什么是光伏发电技术

光伏发电技术成熟！将太阳能直接转换为电能的技术称为光伏发电技术。是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地；光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是 并网发电,光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、 非晶硅和铜铟镓硒薄膜电池等。

光伏发电原理:光伏发电是一种利用半导体界面的光伏效应将光能直接转化为电能的技术。这项技术的关键是太阳能电池。太阳能电池串联后，可以封装保护成大面积太阳能电池组件，配合功率控制器等部件组成光伏发电装置。光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。当光子撞击金属时，其能量可以被金属中的一个电子完全吸收。电子吸收的能量大到足以克服金属内部重力，从金属表面逃逸出来成为光电子。硅有四个外层电子。如果纯硅掺杂有五个外层电子的原子，比如磷原子，就会变成N型半导体。如果纯硅掺杂有三个外层电子的原子，例如硼原子，就形成了P型半导体。P型和N型结合在一起，接触面就会形成电位差，成为太阳能电池。电影封面阳光照射在半导体pn结上，形成新的空穴-电子对。在pn结内建电场的作用下，空穴从N区流向P区，电子从P区流向N区。电路接通后，就形成了电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳能发电有两种方式，一种是光-热-电转换，另一种是光电直接转换。(1)光-热-电转换模式利用太阳辐射产生的热能发电。一般太阳能集热器将吸收的热能转化为工质蒸汽，然后驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换过程；后一个过程就是热电转换，和普通火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率低，成本高。据估计，其投资至少比普通火电厂贵5~10倍。(2)光电直接转换模式这种模式利用光伏效应将太阳辐射能直接转换成电能。光电转换的基本器件是太阳能电池。太阳能电池是一种利用光伏效应将太阳能直接转化为电能的装置。它是一个半导体光电二极管。当太阳光照射到光电二极管上时，光电二极管会将太阳能转化为电能，产生电流。当许多电池串联或并联后，就可以成为一个输出功率比较大的太阳能电池阵列。太阳能电池是一种很有前途的新能源，它有三个优点:永久、清洁和灵活。太阳能电池寿命长，只要太阳存在，一次投资就可以用很长时间。与火力发电和核能发电相比，太阳能电池不会造成环境污染。

光伏发电是：

光伏发电指通过光伏发电系统将太阳能转化为电能的过程。

通常系统主要由太阳光伏组件、汇流箱、逆变器、变压器及配电设备构成，同时再加上监控系统、有功无功控制系统、功率预测系统、五防系统及无功补偿装置等辅助系统组成一套完整的光伏发电系统。

太阳能电池是完成太阳能到电能转换的载体，光生伏特效应是光伏发电的基本原理。

早在1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）发现光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差，这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，光伏发电技术由此诞生。

光伏发电，是利用光线照射到半导体上以后在半导体不同部位形成电位差的技术原理，用专业设备将光能转换为电能的一种技术。

光伏发电设备，由以下几类设备组成：

1，太阳电池板。

2，控制器。

3，逆变器。

其中太阳能电池板可以通过串联方式来获得更大的面积，可以接收更多的光线，从而提高发电效率和发电量。

作为一种清洁高效的新型发电形式，光伏发电拥有诸多优点，拥有广阔的发展前景。

具体来说，光伏发电拥有以下几方面优点：

1，资源丰富。

光伏发电所使用的资源，就是太阳光。……这可以认为是取之不尽用之不竭的资源。

只要有充足光照的地方，就可以安装光伏发电设施进行发电。

2，清洁、无污染。

光伏发电利用的资源是太阳光，这是一种清洁无污染的资源。……且光伏发电设备在工作过程中不会产生废料，不会污染环境，因此光伏发电是与风能发电等新型能源一样的清洁无污染的发电模式。

3，系统简单，对场地要求低。

光伏发电整个系统结构简单，安装容易，对场地的要求也不高。……无需专用场地，只要能够迎着太阳光摆的下相关设备，整个系统就可以开始工作，这样的状态对于偏远地区来说非常有利。

4，高效。

光伏发电的光能-电能转化效率高，是一种非常高效的新型能源。

5，空间占用率高。

光伏发电设备对场地的要求很低，不必使用专用场地，利用田间地头就可以安装、发电，还可以利用屋顶等空间来安装设备，极大地提升了空间利用率。

6，建设周期短，见效快。

光伏发电设备因为结构简单，且无需燃料以及输变电线路建设，安装完成即可开始工作，所以建设周期短，收效快。所以成为一种具有广阔应用前景的新型发电方式。

可以，有优点也有缺点。1、能量密度低。尽管太阳照射地球的能量总和极其巨大，但是由于地球表面积也很大，而且地球表面积大部分被海洋覆盖，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较少。地球表面太阳辐照度最高值约1.2kwh/m²，地球上绝大多数地区都低于1kwh/m²。光伏发电实际上就是太阳能低密度能量的收集、利用。2、占地面积大。由于太阳能能量密度低，这就使得光伏发电的占地面积会很大，没10kw光伏发电功率占地约需100m²，平均每平方米面积发电功率约为100w。随着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，将逐渐克服光伏发电占地面积大的问题。3、光电转化率很低。我们大家都知道，太阳光电池主要功能在将光能转换成电能，这个现象称之为光伏效应。但是这就使得我们在选取太阳能电池板原材料的时候，产生了众多不便的因素。要求我们必须考虑到材料的光导效应及如何产生内部电场。不仅要吸光效果，还需要看它的光导效果。所以材料的选取对于光伏发电来说是一项很大的约束。必须充足了解太阳光的成分及其能量分布状况，从目前太阳能发展的情况来看，材料的选取仍旧是个待提高的突破点。

光伏发电是根据什么原理制造的？光伏发电技术能运用到哪些场合？

光伏发电是利用半导体材料页面的少子安培效用而将光能立即变化为电磁能的一种技术性。这类技术性的重要元器件是太阳能电池。太阳能电池通过串连后开展封口维护可产生大规模的太阳锂电池组件，再相互配合上输出功率控制模块等构件就产生了光伏发电设备。

假如光源直射在太阳能电池上而且光在页面层被消化吸收，具备一定动能的光量子可以在P型硅和N型硅里将电子器件从化学键中激起，以至造成电子器件－空穴对。页面层周边的电子器件和空穴在复合型以前，将经由空间电荷的静电场功效被互相分离出来。电子器件向带正电荷的N区和空穴向带负电荷的P区健身运动。

太阳阳光照射在半导体材料p-n结上，产生新的空穴-价电子，在p-n结静电场的效果下，空穴由n区流入p区，电子器件由p区流入n区，接入电源电路后就产生电流量。这就是康普顿效应太阳能电池的原理。

太阳能发电量有二种方法，一种是光—热—电转换方法，另一种是光—电立即转换方法。光—热—电转换方法根据利用太阳辐射源造成的热量发电量，一般是由太阳能热板将所吸取的热量转换成蒸汽参数的蒸汽，再推动汽轮发电机发电量。前一个全过程是光—热转换全过程；后一个全过程是热—电转换全过程，与一般的火力发电厂一样.太阳能热发电量的不足之处是速度很低而成本费很高，可能它的成本最少要比一般火力发电贵5～10倍。

光伏发电是利用半导体材料页面的少子安培效用而将光能立即变化为电磁能的一种技术性。这类技术性的重要元器件是太阳能电池。太阳能电池通过串连后开展封口维护可产生大规模的太阳锂电池组件，再相互配合上输出功率控制模块等构件就产生了光伏发电设备。

在光伏发电技术的情况下，建造发电设备中所产生的二氧化碳量仅次于水力发电技术，是第二个最低的，在不会产生污染环境的物质，是一种理想的干净发电技术。为发电提供能量的日光在地球上到处都有，实际上其数量是无限的。假定在白天太阳辐射的最高强度是每平方米1千瓦，发电效率为10%，整个地面上每年可能的发电量为1.4亿亿度，这相当于全世界能耗量的大约100倍。这意味着：如果把太阳能电池放置于不到全球陆地面积的1/100，或其沙漠面积的1/20，所发电量就足以满足全世界能量的需求。

这种再生能源每单位面积的输出功率密度低，所需要的面积大约为烧煤电站的20倍。因此，它不适用于像日本这样的小国由一家电力公司进行中央供电。这种发电应大规模在建筑物上使用，如住宅、工厂、学校和办公室的屋顶。在日本，白天用电量最高；在中午太阳电池的输出功率也最高，因此，这种发电技术最适合。根据日本环境报学中心进行的研究，在日本太阳能电池的市场潜力为1.34亿千瓦，相对应的市场规模为每年670万千瓦。在美国和印度，沙漠面积巨大，目前正在进行的计划是建造188兆（美国）或50兆瓦（印度）的光伏发电厂。由于世界上许多地区适用于大规模光伏发电，作为“新日照计划”的一部分，发展一种全球性的干净能源系统，即世界能源网（WENEF）正在进行中，该计划的目的是在这些地区实现中央光伏发电，用所发出的电使水分解产生氢，氢既可用做能源，又可用做蓄能和输能介质。从保护全球环境和能量生产角度看，实现这一计划很重要。

太阳电池可粗分为4类：单晶、多晶、化合物半导体和非晶。目前发电最常用且实际应用比例最高的应推晶体型。单晶型的光伏转换效率为15%，多晶型为13%，而非晶型为8%，目前正在研究如何提高效率的问题。

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