1.1 太阳能光伏发电概述

1.1.1 太阳能光伏发电简介

太阳能光伏发电是利用太阳电池（一种类似于晶体二极管的半导体器件）的光生伏特效应直接把太阳的辐射能转变为电能的一种发电方式，太阳能光伏发电的能量转换器就是太阳电池，也叫光伏电池。当太阳光照射到太阳电池（由P、N型两种不同类型的同质半导体材料构成）上时，其中一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过电池片。被吸收的光能激发被束缚的高能级状态下的电子，产生电子-空穴对，在PN结的内建电场作用下，电子、空穴相互运动（如图1-1所示），N区的空穴向P区运动，P区的电子向N区运动，使太阳电池的受光面有大量负电荷（电子）积累，而在电池的背光面有大量正电荷（空穴）积累。若在电池两端接上负载，负载上就有电流通过，当光线一直照射时，负载上将源源不断地有电流流过。单片太阳电池就是一个薄片状的半导体PN结，标准光照条件下，额定输出电压为0.5～0.55V。为了获得较高的输出电压和较大的功率容量，在实际应用中往往把多片太阳电池连接在一起构成电池组件，或者用更多的电池组件构成光伏方阵，如图1-2所示。太阳电池的输出功率是随机的，不同时间、不同地点、不同光照强度、不同安装方式下，同一块太阳电池的输出功率也是不同的。

1.1.2 太阳能光伏发电的优点

太阳能光伏发电的过程简单，没有机械转动部件，不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质，无噪声，无污染；太阳能资源分布广泛且取之不尽、用之不竭。因此，与风力发电和生物质能发电等新型发电技术相比，光伏发电是一种最具可持续发展特征（最丰富的资源和最洁净的发电过程）的可再生能源发电技术，其主要优点如下。

（1）太阳能资源取之不尽、用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类目前消耗的能量大近6000倍，而且太阳能在地球上分布广泛，只要有光照的地方就可以使用光伏发电系统，不受地域、海拔等因素的限制。

（2）虽然在地球表面，维度的不同、气候条件的差异等因素会造成太阳能辐射的不均匀，但由于太阳能资源随处可得，可就近解决发电、供电和用电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路投资及电能损失。

（3）光伏发电是直接从光子到电子的转换，没有中间过程（如热能转换为机械能、机械能转换为电磁能等）和机械运动，不存在机械磨损。根据热力学分析，光伏发电具有很高的理论发电效率，可达80％以上，技术开发潜力大。

（4）光伏发电本身不用燃料，温室气体和其他废气物质的排放几乎为零，不产生噪声，也不会对空气和水产生污染，对环境友好。不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击，太阳能是真正绿色环保的可再生新能源。

（5）光伏发电过程不需要冷却水，发电装置可以安装在没有水的荒漠、戈壁上。光伏发电还可以很方便地与建筑物的屋顶、墙面结合，构成屋顶分布式或光伏建筑一体化发电系统，不需要单独占有土地，可节省宝贵的土地资源。

（6）光伏发电无机械传动部件，操作、维护简单，运行稳定可靠。一套光伏发电系统只要有太阳、电池组件就能发电，加之自动控制技术的广泛采用，基本上可实现无人值守，维护成本低。

（7）光伏发电系统工作性能稳定可靠，使用寿命长（30年以上），晶体硅太阳电池寿命可长达25～35年。在光伏发电系统中，只要设计合理、选型适当，蓄电池的寿命也可长达10～15年。

（8）太阳电池组件结构简单，体积小、重量轻，便于运输和安装。光伏发电系统建设周期短，而且根据用电负荷其容量可大可小，方便灵活，极易组合、扩容。

此外，近几年来应用最为广泛的是利用各种建筑物屋顶和农业设施屋顶及家庭住宅屋顶建设的分布式光伏发电系统，除同样具有上述优点外，还具有以下优越性。

（1）分布式光伏发电基本不占用土地资源，可就近发电、供电，不用或少用输电线路，降低了输电成本。光伏组件还可以直接代替传统的墙面和屋顶材料。

（2）分布式光伏发电系统在接入配电网时是发电用电并存。在电网供电处于高峰期发电，可以有效地起到平峰的作用，削减城市昂贵的高峰供电负荷，能够在一定程度上缓解局部地区的用电紧张状况。

1.1.3 太阳能光伏发电的缺点

当然，太阳能光伏发电也有它的不足和缺点，归纳起来有以下几点。

（1）能量密度低。尽管太阳投向地球的能量总和极其巨大，但由于地球表面积也很大，而且地球表面大部分被海洋覆盖，真正能够到达陆地表面的太阳能只有到达地球范围辐射能量的10％左右，致使在陆地单位面积上能够直接获得的太阳能量较少，通常以太阳辐照度来表示，地球表面最高值约为1.2kWh/m2，且绝大多数地区和大多数的日照时间都低于1kWh/m2。太阳能的利用实际上是低密度能量的收集、利用。

（2）占地面积大。太阳能能量密度低，这就使得光伏发电系统的占地面积会很大，每10kW光伏发电功率占地约70m2，平均每平方米面积的发电功率为160W左右。随着分布式光伏发电的推广以及光伏建筑一体化发电技术的成熟和发展，越来越多的光伏发电系统可以利用建筑物、构筑物的屋顶和立面，逐步改善了光伏发电系统占地面积大的不足。

（3）转换效率较低。光伏发电的最基本单元是太阳电池组件。光伏发电的转换效率指的是光能转换为电能的比率。目前晶体硅光伏电池的最高转换效率在21％左右，做成的电池组件转换效率在16％～17％，非晶硅光伏组件的转换效率最高超不过13％。由于光电转换效率较低，使光伏发电系统功率密度低，难以形成高功率发电系统。

（4）间歇性工作。在地球表面，光伏发电系统只能在白天发电，晚上则不能发电，这和人们的用电方式和习惯不符。除非在太空中没有昼夜之分的情况下，太阳电池才可以连续发电。

（5）受自然条件和气候环境因素影响大。太阳能光伏发电的能源直接来源于太阳光的照射，而地球表面上的太阳光照射受自然条件和气候的影响很大，一年四季、昼夜交替、地理纬度和海拔高度等自然条件以及阴晴、雨雪、雾天甚至云层的变化都会严重影响系统的发电状态。另外，环境因素的影响也很大，特别是空气中的颗粒物（如灰尘等）降落在电池组件表面，会阻挡部分光线的照射，使电池组件转换效率降低，发电量减少。

（6）地域依赖性强。不同的地理位置，使各地区的日照资源相差很大。光伏发电系统只有在太阳能资源丰富的地区应用效果才好，投资收益率才高。

（7）系统成本高。太阳能光伏发电的效率较低，到目前为止，光伏发电的成本仍然比其他常规发电方式（火力和水力发电等）的要高。这也是制约其广泛应用的主要因素之一。但是我们应看到，随着太阳电池产能的不断扩大及电池片光电转换效率的不断提高，光伏发电系统成本下降得非常快，太阳电池组件的价格已经从前几年的每瓦十几元下降至目前的2.5元/W左右。

（8）晶体硅电池的制造过程高污染、高能耗。晶体硅电池的主要原料是纯净的硅。硅是地球上含量仅次于氧的元素，主要存在形式是沙子（二氧化硅）。从沙子一步步变成含量为99.9999％以上纯净的晶体硅，期间要经过多道化学和物理工序，不仅要消耗大量能源，还会造成一定的环境污染。

尽管太阳能光伏发电有上述不足和缺点，但是全球化石能源的逐渐枯竭以及因化石能源过度消耗而引发的全球变暖和生态环境恶化，给人类带来了很大的生存威胁，因此大力开发可再生能源是解决这个问题的主要措施之一。由于太阳能光伏发电是一种最具可持续发展特征的可再生能源发电技术，近年来我国政府也相继出台了一系列鼓励和支持新能源及太阳能光伏产业的政策法规，这使得太阳能光伏产业迅猛发展，光伏发电技术和水平不断提高，应用范围逐步扩大，将在能源结构中占有越来越大的比重。

1.1.4 太阳能光伏发电的应用

太阳电池及光伏发电系统已经逐步应用到工业、农业、科技、国防及老百姓的日常生活中，预计到21世纪中叶，太阳能光伏发电将成为主要的发电形式之一，在可再生能源结构中占有一定比例。太阳能光伏发电的具体应用主要有以下几个方面。

（1）通信领域的应用：包括太阳能无人值守微波中继站（如图1-3所示），光缆通信系统及维护站，移动通讯基站，广播、通信电源系统，卫星通信和卫星电视接收系统，农村程控电话、载波电话光伏系统，小型通信机，部队通信系统，士兵GPS供电等。

（2）公路、铁路、航运交通领域的应用：如铁路和公路信号系统，铁路信号灯，交通警示灯、标志灯、信号灯，公路太阳能路灯，太阳能道钉灯、高空障碍灯，高速公路监控系统，高速公路、铁路无线电话亭，无人值守道班供电，航标灯灯塔和航标灯电源等。太阳能灯具的应用实例如图1-4所示。

（3）石油、海洋、气象领域的应用：石油管道阴极保护和水库闸门阴极保护的太阳能电源系统，石油钻井平台生活及应急电源，海洋检测设备，气象和水文观测设备、观测站，电源系统等。

（4）农村和边远无电地区的应用：在高原、海岛、牧区、边防哨所等农村和边远无电地区应用的太阳能离网光伏发电系统、村庄、学校、医院、饭店、旅社、商店等的小型风光互补发电系统。解决无电地区的深水井饮用、农田灌溉等用电问题的太阳能光伏水泵。另外还有太阳能喷雾器、太阳能电围栏、太阳能黑光灭虫灯（如图1-5所示）等应用。

（5）太阳能光伏照明方面的应用：太阳能路灯、庭院灯、草坪灯，太阳能景观照明，太阳能路标标牌、信号指示、广告灯箱照明等，还有家庭照明灯具（如图1-6所示）及手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、割胶灯、节能灯、手电筒等。

（6）大型地面光伏发电系统（电站）的应用：主要应用在光照资源好，有大量非农业用地的我国中西部地区。

（7）分布式光伏发电及光伏建筑一体化发电系统（BIPV）的应用：利用工商业屋顶、公共设施屋顶及家庭住宅屋顶等安装分布式光伏发电系统，以及用太阳能电池组件代替建筑材料、作为建筑物的屋顶和外立面使用，使得各类建筑物都能实现光伏发电系统与电力电网并网运行，以自发自用为主、剩余电力送入电网（如图1-7所示），这将是目前和今后一段时期光伏发电应用的主要形式和发展方向。

（8）太阳能商品及玩具的应用：太阳能收音机、太阳能钟、太阳帽、太阳能手机充电器、太阳能手表、太阳能计算器、太阳能玩具等，如图1-8所示。

（9）其他领域的应用：太阳能电动汽车、电动自行车、太阳能游艇，太阳能充电设备，太阳能汽车空调、换气扇、冷饮箱等，还有太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统，海水淡化设备供电，卫星、航天器、空间太阳能电站等，如图1-9所示。