淺談太陽能光伏發(fā)電技術(shù)

劉宇軒 杜永英

（沈陽化工大學，遼寧沈陽 110142）

0 引言

社會的發(fā)展與進步需要能源的支撐，當前，在高能源消耗下，能源短缺已經(jīng)成為全世界面臨的主要問題?；仡櫧倌陙砟茉垂I(yè)的發(fā)展歷史，可以清楚地看到，整個能源工業(yè)的消耗主要以化石能源為主[1]。然而，自然界可獲取的化石燃料相對有限，且化石燃料會釋放出大量的二氧化碳和其他污染物。

太陽能作為可再生能源的重要組成部分，具有潛力大、污染低和永續(xù)利用等優(yōu)點。2022年6月，我國《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》明確指出，到2025年，可再生能源消費總量達到一次能源消費的18%；可再生能源年發(fā)電量達到3.3萬億千瓦時左右，風電和太陽能發(fā)電量實現(xiàn)翻倍。我國三分之二的國土面積年日照小時數(shù)在2200小時以上，屬于太陽能利用條件較好的地區(qū)。因此，在我國推廣使用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)具有得天獨厚的優(yōu)勢。

光熱發(fā)電和光伏發(fā)電是太陽能發(fā)電的兩種常見形式。其中，光熱發(fā)電是將太陽輻射轉(zhuǎn)化為熱量，用于運行熱機，如燃氣或蒸汽渦輪機，而光伏發(fā)電是通過光伏電池將太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能[2]。光伏發(fā)電的整體發(fā)展速度或者發(fā)展前景均遠勝于光熱發(fā)電，因此通常說的太陽能發(fā)電指的是太陽能光伏發(fā)電，簡稱“光電”，其原理是通過光生伏特效應將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能，基本過程是光電二極管將照射到其上面的太陽光的能量轉(zhuǎn)變成電能，產(chǎn)生電流，蓄電池把產(chǎn)生的電流存貯，經(jīng)過逆變器變成交流輸出[3]。

1 太陽能利用及光伏發(fā)電的發(fā)展歷史

1.1 國外發(fā)展簡史

根據(jù)美國能源部的說法，儲存和利用太陽能技術(shù)首先出現(xiàn)在1767年。瑞士科學家Horace de Saussure因建造了世界上第一個太陽能收集器而受到贊譽，后來John Herschel在19世紀30年代的南非探險中使用太陽能收集器做飯[4]。

1839年，法國物理學家Alexandre-Edmond Becquerel是第一個發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應”的人，他在研究光對浸在電解液中金屬電極的影響時，發(fā)現(xiàn)光照射導電液中的兩種金屬電極會使電流增大，這為太陽能發(fā)電奠定了基礎(chǔ)。此后，光伏技術(shù)以提高性能和降低成本為目標，利用各種材料不斷發(fā)展。英國科學家Willough?by Smith于1873年發(fā)現(xiàn)在光照射條件下，光敏感硒材料導電能力的提高與光通量成正比，隨后，Charles Fritts在1880年成功研發(fā)出以硒作為基礎(chǔ)的太陽電池。1905年，德國物理學家Albert Einstein提出了光子假說，成功地解釋了光電效應，并于1921年獲得了諾貝爾物理學獎。20世紀30年代，雖然太陽電池能量轉(zhuǎn)換效率低且生產(chǎn)成本高的弊端尚未攻克，但硒太陽電池的研究仍然是科學家研究的重要方向[5]。Stora和Audobert于1932年發(fā)現(xiàn)了硫化鎘材料的光伏效應，并首次制備了“硫化鎘”太陽能電池；Auer于1941年發(fā)現(xiàn)了硅板的光伏效應；Russell Ohl于1946年申請了現(xiàn)代太陽能電池的制造專利，隨后光伏器件進入快速發(fā)展時期[6]。

美國貝爾實驗室的D.M.Chapin、C.S.Full?er和G.L.Pearson于1954年開發(fā)出效率為6%的硅光伏（PV）太陽能電池，這是人類歷史上首個有實用意義的太陽能電池。這些太陽能電池陣列很快在世界各地的航天機構(gòu)中流行起來，小型陣列被用于許多衛(wèi)星上的無線電和電信設備。然而，當時將太陽能產(chǎn)業(yè)商業(yè)化的嘗試在很大程度上是不成功的。

Hoffman電子于1959年商業(yè)化生產(chǎn)出單晶硅電池，其能量轉(zhuǎn)換效率為10%，由于使用網(wǎng)柵電極，太陽能電池串聯(lián)電阻顯著減小，1960年，其生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池效率達到了14 %[6]。Elliott Berman于1970年開發(fā)了一種成本低得多的太陽能電池。他與?？松竞献鳎O計了一種太陽能電池，用于為海上石油和天然氣鉆井平臺上的警示燈和喇叭供電，成本從之前的每電池100美元降至20美元。隨著成本的降低，太陽能產(chǎn)業(yè)得到了長足的發(fā)展。1977年，美國能源部成立了太陽能研究所，并于1991年被指定為國家可再生能源實驗室。

瑞士Michael Gr?tzel教授關(guān)于敏化TiO2納米晶體太陽能電池的論文于1991年在《Nature》雜志獲得發(fā)表，其光電轉(zhuǎn)換效率可達7 %，并具有壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、易于制造等優(yōu)點，這為太陽能利用提供了一條新的途徑，在太陽能電池發(fā)展史上具有里程碑式的意義。在過去的60年里，整個太陽能行業(yè)在轉(zhuǎn)換效率、生產(chǎn)成本和總生產(chǎn)能力方面取得了巨大的進步。

21世紀初期，全世界光伏產(chǎn)業(yè)基本保持了30 %～60 %以上的增長速度，2002年全世界光伏電池產(chǎn)量約為560 MW，到2003年已高達750 MW，增長率接近34 %。德國在2004年對可再生能源法進行了修訂，這促成了德國光伏市場的爆發(fā)，并引起了發(fā)達國家間新一輪的政策熱潮和全球光伏市場的更高速膨脹。2004和2005年全世界光伏電池年產(chǎn)量分別達到1256 MW和1818 MW，年增長率分別達到68%和45 %。2006年，美國加利福尼亞州提出了“百萬個太陽能屋頂計劃”，以及在未來10年內(nèi)建設3000 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)的提案，標志著美國光伏政策新紀元的到來。歐洲在2010年后由于歐債危機導致光伏產(chǎn)業(yè)補貼減少，整個行業(yè)發(fā)展放緩。

1.2 國內(nèi)發(fā)展簡史

20世紀50年代末期，我國科學家開始研發(fā)太陽能電池，并成功研制了第一塊硅單晶，這成為我國對光伏技術(shù)研發(fā)和應用的開端。到70年代初期，我國科學家成功地將太陽能電池第一次成功應用在東方紅二號衛(wèi)星。1973年，光伏技術(shù)開始在我國實現(xiàn)地面應用[7]。

20世紀80年代后期，我國開始引進海外的先進設備，實現(xiàn)了大規(guī)模的生產(chǎn)。但在20世紀90年代及以前，我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)與西方發(fā)達國家之間存在著非常大的技術(shù)差距，發(fā)展速度也比較緩慢[8]。在2000年之后，我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)才實現(xiàn)長足進步。此外，在2010年后歐洲光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展放緩期間，我國光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。2013年以來，在國家和地方政策驅(qū)動下，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)爆發(fā)式上漲，截至2019年9月，全國累計光伏裝機容量達到190.19 GW[9]。

2 太陽能光伏發(fā)電的特點

2.1 發(fā)電過程簡單

太陽能光伏發(fā)電過程簡單，它不涉及機械轉(zhuǎn)動部件。光伏發(fā)電系統(tǒng)僅由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三部分組成，其主要構(gòu)成均為電子元器件，加之自動化控制技術(shù)的廣泛應用，基本上可實現(xiàn)無人值守、操作簡單、運行穩(wěn)定、維護成本低。

2.2 太陽能資源豐富，光伏發(fā)電電能供應穩(wěn)定

太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總能量的22 億分之一，太陽能資源取之不盡、用之不竭，且方便易得，可就近進行供電輸電，避免了遠距離輸送造成的電能損耗，同時光伏發(fā)電能量轉(zhuǎn)換過程簡單，可直接由光能轉(zhuǎn)換為電能，提高供電效率。

2.3 使用范圍廣，安裝靈活

只要有太陽，就會有太陽能，就可利用太陽能進行發(fā)電。光伏發(fā)電過程不需要冷卻水，可安裝在沒有水的極端地理環(huán)境中，如沙漠、戈壁。更為重要的是，光伏發(fā)電系統(tǒng)還可以靈活地與建筑物相結(jié)合，不需要額外占用土地，可節(jié)省寶貴的土地資源。

2.4 電池使用壽命長

太陽能電池壽命長，可以一次投資長期使用。太陽能電池規(guī)模靈活，大到百萬千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽能電池組[10]。

2.5 清潔無污染

相比傳統(tǒng)的化石能源燃燒發(fā)電技術(shù)可能會因燃燒不充分導致溫室效應或酸雨，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)不會對生態(tài)環(huán)境造成任何污染和破壞，也不存在能源過度開采和利用所導致的不可逆后果。

3 太陽能光伏發(fā)電應用的形式

3.1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)又稱離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，是與并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)相對而言的，它不依賴電網(wǎng)而獨立運行，可以在白天集中發(fā)電，直流和交流光伏發(fā)電系統(tǒng)是其主要的兩種形式。直流供電系統(tǒng)的工作原理是：電能經(jīng)控制器調(diào)節(jié)、控制后，輸送給直流負載，剩余部分由蓄電池儲存。交流供電系統(tǒng)的工作原理是：電能經(jīng)控制器調(diào)節(jié)、控制后，要經(jīng)過逆變器送給交流負載，剩余部分由蓄電池儲存，其相比直流供電系統(tǒng)多了一個部件：逆變器。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)受天氣變化影響大，穩(wěn)定性較差，多用于遠離公共電網(wǎng)的無電地區(qū)。

3.2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相連接，共同承擔供電任務，其能源替換和供電效率遠高于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，同時具有污染少、噪音小、能耗控制度高、環(huán)保效果可觀、安全性高等優(yōu)點。因此，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)成為電力工業(yè)組成部分的重要方向，也是當今世界太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流趨勢。

當光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑物相結(jié)合應用時，通常采用并網(wǎng)發(fā)電的方式，形成建筑一體化模式。光伏方陣與建筑相結(jié)合或集成是該模式主要的兩種形式。其中，光伏方陣與建筑相結(jié)合的形式有屋頂光伏方陣、墻面光伏方陣等；光伏方陣與建筑集成，主要形式有光電屋頂、光電遮陽板、光電幕墻等[11]。光伏建筑一體化的優(yōu)點是：在有光照的條件下，所發(fā)出的電能不僅可以供給建筑物內(nèi)負載使用，還可以將剩余電能還給電網(wǎng)。相對于獨立太陽能光伏系統(tǒng)，不再需要蓄電池，而是直接以電網(wǎng)作為儲存裝置，可減少35%～45%的建設投資，這明顯降低了發(fā)電成本。同時還增加了供電的可靠性。具有電網(wǎng)調(diào)峰的功能，可使電網(wǎng)末端電壓更加穩(wěn)定，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，消除電網(wǎng)雜波效果明顯。可以隨時向電網(wǎng)存取電能，靈活度高，利于調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的負荷平衡，減少線路損耗。

3.3 混合光伏發(fā)電系統(tǒng)

混合光伏發(fā)電系統(tǒng)中的“混合”是指將太陽能和非太陽能能源的發(fā)電系統(tǒng)同時使用，并發(fā)揮各自的優(yōu)勢，如光伏發(fā)電系統(tǒng)與生物質(zhì)能發(fā)電系統(tǒng)、與風力發(fā)電系統(tǒng)或與地熱發(fā)電系統(tǒng)等組合，以保證電力的持續(xù)供應。光伏發(fā)電系統(tǒng)雖有使用壽命長、維護成本低的優(yōu)點，但受氣候條件的影響程度太高，在冬天風力較大且日照較差的地區(qū)，光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。在此環(huán)境下，若采用光伏發(fā)電系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)混合發(fā)電，就可實現(xiàn)有效控制負載缺電率，而不過多依賴于天氣[12]?；旌瞎夥l(fā)電系統(tǒng)可采用并網(wǎng)或獨立的形式。

4 影響光伏發(fā)電的主要因素

國際能源署（IEA）發(fā)布的2021年全球光伏報告顯示，2021年全球光伏市場再次強勢增長，2021年裝機175 GW+，累計裝機容量達942 GW+，光伏發(fā)電容量前三的國家分別是中國、美國和日本。各種環(huán)境、社會、經(jīng)濟、政府因素都會影響太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力。但光伏發(fā)電最主要的影響因素是太陽輻射、風速、降水和空氣溫度等。

4.1 太陽輻射

影響光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的主要因素之一是太陽輻射變化。太陽輻射，是指太陽以電磁波的形式向外傳遞能量，太陽輻射所傳遞的能量，稱為太陽輻射能。據(jù)統(tǒng)計，在平均日地距離上，地球大氣層上界垂直于太陽輻射的單位面積上所接受的太陽輻射量約為1368 W/m2。太陽輻射經(jīng)過太陽能電池板轉(zhuǎn)化為電能，因此太陽輻射的變化將直接影響太陽能發(fā)電。

大氣中的氣溶膠含量是影響太陽輻射變化的主要因素[13]。大氣氣溶膠是懸浮在大氣中的固體和液體顆粒，如硫酸鹽、硝酸鹽、銨、海鹽和礦物粉塵等。當這些粒子聚集成更大的粒子時，它們會散射或吸收光。與導致大氣變暖的溫室氣體不同，氣溶膠通過散射或吸收入射的太陽輻射使大氣變冷。這樣減少了入射的太陽輻射，同時減少了到達太陽能組件的太陽能，從而降低了太陽能電池的輸出功率，進而影響了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。

4.2 風速

風速的變化可能會影響太陽能電池附近的溫度，從而影響電池的功率和光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率。隨著風速的增加，由于對流冷卻，太陽能電池表面附近的溫度會降低。風速的增加可能會使太陽能電池冷卻，從而提高電池的效率和發(fā)電量[14]。Goverde等研究發(fā)現(xiàn)，當組件處于輻射強度為1000 W/m2的環(huán)境下，環(huán)境風速從3 m/s提高至5 m/s時，組件表面溫度將降低5 ℃[15]。

此外，風速增加有利于緩解空氣污染等原因造成的顆粒沉降現(xiàn)象，并減少光伏組件表面積灰量，這也有利于提高光伏發(fā)電效率。

4.3 降水

對光伏發(fā)電系統(tǒng)有影響的另一個因素是降水。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，隨著降水量的增加，日照時間會大幅度地減少，日照時間嚴格取決于天空是否晴朗。照射時間減少，太陽能電池所收集的能量也隨之減少[16]。

同時，降水也與云層直接相關(guān)，云層會抑制太陽輻射到達地球表面。云量越大，太陽能電池功率越小。此外，氣溶膠也會促進云的形成和增加云的反照率，被稱為間接效應。

值得注意的是，降水具有清潔光伏組件表面灰塵的作用，使透光率增加，光電轉(zhuǎn)換效率增加，這提高了光伏組件的輸出性能。因此，從這個方面看，降水有利于提高光伏發(fā)電的效率[17]。

4.4 空氣溫度

空氣溫度的升高會影響太陽能電池的效率。由于功率與效率直接相關(guān)，而溫度增加時，電池的最大輸出功率會降低。光伏組件一般有3個溫度系數(shù)：峰值功率、開路電壓和短路電流[18]。當溫度升高時，光伏組件的輸出功率會下降。實驗表明，溫度每升高1 ℃，理論上光伏電池的功率將降低約0.4%。

此外，溫度升高還會對光伏發(fā)電系統(tǒng)組件的使用壽命產(chǎn)生影響。如逆變器溫度過高元器件性能將會下降，進而影響逆變器的整機壽命；溫度過高產(chǎn)生熱斑效應[19]，影響光伏組件的壽命，長時間工作會造成組件失效等。

我國大部分地區(qū)由于氣候環(huán)境影響，會出現(xiàn)常見的2 %～3 %的溫度損失，在熱帶地區(qū)高溫情況下造成的損失將達到以上三倍左右，這樣就直接導致了電站的發(fā)電量降低。

5 總結(jié)和展望

大力發(fā)展可再生能源已成為全球能源革命和應對氣候變化的主導方向。我國在“十三五”期間光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)不斷突破行業(yè)天花板，完善產(chǎn)業(yè)鏈，創(chuàng)新技術(shù)，截至2020年10月底，我國光伏發(fā)電裝機容量達到了2.28 億千瓦。結(jié)合碳達峰、碳中和形勢下光伏發(fā)電行業(yè)技術(shù)發(fā)展需求，“十四五”期間，我國光伏發(fā)電技術(shù)有望延續(xù)“十三五”快速發(fā)展的勢頭，在高效低成本光伏電池技術(shù)、光伏發(fā)電并網(wǎng)性能、光伏組件回收處理與再利用技術(shù)等方面取得新的突破。