淺談太陽(yáng)能發(fā)電

陶文彪，萬(wàn) 利

四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065

進(jìn)入21世紀(jì)，全球經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，能源消耗也達(dá)到了前所未有的程度。隨著化石燃料的大量開(kāi)采消耗，能源日益枯竭，全球溫室效應(yīng)逐年加劇，生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，人類的生存與發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)。根據(jù)已探明的儲(chǔ)量分析，全球石油可開(kāi)采約45年，天然氣約61年，煤炭約230年。也就是說(shuō)，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年形成的化石能源將在未來(lái)的200年～300年內(nèi)消耗殆盡。那么，300年后我們的子孫后代怎么生存？巨大的能源缺口需要怎樣填補(bǔ)？這些已經(jīng)成為人們必須深思的問(wèn)題。解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵在于尋求一種可再生的新型能源替代化石能源。目前，地球上可以利用的可再生能源有風(fēng)力，潮汐，水利，太陽(yáng)照射等等，而其中太陽(yáng)能取之不盡用之不竭，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染，是公認(rèn)的可取代化石能源的最理想能源之一。

1 太陽(yáng)能資源

太陽(yáng)是一個(gè)巨大的能量源，它的內(nèi)部不斷地進(jìn)行熱核反應(yīng)，向外部釋放巨大的能量。地球表面接收到的太陽(yáng)輻射能大約為17×1 012kW，這些能量相當(dāng)于全球一年內(nèi)消耗總能量的3.5萬(wàn)倍。假如到達(dá)地球表面太陽(yáng)能的0.1%按5%的轉(zhuǎn)變率轉(zhuǎn)化為電能，每年的發(fā)電量可以達(dá)到5.6×1 012kW·h，相當(dāng)于目前世界上能耗的40倍，由此可見(jiàn)太陽(yáng)能利用的巨大潛力。

就我國(guó)而言，全國(guó)年日照大于2 200h的地區(qū)超過(guò)2/3，年輻射量約為5 900MJ/m2，是世界上太陽(yáng)能最豐富的地區(qū)之一。特別是西部地區(qū)如青藏高原、內(nèi)蒙古、陜西、青海等地太陽(yáng)能資源尤為豐富，年日照時(shí)間可以達(dá)到3 000h以上。除四川盆地及其毗鄰地區(qū)之外的全國(guó)絕大部分地區(qū)太陽(yáng)能資源均相當(dāng)于或超過(guò)國(guó)外其他同緯度地區(qū)。因此，我國(guó)非常適合太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)與利用。

2 太陽(yáng)能發(fā)電基本原理

太陽(yáng)能發(fā)電主要有太陽(yáng)能光發(fā)電和太陽(yáng)能熱發(fā)電兩種形式，太陽(yáng)能光發(fā)電可又分為光伏發(fā)電，光化學(xué)發(fā)電，光感應(yīng)發(fā)電以及光生物發(fā)電，其中光伏發(fā)電是應(yīng)用最廣、能量轉(zhuǎn)換效率較高的一種太陽(yáng)能發(fā)電形式。下面主要介紹光伏發(fā)電。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是指利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)能電池是根據(jù)光生伏打效應(yīng)設(shè)計(jì)的一種具有光電轉(zhuǎn)換特性的半導(dǎo)體器件。光生伏打效應(yīng)是指物體由于吸收光子而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。當(dāng)太陽(yáng)光照射到電池上時(shí)，電池吸收光能，產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì)。在電池內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生電子與空穴分離，電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷積累，產(chǎn)生光生電壓，此時(shí)在內(nèi)建電場(chǎng)兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，負(fù)載就會(huì)有光生電流流過(guò)，從而獲得功率輸出。這樣，太陽(yáng)的光能就被轉(zhuǎn)化成了可以付諸實(shí)施的電能。

3 光伏建筑一體化

光伏建筑一體化是指將光伏組件安裝在建筑物的屋頂以及陽(yáng)臺(tái)上，或者將光伏組件與建筑材料融為一體，即光伏組建直接作為建筑材料使用，然后通過(guò)其逆變控制器輸出端與公共電網(wǎng)并聯(lián)，共同向建筑供電，也可以做成離網(wǎng)系統(tǒng)，與蓄電池相結(jié)合，完全由光伏系統(tǒng)向建筑供電。光伏建筑一體化有著其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，比如節(jié)約土地，避免電能的長(zhǎng)距離傳輸，夏季對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰等等。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球建筑物消耗的能量大約占總能耗的一半以上。而我國(guó)每年建成的住房面積達(dá)16億m2～20億m2，約占世界年總建筑面積的一半。到2010年底，房屋建筑總面積已經(jīng)超過(guò)500億m2，其中城市170多億m2，屋頂面積約為17億m2。預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)房屋建筑總面積約為680億m2，其中城市約為260億m2。而當(dāng)中既有的近400億的建筑中99%以上為高耗能建筑，新建的建筑大部分也超過(guò)了發(fā)達(dá)國(guó)家的能耗水平。屆時(shí)我國(guó)的電力供應(yīng)將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。而如果新建建筑采用光伏建筑一體化設(shè)計(jì)，或?qū)εf的建筑進(jìn)行改造，建筑本身就轉(zhuǎn)化為一個(gè)個(gè)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換工廠，源源不斷的向外輸送能量，將大大緩解我國(guó)電力供應(yīng)緊張的壓力。

雖然現(xiàn)在光伏電池成本還比較高，能量轉(zhuǎn)化率偏低，但我相信隨著科技的進(jìn)步以及制造工藝的不斷改進(jìn)，光伏電池必將得到廣泛應(yīng)用，光伏建筑一體化也將成為建筑的主流?？梢韵胂?，當(dāng)一座城市建筑的屋頂全部安裝太陽(yáng)能電池，那將會(huì)是多么壯觀的場(chǎng)景——城市不再僅僅是能源消耗的場(chǎng)所，而是一片生產(chǎn)能量哺育人類的森林。

4 前景展望

目前太陽(yáng)能電池的成本高是影響其大規(guī)模應(yīng)運(yùn)的主要障礙，因此，通過(guò)設(shè)計(jì)新的電池結(jié)構(gòu)，提高電池的轉(zhuǎn)換效率以及改進(jìn)現(xiàn)有的制造工藝降低制造成本是太陽(yáng)能電池發(fā)展的主要方向。例如薄膜太陽(yáng)能電池，它由沉積在玻璃、不銹鋼、塑料、陶瓷襯底或薄膜上的幾微米或幾十微米厚的半導(dǎo)體膜構(gòu)成。由于其半導(dǎo)體層很薄，可大為節(jié)省電池材料，降低成本，因而是最有前景的新型太陽(yáng)能電池，它的開(kāi)發(fā)與研究已經(jīng)成為當(dāng)今太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同的地方有不同的應(yīng)運(yùn)形式：在發(fā)展較好的地方，發(fā)展太陽(yáng)能光伏建筑；在人口密度小的荒漠地區(qū)，可以建立大型的光伏電站；在比較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，可以建立光伏微電網(wǎng)。隨著智能電網(wǎng)以及分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展與完善，太陽(yáng)能發(fā)電必將走進(jìn)千家萬(wàn)戶，給家庭以及社會(huì)帶來(lái)巨大的效益。我相信在常規(guī)化石能源的日益消耗，國(guó)際能源價(jià)格不斷飆升，以及人們環(huán)保觀念的逐漸增強(qiáng)的大背景下，大力開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能等可再生能源，逐步改變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，走可持續(xù)發(fā)展之路，必將成為世界能源發(fā)展的主流。太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為新能源開(kāi)發(fā)中的主力軍，潛力巨大，發(fā)展前景廣闊。

[1]沈輝，曾祖勤主編.太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005，8.

[2]楊金煥，于化叢，葛亮.太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)運(yùn)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009，1.

[3]王立喬，孫孝峰主編.分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010，8.

[4]王長(zhǎng)貴，王斯成主編.太陽(yáng)能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005，6.

[5]北京市建筑設(shè)計(jì)研究院 李宏毅，金磊.建筑工程太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，8.

[6]黃漢云.太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009，1.

[7]殷桂梁，楊麗君，王珺.分布式發(fā)電技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008，9.