1.1 太陽能光伏發電概述

1.1.1 太陽能光伏發電簡介

太陽能光伏發電是利用太陽電池（一種類似于晶體二極管的半導體器件）的光生伏特效應直接把太陽的輻射能轉變為電能的一種發電方式，太陽能光伏發電的能量轉換器就是太陽電池，也叫光伏電池。當太陽光照射到太陽電池（由P、N型兩種不同類型的同質半導體材料構成）上時，其中一部分光線被反射，一部分光線被吸收，還有一部分光線透過電池片。被吸收的光能激發被束縛的高能級狀態下的電子，產生電子-空穴對，在PN結的內建電場作用下，電子、空穴相互運動（如圖1-1所示），N區的空穴向P區運動，P區的電子向N區運動，使太陽電池的受光面有大量負電荷（電子）積累，而在電池的背光面有大量正電荷（空穴）積累。若在電池兩端接上負載，負載上就有電流通過，當光線一直照射時，負載上將源源不斷地有電流流過。單片太陽電池就是一個薄片狀的半導體PN結，標準光照條件下，額定輸出電壓為0.5～0.55V。為了獲得較高的輸出電壓和較大的功率容量，在實際應用中往往把多片太陽電池連接在一起構成電池組件，或者用更多的電池組件構成光伏方陣，如圖1-2所示。太陽電池的輸出功率是隨機的，不同時間、不同地點、不同光照強度、不同安裝方式下，同一塊太陽電池的輸出功率也是不同的。

1.1.2 太陽能光伏發電的優點

太陽能光伏發電的過程簡單，沒有機械轉動部件，不消耗燃料，不排放包括溫室氣體在內的任何物質，無噪聲，無污染；太陽能資源分布廣泛且取之不盡、用之不竭。因此，與風力發電和生物質能發電等新型發電技術相比，光伏發電是一種最具可持續發展特征（最豐富的資源和最潔凈的發電過程）的可再生能源發電技術，其主要優點如下。

（1）太陽能資源取之不盡、用之不竭，照射到地球上的太陽能要比人類目前消耗的能量大近6000倍，而且太陽能在地球上分布廣泛，只要有光照的地方就可以使用光伏發電系統，不受地域、海拔等因素的限制。

（2）雖然在地球表面，維度的不同、氣候條件的差異等因素會造成太陽能輻射的不均勻，但由于太陽能資源隨處可得，可就近解決發電、供電和用電，不必長距離輸送，避免了長距離輸電線路投資及電能損失。

（3）光伏發電是直接從光子到電子的轉換，沒有中間過程（如熱能轉換為機械能、機械能轉換為電磁能等）和機械運動，不存在機械磨損。根據熱力學分析，光伏發電具有很高的理論發電效率，可達80％以上，技術開發潛力大。

（4）光伏發電本身不用燃料，溫室氣體和其他廢氣物質的排放幾乎為零，不產生噪聲，也不會對空氣和水產生污染，對環境友好。不會遭受能源危機或燃料市場不穩定的沖擊，太陽能是真正綠色環保的可再生新能源。

（5）光伏發電過程不需要冷卻水，發電裝置可以安裝在沒有水的荒漠、戈壁上。光伏發電還可以很方便地與建筑物的屋頂、墻面結合，構成屋頂分布式或光伏建筑一體化發電系統，不需要單獨占有土地，可節省寶貴的土地資源。

（6）光伏發電無機械傳動部件，操作、維護簡單，運行穩定可靠。一套光伏發電系統只要有太陽、電池組件就能發電，加之自動控制技術的廣泛采用，基本上可實現無人值守，維護成本低。

（7）光伏發電系統工作性能穩定可靠，使用壽命長（30年以上），晶體硅太陽電池壽命可長達25～35年。在光伏發電系統中，只要設計合理、選型適當，蓄電池的壽命也可長達10～15年。

（8）太陽電池組件結構簡單，體積小、重量輕，便于運輸和安裝。光伏發電系統建設周期短，而且根據用電負荷其容量可大可小，方便靈活，極易組合、擴容。

此外，近幾年來應用最為廣泛的是利用各種建筑物屋頂和農業設施屋頂及家庭住宅屋頂建設的分布式光伏發電系統，除同樣具有上述優點外，還具有以下優越性。

（1）分布式光伏發電基本不占用土地資源，可就近發電、供電，不用或少用輸電線路，降低了輸電成本。光伏組件還可以直接代替傳統的墻面和屋頂材料。

（2）分布式光伏發電系統在接入配電網時是發電用電并存。在電網供電處于高峰期發電，可以有效地起到平峰的作用，削減城市昂貴的高峰供電負荷，能夠在一定程度上緩解局部地區的用電緊張狀況。

1.1.3 太陽能光伏發電的缺點

當然，太陽能光伏發電也有它的不足和缺點，歸納起來有以下幾點。

（1）能量密度低。盡管太陽投向地球的能量總和極其巨大，但由于地球表面積也很大，而且地球表面大部分被海洋覆蓋，真正能夠到達陸地表面的太陽能只有到達地球范圍輻射能量的10％左右，致使在陸地單位面積上能夠直接獲得的太陽能量較少，通常以太陽輻照度來表示，地球表面最高值約為1.2kWh/m2，且絕大多數地區和大多數的日照時間都低于1kWh/m2。太陽能的利用實際上是低密度能量的收集、利用。

（2）占地面積大。太陽能能量密度低，這就使得光伏發電系統的占地面積會很大，每10kW光伏發電功率占地約70m2，平均每平方米面積的發電功率為160W左右。隨著分布式光伏發電的推廣以及光伏建筑一體化發電技術的成熟和發展，越來越多的光伏發電系統可以利用建筑物、構筑物的屋頂和立面，逐步改善了光伏發電系統占地面積大的不足。

（3）轉換效率較低。光伏發電的最基本單元是太陽電池組件。光伏發電的轉換效率指的是光能轉換為電能的比率。目前晶體硅光伏電池的最高轉換效率在21％左右，做成的電池組件轉換效率在16％～17％，非晶硅光伏組件的轉換效率最高超不過13％。由于光電轉換效率較低，使光伏發電系統功率密度低，難以形成高功率發電系統。

（4）間歇性工作。在地球表面，光伏發電系統只能在白天發電，晚上則不能發電，這和人們的用電方式和習慣不符。除非在太空中沒有晝夜之分的情況下，太陽電池才可以連續發電。

（5）受自然條件和氣候環境因素影響大。太陽能光伏發電的能源直接來源于太陽光的照射，而地球表面上的太陽光照射受自然條件和氣候的影響很大，一年四季、晝夜交替、地理緯度和海拔高度等自然條件以及陰晴、雨雪、霧天甚至云層的變化都會嚴重影響系統的發電狀態。另外，環境因素的影響也很大，特別是空氣中的顆粒物（如灰塵等）降落在電池組件表面，會阻擋部分光線的照射，使電池組件轉換效率降低，發電量減少。

（6）地域依賴性強。不同的地理位置，使各地區的日照資源相差很大。光伏發電系統只有在太陽能資源豐富的地區應用效果才好，投資收益率才高。

（7）系統成本高。太陽能光伏發電的效率較低，到目前為止，光伏發電的成本仍然比其他常規發電方式（火力和水力發電等）的要高。這也是制約其廣泛應用的主要因素之一。但是我們應看到，隨著太陽電池產能的不斷擴大及電池片光電轉換效率的不斷提高，光伏發電系統成本下降得非常快，太陽電池組件的價格已經從前幾年的每瓦十幾元下降至目前的2.5元/W左右。

（8）晶體硅電池的制造過程高污染、高能耗。晶體硅電池的主要原料是純凈的硅。硅是地球上含量僅次于氧的元素，主要存在形式是沙子（二氧化硅）。從沙子一步步變成含量為99.9999％以上純凈的晶體硅，期間要經過多道化學和物理工序，不僅要消耗大量能源，還會造成一定的環境污染。

盡管太陽能光伏發電有上述不足和缺點，但是全球化石能源的逐漸枯竭以及因化石能源過度消耗而引發的全球變暖和生態環境惡化，給人類帶來了很大的生存威脅，因此大力開發可再生能源是解決這個問題的主要措施之一。由于太陽能光伏發電是一種最具可持續發展特征的可再生能源發電技術，近年來我國政府也相繼出臺了一系列鼓勵和支持新能源及太陽能光伏產業的政策法規，這使得太陽能光伏產業迅猛發展，光伏發電技術和水平不斷提高，應用范圍逐步擴大，將在能源結構中占有越來越大的比重。

1.1.4 太陽能光伏發電的應用

太陽電池及光伏發電系統已經逐步應用到工業、農業、科技、國防及老百姓的日常生活中，預計到21世紀中葉，太陽能光伏發電將成為主要的發電形式之一，在可再生能源結構中占有一定比例。太陽能光伏發電的具體應用主要有以下幾個方面。

（1）通信領域的應用：包括太陽能無人值守微波中繼站（如圖1-3所示），光纜通信系統及維護站，移動通訊基站，廣播、通信電源系統，衛星通信和衛星電視接收系統，農村程控電話、載波電話光伏系統，小型通信機，部隊通信系統，士兵GPS供電等。

（2）公路、鐵路、航運交通領域的應用：如鐵路和公路信號系統，鐵路信號燈，交通警示燈、標志燈、信號燈，公路太陽能路燈，太陽能道釘燈、高空障礙燈，高速公路監控系統，高速公路、鐵路無線電話亭，無人值守道班供電，航標燈燈塔和航標燈電源等。太陽能燈具的應用實例如圖1-4所示。

（3）石油、海洋、氣象領域的應用：石油管道陰極保護和水庫閘門陰極保護的太陽能電源系統，石油鉆井平臺生活及應急電源，海洋檢測設備，氣象和水文觀測設備、觀測站，電源系統等。

（4）農村和邊遠無電地區的應用：在高原、海島、牧區、邊防哨所等農村和邊遠無電地區應用的太陽能離網光伏發電系統、村莊、學校、醫院、飯店、旅社、商店等的小型風光互補發電系統。解決無電地區的深水井飲用、農田灌溉等用電問題的太陽能光伏水泵。另外還有太陽能噴霧器、太陽能電圍欄、太陽能黑光滅蟲燈（如圖1-5所示）等應用。

（5）太陽能光伏照明方面的應用：太陽能路燈、庭院燈、草坪燈，太陽能景觀照明，太陽能路標標牌、信號指示、廣告燈箱照明等，還有家庭照明燈具（如圖1-6所示）及手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、割膠燈、節能燈、手電筒等。

（6）大型地面光伏發電系統（電站）的應用：主要應用在光照資源好，有大量非農業用地的我國中西部地區。

（7）分布式光伏發電及光伏建筑一體化發電系統（BIPV）的應用：利用工商業屋頂、公共設施屋頂及家庭住宅屋頂等安裝分布式光伏發電系統，以及用太陽能電池組件代替建筑材料、作為建筑物的屋頂和外立面使用，使得各類建筑物都能實現光伏發電系統與電力電網并網運行，以自發自用為主、剩余電力送入電網（如圖1-7所示），這將是目前和今后一段時期光伏發電應用的主要形式和發展方向。

（8）太陽能商品及玩具的應用：太陽能收音機、太陽能鐘、太陽帽、太陽能手機充電器、太陽能手表、太陽能計算器、太陽能玩具等，如圖1-8所示。

（9）其他領域的應用：太陽能電動汽車、電動自行車、太陽能游艇，太陽能充電設備，太陽能汽車空調、換氣扇、冷飲箱等，還有太陽能制氫加燃料電池的再生發電系統，海水淡化設備供電，衛星、航天器、空間太陽能電站等，如圖1-9所示。