烈日炎炎！高温下，光伏电站是否能多发电

新能源成为未来10年最赚钱的行业？太阳能发电的前景在哪里？今天小英就带大家详细了解这些内容。

/1/ 什么是光伏？

光伏——将太阳辐射能转换为电能，属于取之不尽用之不竭的可再生能源，且在转化过程中不产生其他有害的气体或固体废料，又属于环保、安全、无污染的新型能源。

/2/ 为什么要发展光伏产业？

其中最重要的原因就是“能源独立”，当前我国社会还处在高速发展之中，对能源的需求很大，我国的化石能源储备却满足不了社会的需求，因此不得不向外寻求能源合作，要怎么样才能做到独立自主、自给自足，这个问题一直都在困扰着我们。而如果包含光伏在内的新能源产业能有所突破的话，我们可以减小对外国的依赖，大大促进能源独立，保证国家安全。

发展包括光伏在内的可再生能源，逐步摆脱化石能源依赖是各国实现能源变革的目标，中国也不例外。

/3/ 光伏发电的前景有哪些？

其他发达国家早已提出了未来光伏发电的可实施方案。

日本提出的创世纪计划。利用地面上沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全球供电。据测算，到2100年，即使全用太阳能发电供给全球能源，占地也不过为829.19万平方公里。829.19万平方公里才占全部海洋面积 2.3%或全部沙漠的 51.4%，甚至才是撒哈拉沙漠的 91.5%。因此这一方案是有可能实现的。

天上发电方案。早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满太阳电池，这样便可提供500万千瓦电力。但这需要解决向地面无线输电问题。现已提出用微波束、激光束等各种方案。目前虽已用模型飞机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电，但离真正实用还需要一段路程。

2019年虽然我国光伏新增装机再次同比下降，但是新增和累计光伏装机容量仍继续保持全球第一。2019年，我国新增光伏并网装机容量达到30.1GW，同比下降32.0%；截至2019年底，累计光伏并网装机量达到204.3GW，同比增长17.1%；全年光伏发电量2242.6亿千瓦时，同比增长26.3%，占我国全年总发电量的3.1%，同比提高0.5个百分点。

2020年，也将继续是我国光伏的过渡年，我们预计2020年竞价项目规模可达到20-25GW、户用市场5-7GW，加上未完成的2019年项目、特高压、示范项目等，2020年市场规模有望超过35GW。

随着光伏产品价格的下降，光伏发电成本不断降低，光伏发电在越来越多的国家得到广泛应用。 根据IHS，预计2020年全球光伏装机量将达到142GW，超过1GW的国家达到43个左右。

影响太阳能光伏发电1：太阳高度，即太阳位于地平面以上的高度角。常常用太阳光线和地平线的夹角表示（h）。太阳高度角大，太阳高，太阳辐射强；反之，太阳高度角小，太阳低，太阳辐射弱。太阳高度在一天中是不断变化的。早晨日出时最低，到正午时最高；下午又逐渐减小，到日落时最低。太阳高度在一年中也是不断变化的，这是由于地球不仅在自转，而且又在围绕着太阳公转；地球自转轴与公转轨道平面不是垂直的，而是始终保持着一定的倾角23.5°。上半年，太阳从低纬度到高纬度逐渐升高，夏至太阳高度角达到最大，反之，冬至太阳高度角达到最小。对于某一平面来说，当太阳高度低时，光线穿过大气的路程较长，所以能量被衰减的就较多；同时，又由于光线以较小的角度投影到该地平面上，到达地面的能量也较小。反之，则较多。

影响太阳能光伏发电2：大气透明度，在大气层上界与光线垂直的平面上，太阳辐射强度基本上是一个常数；但是在地球表面上，太阳辐射强度却是经常变化的，主要是由于大气透明程度的不同引起的。大气透明度是表征大气对于太阳光线透过程度的一个参数，在晴朗无云的天气，大气透明度高，到达地面的太阳辐射量就多。在天空中云雾很多或灰尘很多时，大气透明度就低，到达地面的太阳辐射量就少。可见，大气透明度是与天空中云量的多少以及大气中所含灰尘等杂质的多少关系很大的。

影响太阳能光伏发电3：地理纬度，太阳辐射量是由低纬度向高纬度逐渐减弱的。由于不同纬度的地区太阳光到达地面所经过的路程是不同的。纬度越低，太阳光到达地面经过的路径越短，那么到达地面的辐射量就大；反之，纬度越高，太阳光到达地面经过的路径越长，那么到达地面的辐射量就越小。

来源：互联网 作者： 发布时间：2007-02-27

半导体的内光电效应

当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态，在这些电子中，作为实际使用的光电器件里可利用的电子有：

（1）价带电子；

（2）自由电子或空穴（Free Carrier）；

（3）存在于杂质能级上的电子。

太阳电池可利用的电子主要是价带电子。由价带电子得到光的能量跃迁到导带的过程决定的光的吸收称为本征或固有吸收。

太阳电池能量转换的基础是结的光生伏特效应。当光照射到pn结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。它们在pn结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流，另一方面，若将PN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区的费米能级比P区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差VOC。可以测得这个值，并称为开路电压。由于此时结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等，并由此可以决定VOC的值。

1.2.2太阳电池的能量转换过程

太阳电池是将太阳能直接转换成电能的器件。它的基本构造是由半导体的PN结组成。此外，异质结、肖特基势垒等也可以得到较好的光电转换效率。本节以最普通的硅PN结太阳电池为例，详细地观察光能转换成电能的情况。

首先研究使太阳电池工作时，在外部观测到的特性。图2.14表示了无光照时典型的电流电压特性（暗电流）。当太阳光照射到这个太阳电池上时，将有和暗电流方向相反的光电流Iph流过。

图2.14 无光照及光照时电流－电压特性

当给太阳电池连结负载R，并用太阳光照射时，则负载上的电流Im和电压Vm将由图中有光照时的电流一电压特性曲线与V=-IR表示的直线的交点来确定。此时负载上有Pout=RI2m的*Gong*率消耗，它清楚地表明正在进行着光电能量的转换。通过调整负载的大小，可以在一个最佳的工作点上得到最大输出*Gong*率。输出*Gong*率（电能）与输入*Gong*率（光能）之比称为太阳电池的能量转换效率。

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下面我们把目光转到太阳电池的内部，详细研究能量转换过程。太阳电池由硅pn结构成，在表面及背面形成无整流特性的欧姆接触。并假设除负载电阻R外，电路中无其它电阻成分。当具有hν（eV）（hν>Eg，Eg为硅的禁带宽度）能量的光子照射在太阳电池上时，产生电子―空穴对。由于光子的能量比硅的禁带宽度大，因此电子被激发到比导带底还高的能级处。对于p型硅来说，少数载流子浓度np极小（一般小于105/cm），导带的能级几乎都是空的，因此电子又马上落在导带底。这时电子及空穴将总的hν - Eg（ev）的多余能量以声子（晶格振动）的形式传给晶格。落到导带底的电子有的向表面或结扩散，有的在半导体内部或表面复合而消失了。但有一部分到达结的载流子，受结处的内建电场加速而流入n型硅中。在n型硅中，由于电子是多数载流子，流入的电子按介电驰豫时间的顺序传播，同时为满足n型硅内的载流子电中性条件，与流入的电子相同数目的电子从连接n型硅的电极流出。这时，电子失去相当于空间电荷区的电位高度及导带底和费米能级之间电位差的能量。设负载电阻上每秒每立方厘米流入N个电子，则加在负载电阻上的电压V=QNr=IR表示。由于电路中无电源，电压V=IR实际加在太阳电池的结上，即结处于正向偏置。一旦结处于正向偏置时，二极管电流Id=I0[exp(qV/nkT)-1]朝着与光激发产生的载流子形成的光电流Iph相反的方向流动，因而流入负载电阻的电流值为

(2.39)

在负载电阻上，一个电子失去一个qV的能量，即等于光子能量hν转换成电能qV。流过负载电阻的电子到达p型硅表面电极处，在P型硅中成为过剩载流子，于是和被扫出来的空穴复合，形成光电流

1.3太阳电池的基本特性

1.3.1短路电流

太阳电池的短路电流等于其光生电流。分析短路电流的最方便的方*fa*是将太阳光谱划分成许多段，每一段只有很窄的波长范围，并找出每一段光谱所对应的电流，电池的总短路电流是全部光谱段贡献的总和：

(2.40)

式中

λ0 ――本征吸收波长限

R(λ)――表面反射率

F(λ)――太阳光谱中波长为l～l+dl间隔内的光子数。

F（l）的值很大的程度上依赖于太阳天顶角。作为表示F（l）分布的参数是AM（AirMass）。AM表示入射到地球大气的太阳直射光所通过的路程长度，定义为

(2.41)

式中：

b0――标准大气压

b――测定时的大气压

Z――太阳天顶距离

一般情况下，b » b0，例如，AM1相当于太阳在天顶位置时的情况，AM2相当于太阳高度角为30°时的情况，AM0则表示在宇宙空间中的分布

在实际的半导体表面的反射率与入射光的波长有关，一般为30～50％。为防止表面的反射，在半导体表面制备折射率介于半导体和空气折射率之间的透明薄膜层。这个薄膜层称为减反射膜（Antireflective coating）。

设半导体、减反射膜、空气的折射率分别为n2、n1、n0，减反射膜厚度为d1，则反射率R为

(2.42)

式中：

r1=(n0 - n1)/(n0 + n1)

r2=(n1 - n2)/(n1 + n2)

θ=2πn1d1/λ

λ－波长

显然，减反射膜的厚度d1为1/4波长时，R为最小。即

时

(λ＝λ'） (2.43)

一般在太阳光谱的峰值波长处，使得R变为最小，以此来决定d1的值。

以硅电池为例，因为在可见光至红外光范围内，硅的折射率为n2 = 3.4~4.0，使式（2.43）为零，则n1的值（ ， n0＝1）为1.8£ n1£2.0。设l'=4800埃，则600埃£d1£667埃，满足这些条件的材料一般可采用一氧化硅，在中心波长处，反射率达到1%左右。由于制备了减反射膜，短路电流可以增加30～40%。此外，采用的减反射膜SiO2（n1»1.5）、Al2O3(n1»1.9)、Sb2O3（n1»1.9）、TiO2、Ta2O5（n1»2.25）。将具有不同折射率的氧化膜重叠二层，在满足一定的条件下，就可以在更宽的的波长范围内减少折射率。此外也可以将表面加工成棱锥体状的方*fa*，来防止表面反射

利用太阳光发电，也就是利用太阳能电池能量的光—电直接转换方式将太阳辐射能直接转换成电能。太阳能发电具有以下特点：

?用不完；b?清洁无污染；c?不受资源分布地域的限制；d?可在用电处就近发电；e?能源质量高；f?获取能源花费的时间短。不足之处是：

?太阳辐射能量密度小，需要占用较大面积；b?获得的能源受地区气象条件影响。但总的说来，瑕不掩瑜，作为新能源，太阳能发电具有极大优点，因此受到世界各国的普遍重视，目前太阳能光伏发电已经广泛应用于航天、通讯、军事、交通、城市建设、民用设施等诸多领域。

太阳能发电也能分散地进行，所以可以各家各户分散进行发电。太阳能发电可以和电力公司联网，当各个家庭的太阳能发电满足自己的需要之后，还可以把富余的电卖给电力公司，不足时又可从电力公司买入。实现这一点的技术不难解决，关键在于要有相应的法律保障。现在美国、日本等发达国家都已制定了相应法律，保证进行太阳能发电的家庭利益，鼓励家庭进行太阳能发电。

太阳能发电方案在美国和日本已经被提了出来。早在1980年，美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站的设想，准备在同步轨道上放一个长10千米、宽5千米的大平板，上面布满太阳能电池，这样便可提供500万千瓦电力，但这需要解决向地面无线输电问题。现已提出用微波束、激光束等各种方案，但是想实际应用还有一段路程。日本提出太阳能发电的创世纪计划是准备利用地面上沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全球供电。据测算，到2050年、2100年，即使全用太阳能发电供给全球能源，占地也不过为186?79万平方千米、829?19万平方千米。829?19万平方千米才占全部海洋面积2?3％或全部沙漠的51?4％，甚至才是撒哈拉沙漠的91?5％，因此这一方案是有可能实现的。

火电需要燃烧煤、石油等化石燃料。一方面化石燃料蕴藏量有限、越烧越少，正面临着枯竭的危险。据估计，全世界石油资源再有30年便将枯竭。另一方面燃烧燃料将排出CO2和硫的氧化物，因此会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。

水电要淹没大量土地，有可能导致生态环境破坏，而且大型水库一旦塌崩，后果将不堪设想。另外，一个国家的水力资源也是有限的，而且还要受季节的影响。

核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样是可怕的。前苏联切尔诺贝利核电站事故，已使900万人受到了不同程度的损害，而且这一影响并未终止。

这些都迫使人们去寻找新能源。新能源要同时符合两个条件：一是蕴藏丰富不会枯竭；二是安全、干净，不会威胁人类和破坏环境。目前找到的新能源主要有两种，一是太阳能，二是燃料电池。另外，风力发电也可算是辅助性的新能源。其中，最理想的新能源是大阳能。

太阳能发电是最理想的新能源

照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为是理想的能源。

此图根据蒲提斯的太阳系形成理论，太阳向宇宙空间辐射出巨的光热能量。

从太阳能获得电力，需通过大阳电池进行光电变换来实现。它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：①无枯竭危险；②绝对干净（无公害）；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。不足之处是：①照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。但总的说来，瑕不掩瑜，作为新能源，太阳能具有极大优点，因此受到世界各国的重视。

要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低其成本，二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。

目前，太阳电地主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种。单晶硅太阳电池变换效率最高，已达20％以上，但价格也最贵。非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光电变换效率达到10％，每瓦发电设备价格降到1－2美元时，便足以同现在的发电方式竞争。估计本世纪末便可达到这一水平。

当然，特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多，如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳电地，光电变换效率可达36％，快赶上了燃煤发电的效率。但由于它太贵，目前只能限于在卫星上使用。

太阳能发电的应用

太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适于各家各户分激进行发电，而且要联接到供电网络上，使得各个家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司，不足时又可从电力公司买入。实现这一点的技术不难解决，关键在于要有相应的法律保障。现在美国、日本等发达国家都已制定了相应法律，保证进行太阳能发电的家庭利益，鼓励家庭进行太阳能发电。

日本已于1992年4月实现了太阳能发电系统同电力公司电网的联网，已有一些家庭开始安装太阳能发电设备。日本通产省从1994年开始以个人住宅为对象，实行对购买太阳能发电设备的费用补助三分之二的制度。要求第一年有1000户家庭、2000年时有7万户家庭装上太阳能发电设备。

据日本有关部门估计日本2100万户个人住宅中如果有80％装上太阳能发电设备，便可满足全国总电力需要的14％，如果工厂及办公楼等单位用房也进行太阳能发电，则太阳能发电将占全国电力的30％－40％。当前阻碍太阳能发电普及的最主要因素是费用昂贵。为了满足一般家庭电力需要的3千瓦发电系统，需600万至700万日元，还未包括安装的工钱。有关专家认为，至少要降到100万到200万日元时，太阳能发电才能够真正普及。降低费用的关键在于太阳电池提高变换效率和降低成本。

不久前，美国德州仪器公司和SCE公司宣布，它们开发出一种新的太阳电池，每一单元是直径不到1毫米的小珠，它们密密麻麻规则地分布在柔软的铝箔上，就像许多蚕卵紧贴在纸上一样。在大约50平方厘米的面积上便分布有1，700个这样的单元。这种新电池的特点是，虽然变换效率只有8％—10%，但价格便宜。而且铝箔底衬柔软结实，可以像布帛一样随意折叠且经久耐用，挂在向阳处便可发电，非常方便。据称，使用这种新太阳电池，每瓦发电能力的设备只要15至2美元，而且每发一度电的费用也可降到14美分左右，完全可以同普通电厂产生的电力相竞争。每个家庭将这种电池挂在向阳的屋顶、墙壁上，每年就可获得一二千度的电力。

太阳能发电的前景

太阳能发电有更加激动人心的计划。一是日本提出的创世纪计划。准备利用地面上沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全球供电。据测算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太阳能发电供给全球能源，占地也不过为 65.11万平方公里、 186.79万平方公里、829.19万平方公里。829.19万平方公里才占全部海洋面积 2.3％或全部沙漠的 51.4％，甚至才是撒哈拉沙漠的 91.5％ 。因此这一方案是有可能实现的。

另一是天上发电方案。早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满太阳电池，这样便可提供500万千瓦电力。但这需要解决向地面无线输电问题。现已提出用微波束、激光束等各种方案。目前虽已用模型飞机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电，但离真正实用还有漫长的路程。

随着我国技术的发展，在2006年，中国有三家企业进入了全球前十名，标志着中国将成为全球新能源科技的中心之一，世界上太阳能光伏的广泛应用，导致了目前缺乏的是原材料的供应和价格的上涨，我们需要将技术推广的同时，必须采用新的技术，以便大幅度降低成本，为这一新能源的长远发展提供原动力！

太阳能的使用主要分为几个方面：家庭用小型太阳能电站、大型并网电站、建筑一体化光伏玻璃幕墙、太阳能路灯、风光互补路灯、风光互补供电系统等，现在主要的应用方式为建筑一体化和风光互补系统。