太陽能發(fā)電背景
能源現(xiàn)狀
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會的進(jìn)步，人們對能源提出越來越高的要求，尋找新能源成為當(dāng)前人類面臨的迫切課題?，F(xiàn)有電力能源的來源主要有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，因此會導(dǎo)致溫室效應(yīng)和酸雨，惡化地球環(huán)境。
水電要淹沒大量土地，有可能導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞，而且大型水庫一旦塌崩，后果將不堪設(shè)想。另外，一個(gè)國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級地震，引發(fā)震驚國際的福島核電站事故，造成核電站附近30公里成為無人區(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)能儲量大，廣泛發(fā)展風(fēng)力發(fā)電是解決中國能源供應(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)藏豐富不會枯竭；二是安全、干凈，不會威脅人類和破壞環(huán)境。找到的新能源主要有兩種，一是太陽能，二是燃料電池。
21世紀(jì)內(nèi)太陽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自太陽能。太陽能是太陽內(nèi)部或者表面的黑子連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。太陽能太陽能具有資源充足、長壽，分布廣泛、安全、清潔，技術(shù)可靠等優(yōu)點(diǎn)。 由于太陽能可以轉(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能溫室、物品干燥和太陽灶、太陽能熱水器等。 經(jīng)過多年的開發(fā)，太陽能發(fā)電也得到了長足的發(fā)展。
從太陽能獲得電力，需通過太陽電池進(jìn)行光電變換來實(shí)現(xiàn)。它同以往其他電源發(fā)電原理完全不同。要使太陽能發(fā)電真正達(dá)到實(shí)用水平，一是要提高太陽能光電變換效率并降低其成本，二是要實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電同的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。
太陽能發(fā)電現(xiàn)狀與應(yīng)用
現(xiàn)狀
太陽能的使用主要分為幾個(gè)方面：家庭用小型太陽能電站、大型并網(wǎng)電站、建筑一體化光伏玻璃幕墻、太陽能路燈、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)。
太陽能的利用還不是很普及，利用太陽能發(fā)電還存在成本高、轉(zhuǎn)換效率低的問題，但是太陽能電池在為人造衛(wèi)星提供能源方面得到了應(yīng)用。太陽能是太陽內(nèi)部或者表面的黑子連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。地球軌 道上的平均太陽輻射強(qiáng)度為1369w/㎡。地球赤道的周長為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，人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地?zé)崮苜Y源除外），雖然太陽能資源總量相當(dāng)于現(xiàn) 在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽能的能量密度低，而且它因地而異，因時(shí)而變，這是開發(fā)利用太陽能面臨的主要問題。太陽能的這些特點(diǎn)會使它在整個(gè)綜合能源體系中的作用受到一定的限制?！”M管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一，但已高達(dá)173，000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬噸煤。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源于太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說也是遠(yuǎn)古以來貯存下來的太陽能，所以廣義的太陽能所包括的范圍非常大，狹義的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。
太陽能發(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)可將其賣給電力公司，不足時(shí)又可從電力公司買入。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、日本等發(fā)達(dá)國家都已制定了相應(yīng)法律，保證進(jìn)行太陽能發(fā)電的家庭利益，鼓勵(lì)家庭進(jìn)行太陽能發(fā)電。
日本已于1992年4月實(shí)現(xiàn)了太陽能發(fā)電系統(tǒng)同電力公司電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)，已有一些家庭開始安裝太陽能發(fā)電設(shè)備。日本通產(chǎn)省從1994年開始以個(gè)人住宅為對象，實(shí)行對購買太陽能發(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戶家庭、2000年時(shí)有7萬戶家庭裝上太陽能發(fā)電設(shè)備。據(jù)日本有關(guān)部門估計(jì)日本2100萬戶個(gè)人住宅中如果有80%裝上太陽能發(fā)電設(shè)備，便可滿足全國總電力需要的14%，如果工廠及辦公樓等單位用房也進(jìn)行太陽能發(fā)電，則太陽能發(fā)電將占全國電力的30%－40%。當(dāng)前阻礙太陽能發(fā)電普及的最主要因素是費(fèi)用昂貴。為了滿足一般家庭電力需要的3千瓦發(fā)電系統(tǒng)，需600萬至700萬日元，還未包括安裝的工錢。有關(guān)專家認(rèn)為，至少要降到100萬到200萬日元時(shí)，太陽能發(fā)電才能夠真正普及。降低費(fèi)用的關(guān)鍵在于太陽電池提高變換效率和降低成本。
美國德州儀器公司和SCE公司宣布，它們開發(fā)出一種新的太陽電池，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，掛在向陽處便可發(fā)電，非常方便。據(jù)稱，使用這種新太陽電池，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產(chǎn)生的電力相競爭。每個(gè)家庭將這種電池掛在向陽的屋頂、墻壁上，每年就可獲得一二千度的電力。
應(yīng)用領(lǐng)域
1、用戶太陽能電源：小型電源10-100W不等，用于邊遠(yuǎn)無電地區(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/鐵路信號燈、交通警示/標(biāo)志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。
3、 通訊/通信領(lǐng)域：太陽能無人值守微波中繼站、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：石油管道和水庫閘門陰極保護(hù)太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺生活及應(yīng)急電源、海洋檢測設(shè)備、氣象/水文觀測設(shè)備等。
5、家庭燈具電源：如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、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、各種大型停車廠充電站等。
7、太陽能建筑：將太陽能發(fā)電與建筑材料相結(jié)合，使得未來的大型建筑實(shí)現(xiàn)電力自給，是未來一大發(fā)展方向。
8、其他領(lǐng)域包括：與汽車配套：太陽能汽車/電動車、電池充電設(shè)備、汽車空調(diào)、換氣扇、冷飲箱等；太陽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、空間太陽能電站等。、
設(shè)計(jì)與研究
成功地把太陽能組件和建筑構(gòu)件加以整合，如太陽能屋面（頂）、墻壁及門窗等，實(shí)現(xiàn)了“光伏--建筑照明一體化（BIPV）”。1997年6月，美國宣布了以總統(tǒng)命名的“太陽能百萬屋頂計(jì)劃”，在2010年以前為100萬座住宅實(shí)施太陽能發(fā)電系統(tǒng)。日本“新陽光計(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，德國僅用一年兩個(gè)月建成了全球首座零排放太陽能電池組件廠，完全用可再生能源提供電力，生產(chǎn)中不排放CO2。工廠的南墻面為約10m高的PV陣列玻璃幕墻，包括屋頂PV組件，整個(gè)工廠建筑裝有575m2的太陽能電池組件，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，與周圍的自然環(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與油菜生長所需的CO2基本平衡，是一座真正意義上的零排放工廠。BIPV還注重建筑裝飾藝術(shù)方面的研究，在捷克由德國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電島117家村民安裝了12.5kW的BIPV。國內(nèi)常州天合鋁板幕墻制造有限公司研制成功一種“太陽房”，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，稱為太陽能建筑系統(tǒng)（SPBS），SPBS已于2000年9月20日通過專家論證。上海浦東建成了國內(nèi)首座太陽能--照明一體化的公廁，所有用電由屋頂太陽能電池提供。這將有力地推動太陽能建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)化與市場化的進(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。處在研究開發(fā)中的太陽能照明光源激勵(lì)方式有四種典型電路：①自激推挽振蕩電路，通過燈絲串聯(lián)啟輝器預(yù)熱啟動。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)開啟次數(shù)》1000次。②自激推挽振蕩（簡單式）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)熱啟動方式。④自激單管振蕩（簡單式）電路等方式的高效節(jié)能綠色光源。
太陽能光伏發(fā)電優(yōu)勢與缺點(diǎn)
1、太陽能是取之不盡、用之不竭的潔凈能源，而且太陽能光伏發(fā)電是安全可靠的，不會受到能源危機(jī)和燃料市場不穩(wěn)定因素的影響；
2、太陽光普照大地，太陽能是隨處可得的，太陽能光伏發(fā)電對于偏遠(yuǎn)無電地區(qū)尤其適用，而且會降低長距離電網(wǎng)的建設(shè)和輸電線路上的電能損失；
3、太陽能的產(chǎn)生不需要燃料，使得運(yùn)行成本大大降低；4、除了跟蹤式外，太陽能光伏發(fā)電沒有運(yùn)動部件，因此不易損毀，安裝相對容易，維護(hù)簡單；
5、太陽能光伏發(fā)電不會產(chǎn)生任何廢棄物，并且不會產(chǎn)生噪音、溫室及有毒氣體，是很理想的潔凈能源。安裝1KW光伏發(fā)電系統(tǒng)，每年可少排放CO2600～2300kg，NOx16kg，SOx9kg及其他微粒0.6kg；
6、可以有效利用建筑物的屋頂和墻壁，不需要占用大量土地，而且太陽能發(fā)電板可以直接吸收太陽能，進(jìn)而降低墻壁和屋頂?shù)臏囟?，減少室內(nèi)空調(diào)的負(fù)荷；
7、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)周期短，而且發(fā)電組件的使用壽命長、發(fā)電方式比較靈活，發(fā)電系統(tǒng)的能量回收周期短；
8、不受資源分布地域的限制；可在用電處就近發(fā)電。任何事物都有其兩面性，太陽能光伏發(fā)電雖然具有上述的諸多優(yōu)點(diǎn)，但是也有其缺點(diǎn)：1、地理分布、季節(jié)變化、晝夜交替會嚴(yán)重影響其發(fā)電量，當(dāng)沒有太陽的時(shí)候就不能發(fā)電或者發(fā)電量很小，這就會影響用電設(shè)備的正常使用；2、能量的密度低，當(dāng)大規(guī)模使用的時(shí)候，占用的面積會比較大，而且會受到太陽輻射強(qiáng)度的影響；3、光伏系統(tǒng)的造價(jià)還比較高，系統(tǒng)成本40000～60000元/kW，初始投資高嚴(yán)重制約了其廣泛應(yīng)用；4、年發(fā)電時(shí)數(shù)較低，平均1300 h；5、精準(zhǔn)預(yù)測系統(tǒng)發(fā)電量比較困難。
太陽能電池歷史知多少？
太陽能電池歷史最早可追溯到法國物理學(xué)家A.E.Becquere于1839年首次發(fā)現(xiàn)光生伏特效應(yīng)，隨后光伏一詞也在1849年出現(xiàn)英文詞典之中；最終在1883年由Charles Fritts成功研制第一塊太陽能電池（本文屬于原創(chuàng)，貓視汽車首發(fā)，轉(zhuǎn)載請注明）；
到1930年代，光生電力原理被廣泛應(yīng)用在照相機(jī)曝光領(lǐng)域，Russell Ohl則在1946年申請了現(xiàn)代太陽能電池專利，到1950年代，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室推出半導(dǎo)體太陽能電池，終于開啟太陽能電池商用時(shí)代；
1958年，美國發(fā)射人造衛(wèi)星利用太陽能電池作為能量來源，1973年能源危機(jī)后，太陽能電池民用和商用步伐加快；1983年，美國加州建立世界最大的太陽能發(fā)電廠，其發(fā)電量高達(dá)16百萬伏特；1994年，日本推出“市電并聯(lián)型太陽光電能系統(tǒng)”；2009年，中國財(cái)政部擬定太陽能光電計(jì)劃。
