太陽太陽能發電
 

太陽能的能源是來自地球外部天體的能源(主要是太陽能)，是太陽中的氫原子核在超高溫時聚變釋放的巨大能量，人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。我們生活所需的煤炭、石油、天然氣等化石燃料都是因為各種植物通過光合作用把太陽能轉變成化學能在植物體內貯存下來後，再由埋在地下的動植物經過漫長的地質年代形成。此外，水能、風能、波浪能、海流能等也都是由太陽能轉換來的。

能發電 編輯詞條

太陽能的能源是來自地球外部天體的能源(主要是太陽能)，是太陽中的氫原子核在超高溫時聚變釋放的巨大能量，人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。我們生活所需的煤炭、石油、天然氣等化石燃料都是因為各種植物通過光合作用把太陽能轉變成化學能在植物體內貯存下來後，再由埋在地下的動植物經過漫長的地質年代形成。此外，水能、風能、波浪能、海流能等也都是由太陽能轉換來的。

 
太陽能的能源是來自地球外部天體的能源（主要是太陽能），是太陽中的氫原子核在超高溫時聚變釋放的巨大能量，人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。我們生活所需的煤炭、石油、天然氣等化石燃料都是因為各種植物通過光合作用把太陽能轉變成化學能在植物體內貯存下來後，再由埋在地下的動植物經過漫長的地質年代形成。它們實質上是由古代生物固定下來的太陽能。此外，水能、風能、波浪能、海流能等也都是由太陽能轉換來的。現在在這個領域安徽東維太陽能科技有限公司是發展比較完善的，擁有優秀的研發機構和技術支持。

利用太陽能發電有兩大類型，一類是太陽光發電（亦稱太陽能光發電），另一類是太陽熱發電（亦稱太陽能熱發電）。

太陽能光發電是將太陽能直接轉變成電能的一種發電方式。它包括光伏發電、光化學發電、光感應發電和光生物發電四種形式，在光化學發電中有電化學光伏電池、光電解電池和光催化電池。

太陽能熱發電是先將太陽能轉化為熱能，再將熱能轉化成電能，它有兩種轉化方式。一種是將太陽熱能直接轉化成電能，如半導體或金屬材料的溫差發電，真空器件中的熱電子和熱電離子發電，鹼金屬熱電轉換，以及磁流體發電等。另一種方式是將太陽熱能通過熱機（如汽輪機）帶動發電機發電，與常規熱力發電類似，只不過是其熱能不是來自燃料，而是來自太陽能。

發展背景

現有能源

火電的缺點隨著經濟的發展、社會的進步，人們對能源提出越來越高的要求，尋找新能源成為當前人類面臨的迫切課題。現有電力能源的來源主要有3種，即火電、水電和核電。

火電需要燃燒煤、石油等化石燃料。一方面化石燃料蘊藏量有限、越燒越少，正面臨著枯竭的危險。據估計，全世界石油資源再有30年便將枯竭。另一方面燃燒將排出二氧化碳和硫的氧化物，因此會導致溫室效應和酸雨，惡化地球環境。

水電的缺點
水電要淹沒大量土地，有可能導致生態環境破壞，而且大型水庫一旦塌崩，後果將不堪設想。另外，一個國家的水力資源也是有限的，而且還要受季節的影響。

核電的缺點
核電在正常情況下固然是乾淨的，但萬一發生核洩漏，後果同樣是可怕的。前蘇聯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，而且這一影響並未終止。

新能源的條件
新能源要同時符合兩個條件：一是蘊藏豐富不會枯竭；二是安全、乾淨，不會威脅人類和破壞環境。目前找到的新能源主要有兩種，一是太陽能，二是燃料電池。另外，風力發電也可算是輔助性的新能源。其中，最理想的新能源是太陽能。

最理想的新能源
照射在地球上的太陽能非常巨大，大約40分鐘照射在地球上的太陽能，足以供全球人類一年能量的消費。可以說，太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源。而且太陽能發電絕對乾淨，不產生公害。所以太陽能發電被譽為是理想的能源。

從太陽能獲得電力，需通過太陽電池進行光電變換來實現。它同以往其他電源發電原理完全不同，具有以下特點：①無枯竭危險；②絕對乾淨（無公害）；③不受資源分佈地域的限制；④可在用電處就近發電；⑤能源質量高； ⑥使用者從感情上容易接受；⑦獲取能源花費的時間短。不足之處是：①照射的能量分佈密度小，即要佔用巨大面積；②獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關。但總的說來，瑕不掩瑜，作為新能源，太陽能具有極大優點，因此受到世界各國的重視。

要使太陽能發電真正達到實用水平，一是要提高太陽能光電變換效率並降低其成本，二是要實現太陽能發電同現在的電網聯網。

目前，太陽能電池主要有單晶矽、多晶矽、非晶態矽三種。單晶矽太陽電池變換效率最高，已達20%以上，但價格也最貴。非晶態矽太陽電池變換效率最低，但價格最便宜，今後最有希望用於一般發電的將是這種電池。一旦它的大面積組件光電變換效率達到10%，每瓦發電設備價格降到1－2美元時，便足以同現在的發電方式競爭。估計本世紀末便可達到這一水平。

當然，特殊用途和實驗室中用的太陽電池效率要高得多，如美國波音公司開發的由砷化鎵半導體同銻化鎵半導體重疊而成的太陽電池，光電變換效率可達36%，快趕上了燃煤發電的效率。但由於它太貴，目前只能限於在衛星上使用。

工作原理
太陽能發電是利用電池組件將太陽能直接轉變為電能的裝置。太陽能電池組件（Solar cells）是利用半導體材料的電子學特性實現PV轉換的固體裝置，在廣大的無電力網地區，該裝置可以方便地實現為用戶照明及生活供電，一些發達國家還可與區域電網並網實現互補。目前從民用的角度，在國外技術研究趨於成熟且初具產業化的是"光伏--建築（照明）一體化"技術，而國內主要研究生產適用於無電地區家庭照明用的小型太陽能發電系統。

1　太陽能發電原理
太陽能發電系統主要包括：太陽能電池組件（陣列）、控制器、蓄電池、逆變器、用戶即照明負載等組成。其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統，控制器和逆變器為控制保護系統，負載為系統終端。

1.1　太陽能電源系統
太陽能電池與蓄電池組成系統的電源單元，因此蓄電池性能直接影響著系統工作特性。

⑴　電池單元
由於技術和材料原因，單一電池的發電量是十分有限的，實用中的太陽能電池是單一電池經串、並聯組成的電池系統，稱為電池組件（陣列）。單一電池是一隻矽晶體二極管，根據半導體材料的電子學特性，當太陽光照射到由P型和N型兩種不同導電類型的同質半導體材料構成的PN結上時，在一定的條件下，太陽能輻射被半導體材料吸收，在導帶和價帶中產生非平衡載流子即電子和空穴。同於PN結勢壘區存在著較強的內建靜電場，因而能在光照下形成電流密度J，短路電流Isc，開路電壓Uoc。若在內建電場的兩側面引出電極並接上負載，理論上講由PN結、連接電路和負載形成的迴路，就有"光生電流"流過，太陽能電池組件就實現了對負載的功率P輸出。

理論研究表明，太陽能電池組件的峰值功率Pk，由當地的太陽平均輻射強度與末端的用電負荷（需電量）決定。

⑵　電能儲存單元
太陽能電池產生的直流電先進入蓄電池儲存，蓄電池的特性影響著系統的工作效率和特性。蓄電池技術是十分成熟的，但其容量要受到末端需電量，日照時間（發電時間）的影響。因此蓄電池瓦時容量和安時容量由預定的連續無日照時間決定。

1.2　控制器
控制器的主要功能是使太陽能發電系統始終處於發電的最大功率點附近，以獲得最高效率。而充電控制通常採用脈衝寬度調製技術即PWM控制方式，使整個系統始終運行於最大功率點Pm附近區域。放電控制主要是指當電池缺電、系統故障，如電池開路或接反時切斷開關。目前日立公司研製出了既能跟踪調控點Pm，又能跟踪太陽移動參數的"向日葵"式控制器，將固定電池組件的效率提高了50%左右。

1.3　DC-AC逆變器
逆變器按激勵方式，可分為自激式振盪逆變和他激式振盪逆變。主要功能是將蓄電池的直流

電逆變成交流電。通過全橋電路，一般採用SPWM處理器經過調製、濾波、升壓等，得到與照

明負載頻率f，額定電壓UN等匹配的正弦交流電供系統終端用戶使用。

1.4 發電系統反充二極管

太陽能光伏發電系統的防反充二極管又稱阻塞二極管，在太陽電池組件中其作用是避免由於太陽電池方陣在陰雨和夜晚不發電或出現短路故障時，擂電池組通過太陽電池方陣放電。防反充二極管串聯在太陽電池方陣電路中，起單嚮導通作用。因此它必須保證迴路中有最大電流，而且要承受最大反向電壓的衝擊。一般可選用合適的整流二極管作為防反充二極管。一塊板的話可以不用任何二極管，因為控制器本來就可防反沖。板子串聯的話，需要安裝旁路二極管，如果是並聯的話就要裝個防反沖二極管，防止板子直接衝電。防反充二極管只是保護作用，不會影響發電效果。

2　效率
在太陽能發電系統中，系統的總效率ηese由電池組件的PV轉換率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負載的效率等組成。但相對於太陽能電池技術來講，要比控制器、逆變器及照明負載等其它單元的技術及生產水平要成熟得多，而且目前系統的轉換率只有17%左右。因此提高電池組件的轉換率，降低單位功率造價是太陽能發電產業化的重點和難點。太陽能電池問世以來，晶體矽作為主角材料保持著統治地位。目前對矽電池轉換率的研究，主要圍繞著加大吸能面，如雙面電池，減小反射；運用吸雜技術減小半導體材料的複合；電池超薄型化；改進理論，建立新模型；聚光電池等。幾種太陽能電池的轉換效率見表1。

表1　轉換效率
實驗室典型電池 商品薄膜電池

各種太陽能電池ηmax(%) 各種太陽能電池η（%)

單晶矽 24.4 多晶矽 16.6

多晶矽 18.6 銅銦鎵硒 18.8

GaAs（單結） 25.7 碲化鎘 16.0

a-si（單結） 13 銅銦硒 14.1

充分利用太陽能是綠色照明的重要內容之一。而真正意義上的綠色照明至少還包括：照明系統的高效率，高穩定性，高效節能的綠色光源等。

3一體化設計
目前成功地把太陽能組件和建築構件加以整合，如太陽能屋面（頂）、牆壁及門窗等，實現了"光伏--建築照明一體化（BIPV)"。 1997年6月，美國宣布了以總統命名的"太陽能百萬屋頂計劃"，在2010年以前為100萬座住宅實施太陽能發電系統。日本"新陽光計劃"已在2000年以前將光伏建築組件裝機成本降到170～210日元/W，太陽能電池年產量達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，生產中不排放CO2。工廠的南牆面為約10m高的PV陣列玻璃幕牆，包括屋頂PV組件，整個工廠建築裝有575m2的太陽能電池組件，僅此可為該建築提供三分之一以上的電能，其牆面和屋頂PV組件造型、色彩、建築風格與建築物的結合，與周圍的自然環境的整合達到了十分完美的協調。該建築另有約45kW容量，由以自然狀態的菜子油作燃料的熱電廠提供，經設計燃燒菜子油時產生的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還注重建築裝飾藝術方面的研究，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幕牆。印度西孟加拉邦為一無電島117家村民安裝了12.5kW的BIPV。國內常州天合鋁板幕牆製造有限公司研製成功一種"太陽房"，把發電、節能、環保、增值融於一房，成功地把光電技術與建築技術結合起來，稱為太陽能建築系統（SPBS） ，SPBS已於2000年9月20日通過專家論證。近日在上海浦東建成了國內首座太陽能--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築節能產業化與市場化的進程。

4　綠色照明光源研究
綠色照明系統優化設計，要求低能耗下獲得高的光效輸出，並延長燈的使用壽命。因此DC-AC逆變器設計，應獲得合理的燈絲預熱時間和激勵燈管的電壓和電流波形。目前處在研究開發中的太陽能照明光源激勵方式有四種典型電路：①自激推挽振盪電路，通過燈絲串聯啟輝器預熱啟動。該光源系統的主要參數是：輸入電壓DC=12V，輸出光效>495Lm/支，燈管額定效率9W，有效壽命3200h，連續開啟次數>1000次。 ②自激推挽振盪（​​簡單式）電路，該光源系統的主要參數是：輸入電壓DC=12V，燈管功率9W，輸出光效315Lm/支，連續啟動次數>1500次。 ③自激單管振盪電路，燈絲串聯繼電器預熱啟動方式。 ④自激單管振盪(簡單式）電路等方式的高效節能綠色光源。

5　結束語
綠色能源和可持續發展問題是本世紀人類面臨的重大課題，開發新能源，對現有能源的充分合理利用已經得到各國政府的極大重視。太陽能發電作為一種取之不盡，用之不竭的清潔環保能源將得到前所未有的發展。隨著太陽能產業化進程和技術開發的深化，它的效率、性價比將得到提高，它在包括BIPV在內的各個領域都將得到廣泛的應用，也將極大地推動中國"綠色照明工程"的快速發展。

應用範圍
太陽能發電雖受晝夜、晴雨、季節的影響，但可以分散地進行，所以它適於各家各戶分別進行發電，而且要聯接到供電網絡上，使得各個家庭在電力富裕時可將其賣給電力公司，不足時又可從電力公司買入。實現這一點的技術不難解決，關鍵在於要有相應的法律保障。現在美國、日本等發達國家都已製定了相應法律，保證進行太陽能發電的家庭利益，鼓勵家庭進行太陽能發電。

日本已於1992年4月實現了太陽能發電系統同電力公司電網的聯網，已有一些家庭開始安裝太陽能發電設備。日本通產省從1994年開始以個人住宅為對象，實行對購買太陽能發電設備的費用補助三分之二的製度。要求第一年有1000戶家庭、2000年時有7萬戶家庭裝上太陽能發電設備。

據日本有關部門估計日本2100萬戶個人住宅中如果有80%裝上太陽能發電設備，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行太陽能發電，則太陽能發電將佔全國電力的30%－40%。當前阻礙太陽能發電普及的最主要因素是費用昂貴。為了滿足一般家庭電力需要的3千瓦發電系統，需600萬至700萬日元，還未包括安裝的工錢。有關專家認為，至少要降到100萬到200萬日元時，太陽能發電才能夠真正普及。降低費用的關鍵在於太陽電池提高變換效率和降低成本。

不久前，美國德州儀器公司和SCE公司宣布，它們開發出一種新的太陽電池，每一單元是直徑不到1毫米的小珠，它們密密麻麻規則地分佈在柔軟的鋁箔上，就像許多蠶卵緊貼在紙上一樣。在大約50平方厘米​​的面積上便分佈有1，700個這樣的單元。這種新電池的特點是，雖然變換效率只有8%—10%，但價格便宜。而且鋁箔底襯柔軟結實，可以像布帛一樣隨意折疊且經久耐用，掛在向陽處便可發電，非常方便。據稱，使用這種新太陽電池，每瓦發電能力的設備只要1.5至2美元，而且每發一度電的費用也可降到14美分左右，完全可以同普通電廠產生的電力相競爭。每個家庭將這種電池掛在向陽的屋頂、牆壁上，每年就可獲得一二千度的電力。