太阳光发电

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《工程师手册》第1078页（4318字）

把太阳光直接变为电能的变换器称为太阳电池。太阳电池是由美国贝尔研究所的两名科学家于1954年首先发明的，是硅太阳电池，当时的效率为6%。太阳电池研制成功后就用于电信装置上。1958年，美国发射的“先锋1号”人造地球卫星，使用了太阳电池作为通信电源。宇宙开发促进了太阳电池的开发。

1．太阳电池的原理

太阳电池是由半导体材料制成，其发电原理如图4．3．3－1所示。太阳光照射到受光面上，一部分因反射作用而不能被利用，进入太阳电池的光，也有一部分因穿透作用而不能有效地利用。图中所示的太阳电池，以n型半导体为受光层，以p型半导体为基板，基板和受光层的交界处形成了pn结。具有一定能量的光量子在n型受光层和p型基板上形成电子(e)或空穴(+)。p型基板的电子通过pn结集中于受光层(n层)电极形成负电位，n型受光层的空穴通过pn结集中于基板(p结)电极形成正电位。电流从正电位(p型基板电极)流向负电位(n型受光层电极)。这时如在电路中接上小灯泡，就会发亮。这就是最简单的太阳电池。太阳电池是光伏发电系统的基本发电元件。由多个太阳电池可以组合构成太阳电池组件，它分为平板组件和聚光组件。组件又可以组成阵列，用于大功率发电。

图4．3．3－1 太阳电池的原理

从太阳电池的结构和工作原理可以看出它有以下特点：(1)它是利用光线照射到具有pn结的半导体上，通过光电效应而产生电能，不需燃料，不排放气体，没有运动的部件；(2)小容量发电系统(例如，100W或1000W)的发电效率同大容量的系统一样；(3)在多云天气下的漫射光也能发电；(4)其寿命是永久性的。

2．太阳光发电的现状

1954年美国发明了太阳电池之后，曾应用于人造地球卫星，后来也用于通讯中继站、灯塔和自动气象站等，但因价格昂贵而未能普及。1973年石油危险之后，美国和日本等都很重视节能工作，使太阳电池在品种、产量和性能上都有很大的发展。

太阳电池的种类现在已经发展得相当繁多。按材料种类可分为硅、化合物半导体、有机半导体太阳电池；按材料的结晶形态可分为单结晶、多结晶、非结晶太阳电池；此外，还有上述各种电池的组合。单晶硅太阳电池的特点是效率高，在正常阳光下光电效率可达22．8%，在阳光聚集情况下可达28．2%。如果改进一下设计，效率还可提高。非结晶硅(a－Si)太阳电池是一种新型的太阳电池，其特点是成本低。它制造简单，制造时耗能少，使用材料少，每块基板能得到较高的电压，是一种低成本的性能良好的太阳电池。这种太阳电池已占到日本太阳电池产量的70%左右，主要是民用。世界太阳电池的产量，从1982年开始有了急剧的增长。1985年，日本的产量已居世界首位，其次是美国。1988年，世界太阳电池产量达到3．52万kW，其中日本1．3万kW，美国1．13万kW，欧共体0．7万kW。1989年，美国产量增加到1．50kW，超过了日本。在产量不断增长的同时，太阳电池的转换效率也在不断提高。

太阳电池的开发，根据目的的不同而可分为三个方面，这就是高效率化、低成本化和对宇宙的开发。在70年代前后，研究的重点放在高效率和在宇宙中的应用，例如研究宇宙射线太阳对电池转换效率的影响，研究材料的耐幅射性，提出改进太阳电池效率的理论，研究GaAs电池等。第一次石油危机之后，日本提出了开发新能源的“阳光计划”，着重研究开发低成本的新型太阳电池，以求在不降低效率的前提下降低成本。

在太阳电池发电组件和开发示范性的与电网连接的光伏发电系统方面，美国处于领先地位。美国在其东北、西南和东南部地区已建立了住宅用的光伏发电试验电站。1985年美国在加州卡里萨平原建成了世界上最大的9500kW的光伏电站。1986年亚拉巴电力公司建成了100kW非晶硅光伏电站，这是世界上唯一的薄膜非晶硅太阳电池示范电站。欧洲目前已有20多个容量在30～300kW的光伏发电系统，总容量已超过1MW。日本也建设了一些供住宅用的分散的光伏发电系统，1985年还建成了一座1MW的光伏发电站。美国的光伏发电成本已降至15美分／度，光电池组件成本降至1．15美元／瓦。美国的光伏发电设备的生产已实现了自动化和半自动化的制造工艺。

美国能源部对光伏技术(太阳电池技术)相当重视，先后制订和执行过几个光伏发展计划。第一个光伏计划(1974～1983年)是把地面用太阳电池组件的寿命从5年提高到25年，光伏发电价格降到1．5美元／度。第二个光伏计划(1984～1988年)是要把组件的寿命延长到36年，光伏发电价格降到0．35美分／度。这个计划执行了3年，又提出了第三个光伏计划，要求在1991年前后把发电价格降到12美分／度，争取在2000年降到6美分／度，而火电与核电的价格为3．4～3．6美元／度，柴油发电的价格为7．6美分／度(1989年价格计划)，因而具有商业竞争力，达到实用水平。作为实施美国的光伏发展计划的一个措施，建立了一系列20kW级的光电池阵列，以便评估单晶硅、非晶硅和新的薄膜材料。1990年在加州还建成了一批200kW和400kW规模的示范装置。1988年9月，美国两家公司签订了协议，将于1992年建成5万kW的非晶硅光伏电站。如果该协议的目标能实现，光伏发电技术将成为有竞争能力的中央发电技术。

光伏电站的实用化，还要考虑占地面积和储能问题。早期的研究认为，光伏电站的占地面积约为烧煤电站或核电站的5～10倍。近期的研究表明，如果把煤炭开采、运输和废物处理的占地面积考虑进去，则与常规电站差不多。关于储能问题，主要是需要有廉价的储能设备。美国正在大力研究和开发低成本的常规蓄电池、抽水储能电站和压缩空气储能电站，而远期的储能技术有燃料电池、电解水制氢和超导磁场储能等。

日本在消费用光电池产品方面领先，是世界上生产太阳电池的大国，1985年已居世界首位。日本之所以发展如此迅速，主要是由于民用电池的增长。日本的家用电器本来就能称霸于市场，后来又配备了太阳电池，更具有竞争力。日本在已取得成就的基础上，提出了面向21世纪的发展战略，分四个阶段实现。第一阶段是80年代，以开发家用电器电源为主要目标，太阳电池实用组件的效率接近10%，寿命超过10年，在制造技术上要建立批量生产的技术基础。第二阶段是90年代，以开发独立发电系统作为主要目标，太阳电池的实用效率超过10%，寿命超过15年，可作为户外电源使用，在制造技术上要开发自动化批量生产的主要技术和建立协作生产体制，年产量要达到2万至几十万千瓦。第三阶段是2000～2010年，以开发中等规模发电系统为主要目标，要推广到学校、医院等公共设施，开始作为电力应用，转换效率超过15%，寿命超过25年，开发包括基板制造技术在内的整个生产过程，建立几百万千瓦级的生产线，开发一条龙生产技术，年产量达到几十万至几百万千瓦。第四阶段是2010年以后，以开发大规模发电系统为主要目标，大量普及个人住宅的发电系统，所输出电力要达到能作为骨干电源的水平，转换效率达到15%～18%，寿命在25年以上，生产规模要进一步扩大，能提供骨干电源所需的太阳电池，年产量达到几十万千瓦。

从日本提出的战略来看，太阳能电池要从作为家用电器的电源，即从代替干电池向着作为电力电源的方向发展。发展电力用的太阳电池，需要解决的问题可归纳为三个方面：第一是要提高性能，太阳电池要作为电力应用，大面积组件的效率至少要达到10%～15%，否则就无法同现有的发电方式竞争，在可靠性方面，要研究出在室外使用20～30年而性能不衰降的技术；第二是要开发低成本的全新的生产技术，即开发从基板制造到组件出厂都是全新的生产工艺；第三是开发边缘技术，包括使用太阳电池的电力系统技术、高性能蓄电池和蓄电系统等。

我国太阳电池技术在近20年来有了长足的进步。1972年第一次将太阳电池用作我国第二颗人造地球卫星电源，随后又开拓了地面应用，在航标灯、铁路讯号、通讯电源等领域陆续得到推广应用。现在，我国已初步形成了包括生产、应用、开发、研究一条龙的光伏发电行业。1985年以来，我国引进了太阳电池生产线和部分生产设备，使每年生产单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳电池的能力超过4．5兆瓦，质量可达到80年代国际水平。我国的设备全部投产后，年产量将仅次于美国、日本而居世界第三位，将形成年产值约二亿多元的新兴光伏产业。我国的科研机构已研制出效率达19．2%的高效单晶硅电池和效率超过20%的砷化镓电池。太阳电池组件1989年的价格，单晶硅已降到34～40元／峰瓦(单晶)，非晶硅降到21～23元／峰瓦。供农村使用的全套光伏发电系统价格为1000多元，或满足农户最低照明和收看黑白电视机之用。但是，我国的光伏产业还存在不少问题。生产能力虽已名列世界前茅，但由于各种原因，1988年的实际产量仅占生产能力的7%左右，而且有些产品质量还不够稳定。我国研究工作整体水平较低，与国际先进水平的差距有扩大的趋势。此外，产品的开发和管理还有不少问题亟待改进。所以，我们要重视世界能源枯竭和各国竞相开发太阳能的形势，加快发展我国的光伏产业。

3．太阳光发电的未来

目前的太阳电池，即使在工业发达国家，主要还是用于家用电器和一些特殊用途。但从技术发展趋势来看，太阳电池在经济上和技术性能上是很有可能成为骨干电源的。由于世界能源的枯竭和环境保护的需要，人类对太阳能寄予很大希望。美国政府预计：到2000年，太阳能在美国一次能源的构成中将占25%，2050年将占60%～70%。工业发达国家对太阳能的发展前景提出了各种不同的设想。