太阳能光伏发展及其前景

 

太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区和人口分散地区，整个系统造价很高；在有公共电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运行，省去蓄电池，不仅可以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。

 

光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料（例如硅）制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明，并为电网供电。光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电力。近年，天台及建筑物表面均会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。

 

　　太阳是能量的天然来源。地球上每一个活着的生物之所以具有发挥作用的能力,甚至于是它的生存，都是由于直接或间接来自于太阳的能量。我们的地球处在离太阳差不多有一亿英里的地方。它所截取的辐射能少到难以置信（大约千万分之三），这么小的一点能量， 实际上比整个世界目前现有的发电能力还大十万倍。目前*尤其是工业发达国家开始感到能量短缺，因此，人们开始求助于太阳能，以解决能源危机。

　　

 

太阳能每天都能无限供应，而且数量庞大。如果在大的电厂利用，就减少了温室效应，有些能源专家和环境保护的专家则认为，在满足人类今后能量需要方面，太阳能的热影响比任何其他替换品的热影响要小得多。作为一种不污染环境，又取之不尽的新能源，它无处不在。尤其是在电力供力方面，有专家认为太阳能发电zui终将在电力供应中占20%。

　　太阳能是一种辐射能，太阳能发电意味着---要将太阳光直接转换成电能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。将光能直接转换成电能的过程确切地说应叫光伏效应。不需要借助其它任何机械部件，光线中的能量被半导体器件的电子获得，于是就产生了电能。这种把光能转换成为电能的能量转换器，就是太阳能电池。太阳能电池也同晶体管一样，是由半导体组成的。它的主要材料是硅，也有一些其他合金。用于制造太阳能电池的高纯硅，要经过特殊的提纯处理制作。太阳能电池只要受到阳光或灯光的照射，就能够把光能转变为电能，使电流从一方流向另一方，一般就可发出相当于所接收光能的10~20% 的电来。一般来说，光线越强，产生的电能就越多。为了使太阳能电池板zui大限度地减少光反射，将光能转变为电能，一般在它的上面都蒙上一层可防止光反射的膜，使太阳能板的表面呈紫色。它的工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应就是当物体受光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压（叫做光生电压）。这种现象就是的光生伏打效应。使PN结短路，就会产生电流。

　　太阳能发电的主要优点在于：太阳能电池可以设置在房顶等平时不使用的空间，无噪音、寿命长，而且一旦设置完毕就几乎不要需要调整。现在只要将屋顶上排满太阳能电池，就可以实现家中用电的自给。现今太阳能的主要用途已不再是小规模的，从性质上来说，是专业化的。它从军事领域、通信领域到城市建设领域等都起到了重大的作用。委内瑞拉还推出廉价太阳能车、欧洲科学家研制出轻便的可穿在身上的太阳能电池。目前,太阳能的利用存在着巨大的发展空间，有关的技术有可能在短时间内实现突破。它已被许多发达国家作为其能源战略的一个重要组成部分。

太阳电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。　当光线照射太阳电池

 

表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。

 

 

“硅”是我们这个星球上储藏zui丰量的材料之一。自从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维，20世纪末．我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳电池是近15年来形成产业化zui快。生产过程大致可分为五个步骤：a、提纯过程 b、拉棒过程 c、切片过程 d、制电池过程 e、封装过程。

 

　　上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术——通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加

 

亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。在世纪之交前后期间，欧美等先进国家光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势。 

                                                                                   
                                                                                      并网型光伏发电系统设备防雷示意图

 

光电转换效率

　　η% 评估太阳电池好坏的重要因素。

　　目前：实验室 η ≈ 24%，产业化：η ≈ 15%。

单体电池电压

　　V：0.4V——0.6V由材料物理特性决定。

填充因子FF%

　　评估太阳电池负载能力的重要因素。 FF=（Im×Vm）/（Isc×Voc）

　　其中：Isc—短路电流，Voc—开路电压，Im—*工作电流，Vm—*工作电压；

标准光强与环境温度地面

　　AM1.5光强，1000W/m2 ，t = 25℃；

温度对电池性质的影响

例如：在标准状况下,AM1.5光强，t=25℃某电池板输出功率测得为100Wp,如果电池温度升高至45℃时，则电池板输出功率就不到100Wp

 

　　自从1954年*块实用光伏电池问世以来，太阳光伏发电取得了长足的进步。但比计算机和光纤通讯的发展要慢得多。其原因可能是人们对信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对能源的需求。1973年的石油危机和90年代的环境污染问题大大促进了太阳光伏发电的发展。其发展过程简列如下：

　　1839年 法国科学家贝克勒尔发现“光生伏应”，即“光伏效应”。

　　1876年 亚当斯等在金属和硒片上发现固态光伏效应。

　　1883年 制成*个“硒光电池”，用作敏感器件。

　　1930年 肖特基提出Cu2O势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首次提 出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。

　　1931年 布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电解液，在阳光下启动了一个电动机。

　　1932年 奥杜博特和斯托拉制成*块“硫化镉”太阳电池。

　　1941年 奥尔在硅上发现光伏效应。

　　1954年 恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，制成了实用的单晶太阳电池，效率为6%。同年，韦克尔发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了*块薄膜太阳电池。

　　1955年 吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换效率优化设计。同年，*个光电航标灯问世。美国RCA研究砷化镓太阳电池。

　　1957年 硅太阳电池效率达8%。

　　1958年 太阳电池在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。

　　1959年 *个多晶硅太阳电池问世，效率达5%。

　　1960年 硅太阳电池实现并网运行。

　　1962年 砷化镓太阳电池光电转换效率达13%。

　　1969年 薄膜硫化镉太阳电池效率达8%。

　　1972年 罗非斯基研制出紫光电池，效率达16%。

　　1972年 美国宇航公司背场电池问世。

　　1973年 砷化镓太阳电池效率达15%。

　　1974年 COMSAT研究所提出无反射绒面电池，硅太阳电池效率达18%。

　　1975年 非晶硅太阳电池问世。同年，带硅电池效率达6%~%。

　　1976年 多晶硅太阳电池效率达10%。

　　1978年 美国建成100kWp太阳地面光伏电站。

　　1980年 单晶硅太阳电池效率达20%，砷化镓电池达22.5%，多晶硅电池达14.5%，硫化镉电池达9.15%。

　　1983年 美国建成1MWp光伏电站；冶金硅（外延）电池效率达11.8%。

　　1986年 美国建成6.5MWp光伏电站。

　　1990年 德国提出“2000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装3~5kWp光伏电池。

　　1995年 聚光砷化镓太阳电池效率达32%。

　　1997年 美国提出“*总统百万太阳能屋顶计划”，在2010年以前为100万户，每户安装3~5kWp。光伏电池。有太阳时光伏屋顶向电网供电，电表反转；无太阳时电网向家庭供电，电表正转。家庭只需交“净电费”。

　　1997年 日本“新阳光计划”提出到2010年生产43亿Wp光伏电池。

　　1997年 欧洲联盟计划到2010年生产37亿Wp光伏电池。

1998年 单晶硅光伏电池效率达25%。荷兰政府提出“荷兰百万个太阳光伏屋顶计划”，到2020年完成。

 

　　中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。经过30多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，中国光伏发电产业迅猛发展。

　　2007年，中国光伏电池产量超过德国和日本，居世界*位。2008年的产量继续提高，达到了200万千瓦。近5年来，中国光伏电池产量年增长速度为1-3倍，光伏电池产量占产量的比例也由2002年1.07％增长到2008年的近15％。商业化晶体硅太阳能电池的效率也从3年前的13％-14％提高到16％-17％。

因美国次贷问题而引发的金融危机，从华尔街迅速向蔓延，致使部分金融机构轰然倒塌，证券市场持续低迷，石油价格大幅下滑。中国光伏发电产业近年发展迅速，成为政府重视、股市活跃、风投青睐、各行各业蜂拥相聚的世界太阳谷。由于设备、原料和市场三头在外，它对美国、欧洲和日本等市场存在很大依存度。随着这场金融危机特别是油价的大幅下挫，对中国光伏发电业的投资资金、出口订单等方面产生重大影响，但金融危机对光伏产业的巨大影响一定会在未来的某个时间得到消化。长远来看，世界光伏市场的政策推动力依然存在，光伏产业的市场成长依然强劲。

 

随着《可再生能源法》的颁布及实施，可再生能源发电上网电价的基本原则已变得透明。光伏发电成本较高的呼声也似乎有所减少，但并没有发生实质性改变。据此，有业内人士说这仍是一个误会，如果用环保和可持续发展的标准来计算和衡量，与火电相比，光伏发电其实并算不上昂贵。况且随着国家鼓励发展绿色能源产业政策的扶持，随着技术的进步，光伏发电的成本将进一步降低。在“关于制定阶梯电价和促进我国光伏发电发展的议案”建议稿中，我国太阳能方面的几位专家一致认为：“从资源的数量、分布的普遍性、技术的可靠性来看，光伏发电比其他可再生能源更具有*性，目前成本较高的障碍正在随着技术进步和大规模生产而减小，光伏发电将成为未来电力的重要构成是勿庸质疑的。”如能得到稳定的政策扶持，中国太阳能光伏发电产业发展潜力将是巨大的。根据机构发布的《中国光伏发展报告》中的数据可以预计：到2030年，中国太阳能光伏发电装机容量将达到1亿千瓦，年发电量可达1300亿千瓦时，相当于少建30多个大型煤电厂。可能这个指标同欧美等国家的目标相比差距还颇大，但要想达到这个目标，必须要排除诸多障碍。作为可再生能源应用的重要组成部分，近年来光伏发电产业以平均30%以上的速度迅猛增长。预计在各国减排行动和优惠政策的拉动下，产业发展将进一步加快。在中国，只要培育规范的规模市场、加大投入、加速能力建设，国内光伏发电企业*有条件依托国内市场挺进市场。光明无限，然而前路漫漫。发展的先决条件就是政府出台行之有效的激励及扶持政策。近年来，德、日、美等国家光伏产业迅猛发展的事实证明，政府采用优惠政策扶持光伏发电市场，靠规模市场拉动产业发展、推动技术进步，依赖技术进步和规模生产降低生产成本，通过提高质量和降低价格赢得更大市场的方针和策略是正确和成功的，值得中国借鉴。

 

光伏发电成为未来电力的重要构成要经历多长时间？政府和公众的认可度如何？诸多问题困扰着中国光伏发电产业。相对欧美等国家，中国的光伏发电产业起步较晚，还面临着诸多困境及瓶颈有待进一步突破，这些注定中国光伏发电企业的商业化道路将坎坷崎岖。

 

中国的太阳能光伏发电产业需要提速，中国的光伏发电企业需要崛起。自2002年开始，产业的壮大及光伏发电企业规模的扩大给相关设备企业也提供了难得的市场机遇。目前，我国光伏装备产业已具有一定的规模和水平，在国内用户中已建立起良好的信誉。通过和*电池企业合作并融合了先进的工艺技术，国产的太阳能电池关键设备相继在国内大生产线上得到应用且逐渐成为主流选择，使我国基本具备了晶体硅太阳能电池制造设备的整线供给能力。受此拉动，我国电子设备行业也呈现出多年未有的蓬勃发展景象。在国产电池制造设备技术及市场的同时，硅材料加工设备如多晶硅铸锭炉、单晶炉、坩埚烘烤炉等也受到了市场的积极追捧。

 

　　国内太阳能电池产业发展的主要动力是光伏发电市场的需求，陕西清立新能源中国光伏发电的市场主要在几个方面。 　　

通信和工业应用（大约占到36%）： 　　

微波中继站； 　　

光缆通信系统； 　　

无线寻呼台站； 　　

卫星通信和卫星电视接收系统； 　　

农村程控系统； 　　

*通信系统；

铁路和公路信号系统； 　　

灯塔和航标灯电源； 　　

气象、地震台站； 　　

水文观测系统； 　　

水闸阴极保护和石油管道阴极保护。 　　

农村和边远地区应用（大约占51%）： 　　

独立光伏电站（村庄供电系统）； 　　

小型风光互补发电系统； 　　

太阳能户用系统； 　　

太阳能照明灯； 　　

太阳能水泵； 　　

农村社团 （学校、医院、饭馆、旅社、商店、卡拉OK歌舞厅等） 　　

光伏并网发电系统（4%） 　　

当前处于试验示范阶段，全国总装机容量大约仅有约2MWp。 　　

太阳能商品及其它（大约占到9%）太阳帽； 　　

太阳能充电器； 　　

太阳能手表、计算器； 　　

太阳能路灯； 　　

太阳能钟； 　　

太阳能庭院； 　　

汽车换气扇； 　　

太阳能电动汽车； 　　

太阳能游艇； 　　

太阳能玩具。

 

　　这是一条上下求索寻求突破之路。近年来，太阳能光伏发电领域不断涌现出新技术。但过高的电价仍是困扰产业发展的问题。目前太阳能电池上网电价约是火力发电的10倍。有专家指出，随着环保成本的增加，火力发电的电价变换将呈上升曲线，而薄膜太阳能电池上网电价将随着大规模量产和转换效率的提高逐渐下降，两条曲线预计将在2012-2015年之间相交。另外，市场前景也是不容忽视的问题。而克服这些困难必须依靠企业和政府的协同努力。从长期来看，积极拓展产业链上游业务是中国光伏发电企业面临的挑战，而中国光伏发电企业的责任是加快研发进度、加快技术创新，通过提高技术水平不断降低光伏发电的成本；另外，国家应尽快出台合理的并网发电政策，尽快解决结算方法的问题，并对生产企业、用户和设备制造商予以适当的补贴等等。同时，公众也应该加强对环境问题的认识，增强使用可再生能源的意愿。而这其中有不得不提的一点，转变观念是当务之急，更是问题关键所在。相信在政府、企业与全民的共同努力下，中国“阳光计划”的实现不会是梦。