什么是太阳能光伏发电？
1．光伏发电技术的兴起
20世纪90年代后期，世界上兴起一股“太阳屋顶”热。光伏发电技术发展较早的主要是日本、德国和美国，这些国家相继提出“1万屋顶”、“10万屋顶”和“百万屋顶”计划。近几年来，在发达国家已建造了相当发展水平的“零能房屋”，即完全由太阳能光电转换装置提供建筑物所需要的全部能源消耗，真正做到清洁、无污染。光伏发电技术代表了21世纪太阳能建筑的发展趋势，将太阳能建筑的发展推向一个新阶段。德国弗赖堡著名的“完全自足太阳房”（图7.1）就是一座完全依靠太阳能采暖、发电，而不依赖常规能源的零消耗建筑。
2．我国光伏发电技术的发展
粗略估计，我国现有建筑屋顶面积总计约400×108m2，假如1%安装光伏系统，可安装光伏发电装机容量3550×104～6620×104kW，年发电量287×108～543×108kW·h。我国荒漠化土地面积约264×104km2，其中干旱区荒漠化土地面积超过250×104km2，主要分布在光照资源丰富的西北地区。按利用我国戈壁和荒漠面积3%的比例计算，太阳能发电可利用资源潜力可达27×108kW，年发电量可达4.1×1012kW·h。
图7.1 德国弗赖堡“完全自足太阳房”
中国的光伏产业从20世纪70年代起步，90年代开始稳步发展，太阳能电池板及其组件的产量逐步增加。2000年以后国家电网公司为了加强对电网工程的控制，新发布了很多的管理方法，要求在管理上遵守电网工程建设的统一标准。2007年中国的光伏电池产量首次超过德国和日本，光伏电池的太阳能利用效率也逐步提高。我国2010年太阳光伏累计装机容量450MW，光伏产业复合成长率已达到38%。
现在，我国的光伏发电市场已经涉及广电部的村村通工程、产业部的光缆工程、林业部的森林防火通信工程和大漠地区光伏发电工程等众多领域。国家在“973”和“863”等重大项目中也将太阳能光伏发电的发展放到重要位置，2008年北京绿色奥运、2010年上海世界博览会的筹办也对太阳能光伏发电的发展产生了巨大的推动作用。
3．光伏发电系统介绍
太阳能光伏发电系统是一种新型的发电系统，它是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，使太阳光的辐射能直接转换为电能。太阳能光伏发电系统按照运行方式的不同，可分为独立运行的光伏发电系统和并网运行的光伏发电系统两种。独立运行的光伏发电系统要保持连续供电，需要有蓄电池作为电能的储存装置，主要用于电网不能到达的边远地区和人口分散地区，相对来说整个系统造价比较高；在有公共电网供电的地区，光伏发电装置与电网连接并网运行，省去蓄电池，大幅度减少投资，具有更好的运行效率和环保性能。一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池（组）构成。
1）太阳能电池板
太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。
2）太阳能控制器
太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效地为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电（由于天气的原因，太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定）。
3）逆变器
逆变器的作用就是将太阳能电池阵列和蓄电池提供的低压直流电逆变成220V交流电，供给交流负载使用。
4）蓄电池（组）
蓄电池（组）的作用是将太阳能阵列发出的直流电直接储存起来，供负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当日照量大时，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电；当日照量小时，这部分储存的能量将逐步放出。
4．光伏发电系统的应用
目前我国光伏发电系统的应用，一方面以采用户用光伏发电系统和建设小型光伏电站为主，来解决偏远地区无电村和无电户的供电问题，为200万户偏远地区农牧民（即目前我国三分之一的无电人口）提供最基本的生活用电；另一方面，通过借鉴发达国家建设屋顶光伏发电系统的经验，在经济较发达、城市现代化水平较高的大中城市，在公益性建筑物和其他建筑物以及在道路、公园、车站等公共设施照明系统中推广使用光伏电源，建设屋顶光伏发电系统。此外，还将建立大型的并网光伏系统，以便于为光伏发电成本下降到一定水平时而开展大型并网光伏系统应用活动做好准备。
1）户用光伏发电系统和小型光伏电站
户用光伏系统和小型光伏电站属于非并网光伏发电系统（独立系统），多用于我国广大无电贫困山区和贫困农村。自投入使用以来，运行可靠，发电正常，性能优良。例如，辽宁省建昌县贫困无电山区已经安装了353套独立家用太阳能光伏电源系统，太阳能电池组件总功率可达22650W。
此家用光伏电源系统包括直流系统和交流系统两大类。直流系统由太阳能电池组件及支架、控制器和蓄电池组三部分组成。交流系统比直流系统多一个逆变器，共由四部分组成。
白天，太阳能电池组件接收太阳光照输出电能，然后经过防反充二极管向蓄电池组充电；夜晚，直流系统经过控制器将蓄电池组输出的直流电供直流负载使用，交流系统则经过逆变器把蓄电池组通过控制器输出的直流电变换为交流电供交流负载使用。在此系统中，太阳能电池组件的功能是将太阳辐射能转换为电能；蓄电池组的功能是将太阳能电池组件输出的直流电加以储存；防反充二极管的功能是用以阻止蓄电池组通过太阳能电池组件放电；控制器的功能是对蓄电池组的过充电和过放电进行保护；逆变器的功能是将蓄电池组输出的直流电变换为交流电。图7.2为户用光伏发电系统。
图7.2 户用光伏发电系统
此外，我国在西北偏远地区（如青海、西藏、新疆、甘肃等地）还建立了一些小型光伏电站。由于特殊的地缘，光伏电站特别适合西部特殊的居住环境，特别是在青藏高原有着得天独厚的地理环境优势，大力开发利用太阳能新能源，将其转换为电能，既解决了部分无电人口的供电问题，又解决了边远地区的通信问题，促进了西部地区脱贫致富，使经济和生态环境协调发展。其中西藏成为我国光伏电站、光伏电池装机容量最大的省区，有效地改善了当地牧民们的用电紧缺现象，而在通信方面，微波通信中继站应用光伏电源达到700kW以上，小型光伏电站有1300个。
2）屋顶光伏发电系统
随着光伏应用技术的发展，世界各国普遍推出了相应的屋顶光伏计划。“九五”期间，我国国家科学技术委员会也开始将太阳能屋顶系统列入国家科技攻关计划。图7.3为屋顶光伏发电系统。太阳能光伏发电系统与建筑物相结合，备受世界重视的原因是它存在以下几方面优点：
（1）不占用土地资源，这对于土地昂贵的城市尤为重要。
（2）可以原地发电，原地使用，减少了电力输送的线路损耗。
（3）降低了墙面及屋顶的温升，减轻了建筑物的空调负荷，降低了空调的能耗。
（4）取代和节约了昂贵的外饰材料（如玻璃幕墙等），使建筑物的外观统一协调，美化建筑环境。
（5）舒缓了高峰电力的需求，配备蓄电池后，还满足了安全用电设施的不断电要求。
图7.3 屋顶光伏发电系统
2008年奥运会的申办成功为太阳能利用提供了新的契机，国家计划将太阳能光伏发电融入奥运会建筑中，各奥运会建筑将大范围采用太阳能等绿色能源利用技术，我国政府对在奥运村及奥运会场馆中太阳能利用和建筑设计相结合进行了研究，并在奥运场馆及奥运村中应用，降低了建筑能耗，提升了城市的整体形象。
当今，诸多城市积极利用小型太阳能光伏电源，于道路、公园、车站甚至家庭安装了太阳能庭院灯、太阳能草坪灯、太阳能路灯、市政交通及车位标识灯，这些灯造型新颖、美观大方、变化多样，而且经久耐用，融观赏性与实用性于一体，既不用拉电线、占用空间，还具有节能、环保、维护方便等优点，成为城市一道亮丽的风景线，为城市美化增添色彩。
3）大型并网光伏发电系统
并网光伏发电系统是光伏技术进步的重要标志，是未来太阳能光伏发电的趋势。光伏系统步入大规模发电阶段，意味着现在的能源结构将发生根本的变化，是人类社会利用能源的一场革命。图7.4为太阳能光伏电站。
图7.4 太阳能光伏电站
目前，在世界范围内，如美国、德国等发达国家已经开始建设了一批千瓦级并网光伏发电系统，又正在建设一批兆瓦级的光伏并网发电系统，甚至印度、菲律宾及非洲一些国家也开始建设大型并网光伏发电系统。
我国的并网光伏发电系统起步较晚，与上述国家相比，还有一段很大的差距。但我国已在深圳国际园林花卉博览园内建成了亚洲最大的太阳能并网光伏电站（图7.5），它在综合展馆、花卉展馆、管理中心、南区游客服务中心和北区东山坡都安装了太阳能光伏电站，电站总容量达1MW，并网光伏电站的年发电能力约为100×104kW·h，相当于每年可节省标准煤超过384t，减排粉尘约48t，减排灰渣约101t，减排二氧化碳超过170t，减排二氧化硫约768t，是真正的无污染的绿色能源。深圳国际园林花卉博览园1MWp太阳能并网光伏电站建成后，成为目前亚洲和我国总容量第一的并网光伏电站，同时也是世界上为数不多的兆瓦级大型太阳能光伏电站之一，填补了我国在大型并网光伏电站设计和建设上的空白，将成为我国并网太阳能发电史上的里程碑。
图7.5 深圳国际园林花卉博览园1MWp太阳能并网光伏电站
“熊猫”光伏发电是利用电势差的原理来把光能转发为电能。
世界上首座熊猫外形的光伏电站在山西大同郊外落成，近日已开始正式并网发电。电站由黑白两种颜色组成。如果从高处俯瞰，熊猫的黑色部分，比如爪子和耳朵，由单晶体硅太阳能电池组成白色部分由薄膜太阳能电池组成。
大同熊猫电站鸟瞰图（图片来自网络）
据悉，全部投入使用后，电站能在25年内提供32亿千瓦时的绿色电力，相当于节约煤炭105.6万吨，减少二氧化碳排放270万吨。
这只被网友们成为“世界上最可爱的发电站”是怎么工作的呢？这主要依靠的是太阳能光伏发电。
太阳能光伏发电原理
在国际市场硅原材料持续紧张的背景下，薄膜太阳电池已成为国际光伏市场发展的新趋势和新热点。
太阳光能照射在一些特殊材料上，会引起材料中电子的移动，形成电势差。太阳能光伏发电，就是依据这个原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。
“国宝”发电站（图片来自新华网）
利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能，即当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被太阳能材料吸收，光子激发电子跃迁至导带成为自由电子。于是不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生了电位差。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流。太阳光光伏发电过程其实就是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程。
太阳能光伏发电示意图（图片来自网络）
光伏电池的基本结构
光线照射在光伏电池上产生出光生电流和电压，从而获得电功率。这一转变过程首先需要材料吸收光线，使电子获得更高的能量，接着具有更高能量的电子从电池移动到外电路中，释放出额外的这部分能量，再回到太阳能电池中。
太阳能电池工作的基本过程：产生光生载流子——收集光生载流子从而产生电流——产生较大的光生电压——将产生的功率分配给负载及寄生电阻。
太阳能电池工作的基本结构（图片来自网络）
光伏发电电池类型
光伏电池分为晶体硅电池和薄膜电池。晶体硅太阳能电池包括单晶硅太阳电池，多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池。
其中，单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池，它的构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。高纯的单晶硅棒是单晶硅太阳电池的原料，硅纯度要求99.999％，为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒。
熊猫发电站的黑色部分由单晶硅太阳能电池组成（图片来自网络）
薄膜电池顾名思义就是将一层薄膜制备成太阳能电池，目前已经能进行产业化大规模生产的薄膜电池主要有三种：硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池（CIGS）、碲化镉薄膜太阳能电池（CdTe）。
硅基薄膜太阳能电池（图片来自网络）
光伏发电的其他用途
除了光伏电站外，光伏发电还有很多应用实例，小到太阳能充电器、太阳能路灯、太阳能航标灯，大到太阳能汽车、人造卫星、月球车、太阳能飞行器、光伏建筑一体化等。
人造卫星的太阳能充电板（图片来自网络）
中国是目前世界上太阳光伏组件市场出口份额最大的国家之一，我国目前的太阳能发电产业正步入专业化、规模化和国际化的健康发展轨道。
图片来自网络
光伏发电是一种清洁能源，利用太阳能发电有利于节省不可再生资源；光伏发电系统是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电系统；现在大多的光伏电站都是户用的，主要就是利用农村自建房的屋顶，安装光伏组件、逆变器、支架等设备，将光能转化为电能，要么自己发电自己用，要么就是发电卖给国家赚取收益。另外多说几句，光伏主要有以下优点：
1、没有资源枯竭的危险；
2、发电过程安全可靠，危险性很低；发电无噪音、无污染、无公害；
3、发电场地不受资源分布的地域限制，只要晒得到太阳的地方都可以。同时在一些没有电或者是地形复杂的地区，也可以利用房屋建筑的屋顶进行发电；
4、不需要铺设输电线路就可以就地发电供电；
5、建设周期短，获取能源花费的时间和物料相对要少。
6、收益高，发电自用，省去了电费，多余的并网上电卖给国家，获得额外收益。
需要强调的是，光伏最重要的用途就是，光伏能带来收益（举例如下图），而且光伏扶贫成为了国务院扶贫办确定实施的“十大精准扶贫工程”之一，也是利用光伏发电来帮助贫困人口脱离贫困是非常有效的途径之一呢。
光伏电站建好是这个样子的，如下图：
碳银光伏
离网型光伏发电系统组成：
典型的光伏发电系统主要由光伏阵列、充放电控制器、储能装备或逆变器、负载等组成。其构成如图所示。
光照射到光伏阵列上，光能转变成电能，光伏阵列的输出电流由于受环境影响，因此是不稳定的，需要经过DC-DC转换器将其转变成稳定的电流后，才能加载到蓄电池上，对蓄电池充电，蓄电池再对负载供电。如果是并网售电，则不需要蓄电池，而是通过并网逆变器，将直流电流转换成交流电流，并到电网上进行出售。也就是说，离网型光伏发电系统必须使用到蓄电池储能，而并网型则不一定需要。
控制系统对光伏阵列的输出电压和电流进行实时采样，判断光伏发电系统是否工作在最大功率点上，然后根据跟踪算法，改变PWM信号的占空比，进而控制光伏阵列的输出电压使其工作点向最大功率点逼近。在蓄电池过充过放控制模块中，当蓄电池电压充电或放电到一定的设定值后，就会自动关闭或打开。
光伏阵列组件
光伏发电系统利用以光电效应原理制成的光伏阵列组件将太阳能直接转换为电能。光伏电池单体是用于光电转换的最小单元，一个单体产生的电压大约为0.45V，工作电流约为20~25mA/cm2，将光伏电池单体进行串、并联封装后，就成了光伏电池阵列组件。
当受到光线照射的太阳能电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建立起端电压，这时太阳能电池的工作情况可以用下图所示的太阳能电池负载特性曲线来表示。它表明在确定的日照强度和温度下，光伏电池的输出电压和输出电流以及输出功率之间的关系，简称I-V特性和P-V特性。从图中可以看出，光伏发电系统的特性曲线具有强烈的非线性，既非恒压源也非恒流源。从其P-V特性曲线可以看出，在日照强度一定的前提下，其输出功率近似于一个开口向下的抛物线。该抛物线顶点对应的功率即为该日照强度下的P-V曲线的最大功率点，对应的电压称为最大功率点电压。为了提高光伏发电系统的转化效率，就必须使系统保持运行在P-V曲线最大功率点附近。
光伏电池阵列的几个重要技术参数：
1）短路电流（Isc）：在给定日照强度和温度下的最大输出电流。
2）开路电压（Voc）：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。
3）最大功率点电流（Im）：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。
4）最大功率点电压（Um）：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。
5）最大功率点功率（Pm）：在给定日照和温度下太阳能电池阵列可能输出的最大功率。
DC-DC转换器
光伏电池板发出的电能是随着天气、温度、负载等变化而不断变化的直流电能，其发出的电能的质量和性能很差，很难直接供给负载使用。需要使用电力电子器件构成的转换器，也就是DC-DC转换器，将该电能进行适当的控制和变换，变成适合负载使用的电能供给负载或者电网。电力电子转换器的基本作用是把一个固定的电能转换成另一种形式的电能进行输出，从而满足不同负载的要求。它是光伏发电系统的关键组成成分，一般具备有几种功能：最大功率点追踪、蓄电池充电、PID自动控制、直流电的升压或降压以及逆变。
DC-DC转换器输出电压和输入电压的关系通过控制开关的通断时间来实现的，这个控制信号可以由PWM信号来完成。主要工作原理是保持通断周期（T）不变，调节开关的导通持续时间来控制电压。D为PWM信号的占空比。
根据输入和输出的不同形式，可将电力电子转换器分为四类，即AC-DC转换器、DC-AC转换器、DC-DC转换器和AC-AC转换器。在离网型光伏发电系统中采用的是DC-DC转换器。
DC-DC转换器，其工作原理是通过调节控制开关，将一种持续的直流电压转换成另一种（固定或可调）的直流电压，其中二极管起续流的作用，LC电路用来滤波。DC-DC转换电路可以分为很多种，从工作方式的角度来看，可以分为：升压式、降压式、升降压式和库克式等。
降压式转换器（BuckConverter）是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流转换器；升降压式变换器（Buck-BoostConverter）转换电路的主要架构由PWM控制器与一个变压器或两个独立电感组合而成，可产生稳定的输出电压。当输入电压高于目标电压时，转换电路进行降压；当输入电压下降至低于目标电压时，系统可以调整工作周期，使转换电路进行升压动作；而升压式转换器（BoostConverter）是输出电压高于输入电压的单管不隔离直流转换器，所用的电力电子器件及元件和Buck转换器相同，两者的区别仅仅是电路拓扑结构不同。
蓄电池
在独立运行的光伏发电系统中，储能装置是必不可少的。现在可选的储能方法有很多，如电容器储能、飞轮储能、超导储能等，但是从方便、可靠、价格等综合因素来考虑，大多数大中型的光伏发电系统都使用了免维护式的铅酸蓄电池作为系统的储能装置。
但选用铅酸蓄电池也有不足之处，它比较昂贵，初期投资能够占到整个发电系统的1/4到1/2，而蓄电池又是整个系统中较薄弱的环节，因此如果管理不当，会使蓄电池提前失效，增加整个系统的运营成本。
光伏控制模块
光伏控制模块以单片机为控制中心，为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效地为蓄电池充电。并在它充电过程中减少蓄电池的损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命，同时保护蓄电池免受过充电和过放电的危害。如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电（由于受天气等外界因素的影响，太阳电池阵列发出的直流电的电压和电流不是很稳定），同时也通过控制传感器电路（光控、声控等）来实现全自动开关灯功能。
单片机的主要工作是将电流采集电路和电压采集电路采集到的电流、电压进行运算比较，然后通过MPPT算法来调节PWM的占空比D，使光伏阵列组件工作在最大功率点处。
离网型逆变器
住宅用的离网型光伏发电系统因为部分负载是交流负载，因此还需要离网型逆变器，把光伏组件发出的直流电变成交流电给交流负载使用。光伏离网型逆变器与光伏并网型逆变器在主电路结构上没有较大区别，主要区别在光伏并网型逆变器需要考虑并网后与电网的运行安全。也就是同频同相抗孤岛等控制特殊情况的能力。而光伏离网型逆变器就不需要考虑这些因数。
为了提高离网型光伏发电系统的整体性能，保证电站的长期稳定运行，逆变器的性能指标非常重要。
离网型光伏发电系统的应用：
离网型光伏发电系统广泛应用于偏僻山区、无电区、海岛、通讯基站和路灯等应用场所。
农村是给农户使用的小型离网系统
通讯是给基站供电的离网系统
商品化电源是针对户外驴友或者施工的便携式电源
建筑并网是光伏建筑结合的并网系统
开阔地是大型平地固定安装的光伏并网系统
发电原理和装置不一样。太阳能发电是通过集热装置来驱动汽轮机发电的,是热转电的方式,主要的部件是集热器或装置而光伏发电是利用半导体的光生伏打效应将光能直接转换成电能的,基本的部件太阳能电池板,是光转电的方式。
使用范围不一样。太阳能热发电发出的电与传统的热电、水电具有更好的切合性,适合大型化发展。另外,热发电由于对光照条件的要求更高,所以更适合光照条件很好的地区。
而光伏发电装置相对简单,对光照的要求也相对较低,更适合小型化发展,因此也更适合分散式利用,洛阳智凯光电光伏发电的应用是很好的例子。
另外一种是光伏组串接入直流汇流箱，直流汇流箱汇集直流电，接入逆变器，逆变器将光伏组件发出的直流电逆变为交流电，接入变压器升压至10KV及以上电压等级，接入国家电网。
原答案是刚读书时所答，不尽详实，现更正，以防误导各位。
