太阳能光伏发电系统及应用前景分析
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1.太阳能取之不尽
随着全球经济的快速发展、人类的进步，
人们对能源提出了越来越高的要求，开发新的
能源已经成为当前人类面临的迫切课题。
因为火电需要燃烧煤、石油等化石燃料，
一方面化石燃料蕴藏量有限，正面临着枯竭的
危险。另一方面燃烧燃料将排出CO2和硫的
氧化物，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，而且大型水库一旦溃崩，后果将不堪
设想。另外，一些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。
上述问题都迫使人们去寻找新的能源。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。目前找到的新能源有：太阳能、风能、
燃料电池。
照射在地球上的太阳，能量非常巨大，太
阳能照射在地球上大约40分钟，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。所以太阳能发电是应
用广泛、前景光明的理想能源。
2.太阳能发电的原理
太阳能发电是利用太阳能和半导体材料的
电子学特性实现发电的。2.1 太阳能发电的原理（光伏发电）
光电效应太阳能电池的工作原理：太阳光
照在半导体p-n结上，形成新的空穴电子对，
在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，
电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。
2.2 太阳能发电方式
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。
2.2.1 光—热—电转换方式
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热能转换成工质
的蒸汽，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光
—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，
与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点
是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要
比普通火电站贵5～10倍。一座1 000 MW的
太阳能热电站需要投资20亿～25亿美元，平均
1kW的投资为2 000～2 500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，还不能与普通的火电站
或核电站相竞争。
2.2.2 光—电直接转换方式（光伏发电）
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。
太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳
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变成电能，这种方
式容易实现，且成本较低，已被广泛应用。
能产生光伏效应的材料有单晶硅、多晶硅、
非晶硅、砷化镓、硒铟铜等。p型晶体硅经过掺太阳能光伏发电系统及应用前景分析
文/刘
杰31EMERGING ENERGY 新兴能源杂磷可得n型硅，形成p-n结。晶体硅为基本
的电池材料。以晶体硅材料制备的太阳能电池
主要包括单晶硅太阳电池、铸造多晶硅太阳能
电池、非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。
单晶硅电池转换效率高，稳定性好，但是成本
较高；非晶硅太阳电池生产效率高，成本低廉，
但是转换效率较低，而且效率衰减得比较快；
铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定的转换效率，
而且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池
处在研发阶段。硅系列太阳能电池中，单晶硅
和多晶硅电池继续占据光伏市场的主导地位，
单晶硅和多晶硅的比例已超过80%。
太阳能电池生产过程大致可分为5个步
骤：（1）提纯过程；（2）拉棒过程；（3）切
片过程；（4）制电池过程；（5）封装过程。
2.3 太阳能发电的过程
现以晶体为例描述光发电过程。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，使电子发生了
越迁，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。
当许多个电池串联或并联起来就可以形成有较
大输出功率的太阳能电池方阵。
3.太阳能发电系统
3.1 太阳能发电系统的组成
太阳能发电系统主要由太阳电池板、充电
控制器、逆变器和蓄电池构成。
3.1.1 太阳能电池板
太阳能电池板的作用是将太阳辐射能直接
转换成直流电，供负载使用或存贮于蓄电池内
备用。一般根据用户需要，将若干太阳电池板
按一定方式连接，组成太阳能电池方阵，再配
上适当的支架及接线盒组成。
3.1.2 充电控制器
充电控制器主要由专用处理器CPU、电子
元器件、显示器、开关功率管等组成。在太阳
发电系统中，充电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。同时
记录并显示系统各种重要数据，如充电电流、
电压等。控制器的性能不好时，对蓄电池的使
用寿命影响很大，并最终影响系统的可靠性。
3.1.3 逆变器
逆变器的太阳能电池板的作用就是将太阳
能电池方阵和蓄电池提供的直流电逆变成交流
电，供给交流负载使用和并入电网。效率是选
择逆变器的重要标准之一，效率越高，意味着
在将光电组件产生的直流电转换成交流电的过
程中产生的电量损耗就越少。逆变器的质量决
定了发电系统的效益，它是太阳能发电系统的
核心。
3.1.4 蓄电池组
蓄电池组作用是将太阳电池方阵发出的直
流电贮能起来，供负载使用。在光伏发电系统
中，蓄电池处于浮充放电状态。白天太阳能电
池方阵给蓄电池充电，同时方阵还给负载用电，
晚上负载用电全部由蓄电池供给。因此，要求
蓄电池的自放电要小， 而且充电效率要高， 同
时还要考虑价格和使用是否方便等因素。
3.2 太阳能发电系统运行方式
太阳能发电系统有直流供电、交流供电、
交直流供电、离网运行、并网运行、风光互补
运行几种运行方式。
3.2.1 直流供电系统
太阳能发电控制器对发出的电能进行调节
控制后，直接送给直流负载，多余部分送蓄电
池储存。
3.2.2 交流供电系统
太阳能发电控制器对发出的电能进行调节
控制后，经过逆变器后送往交流负载，多余的
能量送往蓄电池组储存。
3.2.3 离网发电系统
太阳能发电控制器（光伏控制器和风光互
补控制器）对所发的电能进行调节和控制，一
方面把调整后的能量送往直流负载或经过逆变
32新能源科技NEW ENERGY TECHNOLOGY器送往交流负载，另一方面把多余的能量送往
蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要
时，控制器又把蓄电池的电能送往负载。
3.2.4 并网发电系统
将太阳能发电产生的电能不经过蓄电池储
能，通过并网逆变器直接馈入电网的发电系统。
因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，
省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利
用太阳能发出的电力，减小能量损耗，降低系
统成本。并网发电系统能够并行使用市电和太
阳能发电作为本地交流负载的电源，降低整个
系统的负载缺电率。同时，并网系统可以对公
用电网起到调峰作用。并网发电系统是太阳能
发电的发展方向，代表了21世纪最具吸引力的
能源利用技术。
4.太阳能发电的特点
4.1 优点
（1）太阳能是永久性能源，无枯竭危险；
（2）太阳能是清洁能源，绝对干净环保，
没有公害，用户感情上容易接受；
（3）太阳能发电运用灵活，不受资源分布
和地域的限制，可在用电处就近发电；
（4）太阳能电池寿命长，可以一次投资
长期使用，太阳能电池可以大中小并举，大到
百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳
能电池组；
（5）太阳能发电可靠性高，能源质量高；
（6）获取能源花费的时间短。
4.2 缺点
（1）照射的能量分布密度小，需要占用巨
大面积；
（2）获得的能源受四季、昼夜及阴晴等气
象条件的影响。
5.太阳能发电的应用和发展前景
5.1 太阳能发电的应用
随着太阳能电池的种类不断增多、应用范围日益广阔、市场规模逐步扩大。早期，太阳
能主要用于军事领域、航天领域。目前，太阳
能已进入工业、商业、农业、通信、家用电器
以及公用设施等部门。太阳能发电应用分为几
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，例如：太阳
能庭院灯；太阳能发电用户系统特别是村寨供
电的独立系统，可以在边远地区、高山、沙漠、
海岛和农村使用，以节省造价昂贵的输电线路。
另外还有光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、
石油输油管道阴极保护、光缆通信站电源、海
水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。
5.2 太阳能发电的研究现状及发展前景
5.2.1 国外太阳能光伏发电现状及前景
目前全世界共有136个国家投入普及应用
太阳能电池的热潮中，其中有95个国家正在大
规模地进行太阳能发电及太阳能电池的研制开
发，积极生产各种相关的节能新产品，已有近
200家公司生产太阳能电池，1998年，全世界生
产的太阳能电池，其总的发电量达1 000 MW，
1999年达2 850 MW。2000年，全球已有近
4 600家厂商向市场提供光电池和以光电池为电
源的产品。全世界太阳能电池的生产量平均每
年增长近40%。生产规模从1～5 MW瓦/年
发展到5～25 MW/年，并正在向50 MW甚至
100 MW扩大。
21世纪以来，一些发达国家纷纷制定了
发展包括太阳能电池在内的可再生能源计划。
太阳能电池的研究和生产在欧洲、美洲、亚洲
大规模铺开。美国和日本争相出台太阳能技术
的研究开发计划，2010年，美国计划累积安装
4 600 MW（含百万屋顶计划）；日本计划累计
安装5 000 MW（NEDO日本新阳光计划）。
最近的光伏行业调查表明，到2010年，光伏产
业的年发展速度仍保持在30%以上。
在太阳能发电技术方面，各国都有新的发
明和设想，例如：美国德州仪器公司和SCE公
司开发出一种新的太阳电池，每一单元是直径
不到1 mm
的小珠，分布在柔软的铝箔上，在33EMERGING ENERGY 新兴能源
