第1章 太阳能光伏技术基础知识

1.1 太阳能光伏发电系统

1.1.1 太阳能及光伏技术

1. 太阳能

太阳的基本结构是一个由炽热气体构成的球体，主要由氢和氦组成，其中氢占80%，氦占19%。太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。据计算，太阳辐射每秒抵达地球表面的能量高达8.0×1013kW，相当于550万吨标准煤燃烧产生的能量。地球每年接收的太阳能相当于目前地球上每年燃烧的固、液、气体燃料产生的能量的2000倍左右，太阳能资源总量相当于现在人类所利用能源的1万多倍。

地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等），从根本上说也是自远古以来储存下来的太阳能。广义的太阳能所包括的范围非常广，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

我国太阳能资源十分丰富，全国有2/3以上的地区，年日照时数在2000h以上。

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无须运输，对环境无任何污染。虽然太阳能的总量很大，我国陆地表面每年接收的太阳能就相当于1700亿吨标准煤，但太阳能十分分散，能流密度较低，到达地面的太阳能每平方米只有1000W左右。同时，地面上太阳能还受季节、昼夜、气候等影响时强时弱，具有不稳定性，限制了太阳能的有效利用。

人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在2000多年前的战国时期就知道利用钢制凹面镜聚焦太阳光来点火，利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用、太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点。

（1）太阳能是人类可以利用的最丰富的能源。据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳仅消耗了它本身能量的2%，可以说是取之不尽，用之不竭。

（2）地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。

（3）太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪声，更不会影响生态平衡。

我国西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原均属世界太阳能资源丰富地区；四川盆地、两湖地区、秦巴山地是太阳能资源低值区；我国东部、南部、及东北为太阳能资源中等区。各地区太阳能资源情况见表1-1。

2. 太阳能光伏技术

在太阳能的有效利用中，太阳能发电系统是近些年来发展最快，也是最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。太阳能是一种辐射能，利用太阳能发电是将太阳光转换成电能。目前，太阳能发电有两种方式：一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。为此，人们研制和开发了太阳能电池，设计和建设独立、并网的光—电直接转换太阳能发电系统，有专家认为太阳能发电量最终将在电力供应中占20%。

（1）光—热—电转换方式。是通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的太阳能转换成工质蒸汽的热能，再驱动汽轮发电机发电。前一个过程是光—热转换过程，后一个过程是热—电转换过程，其发电工艺流程与普通的火力发电相似。太阳能热能发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站高5～10倍，一座1000MW的太阳能热电站需要投资20亿～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算。所以，太阳能热能发电还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

（2）光—电直接转换方式。是利用光电效应将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种基于光生伏特效应将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能转换成电能，在外电路上产生电流。将许多个太阳能电池串联或并联起来就可构成输出功率比较大的太阳能电池方阵。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能光伏发电与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用电的独立太阳能发电系统，这些特点是其他电源无法比拟的。

太阳能电池也同晶体管一样，是由半导体构成的。它的主要材料是硅，也有一些其他合金材料。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。太阳能电池的工作原理是半导体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。当太阳光或其他光照射到半导体的PN结时，产生光生电子—空穴对，在内建电场作用下，光生电子和空穴分离，太阳能电池两端出现异性电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得电功率输出。

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，太阳能电池可发出相当于所接收光能的10%～20%的电。一般来说，光线越强，发出的电能就越多。为了使太阳能电池板最大限度地减少光反射，将光能转变为电能，一般在太阳能电池板的上面都蒙有一层可防止光反射的膜，从而使太阳能电池板的表面呈紫色。

1.1.2 太阳能光伏发电原理及优势

1. 太阳能光伏发电原理

光生伏打效应在液体和固体物质中都会发生，但是只有固体（尤其是半导体PN结器件）在太阳光照射下的光电转换效率较高。利用光生伏打效应原理制成晶体硅太阳能电池，可将太阳的光能直接转换成为电能。太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池，又称光伏电池，是太阳能光伏发电系统的基础和核心器件。太阳能转换成为电能的过程主要包括3个步骤：

（1）太阳能电池吸收一定能量的光子后，半导体内产生电子—空穴对，称为“光生载流子”，两者的电极性相反，电子带负电，空穴带正电。

（2）电极性相反的光生载流子被半导体PN结所产生的静电场分离开。

（3）光生载流电子和空穴分别被太阳能电池的正、负极收集，并在外电路中产生电流，从而获得电能。

太阳能光伏发电原理如图1-1所示。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给硅原子，使电子发生跃迁，成为自由电子，在PN结两侧集聚形成电位差。当外部电路接通时，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。这个过程的实质是光子能量转换成电能的过程。

在太阳能发电系统中，系统的总效率η由太阳能电池组件的光电转换效率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等决定。目前，太阳能电池的光电转换效率只有17%左右。因此，提高太阳能电池组件的光电转换效率、降低太阳能光伏发电系统的单位功率造价，是太阳能光伏发电产业化的重点和难点。自太阳能电池问世以来，晶体硅作为主要材料保持着统治地位。目前对硅太阳能电池转换效率的研究，主要围绕着加大吸能面（如采用双面电池减小反射）、运用吸杂技术和钝化工艺提高硅太阳能电池的转换效率、电池超薄型化等方面。

目前，太阳能光伏发电系统主要应用于以下3个方面。

（1）为无电场合提供电源，主要为广大无电地区居民生活生产提供电力，为微波中继站和移动电话基站提供电源等。

（2）太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草坪灯等。

（3）并网发电，在发达国家已经大面积推广实施，我国并网发电正在起步阶段。

2. 太阳能发电的优势

通过对生物质能、水能、风能和太阳能等几种常见新能源的对比分析，可以清晰地看出太阳能发电具有以下独特优势。

（1）光伏发电具有经济优势。可以从两个方面看太阳能利用的经济性：一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用；二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能的利用已具经济性。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能技术的突破，太阳能利用的经济性将会更加明显。如果说20世纪是石油的世纪，那么21世纪则是可再生能源的世纪（太阳能的世纪）。

从太阳能光伏发电站建设成本来看，随着太阳能光伏发电的大规模应用和推广，尤其是上游晶体硅产业和光伏发电技术的日趋成熟，建筑房顶、外墙等平台的复合开发利用，每千瓦太阳能光伏发电的建设成本在2010年可达到7000～10000元，相比其他可再生能源已具有同样的经济优势。

（2）太阳能是取之不尽的可再生能源。根据计算，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892×1024吨，是目前世界主要能源探明储量的1万倍。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳能可源源不断供给地球的时间可以说是无限的，这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。

（3）对环境没有污染。太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。由于传统化石燃料（煤、石油和天然气）在使用过程中排出大量的有毒有害物质，会对水、土壤和大气造成严重污染，形成温室效应和酸雨，严重危害人类的生存环境和身体健康，因此急需开发出新的比较清洁的替代能源，而太阳能作为一种比较理想的清洁能源，正受到世界各国的日益重视。

从目前各种发电方式的碳排放率（g/kW·h）来看，不计算其上游环节：煤发电为275g/kW·h，油发电为204g/kW·h，天然气发电为181g/kW·h，风力发电为20g/kW·h，而太阳能光伏发电则接近零排放。并且，在发电过程中没有废渣、废料、废水、废气排出，没有噪声，不产生对人体有害的物质，不会污染环境。

（4）能量转换环节最少。从能量转换环节来看，太阳能光伏发电是直接将太阳辐射能转换为电能，在所有可再生能源利用中，太阳能光伏发电的转换环节最少、利用最直接。一般来说，在整个生态环境的能量流动中，随着转换环节的增加、转换链条的拉长，能量的损失将呈几何级增加，并同时大大增加整个系统的建设、运行成本和不稳定性。目前，晶体硅太阳能电池的光电转换效率实用水平为15%～20%，实验室最高水平已达35%。

（5）最经济、最环保。从资源条件尤其是土地占用来看，生物能、风能是较为苛刻的，而太阳能利用则很灵活。如果说太阳能光伏发电占用土地面积为1，风力则是太阳能的8～10倍，生物能则达到100倍。就水电而言，一个大型水坝的建成往往需要淹没数十平方公里到上百平方公里的土地。相比而言，太阳能发电不需要占用更多的土地，屋顶、墙面都可成为太阳能光伏发电利用的场所，还可利用我国广阔的沙漠，通过在沙漠上建造太阳能光伏发电基地，直接降低沙漠地带直射到地表的太阳辐射，有效降低地表温度，减小蒸发量，进而使植物的存活和生长在相当程度上成为可能，稳固并减少沙丘，又向大自然索取了所需的清洁可再生能源。

（6）可免费使用且无须运输。人类可以通过专门的技术和设备将太阳能转化为热能或电能，就地加以利用，无须运输，为人类造福。而且人类利用太阳能这一取之不尽的能源也是免费的。虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其他能源来说，太阳能对地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。