第一節 光伏產業的發展現狀

自從1839年法國科學家E.Becquerel發現液體的光生伏特效應以來，太陽發電已經經過了160多年的漫長發展歷史。20世紀50年代，美國貝爾實驗室三位科學家首次研制成功實用的單晶硅太陽能電池，誕生了將太陽光能轉換為電能的實用光伏發電技術，成為太陽能電池發展史上的里程碑。

光伏發電的基本原理就是“光生伏特效應”，簡稱“光伏效應”，它是指在光的照射下，使半導體或某些特定材料的不同部位之間產生電位差的現象。它將光能量轉化為電能量，然后形成電壓的過程，從本質上講是能量相互轉換的過程。有了電壓，就像筑高了的大壩，如果兩者之間連通，就會形成電流回路。能產生光伏效應的原材料有許多，常見的有單晶硅、多晶硅、非晶硅和砷化鎵等，它們的發電原理基本相似，現以硅為例進行說明和分析。

帶正電荷的硅原子旁邊圍繞著4 個帶負電荷的電子，可以通過向硅晶體中摻入其他雜質，如硼、磷等來改變其特性，形成N型或P型半導體。當P型和N型半導體結合在一起時，形成具有電位差的PN結。具體形成過程如圖1-1和圖1-2所示。

在圖1-1中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的4個電子。當硅晶體中摻入其他雜質，如當摻入硼時，硅晶體中就會存在1個空穴。如圖1-2所示，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的4個電子，實心圓表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有3個電子，所以就會產生如圖所示的空穴（圖中的“空心圓”表示空穴），這個空穴因為沒有電子而變得很不穩定，容易吸收電子而中和，形成P型（positive）半導體。

同樣，摻入磷原子以后，因為磷原子有5個電子，所以就會有1個電子變得非常活躍，形成N型（negative）半導體。實心圓為磷原子核，邊上的負電荷為多余的電子，如圖1-3所示。

當P型和N型半導體結合在一起時，在兩種半導體的交界面區域里會形成一個特殊的薄層，界面的P型一側帶負電，N型一側帶正電。這是由于P型半導體多空穴，N型半導體多自由電子，出現了濃度差。N區的電子會擴散到P區，P區的空穴會擴散到N區，一旦擴散就形成了一個由N指向P的“內電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層，這就是PN結，如圖1-4所示。當PN結受到光照射之后產生電子-空穴對，在“內電場”的作用下，N型半導體的空穴獲得能量后向P型區移動，而P型區中的電子獲得能量后往N型區移動，形成從N型區到P型區的“內電流”，最后在PN結中形成電勢差，形成了光伏電源。

以太陽能硅材料的應用開發所形成的產業鏈條稱為光伏產業，如高純多晶硅原材料生產、太陽能電池生產、太陽能電池組件生產、相關生產設備的制造、光伏發電站等均屬于光伏產業。

目前，傳統的化石能源與經濟、環境的矛盾越來越突出，能源是經濟與社會發展的基本動力，但由于常規能源的有限性和分布不均勻性，造成世界上大部分國家的能源供應不足，不能滿足經濟可持續發展的需要。從長遠來看，全球已探明的石油儲量大約只能用到2040年，天然氣也只能延續到2060年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持一兩百年。而傳統的化石能源所帶來的環境問題更令人擔憂，每年有數十萬噸二氧化硫和二氧化碳等有害物質排向空間，使大氣環境遭到嚴重污染，直接影響人們的身體健康和生活質量，局部地區形成嚴重的酸雨區，又嚴重污染水土。同時，由于排放大量溫室氣體而產生的溫室效應，已引起全球氣候惡化。

發展可再生能源已成為全球課題，可再生能源可分為：風能、生物能、太陽能。太陽能的利用前景最好，潛力最大。近30年來，太陽能利用技術在研究開發、商業化生產、市場開拓方面都獲得了長足發展，成為世界快速、穩定發展的新興產業之一。而其中的太陽光伏發電是世界上節約能源、倡導綠色電力的一種主要的高新技術產業。發展光伏產業已經成為全球各國解決能源與經濟發展、環境保護之間矛盾的最佳途徑之一。

光伏產業具有明顯的優越性。首先，豐富的太陽輻射能，是取之不盡用之不竭、無污染、廉價的能源。太陽每秒輻射到地球的能量高達80萬kW，如果把地球表面0.1%的太陽能轉為電能，轉變率為5%，那么每年發電量可達5.6 × 1012 kW·h，相當于目前全世界能耗的40倍。其次，太陽能光伏發電在近些年來得到了長足的發展和進步。太陽能光伏發電是一種零排放的清潔能源，而且十分容易規模產業化，可用于獨立發電和并網發電。近幾年來，國際上光伏發電快速發展，2008 年全球太陽能新裝容量達5559MW，其中德國約為1500MW，西班牙約為2511MW，日本約為230MW，美國約為342MW，如圖1-5所示。

PV為photovoltaic的縮寫，意思是光伏發電。光伏發電作為一種清潔能源，受到了世界各國的重視，2008年全球光伏裝機容量為5559MW，比2007年增長了135%。如圖1-6所示為2003—2008年全球光伏裝機容量。

光伏發電與其他能源的發電相比，主要有如下優點：

（1）結構簡單，體積小且輕；

（2）易安裝，易運輸，建設周期短；

（3）使用方便，維護簡單，在-50℃～65℃溫度范圍均可正常工作；

（4）清潔能源，安全、無噪聲、零排放；

（5）可靠性高，壽命長；

（6）太陽能幾乎到處都有，所以光伏發電應用范圍廣；

（7）降價速度快，能量償還時間有可能縮短；

（8）可以與蓄電池相配組成獨立電源，也可以并網發電。

它的主要缺點有：

（1）覆蓋面積大但太陽能能量密度低；

（2）光伏發電具有間歇性和隨機性；

（3）各個地區太陽能資源分布情況不同，所以光伏發電區域性強。

另外光伏發電的成本較高，是火電成本的6 倍，是風電的4 倍多，高額的發電成本決定了目前光伏發電必須依靠政策補貼運行。過去十幾年光伏發電行業爆炸性增長的原因在于歐美發達國家相繼出臺光伏發電的補貼政策，補貼政策也成為光伏發電行業增長的主要驅動力。例如，日本政府于2008 年11 月發布了“太陽能發電普及行動計劃”，確定太陽能發電量到2030 年的發展目標是要達到2005 年的40 倍。2008 年9 月16 日，美國參議院通過了一攬子的減稅計劃，其中將光伏行業的減稅政策（ITC）續延2 6 年。

中國光伏發電產業于20 世紀70 年代起步，90 年代中期進入穩步發展時期，太陽能電池及組件產量逐年穩步增加。經過30 多年的努力，已迎來了快速發展的新階段，在“光明工程”先導項目和“送電到鄉”工程等國家項目及世界光伏市場的有力拉動下，中國光伏發電產業迅猛發展。

視野拓展

一、太陽能容量的表示法

MWp 代號的含義：MW是兆瓦，1MW等于1000kW，WP 是太陽能電池的峰值功率。

二、日本政府的太陽能發電普及行動計劃

據日經BP社2008 年11 月14 日報道：日本經濟產業省、文部科學省、國土交通省以及環境省于2008 年11 月11 日聯合發布了“太陽能發電普及行動計劃”，主要內容包括：

（1）爭取到2020 年、2030 年太陽能電池的發電量分別增加至2005 年的10 倍、40 倍，期間年均復合增速約為16%；

（2）在未來3～5 年內，將太陽能電池系統的價格降至目前的50%左右；

（3）推進太陽能電池材料和模塊的技術開發、實現系統的輕量化和安裝的簡化；

（4）向家庭方面普及提供補助金，并加快公路、鐵路、港口及機場等公共設施領域內的普及。

三、中國“光明工程”項目和“送電到鄉”工程

1. 光明工程

1997年5月7日，國家確定“中國光明工程”已進入實施階段，5年內將有800萬無電貧困人口成為這一工程的首批受惠者。“中國光明工程”將通過開發利用風能、太陽能等新能源，以新的發電方式為那些遠離電網的無電地區提供能量，為改變當地貧困落后的面貌提供條件。這一計劃是我國政府為響應1996年在津巴布韋召開的“世界太陽能高峰會議”上提出的在全球無電地區推行“光明工程”的倡議而制訂的。目前，我國有7656 萬無電人口、16個無電縣、29783個無電村，這些人口和地區都遠離電網，負荷小而分散，無法用延伸電網的方式供電。無電成為制約經濟發展的一大障礙。據國家計委人士介紹，我國風能、太陽能資源豐富，風能可開發總量為2.53億kW，年日照時間為2000h以上的地區占國土面積的2/3。同時，通過自主開發和引進技術，我國已能提供多種配套風能發電設備，為實施中國光明工程奠定了技術基礎。據悉，“中國光明工程”近期將選擇風力發電作為突破口。其目標是到2010年利用風力發電為我國有風無電地區的2300萬人口供電。首期目標將在5年內完成2000個無電村、100個微波通信站的風電系統等的建設，裝機總量40 60 萬kW，可以為全國1/10 無電人口即800 萬人送去光明。

2. 送電到鄉

2002—2004 年，國家組織實施了“送電到鄉”工程，中央和地方財政共安排47 億元資金，在內蒙古、青海、新疆、四川、西藏和陜西等12 個?。ㄊ小^）的1065 個鄉鎮，建設了一批獨立的光伏、風光互補、小水電等可再生能源電站，其中光伏電站占大部分，解決了當地居民生活用電問題。

3. 金太陽工程

金太陽工程是一個嶄新的提法，意味著太陽能產業在政策面上，將會得到更大力度的支持。

2009 年7 月21 日，財政部聯合科技部和國家能源局發布財建公告，宣布金太陽示范工程正式啟動，并制定了《金太陽示范工程財政補助資金管理暫行辦法》同時印發。金太陽示范工程是我國促進光伏發電產業技術進步和規模化發展，培育戰略性新興產業，支持光伏發電技術在各類領域的示范應用及關鍵技術產業化的具體行動，計劃在2～3年時間內實施完成。納入金太陽示范工程的項目原則上按光伏發電系統及其配套輸配電工程總投資的50%給予補助，偏遠無電地區的獨立光伏發電系統按總投資的70%給予補助。

金太陽示范工程項目計劃實施年限為2009—2011 年。補貼范圍包括利用大型工礦、商業企業以及公益性事業單位現有條件建設的用戶側并網光伏發電示范項目，提高偏遠地區供電能力和解決無電人口用電問題的光伏、風光互補、水光互補發電示范項目，在太陽能資源豐富地區建設的大型并網光伏發電示范項目，光伏發電關鍵技術產業化示范項目，包括硅材料提純、控制逆變器、并網運行等關鍵技術產業化，光伏發電基礎能力建設，包括太陽能資源評價、光伏發電產品及并網技術標準、規范制定和檢測認證體系建設五項?！短柲芄怆娊ㄖ秘斦a助資金管理暫行辦法》財政補貼的項目，已享受國家可再生能源電價分攤政策支持的光伏發電應用項目不在本辦法支持范圍。

工程要求單個項目裝機容量不低于300kWp，建設周期原則上不超過1年，運行期不少于20年，并網光伏發電項目的業主單位總資產不少于1 億元，項目資金不低于總投資的30%。對于符合條件的示范工程項目，并網光伏發電項目原則上按光伏發電系統及其配套輸配電工程總投資的50%給予補助，偏遠無電地區的獨立光伏發電系統按總投資的70%給予補助。光伏發電關鍵技術產業化和產業基礎能力建設項目，給予適當貼息或補助。并要求各地電網企業應積極支持并網光伏發電項目建設，提供并網條件，用戶側并網的光伏發電項目所發電量原則上自發自用，富余電量及并入公共電網的大型光伏發電項目所發電量均按國家核定的當地脫硫燃煤機組標桿上網電價全額收購。原則上每省示范工程總規模不超過20MW，全國采取財政補助方式支持不低于500MW的光伏發電示范項目。

金太陽示范工程是財政部繼光伏建筑補貼政策推出之后的大舉措。此次補貼的范圍主要為用戶側并網光伏發電項目、無電地區光伏發電項目和大型并網光伏發電項目3項，是同光伏建筑補貼政策互為補充的，共同涵蓋了光伏產業下游的主要應用領域，對開拓我國尚處于萌芽期的光伏市場，加速我國光伏產業的發展，有著不可估量的推動和促進作用。

練習與思考

1. 什么是光伏效應？哪些生產屬于光伏產業？

2. 光伏發電與其他能源的發電相比，具有哪些優、缺點？

3. 名詞解釋：光明工程、送電到鄉、金太陽工程。

4. 請簡單描述光伏效應的工作原理。