单等特点, 正成为一种快速发展的可再生能源技术而被广泛应用。其中，太阳能光伏建筑一体化（BIPV）技术是将太阳能光伏发电系统与建筑有机结合，这项技术为光伏产业的蓬勃发展注入了新的源动力，也开辟了新的光伏应用领域。

太阳能光伏建筑一体化综述

1.1 太阳能光伏建筑一体化的概念

（1）太阳能光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaic，简称BIPV）技术即将太阳能发电(光伏)产品集成或结合到建筑上的技术， 它不但具有护结构的功能，同时又能产生电能供建筑使用。光伏与建筑一体化(BIPV)是“建筑物产生能源”新概念的建筑，是利用太阳能可再生能源的建筑。

（2）太阳能光伏建筑一体化不等于太阳能光伏加建筑。所谓太阳能光伏建筑一体化不是简单的“相加”，而是根据节能、环保、安全、美观和经济实用的总体要求， 将太阳能光伏发电作为建筑的一种体系进入建筑领域，纳入建设工程基本建设程序，同步设计，同步施工，同步验收，与建设工程同时投入使用，同步后期管理， 使其成为建筑有机组成部分的一种理念、 一种设计、一种工程的总称。

（3）光伏建筑一体化的核心建筑是一体化设计、一体化制造、一体化安装，而其辅助技术则包括了低能耗、低成本、优质、绿色建筑材料的技术。光伏建筑一体化也是光伏建筑的规范化和标准化。

（4）光伏建筑一体化赋予了建筑物以新的属性，首先它使建筑物具有了能源的功能，建筑物不仅能够供人居住，还提供能源。随着光伏建筑一体化的进一步发展，今后房产的升值将会逐步地转变到更多地依靠科技价值的含量和提升，以及采用更加科学和严格的价格评价体系上来。BIPV极大的丰富了建筑物的科技内涵，提高了建筑物的使用价值。

1.2 太阳能光伏建筑一体化在国内外的发展现状

在光伏建筑方面，德国、日本走在了前面，代表了人类可再生能源利用的发展方向，德国、日本光伏推广模式都非常成功，值得借鉴。这两个国家发展的基本思路是将晶体硅太阳电池作为主导产品，并采用屋顶计划和并网发电的基本形式，发展的主要推动力是政府的光伏发电补贴政策和银行贷款的激励机制。如德国政府带头利用太阳能，像柏林的议会大厦、柏林火车站等许多公共设施与场所，都大量采用光伏发电设备[2]。

近年来，我国太阳能光伏产业取得了振奋人心的进展，为今后的大发展打下了良好的基础。从发展观念和经济实力分析来看，在太阳能光伏示范推广方面，上海、江苏和广东有望像发展经济和高技术产业一样走在国内的前沿。我国政府拉动光伏产业和自主创新的政策日臻完善，各方利益逐步协调，将使我国太阳能光伏产业成为推动我国经济发展的新的动力，同时，还会推动我国太阳能科技快速跨入国际前列。

二、太阳能光伏建筑一体化的设计

2.1 光伏建筑一体化的安装

（1）光伏建筑一体化主要安装类型如下。

建材型，指将太阳能电池与瓦、砖、卷材、玻璃等建筑材料复合在一起，成为不可分割的建筑构件或建筑材料，如光伏瓦、光伏砖、光伏屋面卷材、玻璃光伏幕墙、光伏采光顶等。

构件型， 指与建筑构件组合在一起或独立成为建筑构件的光伏构件，如以标准普通光伏组件或根据建筑要求定制的光伏组件构成雨篷构件、遮阳构件、栏板构件等。

与屋顶、墙面结合安装型，指在平屋顶上安装、坡屋面上顺坡架空安装以及在墙面上与墙面平行安装等形式。

（2）屋顶一体化方式是指将PV板做成屋面板或瓦的形式覆盖平屋顶或坡屋顶整个屋面，后者与建筑的整体结合方式具有更高的灵活性，为在旧房改造中使用PV板提供了可能。PV板与屋顶整合一体化可以最大限度地接受太阳光的照射，且可兼做屋顶的遮阳板或者做成通风隔热屋面，减少屋顶夏季热负荷。PV板与屋顶的构造做法有两种方式：一种是兼为屋顶防水构造层次的部分，要求PV系统具有良好的防水性能；另一种是单独作为构造层次位于防水层之上，对屋顶防水具有保护功能，可延长防水层的使用寿命。

（3）墙面一体化方式是指PV板与墙面材料一起进行集成。现代建筑支撑系统和维护系统的分离，可使PV板能如同木材、金属、石材、混凝土等预制板一样成为建筑护系统的贴面材料。 PV板墙面一体化主要有PV板外墙装饰板和PV板玻璃幕墙两种方式。PV板玻璃幕墙是指透光型PV板和玻璃集成制成的光电幕墙。 该组件由太阳电池芯片和双层玻璃板构成， 芯片夹在玻璃板之间， 芯片之间和芯片与玻璃板边端之间留有一定的间隙，以便透光，芯片面积占总面积的70%，也即透光率为30%,可有效解决幕墙的遮阳，降低建筑的热负荷，同时可为室内提供特殊的光照气氛；更因其特殊的颜色和质感，拓展了建筑的表现空间。目前PV板价格和某些天然石材己没有差别，今后随着PV板的发展，成本只会越来越低，这就为PV板在建筑的广泛应用创造了良好条件。 光电屋顶与光电幕墙的出现，为建筑师展示建筑艺术作品多了一种新的选择

（4）建筑构件一体化方式是指将PV板与建筑的雨篷、遮阳板、阳台、天窗等构件有机整合，在提供电力的同时可为建筑增加美观的细部。 PV板和遮阳板的结合不仅可为建筑在夏季提供遮阳， 还可使入射光线变得柔和， 改善室内的光环境， 且使窗户保持清洁。但应注意，高效率的PV系统并不一定是高效率的一体化系统。一体化建筑除要求美观外，还要求通过科学的计算和设计，满足建筑构件所要求的强度、防雨、热工、防雷、防火等技术条件。

（5）光伏LED一体化——光电LED多媒体动态幕墙和天幕。 将光伏LED一体化夹层内的太阳能电池和LED半导体的透明基板放置在幕墙、屋面边框内构成光电单元，可以模块化。常规交流供电系统作为LED供电电源，必须将电源转换成低压直流电才能使用。考虑到功率因素的影响和LED供电的特殊性，需要合理设计复杂控制转换电路，这不仅增加了照明系统成本，又降低了能源的利用效率。太阳能光伏发电技术与LED结合的关键，在于两者同为直流电、电压低且能互相匹配。因此两者的结合不需要将太阳能电池产生的直流电转化为交流电，太阳能电池组直接将光能转化为直流电能，通过串、并联的方式任意组合，可得到LED实际需要的直流电，再匹配对应的蓄能电池，便能实现LED照明的供电和控制，无需传统的复杂逆变装置进行供电转换。 因而这种系统可获得很高的能源利用效率，较高的安全性、可靠性和经济性。太阳能电池与半导体照明LED一体化是太阳能电池和LED技术产品的最佳匹配，是集发电、照明、多媒体、建筑节能、动态幕墙和动态天幕于一体的多功能新产品。

2.2 光伏建筑一体化的系统工作原理

（1）光伏建筑一体化主要是光伏发电系统通过光伏组件用于建筑屋顶（光电屋顶）、墙面（光电幕墙）、遮阳（光电遮阳板）来获取电能的一种方式。光伏系统工作时，安装在建筑物上的光伏组件产生直流电源，通过接线盒与逆变器连接，将直流转换成交流，给建筑物负载供电或给建筑物以外其他负荷供电。光伏建筑一体化的发电主要有两种方式，一种是独立的供电系统，即所发电能直接用于建筑物内部分负载；另一种是过剩时采取蓄电池储存。

（2）光伏建筑一体化系统分为独立光伏系统、并网光伏系统和混合光伏系统。带蓄电池可独立运行的PV系统是独立光伏系统。并网光伏发电系统是与电网相连，并向电网输送电力的光伏发电系统。从长远角度来看，并网光伏发电系统更有优越性。因此，建筑物光伏市场正在或即将从独立发电系统转向并网发电系统。混合光伏系统是独立发电加并网发电，又称防灾型系统。

2.3 在我国发展太阳能光伏建筑一体化的必要性

（1）我国人口多，电力需求很大，大、中城市更为突出，电力负载主要在建筑物内或其四周，BIPV可充分利用建筑物的外部空间面积，自产能源，减少电缆线架设及电力输送(就近利用)，BIPV使PV系统与建筑、艺术及生活紧密结合。

（2）光伏建筑一体化的系统，如幕墙光伏发电系统，其成本随建筑物的设计阶段和光伏电池与建筑装饰材料生产过程的结合程度有很大的关系。研究表明，如果设计院、建材生产商和光伏制造商能够充分协作，建材光伏一体化的发电单元制造成本与单独生产光伏组件的成本类似，甚至比建材加光伏组件的成本还低；而逆变和布线系统则可整体并入建筑物的电力系统中去，BIPV的成本可能比单独的光伏发电低得多。

三、结语

和世界上的先进国家和地区相比，光伏建筑一体化技术在我国还处于示范项目阶段，虽然不断有示范项目建成，但大部分项目都是由政府全部或部分投资建造，光伏建筑技术本身难以在能源市场竞争中获得份额。这与德国、日本等光伏产业发达国家相比差距较大，造成这种差异的关键问题是光伏技术发电成本高，而我国缺少保障光伏产业发展的法律和经济激励政策[4]。为此，光伏产业的发展要因地制宜，争取更多的政策支持，充分利用现有适合光伏产品的建筑，并在新建建筑上进行光伏建筑一体化的设计；通过对项目全寿命周期成本进行经济与社会评价，增强投资者和民众的信心，引导生活习惯及居住理念的转变，鼓励民众使用太阳能光伏产品。

参考文献：

1.张雪松.太阳能光电板在建筑一体化中的应用[J].建筑,2005（2）:80-83.

2.陈维,沈辉,褚玉芳,等.太阳能光伏建筑一体化的现状与展望[J].新材料产业,2007(7):36-39

3.龙文志.太阳能光伏建筑一体化[J].建筑节能,2009.

第5篇：太阳能发电技术论文范文

关键词：微电网；混合储能；模糊PID；

中图分类号：TM619 文献标识码：A

1 引言

分布式发电作为环保、灵活、高效的新型发电技术受到越来越多的关注，并且在电力能源中所占比例越来越大[1-2]，但是，风电、光伏发电等可再生微电源自身的不稳定性，波动性以及负载的扰动，会严重影响微电网并网运行的公共供电点的电压和频率的稳定。尤其是在微电网孤岛运行时，微电源

无法保证系统的功率平衡，因此为了充分发掘微电源的价值，提高电能质量，有必要抑制输出功率波动。而随着储能技术的发展，除了传统的铅酸蓄电池和锂电池技术得到较大的飞跃外，新的储能装置发展得也越来越好，比如超级电容和飞轮储能等，这也为采用储能解决光伏并网发电系统功率问题奠定了基础[3-4]。

文章[5]采用了蓄电池储能来解决功率波动问题，但蓄电池储能在平抑高频功率波动时，平抑效果不甚理想。文章[6]采用超级电容器作为储能元

件，超级电容器虽然对平抑功率波动有很好的效果，但本身的成本高、容量低，不能作为微电网的主要储能器件。文章[7]采用了超级电容器和蓄电池的混合储能，但是，光伏系统受环境影响很大，无法达到最好的控制效果。

本文根据以上的问题，提出了基于模糊PID控制的混合储能技术，通过对误差和误差变化率的实时追踪，实时调节PI参数，以得到最佳的控制效果。

2 含混合储能的光伏系统构成及其工作原理

2.1 含混合储能的光伏系统构成和结构分析

本文含混合储能元件的光伏系统结构见图1，系统主要有基于MPPT的光伏模块、超级电容器、大容量蓄电池、双向DC-DC变换模块、滤波模块、逆变整流器、负载。混合储能单元连接到直流母线上，给直流负载供电。直流母线经过逆变器和滤波器后进入交流母线，给交流负载供电。直流母线结构具有良好的扩展性，其它形式的储能元件和微电源可以通过直流母线加入到微电网中。交流母线结构是传统的母线结构，可以很好的应用已有成熟的断路器保护技术，同时对电动机等传统负载供电非常容易。本文结合两种母线结构的优点，采用了交直流混合母线结构。

储能系统采用蓄电池储能和超级电容器组成复合储能系统，超级电容器主要平抑系统中的高频功率波动，该功率波动变化迅速，瞬时功率高，维持时间短，恰好利用超级电容器容量不大但可以频繁充放电且瞬时功率大的特点，平抑效果理想。大容量蓄电池主要平抑系统中的低频功率波动。该功率波动的变化平缓，维持时间长，恰好利用了大型蓄电池响应速度慢，不能频繁充放电且容量大的特点，平抑效果明显。

2.2 系统的工作原理

如图1的系统，当光照充足时，光伏电池发出的功率较大，光伏电池工作在MPPT方式下，此时，光伏电池除了供给逆变器和负载能量外还有能量剩余，此部分能量将给蓄电池和超级电容充电，以保证功率平衡，保证直流母线的电压稳定。当光照不足时，光伏电池的输出功率不足以供给逆变器和负载的功率，储能装置工作在放电模式下，以保证系统的功率平衡和直流母线的电压稳定。

3 混合储能的模糊PID协调控制策略的研究

太阳能发电受环境因素影响很大，输出功率具有波动性和间歇性，根据上文的分析，本文基于蓄电池和超级电容的不同特性，设计了混合储能的模糊PID协调控制策略。

由实验结果可知，在实验一中，0.1s时刻，由于负载突减，蓄电池开始缓慢由放电状态改变为充电状态，此时，直流母线电压突增，然后缓慢降回设定电压。在0.3s时刻，由于负载突增，蓄电池开始缓慢由充电状态变为放电状态，此时直流母线电压突减，而后缓慢升回设定电压。在实验二中，在0.1s时，负载所需功率突降，光伏电池在那一瞬间的功率过大，需要储能元件来吸收多余的能量，由于是瞬时突变，超级电容快速响应，电流有一个瞬间的阶跃，蓄电池则缓慢下降，由放电转变成充电模式。在0.23s左右时，负载突升，此时，超级电容器迅速响应，阶跃上升，而蓄电池缓慢上升，对不足的能量进行补充。

实验一的整个过程中，直流母线电压不能稳定在700v，因此单一的蓄电池储能无法满足抑制微电网功率波动的需求；而在实验二的整个过程中直流母线电压基本稳定在700v左右，在系统突变瞬间超级电容起了主要作用，而在稳定状态，蓄电池起主导作用，这样蓄电池在负载功率变化的瞬间也保持了良好的充放电状态。验证了基于模糊PID的混合储能技术在抑制微电网功率波动上的效果。

5 结束语

针对抑制微电网输出功率波动的问题，本文采用了超级电容器和大容量蓄电池混合储能的方法，并设计了基于模糊PID的协调控制策略，利用模糊控制，实时寻优得到合适的PI参数，改良了以往的控制方法。仿真结果显示，直流母线的电压得到了稳压，输出的功率波动得到了较好的抑制，且充分发挥了超级电容器和大容量蓄电池各自的优点，在提高性能的同时节省了成本，提高了储能元件的使用寿命，说明此种方法是充分发挥了储能元件在微电网输出功率波动上的抑制作用。

参考文献

[1] 王成山，王守相.分布式发电供能系统若干问题研究[J].电力系统自动化，2008，32（20）：1-4.

[2] 丁明，包敏，吴红斌，等.复合能源分布式发电系统的机组组合问题[J].电力系统自动化，2008，32（6）：46―50.

[3] 王金良.风能光伏发电与储能[J].电源技术.2009（7）：628-632.

[4] 王立乔.分布式发电系统中的光伏发电技术[M].北京：机械工业出版社，2010.

[5] 王伟，朱小龙，钱磊等.微电网中蓄电池的建模与控制[J].电工电气，2013（4）：1-6.

[6] 王鑫，郭佳欢等.超级电容器在微电网中的应用[J].电网技术.2009，25（6）：1-6.

第6篇：太阳能发电技术论文范文

这就是光的能量所带来的“引力”。

那么，你知道太阳每年可以为地球提供多少能量吗？你又知道地球上的人类一年工业生产和人们的生活活动一共需要多少能量吗？

太阳能在我们三分之二的国土上， 年辐射量超过60万焦耳/cm2， 每年地表吸收的太阳能大约相当于1.7万亿吨标准煤的能量。中国煤炭的总储量为约6000亿吨，换句话说，每年地表吸收的太阳能相当于2.8倍中国的煤炭总储量。

太阳每年通过大气向地球输送的能量高达3×1024焦耳，这种免费洁净的能源是地球生命和人类生存发展的可靠保证。据统计，地球上人类一年的能源总需求达到约5×1020焦耳，也就是说，如果我们可以收集其中的万分之一到万分之二就足够全世界人类的需求了。

在提高太阳能电池的转换效率和模块技术创新上具有很高造诣、被日本媒体誉为“下一代新型太阳能电池第一人”的韩礼元教授告诉我们，仅仅需要将地球上0.2%的面积覆盖上太阳能电池（假设光电能量转化效率10%），也就是说，相当于中国戈壁滩沙漠或者整个日本国土那么大的面积，就可以收集到足够的能量来满足地球居民全部使用需求！

夸父逐日的故事已经过去了几千年，但是直到今天，太阳所散发出的高能量，依然激励着无数科学家不屈不挠地向着满足人类利用太阳能的目标进发。

其中，开发出高效、价廉、实用的太阳能电池，并使之普及应用，造福人类，更是成为几代科研工作者的梦想。韩礼元教授所致力研制的染料敏化型太阳能电池，就是这样一种新型太阳能电池。

染料敏化太阳能电池――未来阳光灿烂

能源问题已经日益成为全球社会经济发展的制约，二十多年研制染料敏化型太阳能电池的经验，使韩礼元对实行“阳光计划”、开发太阳能资源充满期待和信心，这也是越来越多的国家寻求经济发展的新动力。

他告诉我们，太阳能发电具有安全可靠、无噪声、无污染、不消耗原材料、不必架设高压输电线路、建站周期短、规模可大可小、可以无人值守等一系列优点。特别对于偏远地区的居民供电，或者野外科考、野外作业、军事指挥临时系统的稳定供电具有非常便利的优点。

太阳能高效发电技术早已列入国家中长期科学和技术发展规划中的重点支持和优先发展的方向，成为支撑我国国民经济可持续发展的前瞻性、战略性新能源技术。尤其随着人类对能源的需求量，特别是城市对能源的需求量日益增加，太阳电池的使用更显得势在必行。

目前，进入应用领域的太阳电池主要以硅基电池为主，已历经半个多世纪的发展。在将来进一步更大规模的应用中，硅太阳能电池仍受到诸多限制。因为生产工艺苛刻，在生产过程中会产生污染物等原因，尽管成本降低至3-5元/峰瓦，但是仍然远高于火电和水电的成本，离开政府的支持和补贴，难以大规模普及到农村及城市居民中。

因此，开发低成本和对环境友好的太阳能电池迫在眉睫。

随着纳米材料科学的迅速发展，纳米薄膜太阳能电池日益受到研究者青睐，特别是基于纳米晶多孔膜的染料敏化太阳能电池。

染料敏化太阳能电池，它模拟自然界中的光合作用原理，采用吸附染料的纳米多孔二氧化钛半导体膜作为光阳极，镀碳或镀铂的导电玻璃作为光阴极，电极间选用适当的氧化-还原电解质。只要太阳光一照到电池上，它就会源源不断地开始发电了。

从1996年至今，将近二十年的光阴岁月，染料敏化太阳能电池犹如精心呵护下长大成人的孩子，韩礼元教授对它的优点如数家珍：成本低廉，制作工艺简单，环境友好而且能高度响应低水平的照射条件，拥有潜在的高光电转换效率，极有可能取代传统硅系太阳电池，成为未来太阳电池的主导，缓解能源危机问题。

染料与电池的结合――一条破釜沉舟之路

韩礼元教授是学染料出身，也许这早已注定了他与染料敏化太阳能的不解之缘。

上世纪70年代，在那个“白卷英雄”的时代，中学毕业的韩礼元即进入农场工作，然而，将近四年的电工生涯使他意识到知识的重要性。恢复高考第二年，韩礼元一举考取华东纺织工学院（今东华大学），进入染色专业学习。1982年，大学毕业后不久，他又以优异的成绩考取了国内第一届公派留学，前往日本京都工艺纤维大学攻读硕士研究生，进一步深入学习染料专业。此时的韩礼元在染料世界里尽情畅游，如海绵般汲取染料领域的各种知识，在一次偶然的机会中，他与同事发现合成的染料导电性非常好。当时，超电导是非常热门的研究领域，京都工艺纤维大学电子系的一名导师看中了韩礼元的勤奋好学与专业方面的才气，将他借调到自己的专业研修，从事电子材料领域的研究。这次借调使韩礼元发现了自己在染料专业以外的兴趣所在：“也许是有以前的电工工作背景，我非常喜欢电子材料这样的专业。”

拥有横跨两个专业的背景，1993年，韩礼元进入日本夏普工作之后，顺理成章地成为有机感光材料领域的一名研究人员。作为感光材料的业界翘楚，公司要求韩礼元在材料领域做出开发和创新。

根据当时的文献资料，韩礼元查到1991年瑞士洛桑高等工业学院Michael教授领导的研究小组将纳晶多孔薄膜引入了染料敏化太阳能电池。“我当时想，我喜欢做电子材料和有关的器件，又懂染料，选择研究染料敏化太阳能电池是最合适不过了。”韩礼元这样描述自己当时选择染料敏化太阳能电池道路的心里的想法，“事后证明我的想法有些幼稚”，谈及此，他不禁大笑起来。尽管染料敏化太阳能电池并非韩礼元当初设想的那样是染料与电子材料的组合，但他的这一建议在当时却极具创新意识，得到了夏普公司的采纳和首肯。

1996年，韩礼元正式着手染料敏化太阳能电池的研究工作。但这个选择并不为业内同行所看好，因为相对于其他材料电池，太阳能在当时并非十分引人注目的领域。作为争取利益最大化的私人公司，夏普公司尽管同意韩礼元进行染料敏化太阳能电池，但面对前有技术已经相对成熟的硅基太阳能电池，后有要求投入与产出效益的公司利益，夏普公司仍持谨慎态度，在前期的投入非常少。

这就造成了韩礼元教授当时的困境，前期投入与获得成果，先有鸡，还是先有蛋？

仅仅用了半年多的时间，在人力财力都十分欠缺的条件下，韩礼元教授就将染料敏化太阳能电池做到了3%的效率。

英雄，往往是先他人行一步的首位“吃螃蟹者”，因此在选择之初也会承受更多的困难和打击。回忆起当时的情形，韩礼元教授没有过多描述自己面临的困境，只是说：“正因为是自己心甘情愿做出的选择，而非他人命令，所以即使是最困难的阶段，我也不曾萌生过退意，正所谓‘破釜沉舟’吧。”

世界纪录与“韩家族”的诞生

韩礼元教授领导的研究团队制作的染料敏化太阳能电池，其能量转化效率已经超过了11%。

近10年的努力，浓缩成这样短短的一句话；从3%到11%，呈现在人们面前只是这样简单的数字。

背后的付出，又有几人知？

染料敏化太阳能电池的工作原理，是染料吸收光子后发生电子跃迁，光生电子快速注入到光阳极半导体的导带并经过收集进入外电路而流向光阴极。失去电子的染料分子成为正离子，被还原态的电解质还原再生。还原态的电解质本身被氧化，扩散到光阴极，与外电路流入的电子复合，这样就完成了一个循环。在染料敏化太阳能电池中，光能被直接转换成了电能。

在3%的转化效率基础上，韩礼元教授深入、系统地研究了染料敏化太阳能电池的电子传运机理。他从技术已经成熟的硅基太阳能入手，借鉴等效回路方法，率先提出了染料敏化太阳能电池的等效回路模型，为系统地提高转换效率和长期稳定性奠定了基础。

他所领导的团队，在等效回路模型的基础上，成功地提高了电池的光电流和降低了电池的内电阻，创造了单片电池最高光电转换效率的世界纪录。

这一成果于2006年在日本物理学会杂志（Japanese Journal of Applied Physics Express Letter）上刊登，7年来被引用了1100次以上。“我的成果对其他科研工作者有帮助，为大家提供了一个很方便的工具。”这一打破世界纪录的成果，韩礼元教授只是把它描述成“一个很方便的工具”，欣慰的语言中透出学者的谦虚。

2009年，日本《中文导报》专门以“日本最尖端研究领域的带头人”为题进行报道，将韩礼元称为“下一代太阳电池的色素敏化型电池的第一人”。报道中还写道：太阳光能源转换为电力的效率达到11.1%，创世界纪录。

2011年6月， 韩礼元领导的团队再一次创造世界纪录：染料敏化太阳能电池单片电池光电转换效率达到11.4%，是当时公认最高的光电转换效率。

除此之外，韩礼元教授还对在氧化钛上的染料吸附状态、从染料到氧化钛的电子转移等基础研究，以及在新染料的开发上做出了多项贡献；同时，在有机薄膜太阳能电池、有机半导体材料上也有着深厚的造诣；韩礼元教授还非常关注染料敏化电池在实用化方向上的研究，开发了高效率大面积电池模块，效率达到8%以上，并多次刷新世界纪录。

至今，他已经在国际期刊上发表了近120篇学术论文，并申请了90多项日本专利和40多项国际专利（美国、欧洲、中国、澳大利亚）。根据2005年度日本专利局调查数据，在染料敏化太阳能电池领域，韩礼元教授按发明者计算的专利申请件数也被列为世界第一。

在做出巨大成果的同时，韩礼元教授也带出了一支精兵强将。他对学生和部下要求严格是出名的。“刚开始他们甚至都有点反感我这种严格的做法”，韩教授笑着说。他鼓励年轻人挑战难题，时间久了，大家都发现韩礼元教授有一个特点：支持学生按照自己的观点去尝试，无论事先辩论得多么面红耳赤，只要是正确和合理的，都会得到韩教授的认可。“后来我发现，他们谁都不肯输给我了。”

他说：“大学里主要是建立适合自己的学习方法，学会自我学习，才能不断成长。”作为导师，他认为不应当满足于让学生帮助老师做课题，而要推动学生有自己的想法，培养学生对新事物的高敏感度和创新精神，不盲从，不守旧。尚显稚嫩时出手帮扶，羽翅渐丰后及时放手，是韩礼元教授育人的原则。同时，也要让团队内的成员互相配合，及时发现学生的特点，取其长而舍其短，做到人尽其才。

韩礼元教授有句名言：“学生不超过老师，老师就是失败的。”正所谓严师出高徒，韩礼元教授曾经的学生和部下如今也纷纷成为业内骨干，有些甚至由于与韩礼元教授分属不同机构而成为“竞争对手”。曾有同行开玩笑：以后染料敏化太阳能电池领域的竞争都是在“韩家族”内部产生。对此，韩教授平静的话语下掩盖不住内心的欣慰，青出于蓝而胜于蓝，想来这是每一位为人师者最值得骄傲的时刻吧。

冬天来了 春天还会远吗

染料敏化太阳能电池具有许多硅基太阳能电池所不能应用的领域，例如大型玻璃幕墙，小型家用充电器等。因此，对于纳米薄膜太阳电池尤其是染料敏化太阳电池，研发产业化关键技术具有重要意义。

现阶段，韩礼元教授的研究方向主要集中在染料敏化太阳能电池基础研究，有机薄膜太阳能电池和量子点太阳能电池。

尽管取得了举世瞩目的成就，但韩教授对整个行业有着非常清醒和理性的定位：太阳能电池行业尚处于冬天阶段，这也是我们的积累阶段，储备知识和技术，以迎接即将到来的春天。幸运的是，染料敏化太阳能电池正得到国家的大力支持，韩礼元教授期望经过行业内洗牌，逐渐趋于正规之后，太阳能电池可以再次浮出水面，得到关注并创造价值。

他坦言，与硅基太阳能电池相比，尽管染料敏化太阳能电池具有发电成本低、环境友好、光入射角度依赖性低等优点，但是也有能量转化效率相对偏低的弱点，而且未来想提高其效率尚有一定难度。正因为存在这样的难题，才更需要研究，更需要年轻人去挑战。

韩礼元教授认为，我国目前在染料敏化太阳能领域的基础工艺和研发水平与国外尚存在一定差距，但是也存在有利条件：国内市场竞争者众多，有利于国内的公司在技术上得到提高，通过竞争达到质量、性能、价格等各方面的提升。

染料敏化太阳能领域仿佛蹒跚学步的幼儿，眼下仍需要依赖于国家相关政策的帮扶，尚未达到自己站立。未来，韩礼元教授期望它能够成长为独立生存的产业，展现出太阳能的优势，这也是需要技术人员、市场以及国家相关部门等业内人士共同研究和探讨的课题。

目前，除了科研以外，韩礼元教授也在为染料敏化太阳能相关产品的开发而奔忙和努力。

从经济角度来讲，若实现批量生产，染料敏化太阳能电池的发电成本会接近现有电力价格，而普通的硅电池成本则高出2-3倍，因而染料敏化太阳能电池非常适合批量生产，满足城市居民以及广大农村的需要，特别是对我国近7000万边远地区人口的用电具有实际的意义。

战略角度来讲，我国是一个能源的消耗大国，特别是电力的短缺严重影响我国的经济持续稳定发展。但是无论是核电还是火电，所需要的燃料都是非常有限的，发电的同时也给环境造成了严重的污染。因此，我国尤其应当注重太阳能这种可再生绿色能源的开发与利用，为经济、环境、社会的协调发展奠定良好的基础。

从实用性角度来讲，从染料敏化太阳能电池的结构可以看出，电池是由透明导电玻璃及有一定颜色的染料和电解质构成，且带一定颜色，所以可以通过适当选择染料和电解质的颜色及TiO2膜的厚度来控制整个电池的透光率，这样可以把电池用作窗户玻璃，即透光又可当电池用。

希望十年后当你搬入新家，看到带有装饰色彩的窗玻璃时，别忘了它正在静静为你发电，帮你大量节省着电费的开支。

资料链接

染料敏化太阳能电池小知识

染料敏化太阳能电池的研究历史可以追溯到19世纪早期的照相术。

1837年，Daguerre制出了世界上第一张照片。两年后，Fox Talbot将卤化银用于照片制作，但是由于卤化银的禁带宽度较大，无法响应长波可见光，所以相片质量并没有得到很大的提高。

1883年，德国光电化学专家Vogel发现有机染料能使卤化银乳状液对更长的波长敏感，这是对染料敏化效应的最早报道。

1887年，Moser将这种染料敏化效应用到卤化银电极上，从而将染料敏化的概念从照相术领域延伸到光电化学领域。

1964年，Namba和Hishiki发现同一种染料对照相术和光电化学都很有效。

直到20世纪60年代，德国的Tributsch发现了染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的机理，才使人们认识到光照下电子从染料的基态跃迁到激发态后继而注入半导体的导带的光电子转移是造成上述现象的根本原因。这为光电化学电池的研究奠定了基础。

但是由于当时的光电化学电池采用的是致密半导体膜，染料只能在膜的表面单层吸附，而单层染料只能吸收很少的太阳光，多层染料又阻碍了电子的传输，因此光电转换效率很低，达不到应用水平。

后来人们制备了分散的颗粒或表面积很大的电极来增加染料的吸附量，但一直没有取得非常理想的效果。