浅谈太阳能发电

陶文彪，万 利

四川大学电气信息学院，四川成都 610065

进入21世纪，全球经济快速增长，能源消耗也达到了前所未有的程度。随着化石燃料的大量开采消耗，能源日益枯竭，全球温室效应逐年加剧，生态环境遭到严重破坏，人类的生存与发展面临巨大挑战。根据已探明的储量分析，全球石油可开采约45年，天然气约61年，煤炭约230年。也就是说，经过亿万年形成的化石能源将在未来的200年～300年内消耗殆尽。那么，300年后我们的子孙后代怎么生存？巨大的能源缺口需要怎样填补？这些已经成为人们必须深思的问题。解决这些问题的关键在于寻求一种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风力，潮汐，水利，太阳照射等等，而其中太阳能取之不尽用之不竭，对环境无任何污染，是公认的可取代化石能源的最理想能源之一。

1 太阳能资源

太阳是一个巨大的能量源，它的内部不断地进行热核反应，向外部释放巨大的能量。地球表面接收到的太阳辐射能大约为17×1 012kW，这些能量相当于全球一年内消耗总能量的3.5万倍。假如到达地球表面太阳能的0.1%按5%的转变率转化为电能，每年的发电量可以达到5.6×1 012kW·h，相当于目前世界上能耗的40倍，由此可见太阳能利用的巨大潜力。

就我国而言，全国年日照大于2 200h的地区超过2/3，年辐射量约为5 900MJ/m2，是世界上太阳能最丰富的地区之一。特别是西部地区如青藏高原、内蒙古、陕西、青海等地太阳能资源尤为丰富，年日照时间可以达到3 000h以上。除四川盆地及其毗邻地区之外的全国绝大部分地区太阳能资源均相当于或超过国外其他同纬度地区。因此，我国非常适合太阳能的开发与利用。

2 太阳能发电基本原理

太阳能发电主要有太阳能光发电和太阳能热发电两种形式，太阳能光发电可又分为光伏发电，光化学发电，光感应发电以及光生物发电，其中光伏发电是应用最广、能量转换效率较高的一种太阳能发电形式。下面主要介绍光伏发电。

太阳能光伏发电是指利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能的发电系统。太阳能电池是根据光生伏打效应设计的一种具有光电转换特性的半导体器件。光生伏打效应是指物体由于吸收光子而产生电动势的现象。当太阳光照射到电池上时，电池吸收光能，产生光生电子—空穴对。在电池内建电场的作用下，光生电子与空穴分离，电池两端出现异号电荷积累，产生光生电压，此时在内建电场两侧引出电极并接上负载，负载就会有光生电流流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就被转化成了可以付诸实施的电能。

3 光伏建筑一体化

光伏建筑一体化是指将光伏组件安装在建筑物的屋顶以及阳台上，或者将光伏组件与建筑材料融为一体，即光伏组建直接作为建筑材料使用，然后通过其逆变控制器输出端与公共电网并联，共同向建筑供电，也可以做成离网系统，与蓄电池相结合，完全由光伏系统向建筑供电。光伏建筑一体化有着其独特的优点，比如节约土地，避免电能的长距离传输，夏季对电网调峰等等。

据统计，全球建筑物消耗的能量大约占总能耗的一半以上。而我国每年建成的住房面积达16亿m2～20亿m2，约占世界年总建筑面积的一半。到2010年底，房屋建筑总面积已经超过500亿m2，其中城市170多亿m2，屋顶面积约为17亿m2。预计到2020年，我国房屋建筑总面积约为680亿m2，其中城市约为260亿m2。而当中既有的近400亿的建筑中99%以上为高耗能建筑，新建的建筑大部分也超过了发达国家的能耗水平。届时我国的电力供应将面临严峻挑战。而如果新建建筑采用光伏建筑一体化设计，或对旧的建筑进行改造，建筑本身就转化为一个个太阳能转换工厂，源源不断的向外输送能量，将大大缓解我国电力供应紧张的压力。

虽然现在光伏电池成本还比较高，能量转化率偏低，但我相信随着科技的进步以及制造工艺的不断改进，光伏电池必将得到广泛应用，光伏建筑一体化也将成为建筑的主流。可以想象，当一座城市建筑的屋顶全部安装太阳能电池，那将会是多么壮观的场景——城市不再仅仅是能源消耗的场所，而是一片生产能量哺育人类的森林。

4 前景展望

目前太阳能电池的成本高是影响其大规模应运的主要障碍，因此，通过设计新的电池结构，提高电池的转换效率以及改进现有的制造工艺降低制造成本是太阳能电池发展的主要方向。例如薄膜太阳能电池，它由沉积在玻璃、不锈钢、塑料、陶瓷衬底或薄膜上的几微米或几十微米厚的半导体膜构成。由于其半导体层很薄，可大为节省电池材料，降低成本，因而是最有前景的新型太阳能电池，它的开发与研究已经成为当今太阳能发电领域的热点课题。

太阳能光伏发电系统在不同的地方有不同的应运形式：在发展较好的地方，发展太阳能光伏建筑；在人口密度小的荒漠地区，可以建立大型的光伏电站；在比较偏远的地区，可以建立光伏微电网。随着智能电网以及分布式发电系统的发展与完善，太阳能发电必将走进千家万户，给家庭以及社会带来巨大的效益。我相信在常规化石能源的日益消耗，国际能源价格不断飙升，以及人们环保观念的逐渐增强的大背景下，大力开发太阳能等可再生能源，逐步改变能源消费结构，走可持续发展之路，必将成为世界能源发展的主流。太阳能光伏发电作为新能源开发中的主力军，潜力巨大，发展前景广阔。

[1]沈辉，曾祖勤主编.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版社，2005，8.

[2]杨金焕，于化丛，葛亮.太阳能光伏发电应运技术[M].北京：电子工业出版社，2009，1.

[3]王立乔，孙孝峰主编.分布式发电系统中的光伏发电技术[M].北京：机械工业出版社，2010，8.

[4]王长贵，王斯成主编.太阳能光伏发电实用技术[M].北京：化学工业出版社，2005，6.

[5]北京市建筑设计研究院 李宏毅，金磊.建筑工程太阳能发电技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2007，8.

[6]黄汉云.太阳能光伏发电应用原理[M].北京：化学工业出版社，2009，1.

[7]殷桂梁，杨丽君，王珺.分布式发电技术[M].北京：机械工业出版社，2008，9.