太陽能發電背景

　　能源現狀

　　隨著經濟的發展、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、核電和風力發電。

　　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，正面臨著枯竭的危險；另一方面燃燒將排出二氧化碳和硫的氧化物，因此會導致溫室效應和酸雨，惡化地球環境。

　　水電要淹沒大量土地，有可能導致生態環境破壞，而且大型水庫一旦塌崩，后果將不堪設想。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。

　　核電在正常情況下固然是干凈的，但萬一發生核泄漏，后果同樣是可怕的。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公里成為無人區；方圓5公里的海洋資源將受到不同程度的影響或是海洋生物變異。

　　風力發電作為一種清潔的可再生能源，具有廣泛的發展前景。風能儲量大，廣泛發展風力發電是解決中國能源供應不足的有效途徑；風力發電屬于清潔能源的應用，是減少溫室氣體排放的有效途徑。

　　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、干凈，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。

　　21世紀內太陽能將成為全球主要能源之一，是最原始的能源，地球上幾乎所有其他能源都直接或間接來自太陽能。太陽能是太陽內部或者表面的黑子連續不斷的核聚變反應過程產生的能量。太陽能太陽能具有資源充足、長壽，分布廣泛、安全、清潔，技術可靠等優點。 由于太陽能可以轉換成多種其他形式的能量，因此應用范圍非常廣泛，在熱利用方面有太陽能溫室、物品干燥和太陽灶、太陽能熱水器等。 經過多年的開發，太陽能發電也得到了長足的發展。

　　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。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。

　　太陽能發電現狀與應用

　　現狀

　　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、建筑一體化光伏玻璃幕墻、太陽能路燈、風光互補路燈、風光互補供電系統等，風光互補系統。

　　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。太陽能是太陽內部或者表面的黑子連續不斷的核聚變反應過程產生的能量。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。在海平面上的標準峰值強度為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范圍非常大，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。

　　太陽能發電雖受晝夜、晴雨、季節的影響，但可以分散地進行，所以它適于各家各戶分別進行發電，而且要聯接到供電網絡上，使得各個家庭在電力富裕時可將其賣給電力公司，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。日本通產省從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，則太陽能發電將占全國電力的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。

　　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，雖然變換效率只有8%—10%，但價格便宜。而且鋁箔底襯柔軟結實，可以像布帛一樣隨意折疊且經久耐用，掛在向陽處便可發電，非常方便。據稱，使用這種新太陽電池，每瓦發電能力的設備只要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產生的電力相競爭。每個家庭將這種電池掛在向陽的屋頂、墻壁上，每年就可獲得一二千度的電力。

　　應用領域

　　1、用戶太陽能電源：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；3-5KW家庭屋頂并網發電系統；光伏水泵：解決無電地區的深水井飲用、灌溉。

　　2、交通領域：如航標燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標志燈、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、石油鉆井平臺生活及應急電源、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、太陽能建筑：將太陽能發電與建筑材料相結合，使得未來的大型建筑實現電力自給，是未來一大發展方向。

　　8、其他領域包括：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；太陽能制氫加燃料電池的再生發電系統；海水淡化設備供電；衛星、航天器、空間太陽能電站等。、

　　設計與研究

　　成功地把太陽能組件和建筑構件加以整合，如太陽能屋面（頂）、墻壁及門窗等，實現了“光伏--建筑照明一體化（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年以前將光伏建筑組件裝機成本降到170～210日元/W，太陽能電池年產量達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，生產中不排放CO2。工廠的南墻面為約10m高的PV陣列玻璃幕墻，包括屋頂PV組件，整個工廠建筑裝有575m2的太陽能電池組件，僅此可為該建筑提供三分之一以上的電能，其墻面和屋頂PV組件造型、色彩、建筑風格與建筑物的結合，與周圍的自然環境的整合達到了十分完美的協調。該建筑另有約45kW容量，由以自然狀態的菜子油作燃料的熱電廠提供，經設計燃燒菜子油時產生的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還注重建筑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幕墻。印度西孟加拉邦為一無電島117家村民安裝了12.5kW的BIPV。國內常州天合鋁板幕墻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筑技術結合起來，稱為太陽能建筑系統（SPBS），SPBS已于2000年9月20日通過專家論證。上海浦東建成了國內首座太陽能--照明一體化的公廁，所有用電由屋頂太陽能電池提供。這將有力地推動太陽能建筑節能產業化與市場化的進程。

　　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。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。

　　太陽能光伏發電優勢與缺點

　　1、太陽能是取之不盡、用之不竭的潔凈能源，而且太陽能光伏發電是安全可靠的，不會受到能源危機和燃料市場不穩定因素的影響；

　　2、太陽光普照大地，太陽能是隨處可得的，太陽能光伏發電對于偏遠無電地區尤其適用，而且會降低長距離電網的建設和輸電線路上的電能損失；

　　3、太陽能的產生不需要燃料，使得運行成本大大降低；4、除了跟蹤式外，太陽能光伏發電沒有運動部件，因此不易損毀，安裝相對容易，維護簡單；

　　5、太陽能光伏發電不會產生任何廢棄物，并且不會產生噪音、溫室及有毒氣體，是很理想的潔凈能源。安裝1KW光伏發電系統，每年可少排放CO2600～2300kg，NOx16kg，SOx9kg及其他微粒0.6kg；

　　6、可以有效利用建筑物的屋頂和墻壁，不需要占用大量土地，而且太陽能發電板可以直接吸收太陽能，進而降低墻壁和屋頂的溫度，減少室內空調的負荷；

　　7、太陽能光伏發電系統的建設周期短，而且發電組件的使用壽命長、發電方式比較靈活，發電系統的能量回收周期短；

　　8、不受資源分布地域的限制；可在用電處就近發電。任何事物都有其兩面性，太陽能光伏發電雖然具有上述的諸多優點，但是也有其缺點：1、地理分布、季節變化、晝夜交替會嚴重影響其發電量，當沒有太陽的時候就不能發電或者發電量很小，這就會影響用電設備的正常使用；2、能量的密度低，當大規模使用的時候，占用的面積會比較大，而且會受到太陽輻射強度的影響；3、光伏系統的造價還比較高，系統成本40000～60000元/kW，初始投資高嚴重制約了其廣泛應用；4、年發電時數較低，平均1300 h；5、精準預測系統發電量比較困難。

　　太陽能電池歷史知多少？

　　太陽能電池歷史最早可追溯到法國物理學家A.E.Becquere于1839年首次發現光生伏特效應，隨后光伏一詞也在1849年出現英文詞典之中；最終在1883年由Charles Fritts成功研制第一塊太陽能電池（本文屬于原創，貓視汽車首發，轉載請注明）；

　　到1930年代，光生電力原理被廣泛應用在照相機曝光領域，Russell Ohl則在1946年申請了現代太陽能電池專利，到1950年代，美國貝爾實驗室推出半導體太陽能電池，終于開啟太陽能電池商用時代；

　　1958年，美國發射人造衛星利用太陽能電池作為能量來源，1973年能源危機后，太陽能電池民用和商用步伐加快；1983年，美國加州建立世界最大的太陽能發電廠，其發電量高達16百萬伏特；1994年，日本推出“市電并聯型太陽光電能系統”；2009年，中國財政部擬定太陽能光電計劃。