第1章 太陽能光伏技術基礎知識

1.1 太陽能光伏發電系統

1.1.1 太陽能及光伏技術

1. 太陽能

太陽的基本結構是一個由熾熱氣體構成的球體，主要由氫和氦組成，其中氫占80%，氦占19%。太陽能是太陽內部連續不斷的核聚變反應過程產生的能量。據計算，太陽輻射每秒抵達地球表面的能量高達8.0×1013kW，相當于550萬噸標準煤燃燒產生的能量。地球每年接收的太陽能相當于目前地球上每年燃燒的固、液、氣體燃料產生的能量的2000倍左右，太陽能資源總量相當于現在人類所利用能源的1萬多倍。

地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質能以及部分潮汐能都來源于太陽；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古以來儲存下來的太陽能。廣義的太陽能所包括的范圍非常廣，狹義的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學的直接轉換。

我國太陽能資源十分豐富，全國有2/3以上的地區，年日照時數在2000h以上。

太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無須運輸，對環境無任何污染。雖然太陽能的總量很大，我國陸地表面每年接收的太陽能就相當于1700億噸標準煤，但太陽能十分分散，能流密度較低，到達地面的太陽能每平方米只有1000W左右。同時，地面上太陽能還受季節、晝夜、氣候等影響時強時弱，具有不穩定性，限制了太陽能的有效利用。

人類對太陽能的利用有著悠久的歷史。我國早在2000多年前的戰國時期就知道利用鋼制凹面鏡聚焦太陽光來點火，利用太陽能來干燥農副產品。發展到現代，太陽能的利用已日益廣泛，它包括太陽能的光熱利用、太陽能的光電利用和太陽能的光化學利用等。太陽能作為一種新能源，它與常規能源相比有三大優點。

（1）太陽能是人類可以利用的最豐富的能源。據估計，在過去漫長的11億年中，太陽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，無論何處都有太陽能，可以就地開發利用，不存在運輸問題，尤其對交通不發達的農村、海島和邊遠地區更具有利用的價值。

（3）太陽能是一種潔凈的能源，在開發和利用時，不會產生廢渣、廢水、廢氣，也沒有噪聲，更不會影響生態平衡。

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

2. 太陽能光伏技術

在太陽能的有效利用中，太陽能發電系統是近些年來發展最快，也是最具活力的研究領域，是其中最受矚目的項目之一。太陽能是一種輻射能，利用太陽能發電是將太陽光轉換成電能。目前，太陽能發電有兩種方式：一種是光—熱—電轉換方式，另一種是光—電直接轉換方式。為此，人們研制和開發了太陽能電池，設計和建設獨立、并網的光—電直接轉換太陽能發電系統，有專家認為太陽能發電量最終將在電力供應中占20%。

（1）光—熱—電轉換方式。是通過利用太陽輻射產生的熱能發電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的太陽能轉換成工質蒸汽的熱能，再驅動汽輪發電機發電。前一個過程是光—熱轉換過程，后一個過程是熱—電轉換過程，其發電工藝流程與普通的火力發電相似。太陽能熱能發電的缺點是效率很低而成本很高，估計它的投資至少要比普通火電站高5～10倍，一座1000MW的太陽能熱電站需要投資20億～25億美元，平均1kW的投資為2000～2500美元。因此，目前只能小規模地應用于特殊的場合，而大規模利用在經濟上很不合算。所以，太陽能熱能發電還不能與普通的火電站或核電站相競爭。

（2）光—電直接轉換方式。是利用光電效應將太陽輻射能直接轉換成電能，光—電轉換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種基于光生伏特效應將太陽光能直接轉化為電能的器件，是一個半導體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能轉換成電能，在外電路上產生電流。將許多個太陽能電池串聯或并聯起來就可構成輸出功率比較大的太陽能電池方陣。太陽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點。太陽能光伏發電與火力發電、核能發電相比，太陽能電池不會引起環境污染；太陽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立太陽能發電系統，這些特點是其他電源無法比擬的。

太陽能電池也同晶體管一樣，是由半導體構成的。它的主要材料是硅，也有一些其他合金材料。用于制造太陽能電池的高純硅，要經過特殊的提純處理制作。太陽能電池的工作原理是半導體PN結的光生伏打效應。所謂光生伏打效應就是當物體受光照時，物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流。當太陽光或其他光照射到半導體的PN結時，產生光生電子—空穴對，在內建電場作用下，光生電子和空穴分離，太陽能電池兩端出現異性電荷的積累，即產生“光生電壓”，這就是“光生伏打效應”。若在內建電場的兩側引出電極并接上負載，則負載就有“光生電流”流過，從而獲得電功率輸出。

太陽能電池只要受到陽光或燈光的照射，就能夠把光能轉變為電能，太陽能電池可發出相當于所接收光能的10%～20%的電。一般來說，光線越強，發出的電能就越多。為了使太陽能電池板最大限度地減少光反射，將光能轉變為電能，一般在太陽能電池板的上面都蒙有一層可防止光反射的膜，從而使太陽能電池板的表面呈紫色。

1.1.2 太陽能光伏發電原理及優勢

1. 太陽能光伏發電原理

光生伏打效應在液體和固體物質中都會發生，但是只有固體（尤其是半導體PN結器件）在太陽光照射下的光電轉換效率較高。利用光生伏打效應原理制成晶體硅太陽能電池，可將太陽的光能直接轉換成為電能。太陽能光伏發電的能量轉換器是太陽能電池，又稱光伏電池，是太陽能光伏發電系統的基礎和核心器件。太陽能轉換成為電能的過程主要包括3個步驟：

（1）太陽能電池吸收一定能量的光子后，半導體內產生電子—空穴對，稱為“光生載流子”，兩者的電極性相反，電子帶負電，空穴帶正電。

（2）電極性相反的光生載流子被半導體PN結所產生的靜電場分離開。

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

太陽能光伏發電原理如圖1-1所示。當光線照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量傳遞給硅原子，使電子發生躍遷，成為自由電子，在PN結兩側集聚形成電位差。當外部電路接通時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的實質是光子能量轉換成電能的過程。

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

目前，太陽能光伏發電系統主要應用于以下3個方面。

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

（2）太陽能日用電子產品，如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草坪燈等。

（3）并網發電，在發達國家已經大面積推廣實施，我國并網發電正在起步階段。

2. 太陽能發電的優勢

通過對生物質能、水能、風能和太陽能等幾種常見新能源的對比分析，可以清晰地看出太陽能發電具有以下獨特優勢。

（1）光伏發電具有經濟優勢。可以從兩個方面看太陽能利用的經濟性：一是太陽能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽能時不征收任何“稅”，可以隨地取用；二是在目前的技術發展水平下，有些太陽能的利用已具經濟性。隨著科技的發展以及人類開發利用太陽能技術的突破，太陽能利用的經濟性將會更加明顯。如果說20世紀是石油的世紀，那么21世紀則是可再生能源的世紀（太陽能的世紀）。

從太陽能光伏發電站建設成本來看，隨著太陽能光伏發電的大規模應用和推廣，尤其是上游晶體硅產業和光伏發電技術的日趨成熟，建筑房頂、外墻等平臺的復合開發利用，每千瓦太陽能光伏發電的建設成本在2010年可達到7000～10000元，相比其他可再生能源已具有同樣的經濟優勢。

（2）太陽能是取之不盡的可再生能源。根據計算，一年內到達地球表面的太陽能總量折合標準煤共約1.892×1024噸，是目前世界主要能源探明儲量的1萬倍。太陽的壽命至少尚有40億年，相對于人類歷史來說，太陽能可源源不斷供給地球的時間可以說是無限的，這就決定了開發利用太陽能將是人類解決常規能源匱乏、枯竭的最有效途徑。

（3）對環境沒有污染。太陽能像風能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發利用時幾乎不產生任何污染，加之其儲量的無限性，是人類理想的替代能源。由于傳統化石燃料（煤、石油和天然氣）在使用過程中排出大量的有毒有害物質，會對水、土壤和大氣造成嚴重污染，形成溫室效應和酸雨，嚴重危害人類的生存環境和身體健康，因此急需開發出新的比較清潔的替代能源，而太陽能作為一種比較理想的清潔能源，正受到世界各國的日益重視。

從目前各種發電方式的碳排放率（g/kW·h）來看，不計算其上游環節：煤發電為275g/kW·h，油發電為204g/kW·h，天然氣發電為181g/kW·h，風力發電為20g/kW·h，而太陽能光伏發電則接近零排放。并且，在發電過程中沒有廢渣、廢料、廢水、廢氣排出，沒有噪聲，不產生對人體有害的物質，不會污染環境。

（4）能量轉換環節最少。從能量轉換環節來看，太陽能光伏發電是直接將太陽輻射能轉換為電能，在所有可再生能源利用中，太陽能光伏發電的轉換環節最少、利用最直接。一般來說，在整個生態環境的能量流動中，隨著轉換環節的增加、轉換鏈條的拉長，能量的損失將呈幾何級增加，并同時大大增加整個系統的建設、運行成本和不穩定性。目前，晶體硅太陽能電池的光電轉換效率實用水平為15%～20%，實驗室最高水平已達35%。

（5）最經濟、最環保。從資源條件尤其是土地占用來看，生物能、風能是較為苛刻的，而太陽能利用則很靈活。如果說太陽能光伏發電占用土地面積為1，風力則是太陽能的8～10倍，生物能則達到100倍。就水電而言，一個大型水壩的建成往往需要淹沒數十平方公里到上百平方公里的土地。相比而言，太陽能發電不需要占用更多的土地，屋頂、墻面都可成為太陽能光伏發電利用的場所，還可利用我國廣闊的沙漠，通過在沙漠上建造太陽能光伏發電基地，直接降低沙漠地帶直射到地表的太陽輻射，有效降低地表溫度，減小蒸發量，進而使植物的存活和生長在相當程度上成為可能，穩固并減少沙丘，又向大自然索取了所需的清潔可再生能源。

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