太阳能光伏发电——过去、现在与未来

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太阳能光伏发电——过去、现在与未来

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随着社会的不断发展，人类对能源的需求快速增长，但传统的化石燃料数量有限，且燃烧时产生大量的CO2 与SO2 ，造成严重的温室效应与大气污染。因此改变现有的能源结构，开发利用新能源成为了解决能源短缺与环境恶化的关键。而太阳能由于其来源无穷无尽且具有极高的安全保障性，目前成为了研究的重点。

太阳能光伏发电原理

太阳能光伏电池种类繁多，但归其根本，他们的发电原理都是利用半导体的光生伏特效应。在太阳能电池内部，存在若干个p-n结。当太阳光照射到p-n结时一部分光发生反射，其余的光会被p-n结吸收。其中，被吸收的辐射能有一部分将转变为热能，而另一部分则以光子的形式与组成p-n结的原子价电子发生碰撞，产生电子空穴对。在p-n结势垒区内建电场的作用下，电子将被驱至n区，而空穴将驱至p区，从而使n区存在过剩的电子区，而p区存在过剩的空穴。在这种情况下，p-n结附近形成与内建电场方向相反的光生电场。该光生电场除了抵消内建电场外，还使p型层带正电，n型层带负电，从而使n区和p区之间的薄层形成光生电动势，这就是光生伏打效应。如果分别在p型层和n型层上连接负载形成通路，在外界持续光照下外电路就有电流通过，输出电能，实现光电转换。

图2 太阳能光伏发电原理图

光伏发电系统组成、分类和工作方式

太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池板、控制器和逆变器等部分组成。其中，太阳能电池是太阳能光伏发电系统的核心部件。根据结晶状态，太阳能光伏电池可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类。结晶系薄膜式又分为单结晶形和多结晶形。随着技术的不断更新，目前单晶硅电池的光电转换效率可达到14%~~17%，多晶硅电池的转换效率可达到12%~~15%，薄膜电池的转换效率达到6%~~8.5%，近两年内可达到10%~~12%，5年内有望达到18%。薄膜电池十分适合在较弱光线下产电，可在阴天环境中仍保持良好的转化率。目前，薄膜太阳能电池逐渐成为主流太阳能电池技术。

此外，太阳能光伏发电的种类可分为独立蓄电系统，反馈式发电系统及市电并联系统三大形式。其中，独立蓄电系统是一种较为原始的太阳能反应方式，已产生与发展若干年。该系统整体比较简单、造价低，但由于电池维护困难等问题，在实际使用过程中存在一定局限。

与之相比，反馈式发电系统则可灵活地根据负载用电情况进行反馈与调整。当负载用电较大，太阳能电力不足时，系统则会向市电网络购电，以弥补电量的不足。而当负载较小或不使用电器时，系统则会将多余的电力卖给市电，避免了电力的浪费。这种方式可以极大地提升电量利用率，实施意义重大，可适用于电网已全面改造的城市。同时，系统所需逆变器和控制器的规格完全符合各种技术规定，从3kW到数千瓦均可实现。据数据统计，反馈式发电系统在欧洲和北美的市场占有率超过60%。

市电并联系统则是独立蓄电系统与反馈式发电系统的结合体，也是太阳能光伏发电发展中期的运用方式。其主要工作原理是将太阳能所发的电与市电并联后向负载供电。它的工作原则是优先使用太阳能所产生的电力，只有当太阳能光伏产电量小于负载用电量时，才会通过市电进行补充。系统还时刻侦测市电运行状况，可实现断电同步，防止市电拉闸所造成的触电事故。与反馈式发电系统不同的是，市电并联系统主要适用于城市电网尚未改造的项目。对于包括中国在内的一些发展中国家，要实现全面改造城市电网，其难度高，阻力很大。因此，采用市电并联系统，实现太阳能光伏发电与市电相辅相成供电，成为了这种状况下的最优选择。

图3 太阳能光伏发电系统
（a）独立蓄电系统；（b）反馈式发电系统；（c）市电并联系统

太阳能光伏发电系统的运行方式主要分为并网运行、离网运行和混合运行三类方式。其中并网运行则是光伏发电系统与公共电网相联接，共同承担供电任务。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段的产物，也是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。联网后的太阳能光伏发电系统具有许多独特的优越性，如所发电能回馈电网，以电网为储能装置，可省掉蓄电池；相较于独立的太阳能光伏系统，发电成本大大降低，可减少建设投资35%~45%；出入电网灵活，易于建立分布式电源，既有利于改善电力系统的负荷平衡，又可降低线路损耗。

离网系统则是未与公共电网相联接，又称为独立太阳能光伏发电系统。主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为边远农村、海岛、通信中继站、边防哨所等公共电网难以掩盖的场合提供电源。混合系统则是光伏系统与生物质能发电系统、风力发电系统或柴油发电系统等其他发电系统组合，以保证持续的电力供应。混合系统又可分为并网或离网的形式。

光伏发电现状

太阳能光伏发电是利用太阳能转换为电能的一种清洁能源，目前已成为新能源领域的重要组成部分。在全球范围内，太阳能光伏发电正在快速发展，以下将从市场、技术、政策等方面分析其现状。

首先，市场方面。近年来，全球太阳能光伏发电市场保持强劲增长。其中，中国和欧洲是全球最大的太阳能光伏市场，占据了超过一半的市场份额。此外，随着太阳能光伏发电成本不断降低，越来越多的国家开始采用太阳能光伏发电作为主要的电力来源。

其次，技术方面。太阳能光伏发电技术不断改进，效率不断提高。当前，单晶硅、多晶硅、PERC（Passivated emit-ter rear cell，发射极和背面钝化电池）等技术已经比较成熟，并且有望继续提高效率，未来还可能出现新的技术突破。此外，针对太阳能光伏的储能技术也在不断完善，如锂离子电池、流动电池等，这将有助于解决太阳能光伏发电的波动性和不稳定性。

图4 太阳能光伏发电未来发展趋势

再次，政策方面。多数国家都制定了相应的政策来促进太阳能光伏发电的发展，如补贴、税收优惠、配额制度等。此外，一些国家还在推行“绿色能源证书”等政策，以鼓励企业采用可再生能源。尽管不同国家的政策存在差异，但总体上均表明太阳能光伏发电已成为全球新能源发展的重要趋势。

然而，太阳能光伏发电仍面临一些挑战。首先是成本问题，虽然太阳能光伏发电成本不断降低，但仍然高于传统能源，加之储能技术成本较高，导致太阳能光伏发电的竞争力受到影响；其次是基础设施建设问题，虽然太阳能光伏发电无需输电线路，但需要大面积的土地以及太阳能电池板等设备，因此基础设施建设需要耗费大量资金和资源。