光伏发电的研究
摘要：中国有很多光资源丰富的地区。新疆是光资源丰富的地区之一，所以光伏发电的研究有着重大的意义。本论文基于国内外光伏发电技术的现状对光伏产业、关键技术及新疆光伏发电产业的前景进行研究。提出国家光伏发电所面临的问题及解决的一些建议。
光伏发电
关键词：光伏发电、太阳能、伏特效应
正文内容：
1太阳能光伏产业
1.1 光伏发电的基本概念
物质吸收光能产生电动势的现象，称为光生伏特效应。这种现象在液体和固体物质中都会发生，但是效率却大小不一，其中半导体 P-N 结器件在太阳光照射下的光电转换效率较高。而利用光生伏特效应原理制成的晶体硅太阳能电池，可将太阳的光能直接转换成为电能，称为光 - 电转换，即太阳能光伏发电。太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池，
又称光伏电池，是太阳能光伏发电系统的基础和核心器件。当太阳光(或其他光)照射到太阳能电池上时，太阳能电池吸收光能，产生光生电子 - 空穴对。在电池内建电场作用下，光生电子和空穴分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。[1]若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有了“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以使用的电能。光伏发电系统分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。太阳能光伏发电系统主要包括：太阳能电池方列、阻塞二极管、储能蓄电池组、调节控制器、逆变器、用电负载等。其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，阻塞二极管、控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。
1.2 辅料链
辅料链在太阳能光伏产业中所占的比重很大。由于太阳能光伏产品涉及的辅料数量和品种较多，因此，以硅片为界，分为硅片前和硅片后两个部分。
硅片前辅料主要是提纯和生产多晶硅、单晶硅所用的辅料。包括：氯产品、氢气以及氢氯化所用的气体 、氮化硅粉、惰性气体、其他反应气体、石英坩埚、铸锭炉、炭毡、温度传感器件等。
硅片后辅料包括切割线、切削液、金刚砂微粉、各类碱、酸和纯净水、三氯氧磷气体、硅烷气体、银浆、铝浆等。
1.3装备链
从产值上看，太阳能光伏产业价值最大、最先启动的市场，并不是光伏电池和组件，而是装备市场。同样以硅片为界，分为硅片前和硅片后两个部分。
硅片前装备包括矿热炉、除尘设备、变压器、破碎及硅石清洗设备、精炼炉、中频感应炉等。
硅片后设备包括生产太阳能电池片的整套设备、光伏发电设备、 储能系统等。
1.4光伏发电系统
伏发电系统是由光伏电池板、控制器和电能储存及变换环节构成的发电与电能变换系统。太阳光辐射能量经由光伏电池板直接转换为电能，并通过电缆、控制器、储能等环节予以储存和转换，提供负载使用。图1- 2 是一个典型光伏发电系统的构成图。
图1-2 光伏发电系统构成图
光伏发电系统按与电力系统关系分类，通常分为独立光伏发电系统（Stand-Alone PV System）和并网光伏发电系统（Grid-Connected PV System）。
独立光伏发电系统是不与常规电力系统相连而孤立运行的发电系统，通常建设在远离电网的边远地区或作为野外移动式便携电源，其建设的主要目的是解决无电问题。由于太阳能
发电的特点是白天发电，而负荷用电特性往往是全天候的，因此在独立光伏发电系统中储能元件必不可少。一般而言，系统在白天把太阳光转化为电能，通过充电器和蓄电池将电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能释放出来适当使用。尽管其供电可靠性受气象环境、负荷等因素影响很大，供电稳定性也相对较差，但对地处边远地区的居民而言，他们往往没有条件连接入公共电网，用电设备也多为低功率级别，独立光伏发电系统因而成为当地安全、可靠的电力供给方式。
1.5 光伏发电的关键技术
1.5.1 光电转换效率
太阳电池的转换效率是电池电功率和入射光功率的比值。由于材料只能最大限度地吸收一定波长的太阳光辐射，而太阳光谱却是一个宽的连续谱，以及在室温下必然存在晶格热振动等散射机制，太阳电池的最高效率不可能达到 100%。
1.5.2 电能的控制
太阳光是一种清洁、无污染的能源，但同时和气候、温度、环境的变化息息相关，所以利
用太阳光发电其输出功率具有一定的随机性，从而控制器对整个系统的工作就不言而喻了。由于光伏发电系统通常以孤立光伏发电系统和并网光伏发电系统两种方式应用于实际，所以其控制器亦存在差别。常用的控制器一般包括最大功率跟踪控制、蓄电池充放电控制、光伏流输电用升降压变换器、交流逆变器等。
1.6 发展太阳能光伏产业的意义
能源是人类社会发展的“粮食”，但地球上的煤炭、石油、天然气等化石能源是有限的，难以维系未来人类的生存和发展。太阳能是未来最清洁、安全、可靠的能源，发达国家正在把太阳能的开发利用新能源革命的主要内容长期规划。太阳能产业正日益成为国际上继IT、微电子产业之后又一爆炸式发展的产业。与水电、风电、核电相比，太阳能发电没有任何排放和噪声，应用技术成熟，安全可靠。除大规模发电和离网应用外，太阳能还可以通过抽水、超导、蓄电池、制氢等多种方式储存，“太阳能、蓄能”可以满足未来中国的能源需求。
1.7光伏产业的发展趋势
1.7.1 世界光伏产业的未来
目前世界太阳电池生产量仍旧是日本第一，推广应用太阳能光伏发电系统却是德国领先。日本新能源和工业技术发展组织(NEDO) 在 2004 年 6 月发表的“面向2030年光伏路线图的概述” 中提出： 到2030 年累计安装太阳电池组件容量要达到1000GW，届时日本所有住宅所消费的电力中将有 5 0 % 由太阳能光伏发电提供，大约占全部电力供应的 10%。2002 年 5 月欧洲光伏工业协会发表的报告“工业需要及路线图”预计：2010 年前太阳能发电市场平均年增长率为27%，2010年～2020年间增长率为34%，2020年～2040年间增长率为15%。在2010年太阳能发电提供的电力将占总发电量的 1%，到 2040 年将占总发电量的 26%。到 2020 年，太阳电池组件的年产量将达到 54GW，销售额为 750 亿美元，发电量为 276TW·h，将为 10 亿人口提供电力。太阳能发电产业从业人员将达到 230 万人。
表1-1 欧洲、日本、美国制定的光伏发展计划（单位：GW）
2005年
2010年
2020年
2030年
日本
1.5
4.8
30
205
欧洲
2.1
3.0
41
200
美国
1.0
2.1
36
200
世界
5.45
12
125
920
国际光伏应用中并网发电和光伏建筑集成（BIPV）发展迅速，已成为光伏市场的最大份额。它标志着光伏发电由边远地区和特殊应用正在向城市过渡，由补充能源向替代能源过渡，由大型集中电站向分布式供电模式过渡。
1.7.2我国光伏产业的发展前景
据国际能源协会下属光伏电力系统项目研究小组（Photovoltaic Power System Programme）在2006年发布的报告“光伏发电应用技术的趋势”一文中统计：2 0 0 6 年中国光伏发电设备的年销售量为15MW，光伏系统的总装机容量达到 85MW。光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角，预计到2010 年中国的光伏发电累计装机容量将达到600 MW，2020 年累计装机容量将达到 30 GW，2050 年将达到 100 GW。根据电力科学院的预测，到2050 年中国可再生能源发电将占到全国总电力装机的25%，其中光伏发电将占 5%。
目前，我国正在继续培育国内的光伏市场，如开展“送电到村”项目，加大城市屋顶和沙漠并网电站的研发和示范投入等；同时注意人才培养，抓紧技术平台和队伍的建设，积极研发新型电池生产和应用技术，努力降低成本，并从税收、信贷等方面扶植光伏产业。
2 国内外光伏发电技术现状概览
2.1国外光伏发电技术研究热点
光伏电池是太阳能光伏发电系统中基本核心部件，它的大规模应用需要解决两大难题：一是提高光电转换效率；二是降低生产成本。以硅片为基础的第一代光伏电池，其技术虽已经发展成熟，但高昂的材料成本在全部生产成本中占据主导地位，不仅消耗了过多硅材料，而且制作全过程中要消耗很多能源。基于薄膜技术的第二代光伏电池中，很薄的光电材料被铺在非硅材料的衬底上，大大减少了半导体材料的消耗，并且易于形成批量自动化生产，从而大大降低了光伏电池的成本。国际上已经开发出电池效率在15% 以上、组件效率10% 以上和系统效率 8% 以上、使用寿命超过 15 年的薄膜电池工业化生产技术。
光伏发电领域相关的技术标准仍在不断完善的过程中。特别地，对于并网系统，权威的电能质量、孤岛检测以及接地保护标准是厂商和用户都能安全操作测试的重要保障。IEEE P1547标准为光伏并网系统的过流保护、短路保护、电气隔离、通信和控制对整体电网性能的影响提出了一个规范的评估体系。未来十年的研究趋势是构建简单、经济、实用的小规模光伏发电系统网络。目前，一个包括光伏并网发电站在内的多类型发电测试专区已经
在美国的北卡罗来纳州建成。
2.2我国太阳能光伏发电技术发展存在的关键问题
中国科学院电工研究所王志峰博士在《中国太阳能热发电产业政策研究》报告中指出目前我国太阳能光伏发电技术更加广泛，技术含量逐年增加，但是与西方发达国家相比，还存在着一些问题。
第一，太阳能光伏发电技术已经延伸到其他的领域中，很多方面都需要此系统的辅助。太阳能光伏发电是多种学科的综合运用，不存在单一工作的现象。技术发展必须要多个行业、多个部门的综合协调同步发展，需要全国统一计划、统一协调、统一对策，各自出资、工作的现象坚决杜绝。
第二，当今太阳能光伏发电突破了原有的基础，摒弃了所有不成熟的一面。太阳能光伏发电是新兴的高新科技领域，发电技术的发展虽然不是太成熟，但是变化非常快速，或许在某一天就能变得成熟。所以，技术发展政策既需要有远见卓识的前瞻先进性，更需要有深思熟虑的严谨准确性。通过众多的实践证明，技术的发展需要政府的支持，指导行为要有一致性。
第三，太阳能光伏发电的实现过程不能只是依靠产业而行，市场的坚强后盾才能占据有利的主场地位。国内技术系统属于本土的几乎很少，所以国内本土技术的拓展显得尤为重要，才能进一步推动国产化的产业。
第四，太阳能光伏发电技术创新过程中，技术发展的质量保证受到了一定的阻碍。技术之间的协调性在很大的程度上是需要各项目，比如方案、设计、施工、监理、到验收、物管之间的全面协调。从整体上将结构进行整合，填补太阳能光伏发电技术总监的空缺。