浅谈太阳能光伏发电技术

刘宇轩 杜永英

（沈阳化工大学，辽宁沈阳 110142）

0 引言

社会的发展与进步需要能源的支撑，当前，在高能源消耗下，能源短缺已经成为全世界面临的主要问题。回顾近百年来能源工业的发展历史，可以清楚地看到，整个能源工业的消耗主要以化石能源为主[1]。然而，自然界可获取的化石燃料相对有限，且化石燃料会释放出大量的二氧化碳和其他污染物。

太阳能作为可再生能源的重要组成部分，具有潜力大、污染低和永续利用等优点。2022年6月，我国《“十四五”可再生能源发展规划》明确指出，到2025年，可再生能源消费总量达到一次能源消费的18%；可再生能源年发电量达到3.3万亿千瓦时左右，风电和太阳能发电量实现翻倍。我国三分之二的国土面积年日照小时数在2200小时以上，属于太阳能利用条件较好的地区。因此，在我国推广使用太阳能光伏发电技术具有得天独厚的优势。

光热发电和光伏发电是太阳能发电的两种常见形式。其中，光热发电是将太阳辐射转化为热量，用于运行热机，如燃气或蒸汽涡轮机，而光伏发电是通过光伏电池将太阳辐射转化为电能[2]。光伏发电的整体发展速度或者发展前景均远胜于光热发电，因此通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电”，其原理是通过光生伏特效应将太阳光能直接转化为电能，基本过程是光电二极管将照射到其上面的太阳光的能量转变成电能，产生电流，蓄电池把产生的电流存贮，经过逆变器变成交流输出[3]。

1 太阳能利用及光伏发电的发展历史

1.1 国外发展简史

根据美国能源部的说法，储存和利用太阳能技术首先出现在1767年。瑞士科学家Horace de Saussure因建造了世界上第一个太阳能收集器而受到赞誉，后来John Herschel在19世纪30年代的南非探险中使用太阳能收集器做饭[4]。

1839年，法国物理学家Alexandre-Edmond Becquerel是第一个发现“光生伏打效应”的人，他在研究光对浸在电解液中金属电极的影响时，发现光照射导电液中的两种金属电极会使电流增大，这为太阳能发电奠定了基础。此后，光伏技术以提高性能和降低成本为目标，利用各种材料不断发展。英国科学家Willough⁃by Smith于1873年发现在光照射条件下，光敏感硒材料导电能力的提高与光通量成正比，随后，Charles Fritts在1880年成功研发出以硒作为基础的太阳电池。1905年，德国物理学家Albert Einstein提出了光子假说，成功地解释了光电效应，并于1921年获得了诺贝尔物理学奖。20世纪30年代，虽然太阳电池能量转换效率低且生产成本高的弊端尚未攻克，但硒太阳电池的研究仍然是科学家研究的重要方向[5]。Stora和Audobert于1932年发现了硫化镉材料的光伏效应，并首次制备了“硫化镉”太阳能电池；Auer于1941年发现了硅板的光伏效应；Russell Ohl于1946年申请了现代太阳能电池的制造专利，随后光伏器件进入快速发展时期[6]。

美国贝尔实验室的D.M.Chapin、C.S.Full⁃er和G.L.Pearson于1954年开发出效率为6%的硅光伏（PV）太阳能电池，这是人类历史上首个有实用意义的太阳能电池。这些太阳能电池阵列很快在世界各地的航天机构中流行起来，小型阵列被用于许多卫星上的无线电和电信设备。然而，当时将太阳能产业商业化的尝试在很大程度上是不成功的。

Hoffman电子于1959年商业化生产出单晶硅电池，其能量转换效率为10%，由于使用网栅电极，太阳能电池串联电阻显著减小，1960年，其生产的单晶硅太阳能电池效率达到了14 %[6]。Elliott Berman于1970年开发了一种成本低得多的太阳能电池。他与埃克森公司合作，设计了一种太阳能电池，用于为海上石油和天然气钻井平台上的警示灯和喇叭供电，成本从之前的每电池100美元降至20美元。随着成本的降低，太阳能产业得到了长足的发展。1977年，美国能源部成立了太阳能研究所，并于1991年被指定为国家可再生能源实验室。

瑞士Michael Grätzel教授关于敏化TiO2纳米晶体太阳能电池的论文于1991年在《Nature》杂志获得发表，其光电转换效率可达7 %，并具有寿命长、结构简单、易于制造等优点，这为太阳能利用提供了一条新的途径，在太阳能电池发展史上具有里程碑式的意义。在过去的60年里，整个太阳能行业在转换效率、生产成本和总生产能力方面取得了巨大的进步。

21世纪初期，全世界光伏产业基本保持了30 %～60 %以上的增长速度，2002年全世界光伏电池产量约为560 MW，到2003年已高达750 MW，增长率接近34 %。德国在2004年对可再生能源法进行了修订，这促成了德国光伏市场的爆发，并引起了发达国家间新一轮的政策热潮和全球光伏市场的更高速膨胀。2004和2005年全世界光伏电池年产量分别达到1256 MW和1818 MW，年增长率分别达到68%和45 %。2006年，美国加利福尼亚州提出了“百万个太阳能屋顶计划”，以及在未来10年内建设3000 MW光伏发电系统的提案，标志着美国光伏政策新纪元的到来。欧洲在2010年后由于欧债危机导致光伏产业补贴减少，整个行业发展放缓。

1.2 国内发展简史

20世纪50年代末期，我国科学家开始研发太阳能电池，并成功研制了第一块硅单晶，这成为我国对光伏技术研发和应用的开端。到70年代初期，我国科学家成功地将太阳能电池第一次成功应用在东方红二号卫星。1973年，光伏技术开始在我国实现地面应用[7]。

20世纪80年代后期，我国开始引进海外的先进设备，实现了大规模的生产。但在20世纪90年代及以前，我国太阳能光伏发电产业与西方发达国家之间存在着非常大的技术差距，发展速度也比较缓慢[8]。在2000年之后，我国太阳能光伏发电产业才实现长足进步。此外，在2010年后欧洲光伏产业发展放缓期间，我国光伏产业迅猛发展。2013年以来，在国家和地方政策驱动下，我国光伏发电产业呈现爆发式上涨，截至2019年9月，全国累计光伏装机容量达到190.19 GW[9]。

2 太阳能光伏发电的特点

2.1 发电过程简单

太阳能光伏发电过程简单，它不涉及机械转动部件。光伏发电系统仅由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三部分组成，其主要构成均为电子元器件，加之自动化控制技术的广泛应用，基本上可实现无人值守、操作简单、运行稳定、维护成本低。

2.2 太阳能资源丰富，光伏发电电能供应稳定

太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总能量的22 亿分之一，太阳能资源取之不尽、用之不竭，且方便易得，可就近进行供电输电，避免了远距离输送造成的电能损耗，同时光伏发电能量转换过程简单，可直接由光能转换为电能，提高供电效率。

2.3 使用范围广，安装灵活

只要有太阳，就会有太阳能，就可利用太阳能进行发电。光伏发电过程不需要冷却水，可安装在没有水的极端地理环境中，如沙漠、戈壁。更为重要的是，光伏发电系统还可以灵活地与建筑物相结合，不需要额外占用土地，可节省宝贵的土地资源。

2.4 电池使用寿命长

太阳能电池寿命长，可以一次投资长期使用。太阳能电池规模灵活，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[10]。

2.5 清洁无污染

相比传统的化石能源燃烧发电技术可能会因燃烧不充分导致温室效应或酸雨，太阳能光伏发电技术不会对生态环境造成任何污染和破坏，也不存在能源过度开采和利用所导致的不可逆后果。

3 太阳能光伏发电应用的形式

3.1 独立光伏发电系统

独立光伏发电系统又称离网光伏发电系统，是与并网发电系统相对而言的，它不依赖电网而独立运行，可以在白天集中发电，直流和交流光伏发电系统是其主要的两种形式。直流供电系统的工作原理是：电能经控制器调节、控制后，输送给直流负载，剩余部分由蓄电池储存。交流供电系统的工作原理是：电能经控制器调节、控制后，要经过逆变器送给交流负载，剩余部分由蓄电池储存，其相比直流供电系统多了一个部件：逆变器。独立光伏发电系统受天气变化影响大，稳定性较差，多用于远离公共电网的无电地区。

3.2 并网光伏发电系统

并网光伏发电系统与公共电网相连接，共同承担供电任务，其能源替换和供电效率远高于独立光伏发电系统，同时具有污染少、噪音小、能耗控制度高、环保效果可观、安全性高等优点。因此，并网光伏发电系统成为电力工业组成部分的重要方向，也是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。

当光伏发电系统与建筑物相结合应用时，通常采用并网发电的方式，形成建筑一体化模式。光伏方阵与建筑相结合或集成是该模式主要的两种形式。其中，光伏方阵与建筑相结合的形式有屋顶光伏方阵、墙面光伏方阵等；光伏方阵与建筑集成，主要形式有光电屋顶、光电遮阳板、光电幕墙等[11]。光伏建筑一体化的优点是：在有光照的条件下，所发出的电能不仅可以供给建筑物内负载使用，还可以将剩余电能还给电网。相对于独立太阳能光伏系统，不再需要蓄电池，而是直接以电网作为储存装置，可减少35%～45%的建设投资，这明显降低了发电成本。同时还增加了供电的可靠性。具有电网调峰的功能，可使电网末端电压更加稳定，改善电网的功率因数，消除电网杂波效果明显。可以随时向电网存取电能，灵活度高，利于调节电力系统的负荷平衡，减少线路损耗。

3.3 混合光伏发电系统

混合光伏发电系统中的“混合”是指将太阳能和非太阳能能源的发电系统同时使用，并发挥各自的优势，如光伏发电系统与生物质能发电系统、与风力发电系统或与地热发电系统等组合，以保证电力的持续供应。光伏发电系统虽有使用寿命长、维护成本低的优点，但受气候条件的影响程度太高，在冬天风力较大且日照较差的地区，光伏发电系统稳定性较差。在此环境下，若采用光伏发电系统和风力发电系统混合发电，就可实现有效控制负载缺电率，而不过多依赖于天气[12]。混合光伏发电系统可采用并网或独立的形式。

4 影响光伏发电的主要因素

国际能源署（IEA）发布的2021年全球光伏报告显示，2021年全球光伏市场再次强势增长，2021年装机175 GW+，累计装机容量达942 GW+，光伏发电容量前三的国家分别是中国、美国和日本。各种环境、社会、经济、政府因素都会影响太阳能光伏发电系统产生的电力。但光伏发电最主要的影响因素是太阳辐射、风速、降水和空气温度等。

4.1 太阳辐射

影响光伏发电系统效率的主要因素之一是太阳辐射变化。太阳辐射，是指太阳以电磁波的形式向外传递能量，太阳辐射所传递的能量，称为太阳辐射能。据统计，在平均日地距离上，地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位面积上所接受的太阳辐射量约为1368 W/m2。太阳辐射经过太阳能电池板转化为电能，因此太阳辐射的变化将直接影响太阳能发电。

大气中的气溶胶含量是影响太阳辐射变化的主要因素[13]。大气气溶胶是悬浮在大气中的固体和液体颗粒，如硫酸盐、硝酸盐、铵、海盐和矿物粉尘等。当这些粒子聚集成更大的粒子时，它们会散射或吸收光。与导致大气变暖的温室气体不同，气溶胶通过散射或吸收入射的太阳辐射使大气变冷。这样减少了入射的太阳辐射，同时减少了到达太阳能组件的太阳能，从而降低了太阳能电池的输出功率，进而影响了太阳能光伏发电系统的发电效率。

4.2 风速

风速的变化可能会影响太阳能电池附近的温度，从而影响电池的功率和光伏发电系统的效率。随着风速的增加，由于对流冷却，太阳能电池表面附近的温度会降低。风速的增加可能会使太阳能电池冷却，从而提高电池的效率和发电量[14]。Goverde等研究发现，当组件处于辐射强度为1000 W/m2的环境下，环境风速从3 m/s提高至5 m/s时，组件表面温度将降低5 ℃[15]。

此外，风速增加有利于缓解空气污染等原因造成的颗粒沉降现象，并减少光伏组件表面积灰量，这也有利于提高光伏发电效率。

4.3 降水

对光伏发电系统有影响的另一个因素是降水。根据研究发现，随着降水量的增加，日照时间会大幅度地减少，日照时间严格取决于天空是否晴朗。照射时间减少，太阳能电池所收集的能量也随之减少[16]。

同时，降水也与云层直接相关，云层会抑制太阳辐射到达地球表面。云量越大，太阳能电池功率越小。此外，气溶胶也会促进云的形成和增加云的反照率，被称为间接效应。

值得注意的是，降水具有清洁光伏组件表面灰尘的作用，使透光率增加，光电转换效率增加，这提高了光伏组件的输出性能。因此，从这个方面看，降水有利于提高光伏发电的效率[17]。

4.4 空气温度

空气温度的升高会影响太阳能电池的效率。由于功率与效率直接相关，而温度增加时，电池的最大输出功率会降低。光伏组件一般有3个温度系数：峰值功率、开路电压和短路电流[18]。当温度升高时，光伏组件的输出功率会下降。实验表明，温度每升高1 ℃，理论上光伏电池的功率将降低约0.4%。

此外，温度升高还会对光伏发电系统组件的使用寿命产生影响。如逆变器温度过高元器件性能将会下降，进而影响逆变器的整机寿命；温度过高产生热斑效应[19]，影响光伏组件的寿命，长时间工作会造成组件失效等。

我国大部分地区由于气候环境影响，会出现常见的2 %～3 %的温度损失，在热带地区高温情况下造成的损失将达到以上三倍左右，这样就直接导致了电站的发电量降低。

5 总结和展望

大力发展可再生能源已成为全球能源革命和应对气候变化的主导方向。我国在“十三五”期间光伏发电产业不断突破行业天花板，完善产业链，创新技术，截至2020年10月底，我国光伏发电装机容量达到了2.28 亿千瓦。结合碳达峰、碳中和形势下光伏发电行业技术发展需求，“十四五”期间，我国光伏发电技术有望延续“十三五”快速发展的势头，在高效低成本光伏电池技术、光伏发电并网性能、光伏组件回收处理与再利用技术等方面取得新的突破。