太阳能光伏发电技术应用现状及未来发展趋势研究

发布时间：2021-09-04 来源：文档文库

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太阳能光伏发电技术应用现状及未来发展趋势研究
作者：李伟
来源：《江苏科技信息》 2018年第24期

摘要：无论是经济还是社会，要想实现可持续发展，就都离不开能源。但是，随着人口的增加，经济的发展，人们对生活质量要求的提高，不可再生能源已经长期处于被过度开采的状态。为了满足发展对能源的需求，贴合可持续发展的纲领，减少环境污染和生态破坏，可再生能源受到了越来越多的关注。太阳能作为一种清洁、环保且可再生的能源，可以被用在很多领域中，目前最常用的就是利用太阳能光伏进行发电。文章介绍了我国目前使用太阳能光伏发电技术的应用，进一步研究并整理其发展趋势。

关键词：太阳能资源；光伏发电；可再生资源；发电技术；项目开发

中图分类号：TK514 文献标识码：A
0 引言

工业化革命以后，工业和机械，尤其是对能源消耗巨大的重工业成了经济社会发展的支柱。工业发展和运作都离不开能量和能源的消耗，也可以说，目前社会经济能够快速发展，很大程度上依靠的都是能源。但是一味地追求经济的发展，对能源造成了过度的消耗，进一步导致了生态环境的破坏。而生态环境遭到严重破坏，会对全球各个方面造成影响，导致能源无法为世人所用，最终造成经济下滑，人类社会破坏［1］。这是一个恶性循环。因此，寻找人类与自然共同生存，共同发展的相处模式成为一个全世界都在关注的课题。可再生能源的利用正是由此而来的。太阳能可以说是其中最大而且取之不竭的一种能源。经研究数据显示，每天的辐射能等同于2.5亿桶石油［2］。如果能用这些辐射能代替传统的能源供给，那么无论对于经济发展，还是生态环境来说都是一个巨大的福音。因此太阳能的使用技术发展之迅猛，是难以想象的。它不仅仅是一种新的替代能源，更成为全球的一大新兴产业。

1 太阳能光伏发电技术原理和资源优势

1.1 光伏发电原理

利用太阳能光伏进行发电是最常见一种太阳能方法。它的历史最早可以追溯到1839年诞生的光生伏打效应。1954年，世界上第一个实用单晶硅光伏电池诞生，从此光伏电池进入了人们的视线。随着可再生能源受到重视，光伏电池受到的关注也越来越多，在其研发过程中，新的高效能低成本的技术在不断地被提出，因此光伏产业的发展是非常迅猛的。

简而言之，光伏电池的工作原理就是将辐射能转化成电能进行使用。

太阳能光伏发电是能够使用太阳能的一种形式，早在1839 年，就有科学家提出光生伏打效应，但是直到1954 年世界上才出现了第一个实用单晶硅光伏电池，从此光伏电池才得到了广泛的关注，在研发过程中不断降低生产成本，从而促进光伏产业在世界上的发展。太阳能光伏发电技术是将辐射能转化为电能使用。太阳能光伏发电原理如图1 所示。

从原理图中可以看出，在光子注入前，多数载流子经过扩散会形成空间电荷区，随之产生电场Ei。Ei的作用是排斥多数载流子，吸引少数载流子。这样的结果是使少数载流子数量减少，阻碍了电流的形成。太阳光子在这里起到的就是一个反应极的作用，它能牵引着少数载流子进入自建电场之中，使其在内部有序排列并产生电流后输出，作为电能供应设备使用。

拥有电能只是光伏电池工作的第一步，如何持续地制造电能，输出电能以供使用才是光伏电池的主要工作职能。这需要依靠太阳能光伏发电系统来完成。

太阳能光伏发电系统的构成如图2所示。从图中我们不难发现，光伏电池板是通过照射收集太阳辐射能，再将其转化为电能进行转换、加工和储存，以供给使用。光伏电池的使用范围相当广泛，小到每家每户的太阳能电热水器，大到为无法铺设电网的无电区输送电力，包括城市基础设施的运作，太阳能电子产品的使用，都可以发现它的身影。

1.2 太阳能资源优势

太阳能是一种清洁的、取之不尽的能源。相比火力发电、水力发电和核能发电，太阳能发电没有对生态环境的污染破坏，不存在不可再生资源过度开采的情况，并且成本低廉。就我国来说，幅员辽阔，西北、西南部基本都是高原地貌，太阳能资源十分充足。很多地区一天的辐射量最低可以达到每平方米4千瓦时，西北部地区甚至是每平方米超过7 千瓦时，经过普及和推广，已经为超过14万的无电用户提供了电能。

2 太阳能光伏发电技术的应用现状

2.1 国外对太阳能光伏发电技术的应用

光伏发电技术诞生至今，已有超过一百年的研究历史，目前已经发展出很多种不同规格、种类的太阳能电池，同时形成了一个新的经济市场。近年来，全球对太阳能电池的使用增长率基本保持在50%以上。发展较早的比如美国的“百万屋顶”计划，德国的“一千个太阳能屋顶”
计划，都为太阳能光伏发电技术的普及提供了强大的助力。现今比较为人们所熟知的，比如美国于2015年提出的对太阳能减免税优惠法案的延长；印度的“国家太阳能利用计划”等也对太阳能光伏发电产业的发展起到了推动作用。

据统计，到2020年，世界太阳能光伏组件的产量将达到40 GWh，总装机容量是195 GW，发电量将达到274 TWh，但依旧仅占全球发电量的1%。比较乐观的是，到2040年，太阳能光伏发电的发电量在全球发电量中的占比将达到21%左右。由此可见，太阳能光伏发电在我们生活中将会受到越来越广泛的应用，并且有望代替煤炭等不可再生资源，成为我们生活中主要使用的能源之一。

2.2 我国对太阳能光伏发电技术的应用

就地理位置和占地面积来说，我国的太阳能资源是相当丰富的。因此，我国对于太阳能光伏发电的研究也很早就开始了。1971年的“东方红二号”卫星上就已经开始使用太阳能电池了。20世纪以来，我国大力推广供电行业发展，加快基础建设进程，实施“送电到乡”工程，也为太阳能发电行业的发展一公里巨大的助力，推动了我国太阳能光伏发电技术的研究、更新和应用。

太阳能资源是可再生资源，同时因为利用太阳能进行发电主要是通过磁场的物理原理进行能量转换的，因此不会造成热力污染、粉尘污染、辐射污染等环境问题，是一种清洁且取之不尽的能源。太阳能光伏发电技术的运用能满足不同的客户需求，较小城市基础设施的能源消耗，同时，它最大的意义体现在能对无法架设电网，通过传统方式输送电力的区域进行电力输送，满足人们生产生活建设所需［3］。我国的太阳能光伏发电技术在路灯、计算机、铁路信号、灯塔等各个领域都受到了广泛应用。

3 太阳能光伏发电技术发展趋势

3.1 材料成本方面

太阳能光伏发电技术是将光能转化为电能的技术。因此光电转换效率是其在运用过程中首先要关注的重点。使用光电转换效率高的材料能很好地减少转换过程中的能量消耗。从理论上来说，光电转换率应该保持在63.2%是最佳的，但在实际情况中很难达到。目前行业中较长使用的单晶硅电池板、多晶硅电池板和薄膜电池板等，转换率都在10%到15%之间，国外一些高科技能源公司已将这一效率提高到45%左右，当然成本也相对较高。日本三洋电机公司研发出光电转换率能达到22%的非晶硅锗混合型异质结（HIT）太阳能电池。德国也利用将稀土金属元素铒（Er）放入单晶硅中的技术，将光电转换率提高到23%以上。

其次，目前在太阳能电池制造业中大量使用的硅材料也是存在弊端的。硅材料成本相对较高，而且需要很长的生产时间，这就造成了较大的市场风险。积极研发更适合太阳能光伏发电技术的，成本更加低廉的新材料也是该行业当下需要研究和实践的课题。

3.2 光伏电站类型

目前我国的光伏发电系统主要采用的是地面光伏，其优点是规模大、方便建设。但是正是因为其规模较大，对于土地面积的要求较高，使得其在我国这样一个人均林地和耕地面积都很少的国家中很难发展。

根据我国的实际情况，研究者们又发明了农光互补、林光互补、渔光互补发电系统。在此基础上，结合我国人口众多、房屋众多的特点，国家提出了分布式光伏发展的概念。即利用建筑物的屋顶进行光伏布置，为区域提供电力。如此，既解决了地面光伏需要大量土地的问题，
又利用了现有的建筑资源。同时，国家还用光伏电站实现脱贫工作，在全国推广户用光伏、村级光伏和地面光伏电站，为无电区、山区、特困区提供用电保障，为这些地区早日脱贫提供基础能源支持。

其次，我国对现阶段采用的地面光伏发电的规划也不合理。可以被大规模利用的西部及北部的高海拔的荒漠地区并没有被充分利用。这些光照充足，年辐射量巨大但不适宜人类居住的沙漠、荒漠地区正是建立地面光伏发电站的最佳选择。在未来的光伏发电行业发展中，这也是需要引起重视的问题。

4 结语

全球各地都面临着严重的资源枯竭问题，因此，开发新型的可再生的洁净能源的想法也受到了越来越多的重视和关注。太阳能作为最原始的、取之不竭的能源，可以说是一个巨大的天然的能源宝藏。如何利用和加强现有技术，对其进行开发使用，是值得人类长期去探讨和研究的话题。无论是材料的选择、太阳能的收集方式，还是能源转换的效率都应该不断地探索更新，以谋求更好的发展，使太阳能在未来的经济社会发展中发挥更大的功用。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/6139998b8c9951e79b89680203d8ce2f01666516.html