太陽能發電:通過太陽能發出電量-中文百科頻道

背景

現有能源

随着經濟的發展、社會的進步，人們對能源提出越來越高的要求，尋找新能源成為當前人類面臨的迫切課題。現有電力能源的來源主要有3種，即火電、水電和核電。

火電缺點

火電需要燃燒煤、石油等化石燃料。一方面化石燃料蘊藏量有限、越燒越少，正面臨着枯竭的危險。據估計，全世界石油資源再有30年便将枯竭。另一方面燃燒将排出二氧化碳和硫的氧化物，因此會導緻溫室效應和酸雨，惡化地球環境。

水電缺點

水電要淹沒大量土地，有可能導緻生态環境破壞，而且大型水庫一旦塌崩，後果将不堪設想。另外，一個國家的水力資源也是有限的，而且還要受季節的影響。

核電缺點

核電在正常情況下固然是幹淨的，但萬一發生核洩漏，後果同樣是可怕的。前蘇聯切爾諾貝利核電站事故，已使900萬人受到了不同程度的損害；2011年3月11日13時46分，日本福島發生9.0級地震，引發震驚國際的福島核電站事故，造成核電站附近30公裡成為無人區；方圓5公裡的海洋資源将受到不同程度的影響或是海洋生物變異。

理想能源

新能源要同時符合兩個條件：一是蘊藏豐富不會枯竭；二是安全、幹淨，不會威脅人類和破壞環境。找到的新能源主要有兩種，一是太陽能，二是燃料電池。另外，風力發電也可算是輔助性的新能源。

照射在地球上的太陽能非常巨大，大約40分鐘照射在地球上的太陽能，足以供全球人類一年能量的消費。可以說，太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源。而且太陽能發電絕對幹淨，不産生公害。所以太陽能發電被譽為是理想的能源。

從太陽能獲得電力，需通過太陽電池進行光電變換來實現。它同以往其他電源發電原理完全不同，具有以下特點：

①無枯竭危險；

②絕對幹淨（無公害）；

③不受資源分布地域的限制；

④可在用電處就近發電；

⑤能源質量高；

⑥使用者從感情上容易接受；

⑦獲取能源花費的時間短。

不足之處是：

①照射的能量分布密度小，即要占用巨大面積；

②獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關。但總的說來，瑕不掩瑜，作為新能源，太陽能具有極大優點，因此受到世界各國的重視。

要使太陽能發電真正達到實用水平，一是要提高太陽能光電變換效率并降低其成本，二是要實現太陽能發電同的電網聯網。

太陽能電池主要有單晶矽、多晶矽、非晶态矽三種。單晶矽太陽電池變換效率最高，已達20%以上，但價格也最貴。

非晶态矽太陽電池變換效率最低，但價格最便宜，今後最有希望用于一般發電的将是這種電池。一旦它的大面積組件光電變換效率達到10%，每瓦發電設備價格降到1－2美元時，便足以同其他的發電方式競争。估計本世紀末便可達到這一水平。

當然，特殊用途和實驗室中用的太陽電池效率要高得多，如美國波音公司開發的由砷化镓半導體同銻化镓半導體重疊而成的太陽電池，光電變換效率可達36%，快趕上了燃煤發電的效率。但由于它太貴，隻能限于在衛星上使用。

類型

太陽能發電有兩大類型：一類是太陽光發電（亦稱太陽能光發電），另一類是太陽熱發電（亦稱太陽能熱發電）。

太陽能光發電是将太陽能直接轉變成電能的一種發電方式。它包括光伏發電、光化學發電、光感應發電和光生物發電四種形式，在光化學發電中有電化學光伏電池、光電解電池和光催化電池。

太陽能熱發電是先将太陽能轉化為熱能，再将熱能轉化成電能，它有兩種轉化方式。一種是将太陽熱能直接轉化成電能，如半導體或金屬材料的溫差發電，真空器件中的熱電子和熱電離子發電，堿金屬熱電轉換，以及磁流體發電等。

另一種方式是将太陽熱能通過熱機（如汽輪機）帶動發電機發電，與常規熱力發電類似，隻不過是其熱能不是來自燃料，而是來自太陽能。

原理

太陽能的利用還不是很普及，利用太陽能發電還存在成本高、轉換效率低的問題，但是太陽能電池在為人造衛星提供能源方面得到了應用。太陽能是太陽内部或者表面的黑子連續不斷的核聚變反應過程産生的能量。

地球軌道上的平均太陽輻射強度為1369w/㎡。地球赤道的周長為40000km，從而可計算出，地球獲得的能量可達173000TW。

在海平面上的标準峰值強度為1kw/m2，地球表面某一點24h的年平均輻射強度為0.20kw/㎡，相當于有102000TW的能量，人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地熱能資源除外），雖然太陽能資源總量相當于現在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽能的能量密度低，而且它因地而異，因時而變，這是開發利用太陽能面臨的主要問題。

太陽能的這些特點會使它在整個綜合能源體系中的作用受到一定的限制。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一，但已高達173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當于500萬噸煤。

地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質能以及部分潮汐能都是來源于太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能，所以廣義的太陽能所包括的範圍非常大，狹義的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學的直接轉換。

工作原理

太陽能發電是利用電池組件将太陽能直接轉變為電能的裝置。太陽能電池組件（Solarcells）是利用半導體材料的電子學特性實現P-V轉換的固體裝置，在廣大的無電力網地區，該裝置可以方便地實現為用戶照明及生活供電，一些發達國家還可與區域電網并網實現互補。

目前從民用的角度，在國外技術研究趨于成熟且初具産業化的是"光伏--建築（照明）一體化"技術，而國内主要研究生産适用于無電地區家庭照明用的小型太陽能發電系統。

太陽能發電原理

太陽能發電系統主要包括：太陽能電池組件（陣列）、控制器、蓄電池、逆變器、用戶即照明負載等組成。其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統，控制器和逆變器為控制保護系統，負載為系統終端。

太陽能電源系統

太陽能電池與蓄電池組成系統的電源單元，因此蓄電池性能直接影響着系統工作特性。

⑴電池單元

由于技術和材料原因，單一電池的發電量是十分有限的，實用中的太陽能電池是單一電池經串、并聯組成的電池系統，稱為電池組件（陣列）。

單一電池是一隻矽晶體二極管，根據半導體材料的電子學特性，當太陽光照射到由P型和N型兩種不同導電類型的同質半導體材料構成的P-N結上時，在一定的條件下，太陽能輻射被半導體材料吸收，在導帶和價帶中産生非平衡載流子即電子和空穴。

同于P-N結勢壘區存在着較強的内建靜電場，因而能在光照下形成電流密度J，短路電流Isc，開路電壓Uoc。若在内建電場的兩側面引出電極并接上負載，理論上講由P-N結、連接電路和負載形成的回路，就有"光生電流"流過，太陽能電池組件就實現了對負載的功率P輸出。

理論研究表明，太陽能電池組件的峰值功率Pk，由當地的太陽平均輻射強度與末端的用電負荷（需電量）決定。

⑵電能儲存單元

太陽能電池産生的直流電先進入蓄電池儲存，蓄電池的特性影響着系統的工作效率和特性。蓄電池技術是十分成熟的，但其容量要受到末端需電量，日照時間（發電時間）的影響。因此蓄電池瓦時容量和安時容量由預定的連續無日照時間決定。

控制器

控制器的主要功能是使太陽能發電系統始終處于發電的最大功率點附近，以獲得最高效率。

而充電控制通常采用脈沖寬度調制技術即PWM控制方式，使整個系統始終運行于最大功率點Pm附近區域。放電控制主要是指當電池缺電、系統故障，如電池開路或接反時切斷開關。目前日立公司研制出了既能跟蹤調控點Pm，又能跟蹤太陽移動參數的"向日葵"式控制器，将固定電池組件的效率提高了50%左右。

3DC-AC逆變器

逆變器按激勵方式，可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是将蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全橋電路，一般采用SPWM處理器經過調制、濾波、升壓等，得到與照明負載頻率f，額定電壓UN等匹配的正弦交流電供系統終端用戶使用。

發電系統反充二極管

太陽能光伏發電系統的防反充二極管又稱阻塞二極管，在太陽電池組件中其作用是避免由于太陽電池方陣在陰雨和夜晚不發電或出現短路故障時，擂電池組通過太陽電池方陣放電。

防反充二極管串聯在太陽電池方陣電路中，起單向導通作用。因此它必須保證回路中有最大電流，而且要承受最大反向電壓的沖擊。

一般可選用合适的整流二極管作為防反充二極管。一塊闆的話可以不用任何二極管，因為控制器本來就可防反沖。闆子串聯的話，需要安裝旁路二極管，如果是并聯的話就要裝個防反沖二極管，防止闆子直接沖電。防反充二極管隻是保護作用，不會影響發電效果。

效率

在太陽能發電系統中，系統的總效率ηese由電池組件的PV轉換率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負載的效率等組成。但相對于太陽能電池技術來講，要比控制器、逆變器及照明負載等其它單元的技術及生産水平要成熟得多，而且目前系統的轉換率隻有17%左右。

因此提高電池組件的轉換率，降低單位功率造價是太陽能發電産業化的重點和難點。太陽能電池問世以來，晶體矽作為主角材料保持着統治地位。目前對矽電池轉換率的研究，主要圍繞着加大吸能面，如雙面電池，減小反射；運用吸雜技術減小半導體材料的複合；電池超薄型化；改進理論，建立新模型；聚光電池等。

一體化設計

目前成功地把太陽能組件和建築構件加以整合，如太陽能屋面（頂）、牆壁及門窗等，實現了"光伏--建築照明一體化（BIPV)"。1997年6月，美國宣布了以總統命名的"太陽能百萬屋頂計劃"，在2010年以前為100萬座住宅實施太陽能發電系統。

日本"新陽光計劃"已在2000年以前将光伏建築組件裝機成本降到170～210日元/W，太陽能電池年産量達10MW，電池成本降到25～30日元/W。

1999年5月14日，德國僅用一年兩個月建成了全球首座零排放太陽能電池組件廠，完全用可再生能源提供電力，生産中不排放CO2。

工廠的南牆面為約10m高的PV陣列玻璃幕牆，包括屋頂PV組件，整個工廠建築裝有575m2的太陽能電池組件，僅此可為該建築提供三分之一以上的電能，其牆面和屋頂PV組件造型、色彩、建築風格與建築物的結合，與周圍的自然環境的整合達到了十分完美的協調。

該建築另有約45kW容量，由以自然狀态的菜子油作燃料的熱電廠提供，經設計燃燒菜子油時産生的CO2與油菜生長所需的CO2基本平衡，是一座真正意義上的零排放工廠。

BIPV還注重建築裝飾藝術方面的研究，在捷克由德國WIP公司和捷克合作，建成了世界第一面彩色PV幕牆。

印度西孟加拉邦為一無電島117家村民安裝了12.5kW的BIPV。國内常州天合鋁闆幕牆制造有限公司研制成功一種"太陽房"，把發電、節能、環保、增值融于一房，成功地把光電技術與建築技術結合起來，稱為太陽能建築系統（SPBS），SPBS已于2000年9月20日通過專家論證。

近日在上海浦東建成了國内首座太陽能--照明一體化的公廁，所有用電由屋頂太陽能電池提供。這将有力地推動太陽能建築節能産業化與市場化的進程。

綠色照明光源研究

綠色照明系統優化設計，要求低能耗下獲得高的光效輸出，并延長燈的使用壽命。因此DC-AC逆變器設計，應獲得合理的燈絲預熱時間和激勵燈管的電壓和電流波形。

目前處在研究開發中的太陽能照明光源激勵方式有四種典型電路：

①自激推挽振蕩電路，通過燈絲串聯啟輝器預熱啟動。該光源系統的主要參數是：輸入電壓DC=12V，輸出光效>495Lm/支，燈管額定效率9W，有效壽命3200h，連續開啟次數>1000次。

②自激推挽振蕩（簡單式）電路，該光源系統的主要參數是：輸入電壓DC=12V，燈管功率9W，輸出光效315Lm/支，連續啟動次數>1500次。

③自激單管振蕩電路，燈絲串聯繼電器預熱啟動方式。

④自激單管振蕩(簡單式）電路等方式的高效節能綠色光源。

結束語

綠色能源和可持續發展問題是本世紀人類面臨的重大課題，開發新能源，對現有能源的充分合理利用已經得到各國政府的極大重視。太陽能發電作為一種取之不盡，用之不竭的清潔環保能源将得到前所未有的發展。

随着太陽能産業化進程和技術開發的深化，它的效率、性價比将得到提高，它在包括BIPV在内的各個領域都将得到廣泛的應用，也将極大地推動中國"綠色照明工程"的快速發展。

優缺點

相比其他的能源利用技術，太陽能發電有其無可比拟的優勢，主要表現在：

太陽能資源沒有枯竭危險，且資源分布廣泛，受地域限制小；

太陽能電池主要的材料--矽，原料豐富；無機械轉動部件，沒有噪聲，穩定性好；

維護保養簡單，維護費用低；

系統為組件，可在任何地方快速安裝無污染，完全幹淨（蓄電池除外）。

同時，太陽能發電也有其不足之處：

太陽能照射的能量分布密度小，約100W/m2；

年發電時數較低，平均1300h；

不能連續發電，受季節、晝夜以及陰晴等氣象狀況影響大；

精準預測系統發電量比較困難；

光伏系統的造價還比較高，系統成本40000～60000元/kW。

應用

太陽能發電雖受晝夜、晴雨、季節的影響，但可以分散地進行，所以它适于各家各戶分别進行發電，而且要聯接到供電網絡上，使得各個家庭在電力富裕時可将其賣給電力公司，不足時又可從電力公司買入。實現這一點的技術不難解決，關鍵在于要有相應的法律保障。現在美國、日本等發達國家都已制定了相應法律，保證進行太陽能發電的家庭利益，鼓勵家庭進行太陽能發電。

日本已于1992年4月實現了太陽能發電系統同電力公司電網的聯網，已有一些家庭開始安裝太陽能發電設備。日本通産省從1994年開始以個人住宅為對象，實行對購買太陽能發電設備的費用補助三分之二的制度。要求第一年有1000戶家庭、2000年時有7萬戶家庭裝上太陽能發電設備。

據日本有關部門估計日本2100萬戶個人住宅中如果有80%裝上太陽能發電設備，便可滿足全國總電力需要的14%，如果工廠及辦公樓等單位用房也進行太陽能發電，則太陽能發電将占全國電力的30%－40%。

當前阻礙太陽能發電普及的最主要因素是費用昂貴。為了滿足一般家庭電力需要的3千瓦發電系統，需600萬至700萬日元，還未包括安裝的工錢。有關專家認為，至少要降到100萬到200萬日元時，太陽能發電才能夠真正普及。降低費用的關鍵在于太陽電池提高變換效率和降低成本。

不久前，美國德州儀器公司和SCE公司宣布，它們開發出一種新的太陽電池，每一單元是直徑不到1毫米的小珠，它們密密麻麻規則地分布在柔軟的鋁箔上，就像許多蠶卵緊貼在紙上一樣。

在大約50平方厘米的面積上便分布有1，700個這樣的單元。這種新電池的特點是，雖然變換效率隻有8%—10%，但價格便宜。而且鋁箔底襯柔軟結實，可以像布帛一樣随意折疊且經久耐用，挂在向陽處便可發電，非常方便。

據稱，使用這種新太陽電池，每瓦發電能力的設備隻要1.5至2美元，而且每發一度電的費用也可降到14美分左右，完全可以同普通電廠産生的電力相競争。每個家庭将這種電池挂在向陽的屋頂、牆壁上，每年就可獲得一二千度的電力。

應用領域

用戶太陽能電源：

（1）小型電源10-100W不等，用于邊遠無電地區如高原、海島、牧區、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等；

（2）3-5KW家庭屋頂并網發電系統；

（3）光伏水泵：解決無電地區的深水井飲用、灌溉。

2.交通領域：如航标燈、交通/鐵路信号燈、交通警示/标志燈、宇翔路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。

3.通訊/通信領域：太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通訊/尋呼電源系統；農村載波電話光伏系統、小型通信機、士兵GPS供電等。

4.石油、海洋、氣象領域：石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統、石油鑽井平台生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象/水文觀測設備等。

5.家庭燈具電源：如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節能燈等。

6.光伏電站：10KW-50MW獨立光伏電站、風光（柴）互補電站、各種大型停車廠充電站等。

7.太陽能建築：将太陽能發電與建築材料相結合，使得未來的大型建築實現電力自給，是未來一大發展方向。

8.其他領域包括：

（1）與汽車配套：太陽能汽車/電動車、電池充電設備、汽車空調、換氣扇、冷飲箱等；

（2）太陽能制氫加燃料電池的再生發電系統；

（3）海水淡化設備供電；

（4）衛星、航天器、空間太陽能電站等。

現狀

太陽能發電主要分為太陽能光伏發電和太陽能熱能發電兩種，2011年全球新增太陽能發電裝機容量約2800萬千瓦。累計裝機容量達6900萬千瓦，當年全球太陽能産值為930億美元。

歐盟在太陽能發電方面居于領先地位，但美國和中國的發展勢頭迅猛。今年3月美國太陽能産業協會和GTM市場調研公司共同發布的報告預計，到2016年美國占全球太陽能闆市場的份額将由2011年7%提升至15%。屆時，美國與中國可能将成為全球兩大領先的太陽能市場。

太陽能光伏發電是利用太陽能電池将太陽光能直接轉化為電能。光伏發電系統主要由太陽能電池、蓄電池、控制器和逆變器組成，其中太陽能電池是光伏發電系統的關鍵部分，太陽能電池闆的質量和成本将直接決定整個系統的質量和成本。

太陽能電池主要分為晶體矽電池和薄膜電池兩類，前者包括單晶矽電池、多晶矽電池兩種，後者主要包括非晶體矽太陽能電池、銅铟镓硒太陽能電池和碲化镉太陽能電池。

單晶矽太陽能電池的光電轉換效率為15%左右，最高可達23%，在太陽能電池中光電轉換效率最高，但其制造成本高。

單晶矽太陽能電池的使用壽命一般可達15年，最高可達25年。多晶矽太陽能電池的光電轉換效率為14%到16%，其制作成本低于單晶矽太陽能電池，因此得到大量發展，但多晶矽太陽能電池的使用壽命要比單晶矽太陽能電池要短。

提高太陽能發電競争力的途徑，就是要提高其光電轉換效率，降低生産成本。因此，矽太陽能電池的研發主要圍繞以下兩個方面進行：一是提高太陽光輻照能轉化為電能的光電轉換效率；二是大幅度降低單瓦成本。

2010年美國能源部啟動了“太陽計劃”，旨在降低太陽能發電的均化成本，計劃到2020年在沒有補貼的前提下将其降為每千瓦50到60美元。

就公用事業電站項目的太陽能發電而言，其安裝成本必須降至每瓦1美元，其中太陽能電池模塊的成本為每瓦0.5美元，并入常規電網的成本為每瓦0.1美元，軟性成本（包括安裝、許可證的獲取和其他成本等）為每瓦0.4美元。

據美國SunRun發布的一份報告顯示，地方審批流程這一項就使每戶住宅的光伏安裝成本增加2500多美元，降低這類軟性成本也有利于提高太陽能的競争優勢，而“太陽計劃”的目标之一就是緻力于降低軟性成本以降低模塊成本。

由于産能過剩、全球經濟不景氣，以及工程和制造技術的創新，矽太陽能模塊的售價自2008年第2季度以來大幅降低：從原來的每瓦4美元降為每瓦1美元。随着未來技術創新步伐的加快，其售價将會降為每瓦0.8美元，2020年将降為每瓦0.5美元。相比之下，軟性成本的降幅不大。

薄膜太陽能電池是用矽、硫化镉、砷化镓等薄膜為基體材料的太陽能電池。薄膜太陽能電池可以使用質輕、價低的基底材料（如玻璃、塑料、陶瓷等）來制造，形成可産生電壓的薄膜厚度不到1微米，便于運輸和安裝。

然而，沉澱在異質基底上的薄膜會産生一些缺陷，因此現有的碲化镉和銅铟镓硒太陽能電池的規模化量産轉換效率隻有12%到14%，而其理論上限可達29%。如果在生産過程中能夠減少碲化镉的缺陷，将會增加電池的壽命，并提高其轉化效率。這就需要研究缺陷産生的原因，以及減少缺陷和控制質量的途徑。太陽能電池界面也很關鍵，需要大量的研發投入。

此外，也需要設計一套在線監測和控制系統，以改進生産質量控制，并将之作為一種長期性措施。目前，碲化镉薄膜太陽能闆的成本最低（大約為每瓦0.7美元）。

未來20到25年，所有新型太陽能發電技術都将受惠于财政貼息政策，因此光伏發電技術必将有相當大的發展空間，這将增強該項技術的市場競争力。如果能夠将光電轉化率從17%提高到20%，太陽能電闆的成本和某些軟性成本将會大幅度降低，這将會給未來的市場帶來變革性的重大影響，其影響可以與将多晶矽太陽能電池的光電轉化效率提高到18%以上相媲美。

高效多結太陽能電池技術也非常引人注目。高效多結太陽能電池是指針對太陽光譜，在不同的波段選取不同帶寬的半導體材料做成多個太陽能子電池，最後将這些子電池串聯形成多結太陽能電池。

太陽能光伏發電技術競争異常激烈，從經濟性的角度考慮，任何一項技術隻有在商業化規模上能将太陽電池闆的成本降為每瓦0.5美元，才有實際應用價值。

太陽熱能發電是利用集熱器将太陽輻射能轉換為熱能，并通過熱力循環過程進行發電，其均化成本可以降為每千瓦時50到60美元。

太陽熱能發電系統有三類：抛物槽式聚焦系統、塔式聚焦系統和碟式系統，轉換效率大約為30%到35%。聚焦式太陽能熱發電系統的傳熱工質主要是水、水蒸汽和熔鹽等，這些傳熱工質在接收器内可以加熱到攝氏450度然後用于發電。

此外，該發電方式的儲熱系統可以将熱能暫時儲存數小時，以備用電高峰時之需。

抛物槽式聚焦系統是利用抛物柱面槽式發射鏡将陽光聚集到管形的接收器上，并将管内傳熱工質加熱，在熱換氣器内産生蒸汽，推動常規汽輪機發電。塔式太陽能熱發電系統是利用一組獨立跟蹤太陽的定日鏡，将陽光聚集到一個固定塔頂部的接收器上以産生高溫。

為了實現均化成本為每千瓦時50到60美元的目标，必須提高熱機的效率。這需要将傳熱工質的溫度加熱到攝氏600度，需要研制性能更好的抛物柱面太陽能反射鏡和發電塔。

此外，也需要研發太陽能聚熱器使用的低成本、耐高溫新型材料。如果能将太陽聚熱器内傳熱工質的溫度加熱到攝氏600度以上，太陽熱能發電将能與天然氣混合循環發電技術相媲美。

另一個有潛力的途徑是将太陽能光伏發電和熱能發電有機地結合起來。可将聚光太陽輻射中的可見光譜過濾出來用于光伏發電，其餘光譜用于熱能發電；此外，由于太陽熱能發電極少能完全利用聚光太陽輻射，這也為光伏發電和太陽能聚熱器的有機整合提供了可能性。

利用太陽熱能發電需要及時準确預測太陽輻射量的變化情況，以适應計劃配電的需要。同時還需要開發相應的電力儲能技術，以克服太陽能發電波動性所帶來的諸多不便。

前景介紹

太陽能發電有更加激動人心的計劃。一是日本提出的創世紀計劃。準備利用地面上沙漠和海洋面積進行發電，并通過超導電纜将全球太陽能發電站聯成統一電網以便向全球供電。

據測算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太陽能發電供給全球能源，占地也不過為65.11萬平方公裡、186.79萬平方公裡、829.19萬平方公裡。829.19萬平方公裡才占全部海洋面積2.3%或全部沙漠的51.4%，甚至才是撒哈拉沙漠的91.5%。因此這一方案是有可能實現的。

另一是天上發電方案。早在1980年美國宇航局和能源部就提出在空間建設太陽能發電站設想，準備在同步軌道上放一個長10公裡、寬5公裡的大平闆，上面布滿太陽電池，這樣便可提供500萬千瓦電力。但這需要解決向地面無線輸電問題。

現已提出用微波束、激光束等各種方案。目前雖已用模型飛機實現了短距離、短時間、小功率的微波無線輸電，但離真正實用還有漫長的路程。

随着中國技術的發展，在2006年，中國有三家企業進入了全球前十名，标志着中國将成為全球新能源科技的中心之一，世界上太陽能光伏的廣泛應用，導緻了目前缺乏的是原材料的供應和價格的上漲，我們需要将技術推廣的同時，必須采用新的技術，以便大幅度降低成本，為這一新能源的長遠發展提供原動力。

太陽能的使用主要分為幾個方面：家庭用小型太陽能電站、大型并網電站、建築一體化光伏玻璃幕牆、太陽能路燈、風光互補路燈、風光互補供電系統等，現在主要的應用方式為建築一體化和風光互補系統。

世界目前已有近200家公司生産太陽能電池，但生産設備廠主要在日企之手。

近年韓國三星、LG都表示了積極參與的願望，中國海峽兩岸同樣十分熱心。據報道，中國台灣2008年結晶矽太陽能電池生産能力達2．2GW，以後将以每年1Gw生産能力擴大，當年并開始生産薄膜太陽能電池，今年将大力增強，台灣期待向歐洲“太陽能電池大國”看齊。

近年世界太陽能電池市場高歌猛進，一片大好，但百年不遇的金融風暴帶來的經濟危機，同樣是壓在太陽能電池市場頭上的一片烏雲，主要企業如德國Q—Cells的業績應聲下調，預年今年世界太陽電池市場也會因需求疲軟、石油價格下降而競争力反提升等不利因素而下挫。

但與此同時，人們也看到美國．奧巴馬上台後即将施行GreenNewDeal政策，包括其内的綠色能源計劃可有1500億美元的補助資金，日本也将推行補助金制度來繼續普及太陽能電池的應用。

太陽能電池

原理

太陽能電池是一對光有響應并能将光能轉換成電力的器件。能産生光伏效應的材料有許多種，如：單晶矽，多晶矽，非晶矽，砷化镓，硒铟銅等。它們的發電原理基本相同，現以晶體矽為例描述光發電過程。P型晶體矽經過摻雜磷可得N型矽，形成P－N結。

當光線照射太陽能電池表面時，一部分光子被矽材料吸收；光子的能量傳遞給了矽原子，使電子發生了躍遷，成為自由電子在P－N結兩側集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，将會有電流流過外部電路産生一定的輸出功率。這個過程的實質是：光子能量轉換成電能的過程。

生産

生産過程大緻可分為五個步驟：a、提純過程b、拉棒過程c、切片過程d、制電池過程e、封裝過程。

以單晶矽為例，其生産過程可分為：

工序一，矽片清洗制絨目的——表面處理：

清除表面油污和金屬雜質；

去除矽片表面的切割損壞層；

在矽片表面制作絨面，形成減反射織構，降低表面反射率；

利用Si在稀NaOH溶液中的各向異性腐蝕，在矽片表面形成3-6微米的金字塔結構，這樣光照在矽片表面便會經過多次反射和折射，增加了對光的吸收；

工序二，擴散

矽片的單/雙面液态源磷擴散，制作N型發射極區，以形成光電轉換的基本結構：PN結。

POCl3液态分子在N2載氣的攜帶下進入爐管，在高溫下經過一系列化學反應磷原子被置換，并擴散進入矽片表面，激活形成N型摻雜，與P型襯底形成PN結。主要的化學反應式如下：

POCl3+O2→P2O5+Cl2P2O5+Si→SiO2+P

工序三，等離子刻邊去除擴散後矽片周邊形成的短路環；

工序四，去除磷矽玻璃去除矽片表面氧化層及擴散時形成的磷矽玻璃（磷矽玻璃是指摻有P2O5的SiO2層）。

工序五，PECVD目的——減反射+鈍化：

PECVD即等離子體增強化學氣相澱積設備，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition；制作減少矽片表面反射的SiN薄膜（～80nm）；SiN薄膜中含有大量的氫離子，氫離子注入到矽片中，達到表面鈍化和體鈍化的目的，有效降低了載流子的複合，提高了電池的短路電流和開路電壓。

工藝原理：

矽烷與氨氣反應生成SiN澱積在矽片表面形成減反射膜。

利用高頻電源輝光放電産生等離子體對化學氣相沉積過程施加影響的技術。由于等離子體存在，促進氣體分子的分解、化合、激發和電離，促進反應活性基團的生成，從而降低沉積溫度。PECVD在200℃～500℃範圍内成膜，遠小于其它CVD在700℃～950℃範圍内成膜。

反應過程中有大量的氫離子注入到矽片中，使矽片中懸挂鍵飽和、缺陷失去活性，達到表面鈍化和體鈍化的目的。

工序六，絲網印刷用絲網印刷的方法，完成背場、背電極、正栅線電極的制作，已引出産生的光生電流；

工藝原理：

給矽片表面印刷一定圖形的銀漿或鋁漿，通過燒結後形成歐姆接觸，使電流有效輸出；正面電極用Ag金屬漿料，通常印成栅線狀，在實現良好接觸的同時使光線有較高的透過率；背面通常用Al金屬漿料印滿整個背面，一是為了克服由于電池串聯而引起的電阻，二是減少背面的複合；

工序七，烘幹和燒結目的及工作原理：

烘幹金屬漿料，并将其中的添加料揮發（前3個區）；

在背面形成鋁矽合金和銀鋁合金，以制作良好的背接觸（中間3個區）；

鋁矽合金過程實際上是一個對矽進行P摻雜的過程，需加熱到鋁矽共熔點（577℃）以上。

經過合金化後，随着溫度的下降，液相中的矽将重新凝固出來，形成含有少量鋁的結晶層，它補償了N層中的施主雜質，從而得到以鋁為受主雜質的P層，達到了消除背結的目的。

在正面形成銀矽合金，以良好的接觸和遮光率；Ag漿料中的玻璃添加料在高溫（~700度）下燒穿SiN膜，使得Ag金屬接觸矽片表面，在銀矽共熔點（760度）以上進行合金化。

聚光太陽能發電（Concentrating Solar Power）簡稱CSP，準确地說應該是“聚光太陽能熱發電”。

聚光太陽能發電的先行者是美國的吉爾伯特·科恩，在美國内華達州建造極具規模的聚光太陽能發電站，已經成功地為拉斯維加斯供應22兆瓦的電力能源。

聚光太陽能發電繼風能、光電池之後，已經開始嶄露頭角，有望成為解決能源匮乏、應對氣候變暖的有效技術手段。

基本原理：聚光太陽能發電使用抛物鏡将光線聚集到充有合成油的吸熱管上，再将加熱到約400攝氏度的合成油輸送到熱交換器裡，将熱量通過此加熱循環水，将水加熱，産生水蒸氣，推動渦輪轉動使發電機運轉，以此來發電。

聚光太陽能發電與太陽能電池不同，太陽能電池使用太陽電池闆将太陽能直接變成電能，可以在陰天操作，CSP一般隻能夠在陽光充足、天氣晴朗的地方進行。

不過，即使在沒有太陽的夜晚，采用熔融鹽儲存熱量的方法，也可以解決全天候的供電問題。

國際能源署（IEA）下屬的SolarPACES、歐洲太陽能熱能發電協會（ESTELA）和綠色和平組織的預測則較為溫和，認為CSP到2030年在全球能源供應份額中将占3%-3.6%，到2050年占8%-11.8%，這意味着到2050年CSP裝機容量将達到830GW，每年新增41GW。在未來5-10年内累計年增長率将達到17%-27%。

應用

衛星供電

上世紀60年代，科學家們就已經将太陽電池應用于空間技術——通信衛星供電，上世紀末，在人類不斷自我反省的過程中，對于光伏發電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應用，在衆多領域中也大顯身手。

如：太陽能庭院燈、太陽能發電戶用系統、村寨供電的獨立系統、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護、光纜通信泵站電源、海水淡化系統、城鎮中路标、高速公路路标等。歐美等先進國家，将光伏發電并入城市用電系統及邊遠地區自然界村落供電系統納入發展方向。太陽電池與建築系統的結合已經形成産業化趨勢。

發電系統

太陽能發電控制器（光伏控制器和風光互補控制器）對所發的電能進行調節和控制，一方面把調整後的能量送往直流負載或交流負載，另一方面把多餘的能量送往蓄電池組儲存，當所發的電不能滿足負載需要時，控制器又把蓄電池的電能送往負載。

蓄電池充滿電後，控制器要控制蓄電池不被過充。當蓄電池所儲存的電能放完時，控制器要控制蓄電池不被過放電，保護蓄電池。控制器的性能不好時，對蓄電池的使用壽命影響很大，并最終影響系統的可靠性。

蓄電池組的任務是貯能，以便在夜間或陰雨天保證負載用電。

逆變器負責把直流電轉換為交流電，供交流負荷使用。逆變器是光伏風力發電系統的核心部件。由于使用地區相對落後、偏僻，維護困難，為了提高光伏風力發電系統的整體性能，保證電站的長期穩定運行，對逆變器的可靠性提出了很高的要求。另外由于新能源發電成本較高，逆變器的高效運行也顯得非常重要。

産品包括：A、光伏組件B、風機C、控制器D、蓄電池組E、逆變器F、風力/光伏發電控制與逆變器一體化電源。

可再生能源并網發電系統是将光伏陣列、風力機以及燃料電池等産生的可再生能源不經過蓄電池儲能，通過并網逆變器直接反向饋入電網的發電系統。

因為直接将電能輸入電網，免除配置蓄電池，省掉了蓄電池儲能和釋放的過程，可以充分利用可再生能源所發出的電力，減小能量損耗，降低系統成本。

并網發電系統能夠并行使用市電和可再生能源作為本地交流負載的電源，降低整個系統的負載缺電率。同時，可再生能源并網系統可以對公用電網起到調峰作用。并網發電系統是太陽能風力發電的發展方向，代表了21世紀最具吸引力的能源利用技術。

太陽電池的應用領域

太陽能電池的應用已從軍事領域、航天領域進入工業、商業、農業、通信、家用電器以及公用設施等部門，尤其可以分散地在邊遠地區、高山、沙漠、海島和農村使用，以節省造價很貴的輸電線路。

但是在目前階段，它的成本還很高，發出1kW電需要投資上萬美元，因此大規模使用仍然受到經濟上的限制。

但是，從長遠來看，随着太陽能電池制造技術的改進以及新的光—電轉換裝置的發明，各國對環境的保護和對再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池仍将是利用太陽輻射能比較切實可行的方法，可為人類未來大規模地利用太陽能開辟廣闊的前景。

太陽能發電系統優勢

1、光伏發電可達10～20倍。

從新建電站所消耗能量與電站運行周期内的發電量之比，即能量的投入産出比看，目前光伏發電可達到10～15倍，在光照良好的地區高的可達到15-20倍。其中生物質能、水能和風能本質上都是太陽能的某種轉換形式和轉化環節，其本質上還是來源于太陽輻射産生的能量；

2、光伏發電具有經濟優勢。

從光伏電站建設成本來看，随着太陽能光伏發電的大規模應用和推廣，尤其是上遊晶體矽産業和光伏發電技術的日趨成熟，建築房頂、外牆等平台的複合開發利用，每千瓦光伏電能的建設成本在2010年前後可能達到7000元—1萬元，相比其他可再生能源已具有同樣的經濟優勢,一次投資，終身受益；

3、光電資源蘊含量高達96.64%。

從我國可開發的資源蘊含量來看，學者和專家比較公認的數字，生物質能1億千瓦，水電3.78億千瓦，風電2.53億千瓦，而太陽能是2.1萬億千瓦，隻需開發1%即達到210億千瓦；從其比例看，生物質能僅占0.46%，風電占1.74%，水電1.16%，而光電為96.64%；

4、碳排放量接近零且不污染環境。

從目前各種發電方式的碳排放量來看，不計算其上遊環節：煤電為275克，油發電為204克，天然氣發電為181克，風力發電為20克，而太陽能光伏發電則接近零排放。并且，在發電過程中沒有廢渣、廢料、廢水、廢氣排出，沒有噪音，不産生對人體有害物質，不會污染環境；

5、轉換環節最少最直接。

從能量轉換路線來看，太陽能發電的能量轉換路線，是直接将太陽輻射能轉換為電能，是所有可再生能源中對太陽能的轉換環節最少、利用最直接的方式。

一般來說，在整個生态環境的能量流動中，随着轉換環節的增加，轉換鍊條的拉長，能量的損失将呈幾何級增加，并同時大大增加整個系統的運作成本和不穩定性。

6、最經濟、最清潔、最環保。

從資源條件尤其是土地占用來看，生物能、風能是較為苛刻的，而太陽能則很靈活和廣泛。

相比而言，太陽能發電不需要占用更多額外的土地，屋頂、牆面都可成為其應用的場所，還可利用我國廣闊的沙漠，通過在沙漠上建造太陽能發電基地，直接降低沙漠地帶直射到地表的太陽輻射，有效降低地表溫度，減少蒸發量，進而使植物的存活和生長相當程度上成為可能，穩固并減少了沙丘，又向自然索取了我們需要的清潔可再生能源。