太阳能光伏发电技术现状与发展探讨

韩春雷

中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福建 福州 350000

0 引言

第一次工业革命、第二次工业革命都消耗了大量化石能源。现阶段，全球发展依然对化石能源有较强的依赖性，在过度开采化石能源的过程中，环境受到威胁，也对社会的发展造成了阻碍，因此人类不得不重视对生态环境的保护。在我国“双碳”战略目标的实现过程中，开发与使用清洁能源成为重要手段，太阳能光伏发电等清洁能源技术已成为全球经济发展的可靠保障。

1 太阳能光伏发电技术的优势

1.1 电能供应稳定

太阳能光伏发电技术是一种利用太阳能的技术形式。传统的太阳能利用主要将太阳能用于加热过程中。人类最早在1839 年发现了光生伏打效应，但由于技术、生产能力的限制，直到1954 年才生产了世界第一块单品硅光伏电池。该技术虽然得到全世界的普遍关注，但高昂的电池生产成本使其没有得到大范围的推广。进入21 世纪后，光伏发电技术快速发展，相关材料设备的成本不断降低，为太阳能光伏发电技术的广泛应用打下了非常扎实的基础。现阶段光伏发电系统的应用十分广泛。太阳能光伏发电电厂向城市、乡村提供可靠的电能供应。在政府的大力推广、建设下，太阳能光伏发电系统已经能够为14 万用户提供稳定的电能供应。

1.2 储量丰富且清洁无污染

太阳能作为清洁性能源，储量丰富；相比传统的化石能源燃烧发电技术，太阳能光伏发电技术不会对生态环境造成污染和破坏，也不存在能源过度开采和利用所导致的严重后果[1]。从我国太阳能分布的角度上来讲，我国幅员辽阔，西部高原地区的太阳能资源充足，人口密度较低，为光伏发电技术的发展提供了可靠的地理和环境资源。很多地区的太阳能辐射量可以达到4 kW·h/m2，西北部分地区甚至会超过7 kW·h/m2。

2 太阳能光伏发电技术的应用

2.1 混合发电系统

太阳能光伏混合发电系统以太阳能和风力为主要能源，将不同类型的风力发电机组与光伏发电进行有效结合，从而确保混合发电系统供电的稳定性。我国西北地区有极其丰富的太阳能资源和风力资源，二者的有效混合可以弥补由光伏发电对天气的依赖而带来的技术缺陷。例如，青藏高原冬天日照较弱，风力较强，仅采用光伏发电技术很难保证电能的稳定供应。但在结合风力发电技术的情况下，可以有效弥补该季节光伏发电的不足，从而提升发电系统的可靠性，使其能够提供高质量、稳定的电源[2]。

2.2 聚光光伏技术

聚光光伏技术可以有效提升太阳能的利用效率。采用聚光板、镜面等方式，将太阳光线集中照射到聚光电池上，使太阳光线的强度得到有效提升，从而提升太阳能的转化效率。这种技术的应用可以提升光伏发电系统的运行效率，在提升太阳光线强度的同时，降低光伏发电过程中的成本支出。在使用聚光器提高太阳能强度时，光伏发电系统能够更有效地进行光热转换，从而使光热能够快速进入电能生产流程，全面提升光伏发电的效率。

2.3 并网光伏发电系统

光伏发电系统与电网并联，并在公共电网的协调下，为社会提供电能供应。并网光伏发电系统能够充分利用公共电网的资源，使光伏发电系统产出的电能能够在储能、运输等各个环节中获得可靠保障。光伏发电系统在并网的过程中不需要安装专用的太阳能蓄电池，能够直接为市场提供电能，其运行和管理成本都远低于独立运行方式。在公共电网的辅助下，其供电的稳定性和供电质量得到有效保障[3]。这种方式相对于独立光伏发电系统具有更高的太阳能转换效率，因此在现阶段的光伏发电技术推广过程中，并网光伏发电系统是主要的应用和发展方向。

2.4 独立光伏发电系统

独立光伏发电系统通常建立在偏远、缺乏电能的地区，或者作为便携式的移动电源使用，如边疆哨岗、山区、农村等区域。该系统积极利用太阳能光伏发电技术的优势，在白天集中发电，并将电能存储在太阳能蓄电池中。虽然会受到自然环境因素的影响，且供电的稳定性较差。但对于电网很难覆盖的边远区域，该系统可以满足当地居民的用电需求。

2.5 光伏建筑一体化

在我国太阳能光伏发电技术的应用过程中，20 世纪90 年代就已经出现光伏建筑一体化的相关设计。随着建筑与光伏发电技术的快速发展，采用太阳能光伏发电技术的建筑变得越来越常见。一方面，光伏发电技术的有效应用可以降低建筑物的维护成本。例如，某市招商银行大厦使用光伏发电技术，一年可以节省近千万元的电费支出。另一方面，光伏建筑的一体化建设可以进一步利用城镇区域的太阳能资源，并提升建筑物的社会效应[4]。

在实际应用中，主要采用两种方式展开光伏建筑的设计。

（1）将光伏系统与建筑进行一体化、集成化的设计。这种设计方式是将传统的玻璃幕墙替换为光伏电池板，将光伏电池板作为建材使用，同时能够通过太阳能的吸收和发电，向建筑物提供一定的电能，从而有效控制建筑物的电费支出，并降低光伏发电的成本。

（2）在建筑物顶部安装平面光伏系统，同时与电网并联。这种形式可以创建联网的光伏供电系统，同时在建筑物顶部使用具有色彩的光伏组件，可以装饰建筑物，在实现发电作用的同时，提升建筑的美观度。

3 国内外太阳能光伏发电技术的发展现状

3.1 国外太阳能光伏发电技术的发展现状

3.1.1 太阳能光伏发电引起各国重视

经过100 多年的发展，太阳能电池的种类、规格在市场的需求下变得十分复杂。随着国际对环境保护日益重视，太阳能光伏发电技术拥有市场空间越来越大。近年来，国际上对太阳能电池的使用需求长期保持在50%以上的增长率。早期推广的光伏发电技术已经为各个区域的经济增长提供了可靠的助力。例如美国的“百万屋顶计划”，在建筑物顶部和其他可能的部位安装光伏设备，以确保对太阳能的有效利用。在此基础上，2015 年美国进一步延长太阳能减税优惠法案，大力推广太阳能发电技术的有效应用。

3.1.2 太阳能光伏发电技术发展缓慢

现阶段虽然太阳能光伏发电技术在国际上的应用得到重视，但总体来说，太阳能光伏发电量仅占全球总发电量的1%，该技术的应用依然需要进行进一步的推广。根据相关统计数据，预计到2040 年太阳能光伏发电的占比会进一步提升到21%左右。太阳能光伏发电技术的推广和应用是未来国际总体的发展趋势，将成为社会主流的用电生产方式之一。

3.2 国内太阳能光伏发电技术的发展现状

3.2.1 太阳能资源储量丰富

从我国太阳能资源分布的角度上来讲，我国的太阳能资源较丰富，且大量太阳能资源集中在人口较为稀疏的西北区域，因此具备大规模光伏发电厂建厂的需求。从太阳能光伏发电技术应用的角度上来讲，早在1971 年，东方红2 号卫星就已经使用太阳能电池提供动力。

3.2.2 太阳能光伏发电技术得到广泛认可

随着我国改革开放的推进以及我国生态可持续发展战略的执行，太阳能光伏发电技术早已成为我国技术研究的重点。在“送电下乡”等政策的推广过程中，太阳能光伏发电技术已经得到大众的广泛认可[5]。该技术的清洁、可再生优势，使其在我国生态可持续建设的过程中发挥了十分重要的作用。

3.2.3 太阳能光伏发电发展迅速

从太阳能光伏市场的角度来讲，截至2021 年，我国的太阳能光伏发电装机总量连续7 年位于全球首位，其中分布式的光伏发电总量达到1.075×109kW，新增的并网光伏发电系统增加了2.9×107kW，2020 年市场户用光伏电量超过1×108kW，2021 年超过了2×108kW。我国的光伏产业链也位于世界领先水平，在全球前十的光伏硅晶制造企业中，有7 家是中国企业，同时光伏产业链的技术和完整程度也远胜于国际其他国家。

4 太阳能光伏发电技术的发展趋势

4.1 光伏材料成本的进一步控制

从太阳能光伏发电技术的发展历史上来看，影响该技术进一步发展的主要原因是光伏材料成本较高。一方面，高转换率的光伏单晶硅电池板成本较高；另一方面，低转换率的光伏单晶硅电池板很难满足市场的实际需求。

从光伏材料光电转换效率的角度来讲，光电转换效率越高，意味着光伏电池板的生产能力和稳定性越强。根据研究人员的计算，光电转换效率在63.2%左右可以为光伏发电替代传统化石能源提供可靠的技术基础。但在实际应用的过程中，多数光伏单晶硅电池板的转换率在10%～15%，其转换效率远低于市场的实际需求。虽然技术能力较高的生产企业可以将光伏转换率提升到45%左右，但由于高昂的生产成本，无法进行有效的市场化。例如，日本三洋电机将硅和锗应用到太阳能电池中，使其光电转化效率提升到22%，但转换效率和成本依然不满足市场的实际需求；德国将稀土元素铒应用到太阳能电池中，虽然可以将光电转换率提升到23%以上，但依然存在市场化难度较高的问题。现阶段，太阳能电池中主要采用的硅材料成本高昂，还需要极长的生产周期，也进一步导致太阳能电池市场化面临较多的阻碍。在未来太阳能光伏技术发展的过程中，如何降低材料的生产制造成本，是光伏发电技术发展的主要研究方向。

4.2 光伏电站建设的进一步发展

现阶段我国光伏发电行业得到快速发展，是因为太阳能集中在人口较为稀少的区域，可以建设规模较大的地面光伏发电站，以满足其市场化的需求。但同时，对土地资源的大量需求，使光伏电站的进一步推广受到制约。因此，研究人员发明了农光互补、林光互补等分布式的发电站类型，可以充分利用空间建设小型光伏发电站，从而减少对土地资源的需求。但这种光伏发电站的维护难度较大，一般居民不具备维护光伏发电站的能力，在推广的过程中，面临技术、环境、政策等多方面的阻碍。现阶段，我国对地面光伏发电区域的规划依然存在不合理和不深入的问题。交通不便的西北部高海拔区域并没有得到充分利用，由于配套基础设施的问题，并没有将地面光伏发电站充分引入该区域的光伏电站建设过程中[6]。

总而言之，我国现阶段的光伏电站建设没有充分利用我国的太阳能资源，大规模地面发电站没有在太阳能较充足、人口较稀少的区域发展；同时，分布式小型光伏发电站的市场化运行模式依然待完善。未来，研究人员会集中主要力量解决这些问题，促进光伏发电站的进一步建设。总体上来说，我国的太阳能光伏电站建设依然具有较广阔的前景，无论是土地资源的利用程度还是分布式光伏电站技术的利用状况，均具有广阔的发展空间，光伏发电技术的有效利用拥有良好的资源基础[7]。

5 结束语

能源是人类社会发展的基础保障，在环境污染和资源枯竭问题日益严重的背景下，利用清洁可再生的能源成为全球共同关注的研究课题。太阳能作为清洁可再生能源的代表，无论在国际还是国内都得到了充分重视。现阶段，太阳能光伏发电技术虽然取得了一定的应用和研究成果，但是还有较广的发展空间。在有效利用当前技术的基础上，应当进一步研究光电转换效率、光伏材料成本及光伏电站建设，从而有效利用太阳能资源，使其能够替代当前近乎枯竭的化石能源，成为社会发展的新能源保障。