太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及應(yīng)用

摘要：我國的光伏產(chǎn)業(yè)近幾年有了很大的提高，各種類型的太陽能電池層出不窮。光伏發(fā)電的技術(shù)也在日益更新，發(fā)展情況良好，前景廣闊，太陽能電池的工作原理原理基本相似，在各行業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛。

關(guān)鍵詞：太陽能電池;光伏發(fā)電;發(fā)展;應(yīng)用

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對能源的需求量也越來越多。但傳統(tǒng)能源如煤炭，石油等不可再生資源儲量有限，能源問題已成為制約國際社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。越來越多的國家開發(fā)太陽能資源，發(fā)展太陽能光伏產(chǎn)業(yè)，尋找求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動力。太陽能是一種十分清潔的能源，在開發(fā)和利用過程中不會產(chǎn)生較大污染，也不會影響生態(tài)平衡。因此，太陽能是一種十分合適的新能源，開發(fā)和利用太陽能對人類發(fā)展有十分重要的意義。現(xiàn)階段，太陽能發(fā)電主要有光熱（光能先轉(zhuǎn)換為熱能，熱能再轉(zhuǎn)換為電能）和光電（太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能）兩種方式。目前，光伏發(fā)電作為一種該新興能源發(fā)展前景良好，國家也大力提倡。

一、中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

1.中國光伏產(chǎn)業(yè)過去的的發(fā)展歷程

從中國對太陽能光伏產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程來看，可以分為四個重要的階段。

1.1初始階段（1984年-2000年）

初始階段是中國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的雛形階段。在“六五”與“七五”規(guī)劃期間，基于光伏產(chǎn)業(yè)的優(yōu)越性，國家開始對光伏產(chǎn)業(yè)以及市場給予強(qiáng)力的支持，各級政府均在光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域投資。在此期間，中國的一些太陽能電池廠開始從國外引進(jìn)技術(shù)先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備。這個階段是中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展萌芽期，總體來說發(fā)展緩慢。

1.2起步階段（2001年-2008年）

在這個階段中國光伏產(chǎn)業(yè)有了平穩(wěn)的發(fā)展。各太陽能公司陸續(xù)建成了數(shù)個生產(chǎn)線。在這期間，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展成本逐漸下降，使得太陽能光伏產(chǎn)品逐漸向工業(yè)領(lǐng)域與民用領(lǐng)域發(fā)展，并且得到了政府的進(jìn)一步支持。國家開始了一系列扶持項目，并且在科技的推動下，光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)一步成熟，集中式光伏發(fā)電開始迅速發(fā)展。

1.3金太陽階段（2009年-2012年）

從2009年開始，中國啟動了“金太陽工程項目”，此階段的光伏發(fā)展發(fā)展以大型光伏電站為主，分布式只是初步發(fā)展。國家的財政補(bǔ)貼力度增大，同時促進(jìn)了大型光伏電站和分布式光伏的迅速發(fā)展。2011年新增分布式裝機(jī)同比增長高達(dá)245.8%，2012年同比增長率達(dá)到了79.7%。

（4）快速發(fā)展階段（2013年-至今）

“十二五”期間中國光伏發(fā)電行業(yè)取得突破性進(jìn)展，2013年中國太陽能電池產(chǎn)量達(dá)到了40GW。2016年11月，國家能源局推出《太陽能發(fā)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，在規(guī)劃中提到了未來五年太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)，即裝機(jī)量要達(dá)到101億千瓦以上[1]。

2.中國光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀

我國是一個幅員遼闊的大國，擁有豐富的太陽能資源，全國各地每年受到的太陽輻射量也不同，以西北地區(qū)和青藏高原最為豐富，有著良好的發(fā)電自然條件。

光伏發(fā)電的發(fā)展較其他綠色能源起步都晚，但發(fā)展速度可觀。據(jù)中電聯(lián)數(shù)據(jù)，2014-2021年期間我國太陽能發(fā)電量總體呈逐年增長態(tài)勢，2021我國太陽能發(fā)電量為3270億千瓦時，相比2020年增長25%。

國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2021年我國新增光伏并網(wǎng)裝機(jī)容量為5488萬千瓦，達(dá)到歷史新高。從新增裝機(jī)布局看，裝機(jī)占比較高的區(qū)域為華北、華東和華中地區(qū)，分別占全國新增裝機(jī)的39%、19%和15%。

總體來看，截至2021年，我國光伏累計裝機(jī)容量達(dá)3.06億千瓦，而這一數(shù)據(jù)在2013年僅為0.19億千瓦，2013-2021年年均復(fù)合增速達(dá)41%。

二、太陽能光伏發(fā)電

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)[2]。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池。太陽能電池，是一種能有效地吸收太陽輻射能，并使之轉(zhuǎn)變成電能的半導(dǎo)體器件，由于他們利用各種勢壘的光生伏特效應(yīng)，所以也稱為光伏電池，其核心是可釋放電子的半導(dǎo)體[3]。

1.太陽能電池的類別

太陽能電池，是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片，又稱為“太陽能芯片”或“光電池”，它只要被滿足一定的光強(qiáng)，瞬間就可輸出電壓和在回路的情況下產(chǎn)生電流。太陽能電池通過以光化學(xué)或光電效應(yīng)把太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，目前，其發(fā)展主要趨勢是以光電效應(yīng)為原理，而以光化學(xué)效應(yīng)為原理的仍在研發(fā)時期。

1.1光電太陽能電池

包括單晶硅、多晶硅太陽能電池;硅基、銅銦鎵硒 （CIGS）、碲化鎘（CdTe）、砷化鎵（GaAs）薄膜太陽能電池等。

1.2光電化學(xué)太陽能電池

包括染鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池、料敏化太陽能電池（DSSC）等[4]。

太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機(jī)太陽能電池等，其中硅太陽能電池是發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。

2.光伏發(fā)電工作原理

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。不論獨(dú)立使用還是并網(wǎng)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件，所以光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護(hù)簡便。太陽能光伏發(fā)電的最基本元件是太陽能電池（片），有單晶硅、多晶硅和非晶硅電池等。單晶和多晶電池用量最大，非晶電池用于一些小系統(tǒng)和計算器輔助電源等。

2.1光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理

太陽光照射在半導(dǎo)體P-N結(jié)上，形成新的電子-空穴對，在電場的作用下，空穴由 N區(qū)流向P區(qū)，電子由P區(qū)流向N區(qū)，接通電路后就形成電流。

2.2太陽能發(fā)電原理

太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光-熱-功轉(zhuǎn)換方式， 另一種是光-電轉(zhuǎn)換方式[5]。

光-熱-功轉(zhuǎn)換方式是通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱系統(tǒng)將所吸收的熱能轉(zhuǎn)化為蒸汽，這是個光-熱轉(zhuǎn)換過程;蒸汽再驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，這個過程是個熱—功轉(zhuǎn)換過程。

光—電直接轉(zhuǎn)換方式。該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能。

三、太陽能光伏電池的應(yīng)用及趨勢

太陽能電池在很多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用：

1.電源

小型電源：用于邊遠(yuǎn)無電地區(qū)生活用電;光伏水泵：解決無電地區(qū)的水飲用、灌溉;太陽能凈水器：解決無電地區(qū)的飲水、水質(zhì)凈化問題。

2.交通

航標(biāo)燈、交通信號燈、交通警示燈等。

3.通信

太陽能微波中繼站、光纜維護(hù)站、通訊電源系統(tǒng)等。

4.建筑

將太陽能發(fā)電與建筑材料結(jié)合，使未來的大型建筑電力自給，是未來發(fā)展方向。

5.其他

電池充電設(shè)備;太陽能制氫加燃料電池的再生發(fā)電系統(tǒng);衛(wèi)星航天器、空間太陽能電站等[5]。

結(jié)合太陽能電池發(fā)展歷程和現(xiàn)狀可知原材料豐富、低成本、穩(wěn)定高效、環(huán)保且壽命長的太陽能光伏電池是未來發(fā)展的趨勢[6]。

參考文獻(xiàn)：

[1]周麗萍.中國光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展戰(zhàn)略探究[J].河北企業(yè)，2018（03）：80-81.

[2]光伏發(fā)電原理[J].電網(wǎng)與清潔能源，2008（11）：19.

[3]趙書利，葉烽，朱剛.太陽能電池技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展[J].船電技術(shù)，2010，30（04）：47-50.DOI：10.13632/j.meee.2010.04.004.

[4]王文雅，白珍.淺談太陽能電池的現(xiàn)狀、原理和運(yùn)維[J].西藏科技，2020（06）：14-16+27.

[5]于雪梅.談太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2013（08）：102-105.

[6]王瑾，溫廷敦，許麗萍，王志斌，樊彩霞.太陽能光伏電池的發(fā)展趨勢及產(chǎn)業(yè)化[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，36（05）：453-457.DOI：10.14182.

作者簡介：

韓加（2000-），男，漢族，陜西三原人，寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院本科在讀，物理學(xué)（應(yīng)用物理）方向。