太陽(yáng)能發(fā)電背景
能源現(xiàn)狀
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)能源提出越來(lái)越高的要求，尋找新能源成為當(dāng)前人類(lèi)面臨的迫切課題?，F(xiàn)有電力能源的來(lái)源主要有3種，即火電、水電、核電和風(fēng)力發(fā)電。
火電需要燃燒煤、石油等化石燃料。一方面，化石燃料蘊(yùn)藏量有限、越燒越少，正面臨著枯竭的危險(xiǎn)；另一方面燃燒將排出二氧化碳和硫的氧化物，因此會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)和酸雨，惡化地球環(huán)境。
水電要淹沒(méi)大量土地，有可能導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞，而且大型水庫(kù)一旦塌崩，后果將不堪設(shè)想。另外，一個(gè)國(guó)家的水力資源也是有限的，而且還要受季節(jié)的影響。
核電在正常情況下固然是干凈的，但萬(wàn)一發(fā)生核泄漏，后果同樣是可怕的。前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故已使900萬(wàn)人受到了不同程度的損害；2011年3月11日13時(shí)46分，日本福島發(fā)生9.0級(jí)地震，引發(fā)震驚國(guó)際的福島核電站事故，造成核電站附近30公里成為無(wú)人區(qū)；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(fēng)力發(fā)電作為一種清潔的可再生能源，具有廣泛的發(fā)展前景。風(fēng)能儲(chǔ)量大，廣泛發(fā)展風(fēng)力發(fā)電是解決中國(guó)能源供應(yīng)不足的有效途徑；風(fēng)力發(fā)電屬于清潔能源的應(yīng)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(shí)符合兩個(gè)條件：一是蘊(yùn)藏豐富不會(huì)枯竭；二是安全、干凈，不會(huì)威脅人類(lèi)和破壞環(huán)境。找到的新能源主要有兩種，一是太陽(yáng)能，二是燃料電池。
21世紀(jì)內(nèi)太陽(yáng)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(lái)自太陽(yáng)能。太陽(yáng)能是太陽(yáng)內(nèi)部或者表面的黑子連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的能量。太陽(yáng)能太陽(yáng)能具有資源充足、長(zhǎng)壽，分布廣泛、安全、清潔，技術(shù)可靠等優(yōu)點(diǎn)。 由于太陽(yáng)能可以轉(zhuǎn)換成多種其他形式的能量，因此應(yīng)用范圍非常廣泛，在熱利用方面有太陽(yáng)能溫室、物品干燥和太陽(yáng)灶、太陽(yáng)能熱水器等。 經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)，太陽(yáng)能發(fā)電也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。
從太陽(yáng)能獲得電力，需通過(guò)太陽(yáng)電池進(jìn)行光電變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。它同以往其他電源發(fā)電原理完全不同。要使太陽(yáng)能發(fā)電真正達(dá)到實(shí)用水平，一是要提高太陽(yáng)能光電變換效率并降低其成本，二是要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電同的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。
太陽(yáng)能發(fā)電現(xiàn)狀與應(yīng)用
現(xiàn)狀
太陽(yáng)能的使用主要分為幾個(gè)方面：家庭用小型太陽(yáng)能電站、大型并網(wǎng)電站、建筑一體化光伏玻璃幕墻、太陽(yáng)能路燈、風(fēng)光互補(bǔ)路燈、風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)等，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)。
太陽(yáng)能的利用還不是很普及，利用太陽(yáng)能發(fā)電還存在成本高、轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題，但是太陽(yáng)能電池在為人造衛(wèi)星提供能源方面得到了應(yīng)用。太陽(yáng)能是太陽(yáng)內(nèi)部或者表面的黑子連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的能量。地球軌 道上的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1369w/㎡。地球赤道的周長(zhǎng)為40000km，從而可計(jì)算出，地球獲得的能量可達(dá)173000TW。在海平面上的標(biāo)準(zhǔn)峰值強(qiáng)度為1kw/m2，地球表面某一點(diǎn)24h的年平均輻射強(qiáng)度為0.20kw/㎡，相當(dāng)于有102000TW 的能量，人類(lèi)依賴(lài)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?zé)崮苜Y源除外），雖然太陽(yáng)能資源總量相當(dāng)于現(xiàn) 在人類(lèi)所利用的能源的一萬(wàn)多倍，但太陽(yáng)能的能量密度低，而且它因地而異，因時(shí)而變，這是開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能面臨的主要問(wèn)題。太陽(yáng)能的這些特點(diǎn)會(huì)使它在整個(gè)綜合能源體系中的作用受到一定的限制。 盡管太陽(yáng)輻射到地球大氣層的能量?jī)H為其總輻射能量的22億分之一，但已高達(dá)173，000TW，也就是說(shuō)太陽(yáng)每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬(wàn)噸煤。地球上的風(fēng)能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都是來(lái)源于太陽(yáng)；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說(shuō)也是遠(yuǎn)古以來(lái)貯存下來(lái)的太陽(yáng)能，所以廣義的太陽(yáng)能所包括的范圍非常大，狹義的太陽(yáng)能則限于太陽(yáng)輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。
太陽(yáng)能發(fā)電雖受晝夜、晴雨、季節(jié)的影響，但可以分散地進(jìn)行，所以它適于各家各戶(hù)分別進(jìn)行發(fā)電，而且要聯(lián)接到供電網(wǎng)絡(luò)上，使得各個(gè)家庭在電力富裕時(shí)可將其賣(mài)給電力公司，不足時(shí)又可從電力公司買(mǎi)入。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的技術(shù)不難解決，關(guān)鍵在于要有相應(yīng)的法律保障?，F(xiàn)在美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家都已制定了相應(yīng)法律，保證進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電的家庭利益，鼓勵(lì)家庭進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電。
日本已于1992年4月實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)同電力公司電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)，已有一些家庭開(kāi)始安裝太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備。日本通產(chǎn)省從1994年開(kāi)始以個(gè)人住宅為對(duì)象，實(shí)行對(duì)購(gòu)買(mǎi)太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的費(fèi)用補(bǔ)助三分之二的制度。要求第一年有1000戶(hù)家庭、2000年時(shí)有7萬(wàn)戶(hù)家庭裝上太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備。據(jù)日本有關(guān)部門(mén)估計(jì)日本2100萬(wàn)戶(hù)個(gè)人住宅中如果有80%裝上太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備，便可滿(mǎn)足全國(guó)總電力需要的14%，如果工廠(chǎng)及辦公樓等單位用房也進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電，則太陽(yáng)能發(fā)電將占全國(guó)電力的30%－40%。當(dāng)前阻礙太陽(yáng)能發(fā)電普及的最主要因素是費(fèi)用昂貴。為了滿(mǎn)足一般家庭電力需要的3千瓦發(fā)電系統(tǒng)，需600萬(wàn)至700萬(wàn)日元，還未包括安裝的工錢(qián)。有關(guān)專(zhuān)家認(rèn)為，至少要降到100萬(wàn)到200萬(wàn)日元時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電才能夠真正普及。降低費(fèi)用的關(guān)鍵在于太陽(yáng)電池提高變換效率和降低成本。
美國(guó)德州儀器公司和SCE公司宣布，它們開(kāi)發(fā)出一種新的太陽(yáng)電池，每一單元是直徑不到1毫米的小珠，它們密密麻麻規(guī)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(gè)這樣的單元。這種新電池的特點(diǎn)是，雖然變換效率只有8%—10%，但價(jià)格便宜。而且鋁箔底襯柔軟結(jié)實(shí)，可以像布帛一樣隨意折疊且經(jīng)久耐用，掛在向陽(yáng)處便可發(fā)電，非常方便。據(jù)稱(chēng)，使用這種新太陽(yáng)電池，每瓦發(fā)電能力的設(shè)備只要1.5至2美元，而且每發(fā)一度電的費(fèi)用也可降到14美分左右，完全可以同普通電廠(chǎng)產(chǎn)生的電力相競(jìng)爭(zhēng)。每個(gè)家庭將這種電池掛在向陽(yáng)的屋頂、墻壁上，每年就可獲得一二千度的電力。
應(yīng)用領(lǐng)域
1、用戶(hù)太陽(yáng)能電源：小型電源10-100W不等，用于邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機(jī)等；3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；光伏水泵：解決無(wú)電地區(qū)的深水井飲用、灌溉。
2、交通領(lǐng)域：如航標(biāo)燈、交通/鐵路信號(hào)燈、交通警示/標(biāo)志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無(wú)線(xiàn)電話(huà)亭、無(wú)人值守道班供電等。
3、 通訊/通信領(lǐng)域：太陽(yáng)能無(wú)人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波電話(huà)光伏系統(tǒng)、小型通信機(jī)、士兵GPS供電等。
4、石油、海洋、氣象領(lǐng)域：石油管道和水庫(kù)閘門(mén)陰極保護(hù)太陽(yáng)能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺(tái)生活及應(yīng)急電源、海洋檢測(cè)設(shè)備、氣象/水文觀(guān)測(cè)設(shè)備等。
5、家庭燈具電源：如庭院燈、路燈、手提燈、野營(yíng)燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。
6、光伏電站：10KW-50MW獨(dú)立光伏電站、風(fēng)光（柴）互補(bǔ)電站、各種大型停車(chē)廠(chǎng)充電站等。
7、太陽(yáng)能建筑：將太陽(yáng)能發(fā)電與建筑材料相結(jié)合，使得未來(lái)的大型建筑實(shí)現(xiàn)電力自給，是未來(lái)一大發(fā)展方向。
8、其他領(lǐng)域包括：與汽車(chē)配套：太陽(yáng)能汽車(chē)/電動(dòng)車(chē)、電池充電設(shè)備、汽車(chē)空調(diào)、換氣扇、冷飲箱等；太陽(yáng)能制氫加燃料電池的再生發(fā)電系統(tǒng)；海水淡化設(shè)備供電；衛(wèi)星、航天器、空間太陽(yáng)能電站等。、
設(shè)計(jì)與研究
成功地把太陽(yáng)能組件和建筑構(gòu)件加以整合，如太陽(yáng)能屋面（頂）、墻壁及門(mén)窗等，實(shí)現(xiàn)了“光伏--建筑照明一體化（BIPV）”。1997年6月，美國(guó)宣布了以總統(tǒng)命名的“太陽(yáng)能百萬(wàn)屋頂計(jì)劃”，在2010年以前為100萬(wàn)座住宅實(shí)施太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。日本“新陽(yáng)光計(jì)劃”已在2000年以前將光伏建筑組件裝機(jī)成本降到170～210日元/W，太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量達(dá)10MW，電池成本降到25～30日元/W。1999年5月14日，德國(guó)僅用一年兩個(gè)月建成了全球首座零排放太陽(yáng)能電池組件廠(chǎng)，完全用可再生能源提供電力，生產(chǎn)中不排放CO2。工廠(chǎng)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(gè)工廠(chǎng)建筑裝有575m2的太陽(yáng)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(fēng)格與建筑物的結(jié)合，與周?chē)淖匀画h(huán)境的整合達(dá)到了十分完美的協(xié)調(diào)。該建筑另有約45kW容量，由以自然狀態(tài)的菜子油作燃料的熱電廠(chǎng)提供，經(jīng)設(shè)計(jì)燃燒菜子油時(shí)產(chǎn)生的CO2與油菜生長(zhǎng)所需的CO2基本平衡，是一座真正意義上的零排放工廠(chǎng)。BIPV還注重建筑裝飾藝術(shù)方面的研究，在捷克由德國(guó)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(wú)電島117家村民安裝了12.5kW的BIPV。國(guó)內(nèi)常州天合鋁板幕墻制造有限公司研制成功一種“太陽(yáng)房”，把發(fā)電、節(jié)能、環(huán)保、增值融于一房，成功地把光電技術(shù)與建筑技術(shù)結(jié)合起來(lái)，稱(chēng)為太陽(yáng)能建筑系統(tǒng)（SPBS），SPBS已于2000年9月20日通過(guò)專(zhuān)家論證。上海浦東建成了國(guó)內(nèi)首座太陽(yáng)能--照明一體化的公廁，所有用電由屋頂太陽(yáng)能電池提供。這將有力地推動(dòng)太陽(yáng)能建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)化與市場(chǎng)化的進(jìn)程。
綠色照明系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，要求低能耗下獲得高的光效輸出，并延長(zhǎng)燈的使用壽命。因此DC-AC逆變器設(shè)計(jì)，應(yīng)獲得合理的燈絲預(yù)熱時(shí)間和激勵(lì)燈管的電壓和電流波形。處在研究開(kāi)發(fā)中的太陽(yáng)能照明光源激勵(lì)方式有四種典型電路：①自激推挽振蕩電路，通過(guò)燈絲串聯(lián)啟輝器預(yù)熱啟動(dòng)。該光源系統(tǒng)的主要參數(shù)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(xù)開(kāi)啟次數(shù)》1000次。②自激推挽振蕩（簡(jiǎn)單式）電路，該光源系統(tǒng)的主要參數(shù)是：輸入電壓DC=12V，燈管功率9W，輸出光效315Lm/支，連續(xù)啟動(dòng)次數(shù)》1500次。③自激單管振蕩電路，燈絲串聯(lián)繼電器預(yù)熱啟動(dòng)方式。④自激單管振蕩（簡(jiǎn)單式）電路等方式的高效節(jié)能綠色光源。