太陽能光伏產業(yè)的發(fā)展及應用

摘要：我國的光伏產業(yè)近幾年有了很大的提高，各種類型的太陽能電池層出不窮。光伏發(fā)電的技術也在日益更新，發(fā)展情況良好，前景廣闊，太陽能電池的工作原理原理基本相似，在各行業(yè)的應用也越來越廣泛。

關鍵詞：太陽能電池;光伏發(fā)電;發(fā)展;應用

近年來隨著我國經濟的快速發(fā)展，我國對能源的需求量也越來越多。但傳統(tǒng)能源如煤炭，石油等不可再生資源儲量有限，能源問題已成為制約國際社會經濟發(fā)展的瓶頸。越來越多的國家開發(fā)太陽能資源，發(fā)展太陽能光伏產業(yè)，尋找求經濟發(fā)展的新動力。太陽能是一種十分清潔的能源，在開發(fā)和利用過程中不會產生較大污染，也不會影響生態(tài)平衡。因此，太陽能是一種十分合適的新能源，開發(fā)和利用太陽能對人類發(fā)展有十分重要的意義。現(xiàn)階段，太陽能發(fā)電主要有光熱（光能先轉換為熱能，熱能再轉換為電能）和光電（太陽能直接轉化為電能）兩種方式。目前，光伏發(fā)電作為一種該新興能源發(fā)展前景良好，國家也大力提倡。

一、中國光伏產業(yè)發(fā)展情況

1.中國光伏產業(yè)過去的的發(fā)展歷程

從中國對太陽能光伏產產業(yè)的發(fā)展歷程來看，可以分為四個重要的階段。

1.1初始階段（1984年-2000年）

初始階段是中國太陽能光伏產業(yè)發(fā)展的雛形階段。在“六五”與“七五”規(guī)劃期間，基于光伏產業(yè)的優(yōu)越性，國家開始對光伏產業(yè)以及市場給予強力的支持，各級政府均在光伏產業(yè)領域投資。在此期間，中國的一些太陽能電池廠開始從國外引進技術先進的生產設備。這個階段是中國光伏產業(yè)發(fā)展萌芽期，總體來說發(fā)展緩慢。

1.2起步階段（2001年-2008年）

在這個階段中國光伏產業(yè)有了平穩(wěn)的發(fā)展。各太陽能公司陸續(xù)建成了數(shù)個生產線。在這期間，光伏產業(yè)的發(fā)展成本逐漸下降，使得太陽能光伏產品逐漸向工業(yè)領域與民用領域發(fā)展，并且得到了政府的進一步支持。國家開始了一系列扶持項目，并且在科技的推動下，光伏發(fā)電技術進一步成熟，集中式光伏發(fā)電開始迅速發(fā)展。

1.3金太陽階段（2009年-2012年）

從2009年開始，中國啟動了“金太陽工程項目”，此階段的光伏發(fā)展發(fā)展以大型光伏電站為主，分布式只是初步發(fā)展。國家的財政補貼力度增大，同時促進了大型光伏電站和分布式光伏的迅速發(fā)展。2011年新增分布式裝機同比增長高達245.8%，2012年同比增長率達到了79.7%。

（4）快速發(fā)展階段（2013年-至今）

“十二五”期間中國光伏發(fā)電行業(yè)取得突破性進展，2013年中國太陽能電池產量達到了40GW。2016年11月，國家能源局推出《太陽能發(fā)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，在規(guī)劃中提到了未來五年太陽能產業(yè)發(fā)展目標，即裝機量要達到101億千瓦以上[1]。

2.中國光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀

我國是一個幅員遼闊的大國，擁有豐富的太陽能資源，全國各地每年受到的太陽輻射量也不同，以西北地區(qū)和青藏高原最為豐富，有著良好的發(fā)電自然條件。

光伏發(fā)電的發(fā)展較其他綠色能源起步都晚，但發(fā)展速度可觀。據(jù)中電聯(lián)數(shù)據(jù)，2014-2021年期間我國太陽能發(fā)電量總體呈逐年增長態(tài)勢，2021我國太陽能發(fā)電量為3270億千瓦時，相比2020年增長25%。

國家能源局數(shù)據(jù)顯示，2021年我國新增光伏并網裝機容量為5488萬千瓦，達到歷史新高。從新增裝機布局看，裝機占比較高的區(qū)域為華北、華東和華中地區(qū)，分別占全國新增裝機的39%、19%和15%。

總體來看，截至2021年，我國光伏累計裝機容量達3.06億千瓦，而這一數(shù)據(jù)在2013年僅為0.19億千瓦，2013-2021年年均復合增速達41%。

二、太陽能光伏發(fā)電

光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變?yōu)殡娔艿囊环N技術[2]。這種技術的關鍵元件是太陽能電池。太陽能電池，是一種能有效地吸收太陽輻射能，并使之轉變成電能的半導體器件，由于他們利用各種勢壘的光生伏特效應，所以也稱為光伏電池，其核心是可釋放電子的半導體[3]。

1.太陽能電池的類別

太陽能電池，是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導體薄片，又稱為“太陽能芯片”或“光電池”，它只要被滿足一定的光強，瞬間就可輸出電壓和在回路的情況下產生電流。太陽能電池通過以光化學或光電效應把太陽能直接轉化為電能的一種裝置，目前，其發(fā)展主要趨勢是以光電效應為原理，而以光化學效應為原理的仍在研發(fā)時期。

1.1光電太陽能電池

包括單晶硅、多晶硅太陽能電池;硅基、銅銦鎵硒 （CIGS）、碲化鎘（CdTe）、砷化鎵（GaAs）薄膜太陽能電池等。

1.2光電化學太陽能電池

包括染鈣鈦礦結構太陽能電池、料敏化太陽能電池（DSSC）等[4]。

太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機太陽能電池等，其中硅太陽能電池是發(fā)展最成熟的，在應用中居主導地位。

2.光伏發(fā)電工作原理

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應原理，利用太陽能電池將太陽光能直接轉化為電能。不論獨立使用還是并網發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構成，不涉及機械部件，所以光伏發(fā)電設備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護簡便。太陽能光伏發(fā)電的最基本元件是太陽能電池（片），有單晶硅、多晶硅和非晶硅電池等。單晶和多晶電池用量最大，非晶電池用于一些小系統(tǒng)和計算器輔助電源等。

2.1光電效應太陽能電池的工作原理

太陽光照射在半導體P-N結上，形成新的電子-空穴對，在電場的作用下，空穴由 N區(qū)流向P區(qū)，電子由P區(qū)流向N區(qū)，接通電路后就形成電流。

2.2太陽能發(fā)電原理

太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光-熱-功轉換方式， 另一種是光-電轉換方式[5]。

光-熱-功轉換方式是通過利用太陽輻射產生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱系統(tǒng)將所吸收的熱能轉化為蒸汽，這是個光-熱轉換過程;蒸汽再驅動發(fā)電機發(fā)電，這個過程是個熱—功轉換過程。

光—電直接轉換方式。該方式是利用光電效應，將太陽輻射能直接轉換成電能。

三、太陽能光伏電池的應用及趨勢

太陽能電池在很多領域有廣泛應用：

1.電源

小型電源：用于邊遠無電地區(qū)生活用電;光伏水泵：解決無電地區(qū)的水飲用、灌溉;太陽能凈水器：解決無電地區(qū)的飲水、水質凈化問題。

2.交通

航標燈、交通信號燈、交通警示燈等。

3.通信

太陽能微波中繼站、光纜維護站、通訊電源系統(tǒng)等。

4.建筑

將太陽能發(fā)電與建筑材料結合，使未來的大型建筑電力自給，是未來發(fā)展方向。

5.其他

電池充電設備;太陽能制氫加燃料電池的再生發(fā)電系統(tǒng);衛(wèi)星航天器、空間太陽能電站等[5]。

結合太陽能電池發(fā)展歷程和現(xiàn)狀可知原材料豐富、低成本、穩(wěn)定高效、環(huán)保且壽命長的太陽能光伏電池是未來發(fā)展的趨勢[6]。

參考文獻：

[1]周麗萍.中國光伏產業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展戰(zhàn)略探究[J].河北企業(yè)，2018（03）：80-81.

[2]光伏發(fā)電原理[J].電網與清潔能源，2008（11）：19.

[3]趙書利，葉烽，朱剛.太陽能電池技術應用與發(fā)展[J].船電技術，2010，30（04）：47-50.DOI：10.13632/j.meee.2010.04.004.

[4]王文雅，白珍.淺談太陽能電池的現(xiàn)狀、原理和運維[J].西藏科技，2020（06）：14-16+27.

[5]于雪梅.談太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理與應用[J].工程建設與設計，2013（08）：102-105.

[6]王瑾，溫廷敦，許麗萍，王志斌，樊彩霞.太陽能光伏電池的發(fā)展趨勢及產業(yè)化[J].安徽師范大學學報（自然科學版），2013，36（05）：453-457.DOI：10.14182.

作者簡介：

韓加（2000-），男，漢族，陜西三原人，寧夏大學物理與電子電氣工程學院本科在讀，物理學（應用物理）方向。