淺談太陽能發電

陶文彪，萬 利

四川大學電氣信息學院，四川成都 610065

進入21世紀，全球經濟快速增長，能源消耗也達到了前所未有的程度。隨著化石燃料的大量開采消耗，能源日益枯竭，全球溫室效應逐年加劇，生態環境遭到嚴重破壞，人類的生存與發展面臨巨大挑戰。根據已探明的儲量分析，全球石油可開采約45年，天然氣約61年，煤炭約230年。也就是說，經過億萬年形成的化石能源將在未來的200年～300年內消耗殆盡。那么，300年后我們的子孫后代怎么生存？巨大的能源缺口需要怎樣填補？這些已經成為人們必須深思的問題。解決這些問題的關鍵在于尋求一種可再生的新型能源替代化石能源。目前，地球上可以利用的可再生能源有風力，潮汐，水利，太陽照射等等，而其中太陽能取之不盡用之不竭，對環境無任何污染，是公認的可取代化石能源的最理想能源之一。

1 太陽能資源

太陽是一個巨大的能量源，它的內部不斷地進行熱核反應，向外部釋放巨大的能量。地球表面接收到的太陽輻射能大約為17×1 012kW，這些能量相當于全球一年內消耗總能量的3.5萬倍。假如到達地球表面太陽能的0.1%按5%的轉變率轉化為電能，每年的發電量可以達到5.6×1 012kW·h，相當于目前世界上能耗的40倍，由此可見太陽能利用的巨大潛力。

就我國而言，全國年日照大于2 200h的地區超過2/3，年輻射量約為5 900MJ/m2，是世界上太陽能最豐富的地區之一。特別是西部地區如青藏高原、內蒙古、陜西、青海等地太陽能資源尤為豐富，年日照時間可以達到3 000h以上。除四川盆地及其毗鄰地區之外的全國絕大部分地區太陽能資源均相當于或超過國外其他同緯度地區。因此，我國非常適合太陽能的開發與利用。

2 太陽能發電基本原理

太陽能發電主要有太陽能光發電和太陽能熱發電兩種形式，太陽能光發電可又分為光伏發電，光化學發電，光感應發電以及光生物發電，其中光伏發電是應用最廣、能量轉換效率較高的一種太陽能發電形式。下面主要介紹光伏發電。

太陽能光伏發電是指利用太陽能電池將太陽光能直接轉化為電能的發電系統。太陽能電池是根據光生伏打效應設計的一種具有光電轉換特性的半導體器件。光生伏打效應是指物體由于吸收光子而產生電動勢的現象。當太陽光照射到電池上時，電池吸收光能，產生光生電子—空穴對。在電池內建電場的作用下，光生電子與空穴分離，電池兩端出現異號電荷積累，產生光生電壓，此時在內建電場兩側引出電極并接上負載，負載就會有光生電流流過，從而獲得功率輸出。這樣，太陽的光能就被轉化成了可以付諸實施的電能。

3 光伏建筑一體化

光伏建筑一體化是指將光伏組件安裝在建筑物的屋頂以及陽臺上，或者將光伏組件與建筑材料融為一體，即光伏組建直接作為建筑材料使用，然后通過其逆變控制器輸出端與公共電網并聯，共同向建筑供電，也可以做成離網系統，與蓄電池相結合，完全由光伏系統向建筑供電。光伏建筑一體化有著其獨特的優點，比如節約土地，避免電能的長距離傳輸，夏季對電網調峰等等。

據統計，全球建筑物消耗的能量大約占總能耗的一半以上。而我國每年建成的住房面積達16億m2～20億m2，約占世界年總建筑面積的一半。到2010年底，房屋建筑總面積已經超過500億m2，其中城市170多億m2，屋頂面積約為17億m2。預計到2020年，我國房屋建筑總面積約為680億m2，其中城市約為260億m2。而當中既有的近400億的建筑中99%以上為高耗能建筑，新建的建筑大部分也超過了發達國家的能耗水平。屆時我國的電力供應將面臨嚴峻挑戰。而如果新建建筑采用光伏建筑一體化設計，或對舊的建筑進行改造，建筑本身就轉化為一個個太陽能轉換工廠，源源不斷的向外輸送能量，將大大緩解我國電力供應緊張的壓力。

雖然現在光伏電池成本還比較高，能量轉化率偏低，但我相信隨著科技的進步以及制造工藝的不斷改進，光伏電池必將得到廣泛應用，光伏建筑一體化也將成為建筑的主流。可以想象，當一座城市建筑的屋頂全部安裝太陽能電池，那將會是多么壯觀的場景——城市不再僅僅是能源消耗的場所，而是一片生產能量哺育人類的森林。

4 前景展望

目前太陽能電池的成本高是影響其大規模應運的主要障礙，因此，通過設計新的電池結構，提高電池的轉換效率以及改進現有的制造工藝降低制造成本是太陽能電池發展的主要方向。例如薄膜太陽能電池，它由沉積在玻璃、不銹鋼、塑料、陶瓷襯底或薄膜上的幾微米或幾十微米厚的半導體膜構成。由于其半導體層很薄，可大為節省電池材料，降低成本，因而是最有前景的新型太陽能電池，它的開發與研究已經成為當今太陽能發電領域的熱點課題。

太陽能光伏發電系統在不同的地方有不同的應運形式：在發展較好的地方，發展太陽能光伏建筑；在人口密度小的荒漠地區，可以建立大型的光伏電站；在比較偏遠的地區，可以建立光伏微電網。隨著智能電網以及分布式發電系統的發展與完善，太陽能發電必將走進千家萬戶，給家庭以及社會帶來巨大的效益。我相信在常規化石能源的日益消耗，國際能源價格不斷飆升，以及人們環保觀念的逐漸增強的大背景下，大力開發太陽能等可再生能源，逐步改變能源消費結構，走可持續發展之路，必將成為世界能源發展的主流。太陽能光伏發電作為新能源開發中的主力軍，潛力巨大，發展前景廣闊。

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