第1章 太陽(yáng)能光伏技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)

1.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1.1 太陽(yáng)能及光伏技術(shù)

1. 太陽(yáng)能

太陽(yáng)的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)由熾熱氣體構(gòu)成的球體，主要由氫和氦組成，其中氫占80%，氦占19%。太陽(yáng)能是太陽(yáng)內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。據(jù)計(jì)算，太陽(yáng)輻射每秒抵達(dá)地球表面的能量高達(dá)8.0×1013kW，相當(dāng)于550萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生的能量。地球每年接收的太陽(yáng)能相當(dāng)于目前地球上每年燃燒的固、液、氣體燃料產(chǎn)生的能量的2000倍左右，太陽(yáng)能資源總量相當(dāng)于現(xiàn)在人類所利用能源的1萬多倍。

地球上的風(fēng)能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都來源于太陽(yáng)；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等），從根本上說也是自遠(yuǎn)古以來儲(chǔ)存下來的太陽(yáng)能。廣義的太陽(yáng)能所包括的范圍非常廣，狹義的太陽(yáng)能則限于太陽(yáng)輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。

我國(guó)太陽(yáng)能資源十分豐富，全國(guó)有2/3以上的地區(qū)，年日照時(shí)數(shù)在2000h以上。

太陽(yáng)能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無須運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無任何污染。雖然太陽(yáng)能的總量很大，我國(guó)陸地表面每年接收的太陽(yáng)能就相當(dāng)于1700億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，但太陽(yáng)能十分分散，能流密度較低，到達(dá)地面的太陽(yáng)能每平方米只有1000W左右。同時(shí)，地面上太陽(yáng)能還受季節(jié)、晝夜、氣候等影響時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，具有不穩(wěn)定性，限制了太陽(yáng)能的有效利用。

人類對(duì)太陽(yáng)能的利用有著悠久的歷史。我國(guó)早在2000多年前的戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就知道利用鋼制凹面鏡聚焦太陽(yáng)光來點(diǎn)火，利用太陽(yáng)能來干燥農(nóng)副產(chǎn)品。發(fā)展到現(xiàn)代，太陽(yáng)能的利用已日益廣泛，它包括太陽(yáng)能的光熱利用、太陽(yáng)能的光電利用和太陽(yáng)能的光化學(xué)利用等。太陽(yáng)能作為一種新能源，它與常規(guī)能源相比有三大優(yōu)點(diǎn)。

（1）太陽(yáng)能是人類可以利用的最豐富的能源。據(jù)估計(jì)，在過去漫長(zhǎng)的11億年中，太陽(yáng)僅消耗了它本身能量的2%，可以說是取之不盡，用之不竭。

（2）地球上，無論何處都有太陽(yáng)能，可以就地開發(fā)利用，不存在運(yùn)輸問題，尤其對(duì)交通不發(fā)達(dá)的農(nóng)村、海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)更具有利用的價(jià)值。

（3）太陽(yáng)能是一種潔凈的能源，在開發(fā)和利用時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣，也沒有噪聲，更不會(huì)影響生態(tài)平衡。

我國(guó)西藏、青海、新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古高原均屬世界太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)；四川盆地、兩湖地區(qū)、秦巴山地是太陽(yáng)能資源低值區(qū)；我國(guó)東部、南部、及東北為太陽(yáng)能資源中等區(qū)。各地區(qū)太陽(yáng)能資源情況見表1-1。

2. 太陽(yáng)能光伏技術(shù)

在太陽(yáng)能的有效利用中，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是近些年來發(fā)展最快，也是最具活力的研究領(lǐng)域，是其中最受矚目的項(xiàng)目之一。太陽(yáng)能是一種輻射能，利用太陽(yáng)能發(fā)電是將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電能。目前，太陽(yáng)能發(fā)電有兩種方式：一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。為此，人們研制和開發(fā)了太陽(yáng)能電池，設(shè)計(jì)和建設(shè)獨(dú)立、并網(wǎng)的光—電直接轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，有專家認(rèn)為太陽(yáng)能發(fā)電量最終將在電力供應(yīng)中占20%。

（1）光—熱—電轉(zhuǎn)換方式。是通過利用太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽(yáng)能集熱器將所吸收的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)蒸汽的熱能，再驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。前一個(gè)過程是光—熱轉(zhuǎn)換過程，后一個(gè)過程是熱—電轉(zhuǎn)換過程，其發(fā)電工藝流程與普通的火力發(fā)電相似。太陽(yáng)能熱能發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高，估計(jì)它的投資至少要比普通火電站高5～10倍，一座1000MW的太陽(yáng)能熱電站需要投資20億～25億美元，平均1kW的投資為2000～2500美元。因此，目前只能小規(guī)模地應(yīng)用于特殊的場(chǎng)合，而大規(guī)模利用在經(jīng)濟(jì)上很不合算。所以，太陽(yáng)能熱能發(fā)電還不能與普通的火電站或核電站相競(jìng)爭(zhēng)。

（2）光—電直接轉(zhuǎn)換方式。是利用光電效應(yīng)將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光—電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池是一種基于光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽(yáng)光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)換成電能，在外電路上產(chǎn)生電流。將許多個(gè)太陽(yáng)能電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可構(gòu)成輸出功率比較大的太陽(yáng)能電池方陣。太陽(yáng)能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽(yáng)能電池不會(huì)引起環(huán)境污染；太陽(yáng)能電池可以大中小并舉，大到百萬千瓦的中型電站，小到只供一戶用電的獨(dú)立太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，這些特點(diǎn)是其他電源無法比擬的。

太陽(yáng)能電池也同晶體管一樣，是由半導(dǎo)體構(gòu)成的。它的主要材料是硅，也有一些其他合金材料。用于制造太陽(yáng)能電池的高純硅，要經(jīng)過特殊的提純處理制作。太陽(yáng)能電池的工作原理是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)。所謂光生伏打效應(yīng)就是當(dāng)物體受光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流。當(dāng)太陽(yáng)光或其他光照射到半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí)，產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì)，在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，光生電子和空穴分離，太陽(yáng)能電池兩端出現(xiàn)異性電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓”，這就是“光生伏打效應(yīng)”。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載就有“光生電流”流過，從而獲得電功率輸出。

太陽(yáng)能電池只要受到陽(yáng)光或燈光的照射，就能夠把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?yáng)能電池可發(fā)出相當(dāng)于所接收光能的10%～20%的電。一般來說，光線越強(qiáng)，發(fā)出的電能就越多。為了使太陽(yáng)能電池板最大限度地減少光反射，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽话阍谔?yáng)能電池板的上面都蒙有一層可防止光反射的膜，從而使太陽(yáng)能電池板的表面呈紫色。

1.1.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理及優(yōu)勢(shì)

1. 太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理

光生伏打效應(yīng)在液體和固體物質(zhì)中都會(huì)發(fā)生，但是只有固體（尤其是半導(dǎo)體PN結(jié)器件）在太陽(yáng)光照射下的光電轉(zhuǎn)換效率較高。利用光生伏打效應(yīng)原理制成晶體硅太陽(yáng)能電池，可將太陽(yáng)的光能直接轉(zhuǎn)換成為電能。太陽(yáng)能光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器是太陽(yáng)能電池，又稱光伏電池，是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心器件。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成為電能的過程主要包括3個(gè)步驟：

（1）太陽(yáng)能電池吸收一定能量的光子后，半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，稱為“光生載流子”，兩者的電極性相反，電子帶負(fù)電，空穴帶正電。

（2）電極性相反的光生載流子被半導(dǎo)體PN結(jié)所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)分離開。

（3）光生載流電子和空穴分別被太陽(yáng)能電池的正、負(fù)極收集，并在外電路中產(chǎn)生電流，從而獲得電能。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理如圖1-1所示。當(dāng)光線照射太陽(yáng)能電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量傳遞給硅原子，使電子發(fā)生躍遷，成為自由電子，在PN結(jié)兩側(cè)集聚形成電位差。當(dāng)外部電路接通時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過程的實(shí)質(zhì)是光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。

在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總效率η由太陽(yáng)能電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負(fù)載的效率等決定。目前，太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率只有17%左右。因此，提高太陽(yáng)能電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率、降低太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的單位功率造價(jià)，是太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)和難點(diǎn)。自太陽(yáng)能電池問世以來，晶體硅作為主要材料保持著統(tǒng)治地位。目前對(duì)硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的研究，主要圍繞著加大吸能面（如采用雙面電池減小反射）、運(yùn)用吸雜技術(shù)和鈍化工藝提高硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率、電池超薄型化等方面。

目前，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用于以下3個(gè)方面。

（1）為無電場(chǎng)合提供電源，主要為廣大無電地區(qū)居民生活生產(chǎn)提供電力，為微波中繼站和移動(dòng)電話基站提供電源等。

（2）太陽(yáng)能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽(yáng)能充電器、太陽(yáng)能路燈和太陽(yáng)能草坪燈等。

（3）并網(wǎng)發(fā)電，在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)大面積推廣實(shí)施，我國(guó)并網(wǎng)發(fā)電正在起步階段。

2. 太陽(yáng)能發(fā)電的優(yōu)勢(shì)

通過對(duì)生物質(zhì)能、水能、風(fēng)能和太陽(yáng)能等幾種常見新能源的對(duì)比分析，可以清晰地看出太陽(yáng)能發(fā)電具有以下獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

（1）光伏發(fā)電具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。可以從兩個(gè)方面看太陽(yáng)能利用的經(jīng)濟(jì)性：一是太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽(yáng)能時(shí)不征收任何“稅”，可以隨地取用；二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，有些太陽(yáng)能的利用已具經(jīng)濟(jì)性。隨著科技的發(fā)展以及人類開發(fā)利用太陽(yáng)能技術(shù)的突破，太陽(yáng)能利用的經(jīng)濟(jì)性將會(huì)更加明顯。如果說20世紀(jì)是石油的世紀(jì)，那么21世紀(jì)則是可再生能源的世紀(jì)（太陽(yáng)能的世紀(jì)）。

從太陽(yáng)能光伏發(fā)電站建設(shè)成本來看，隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用和推廣，尤其是上游晶體硅產(chǎn)業(yè)和光伏發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，建筑房頂、外墻等平臺(tái)的復(fù)合開發(fā)利用，每千瓦太陽(yáng)能光伏發(fā)電的建設(shè)成本在2010年可達(dá)到7000～10000元，相比其他可再生能源已具有同樣的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

（2）太陽(yáng)能是取之不盡的可再生能源。根據(jù)計(jì)算，一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約1.892×1024噸，是目前世界主要能源探明儲(chǔ)量的1萬倍。太陽(yáng)的壽命至少尚有40億年，相對(duì)于人類歷史來說，太陽(yáng)能可源源不斷供給地球的時(shí)間可以說是無限的，這就決定了開發(fā)利用太陽(yáng)能將是人類解決常規(guī)能源匱乏、枯竭的最有效途徑。

（3）對(duì)環(huán)境沒有污染。太陽(yáng)能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染，加之其儲(chǔ)量的無限性，是人類理想的替代能源。由于傳統(tǒng)化石燃料（煤、石油和天然氣）在使用過程中排出大量的有毒有害物質(zhì)，會(huì)對(duì)水、土壤和大氣造成嚴(yán)重污染，形成溫室效應(yīng)和酸雨，嚴(yán)重危害人類的生存環(huán)境和身體健康，因此急需開發(fā)出新的比較清潔的替代能源，而太陽(yáng)能作為一種比較理想的清潔能源，正受到世界各國(guó)的日益重視。

從目前各種發(fā)電方式的碳排放率（g/kW·h）來看，不計(jì)算其上游環(huán)節(jié)：煤發(fā)電為275g/kW·h，油發(fā)電為204g/kW·h，天然氣發(fā)電為181g/kW·h，風(fēng)力發(fā)電為20g/kW·h，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電則接近零排放。并且，在發(fā)電過程中沒有廢渣、廢料、廢水、廢氣排出，沒有噪聲，不產(chǎn)生對(duì)人體有害的物質(zhì)，不會(huì)污染環(huán)境。

（4）能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)最少。從能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)來看，太陽(yáng)能光伏發(fā)電是直接將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為電能，在所有可再生能源利用中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)最少、利用最直接。一般來說，在整個(gè)生態(tài)環(huán)境的能量流動(dòng)中，隨著轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的增加、轉(zhuǎn)換鏈條的拉長(zhǎng)，能量的損失將呈幾何級(jí)增加，并同時(shí)大大增加整個(gè)系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)行成本和不穩(wěn)定性。目前，晶體硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率實(shí)用水平為15%～20%，實(shí)驗(yàn)室最高水平已達(dá)35%。

（5）最經(jīng)濟(jì)、最環(huán)保。從資源條件尤其是土地占用來看，生物能、風(fēng)能是較為苛刻的，而太陽(yáng)能利用則很靈活。如果說太陽(yáng)能光伏發(fā)電占用土地面積為1，風(fēng)力則是太陽(yáng)能的8～10倍，生物能則達(dá)到100倍。就水電而言，一個(gè)大型水壩的建成往往需要淹沒數(shù)十平方公里到上百平方公里的土地。相比而言，太陽(yáng)能發(fā)電不需要占用更多的土地，屋頂、墻面都可成為太陽(yáng)能光伏發(fā)電利用的場(chǎng)所，還可利用我國(guó)廣闊的沙漠，通過在沙漠上建造太陽(yáng)能光伏發(fā)電基地，直接降低沙漠地帶直射到地表的太陽(yáng)輻射，有效降低地表溫度，減小蒸發(fā)量，進(jìn)而使植物的存活和生長(zhǎng)在相當(dāng)程度上成為可能，穩(wěn)固并減少沙丘，又向大自然索取了所需的清潔可再生能源。

（6）可免費(fèi)使用且無須運(yùn)輸。人類可以通過專門的技術(shù)和設(shè)備將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能或電能，就地加以利用，無須運(yùn)輸，為人類造福。而且人類利用太陽(yáng)能這一取之不盡的能源也是免費(fèi)的。雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽(yáng)能輻射的不均勻，但相對(duì)于其他能源來說，太陽(yáng)能對(duì)地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國(guó)家和地區(qū)解決能源問題提供了美好前景。