网络教育学院
《新能源发电》课 程 设 计
题 目： 太阳能的利用综述
学习中心：深州市宝安区西乡奥鹏学习中心
层 次： 高中起点专科
专 业： 电力系统自动化技术
年 级： 20##年 秋 季
学 号： 101242228338
学 生：
辅导教师：
完成日期： 20##年 9月 2日
摘 要
太阳能是理想的可再生能源．太阳能热利用技术目前还处于发展时期。文章对太阳能热利用成熟技术、先进技术以及当前研究的中心问题进行了简要的概述。在简述太阳能利用技术发展历史的基础上,介绍国内外太阳能热利用及太 阳能光伏发电技术发展现状,并对未来一段时期内太阳能利用技术的发展前景进 行讨论。清洁、环保、可再生的太阳能日益引起世界的广泛关注。本文首先分析成熟技术部分主要包括热水器、太阳灶、太阳房等广为人们使用的太阳能热利用技术；先进技术部分主要阐述了尚处于研究试验阶段的高品位太阳能热利用技术，包括太阳能热发电、太阳能空调制冷、太阳能烟囱发电等；在当前研究的中心问题部分，主要论述解决太阳能热利用的关键技术问题。其次，分析了我国太阳能利用技术现状：我国太阳能热利用取得显著成绩，太阳能发电取得一定进展，但在太阳能光伏产业存在原材料依赖进口、企业缺乏核心技术与装备、国内市场欠发育致使产品出口国外等问题；最后介绍了太阳能利用的发展趋势。
关键词:太阳能利用技术；太阳能发电；光伏发电；发展现状及趋势
引 言
太阳能利用技术指太阳能的直接转化和利用技术。把太阳辐射能转换成热 引言能并加以利用属于太阳能热利用技术；利用半导体器件的光伏效应原理把太阳能能转换成电能称为太阳能光伏技术。由于人类对能源需求的日益增长，常规能源的日益短缺，石油价格不断上涨，全球气候变暖以及环境的压力，世界各国为寻求能源安全和人类社会可持续发展，将战略目光转向可再生能源的开发新能源要同时符合两个条件：一是蕴藏丰富不会枯竭；二是安全、干净，不会威胁人类和破坏环境。目前找到的新能源主要有两种，一是太阳能，二是燃料电池。另外，风力发电也可算是辅助性的新能源。其中，最理想的新能源是大阳能。太阳能是最理想的可再生能源，具有清洁、无污染、辐射总功率巨大且取之不尽的优点，开发和利用太阳能是人类社会可持续发展的重要举措。人类利用太阳能虽然已有 3000 多年的历史,但把太阳能作为一种能源和动力加以利用,却只有不到 400年的历史。
1 太阳能
太阳能一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。
1.1 太阳能概述
风能、水能、生物质能、海洋能等可再生能源，都来自太阳能的转化。就连煤、石油等化石燃料，也是远古贮存下来的太阳能。广义的太阳能，包括上述能源。当把太阳能作为可再生能源的一种进行讨论时，太阳能指的是直接照射到地球表面的太阳辐射能（包括光和热）；通常所说的太阳能利用，是指太阳辐射能的直接转化和利用。太阳的能量，来自其内部的热核反应。以光辐射的形式，每秒钟向太空发射约3.74×1026J 的能量。因距离遥远，太阳释放的能量只有22 亿分之一投射到地球。到达大气层上界的太阳辐射功率，经过大气层的反射和吸收，能够投射到地面的只有47%左右。尽管如此，每年到达地球表面的太阳能仍高达…… kWh，相当于1300 万亿吨标准煤，是全球能耗的上万倍。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，其分布最广，也最容易获取。如果能有效地利用太阳提供的能量，那么人类未来就不会为能源的枯竭问题担忧了。
1.2 太阳能资源分布
就全球而言，美国西南部、非洲、澳大利亚、中国西藏、中东等地区的全年总辐射量或日照总时数最大，为世界太阳能资源最丰富地区。我国陆地大部分处于北温带，太阳能资源十分丰富，每年陆地接收的太阳辐射总量，大约是1.9×1016 kWh。全国各地太阳年辐射总量基本都在3000～8500 MJ/ m2 之间，平均值超过5000MJ/ m2。而且大部分国土面积年日照时间都超过2200小时。
1.3 太阳能资源的特点
与常规能源相比，太阳能具有如下优点：（1）储量丰富。（2）维持长久。（3）分布广泛。（4）维护方便，运行成本低。（5）清洁，无污染。太阳的主要缺点：（1）能量的分散性（能量密度低）。（2）能量的不稳定性。（3）能量的间歇性，不连续。
2 太阳能的利用方式
2.1 太阳能热利用
直接把太阳能转换为热能供人类使用（例如：加热和取暖），称为太阳能的热利用，或者叫光热利用。直接热利用是最古老的应用方式，也是目前技术最成熟、成本最低、应用最广泛的太阳能利用模式。
2.2 太阳能热发电
太阳能热发电就是利用太阳辐射所产生的热能发电，是在太阳能热利用的基础上实现的。一般需要先将太阳辐射能转变为热能，然后再将热能转变为电能，实际上是“光－热－电”的转换过程。
太阳能发电有两种方式：一种是利用半导体光伏效应而制成的太阳能电池来发电的方式；另一种是太阳能热发电。太阳能热发电作为一种太阳能高温热利用技术，美国、西班牙、以色列、意大利、澳大利亚、日本、俄罗斯等国家都投入了大量资金和人力进行研究，取得了大量科研成果，先后建立了几十座太阳能热发电系统。太阳能热发电大致有三类：槽式线聚焦系统、碟式系统和塔式系统。研究成果表明，太阳能塔式热发电是最可能引起能源革命、实现大功率发电、替代常规能源的最经济手段之一，将完全有可能给紧张的能源问题带来革命性的解决方案，目前已经处于商业化应用前期和工业化应用初期。目前, 太阳能热发电在技术上和经济上可行的三种形式是: ①30--80MW 聚焦抛物面槽式太阳能热发电技术( 简称抛物面槽式)； ②30--200MW 点聚焦中央接收式太阳能热发电技术(简称塔式)；③7.5--25kW 的点聚焦抛物面盘式太阳能热发电技术(简称抛物面盘式)。
2.2.1 塔式太阳能热发电
塔式太阳能热发电系统的设计思想是20世纪50年代前苏联提出的，用于传热的循环介质可以是水、油、熔盐或液态钠。聚光比可达300—1500，运行温度可达15000C。塔式太阳能热发电系统由定。日镜装置、高温接收器、蓄热装置和发电系统阴部分组成。定日镜负责采集太阳能，接收器负责将采集的太阳能转化为热能，热能由蓄热装置收集，并由装置内的工作流体通过热力循环将热能传输至动力设备(汽轮机或燃气轮机)并带动发电机发电，最终将热能转化成电能。其特点是：采用高温熔融盐来蓄热储能，聚光比高，容易达到较高的工作温度，接收器散热面积相对较小，可以得到较高的光热转换效率，这种电姑的运行参数与高温高压的常规热电站基本一致。
2.2.2 槽式太阳能热发电
槽式太阳能热发电通过槽式聚光镜面将太阳光聚焦在一条线上，在这条焦线上安装有管状集热器，以吸收聚焦后的太阳辐射能，管内的流体被加热后，流经换热器的加热工质，借助于蒸汽动力循环来发电。抛物面可对太阳进行一维跟踪，聚光比在10一100之间，温度可达400％。槽式太阳能热发电最大的优点是多聚光器集热器可以同步跟踪，故跟踪控制代价大为降低。缺点是：能量在集中过程中依赖管道和泵，管道系统比塔式电站要复杂得多，热量及阻力损失均较大，降低了系统的净输出功率和效率。
2.2.3 碟式太阳能热发电
碟式太阳能热发电借助于双轴跟踪，抛物型碟式镜面将接收的太阳能集中在其焦点的接收器上，接收器吸收这部分辐射能并将其转换成热能，在接收器上安装热电转换装置，比如斯特林发动机或朗肯循环热机等，从而将热能转换成电能。单个碟式斯特林发电装置的容量范围在5—50 kW之间。用氦气或氢气作工质，工作温度达800°，斯特林发动机能量转换效率较高。碟式系统可以是单独的装置，也可以是由碟群构成以输出大容量电力。
2.2.4 其他的太阳能热发电
除了上述几种传统的太阳能热发电方式以外,太阳能烟囱发电、太阳池发电等新领域的研究也有进展。
(1) 太阳能烟囱发电：太阳能烟囱发电技术由温室、烟囱和风力发电技术三者结合为一体,该系统由集热棚、 烟囱、发电系统组成。集热棚用玻璃或塑料等透明材料建成,并用金属框架作为支撑,集热棚四周与地面留有一定的间隙,大约 90%的可见光能够进入集热棚,被棚内地面吸收,同时由于温室效应,集热棚能够很好地阻隔地面发出的长波辐射。这样集热棚就成了一个有效的捕捉和储存系统。棚内被加热的地面与棚内空气之间的热交换使集热棚内的空气温度升高,受热空气由于密度下降而上升,进入集热棚中部的烟囱,带动烟囱内安装的涡轮发电机发电。同时棚外的冷空气通过四周的间隙进入集热棚,这样就形成了集热棚内空气的连续流动。太阳能烟囱发电系统可建于人口稀少地区,其设备较其它发电技术简单, 运行费用低,而且设备规模越大,功率越大,发电的功率也越高。不但白天能够发电，而且晚上也能释放能量,保证发电机组的连续运转,因此特别适合于我国西部荒漠地 区。
(2) 太阳池发电：简单地说,太阳池是一种池内水体加盐(一般用 NaCI、CaCh、MgCl2、Na2CO, 和芒硝等盐类)使对流受到抑制的太阳能集聚工程。它可以兼作太阳集热器和储热器, 并且构造简单, 操作方便，宜于大规模开发，所以近年来得到快速发展。太阳池发电的突出优点, 一是建造发电站的成本较低,几乎无需使用价格昂贵的不锈钢、玻璃等材料,只需要一处浅水池和发电设备即可；二是由于它能够储存大量的热能，再利用池中特定介质汽化后相互对流产生的能量推动气轮机运转发电,所以对光照的强度要求不高,即便是在夜晚和阴雨雪天也能照常进行工作。太阳池的应用也有一定的局限性:一是在高纬度地区,只能水平设置的太阳池接收的太阳辐射较少；二是在某些有地下流动含水层的地区，如果太阳池发生泄露，会造成水源污染和严重的热损失；三是大型太阳池只能建造在土壤贫瘠又无矿藏的地区，以免占用耕地、影响开矿以及引起生态环境和地球物理方面的变化。除上述方法外, 还有太阳能热离子发电、太阳能磁流体热发电、太阳能海水温差发电等。
(3) 太阳能制冷：实现太阳能制冷有两条途径: 一是太阳能光电转换，以电制冷；一是太阳能光热转换, 以热制冷。前一种方法成本太高，应用较少，所以目前普遍采用以热制冷。太阳能以热制冷研究主要在三个方向上进行,即太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳能喷射式制冷。其中吸收式制冷和喷射式制冷都已经进入了应用阶段, 吸附式制冷还处在研究阶段。由于吸收式制冷系统庞大,运行复杂；吸附式制冷则停留在实验室阶段,因此对吸收式制冷的小型化和吸附式制冷的实用化是目前研究的热点。
(4) 太阳能热泵：将太阳能作为蒸发器热源的热泵系统称为太阳能热泵系统。其工作原理为: 在蒸发器吸热后,其工质的高温低压过热气体在压缩机中经过绝热压缩变为高温高压的气体,经冷凝器定压冷凝为低温高压的液体,放出工质的气化热,与冷凝水进行热交换, 使冷凝水被加热为热水,供用户使用。同时液态工质再经过降压阀绝热节流后变为低温低压液体,并回到蒸发器定压吸收热源热量,蒸发变为过热蒸气,完成一个循环过程。
(5) 太阳能热推进：太阳能推进可分为太阳能电推进( SEP)和太阳能热推进(STP)两大类。SEP是通过太阳电池将太阳能转化成电能，再通过电源处理系统将电能供应给各种电推力器加热工质产生推力的推进技术；STP 是利用聚集的太阳能直接加热工质产生推力的推进技术。STP 与电推进技术相比较,不需要电能转换、管理分配系统,从而使系统简单可靠,能量利用率高；与核火箭发动机相比, STP 使用丰富廉洁的太阳能，不产生粒子污染,具有较高的比冲,范围宽阔适中的推力,对同样的星际探索任务与化学能推进型发动机相比, 其有效载荷质量比提高1.36--3.4倍,有显著的质量节省。因此,STP是空间推进技术发展的一个重要方向。其中,高性能太阳能主聚光器的研制和吸收器/推力室的高温热结构设计是太阳能热推进器(STP)发展过程中的关键技术。
2.3 光化学转换
光化学转换，是指将太阳的光辐射能转换为化学能存储，或者利用太阳光照的作用实现某些特定的化学反应过程。
2.3.1 光化学电池
将太阳的光辐射能通过某种化学反应过程转变为电能，称为光化学发电，通常是指浸泡在溶液中的半导体电极受到光照后，电极上有电流输出的现象。光化学发电还可细分为液结光化电池、光电解电池和光催化电池等。
2.3.2 光生物发电
绿色植物的光合作用也是一种光化学转换过程。通过光合作用将太阳能转换成为生物质的过程，称为光生物利用。光生物发电，通常是指叶绿素电池发电，也是一种光化学转换过程。叶绿素在光照作用下能产生电流，这是最普遍的生物现象之一。要做成稳定的叶绿素电池目前还比较困难
2.4 国内太阳能发电发展现状
我国具有丰富的太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等新能源和可再生能源资源，开发利用前景广阔。太阳能光伏发电应用始于70年代，真正快速发展是在80年代。在1983年一1987年短短的几年内先后从美国、加拿大等国引进了七条太阳电池生产线，使我国太阳电池的生产能力从1984年以前的年产200千瓦跃到1988年的4．5兆瓦。目前太阳电池主要应用于通信系统和边远无电县、无电乡村、无电岛屿等边远偏辟无电地区，年销售约1.1兆瓦，成效显著。我国国内光伏产业也在飞速发展，在1983年一1987年建成了40多座县、乡级小型光伏电站，光伏电池总装机容量约600kw，其中西藏最多，达450多kw；1998年10月建成我国最大的西藏那曲安多县光伏电站的光伏电池装机容量高达100kw。家用光伏电源在青海、内蒙古、新疆、甘肃、宁夏、西藏以及辽宁、吉林、河北、海南、四川等地广泛应用。据不完全统计，至今全国已累计推广家用光伏电源约15万台，光伏电池总功率约达2.9MW。在22所农村学校建立了光伏电站，光伏电池组件的总装机容量为57kw。1995年，63个国家重点援藏项目一西藏广播电视发射接收工程采用光伏电池供电，共建成216套卫视接收站和若干套调频发射站光伏电池供电系统，总功率为300。1996年建成了塔中4轮南输油输气管道阴极保护先伏电源系统，总功率为 40kw。该系统横贯环境恶劣复杂的塔克拉玛干大沙漠，总长达300Km。1998年中国通信史上建成难度最大的兰一西一拉光缆干线工程，有26个光缆通信站采用光伏电池作电源，其海拔高度多在4500m以上，光伏电池组件的总功率达100kw。直到现在已有10多家光伏企业在纽约、伦敦等海外市场及国内证券市场上市。20##年，国内光伏电池产量超过了2000 MW，实际生产能力超过了3000 MW，位居世界第一。光伏电池产量占全球产量的比重由20##年的1%提高到20##年的15%。我国2002～20##年的“送电到乡”工程，投资50亿在西部地区建设了近千座独立光伏电站，不但很好的解决了无电地区居民的基本生活用电问题，也极大拉动了国内光伏产业的发展。而近两年光伏建筑一体化日趋流行，国家体育馆、保定锦江饭店等多处建有BI PV示范工程。
3 太阳能热利用技术的发展及现状
太阳能的热利用，基本原理是利用集热装置将太阳辐射能收集起来，再通过与介质的相互作用转换成热能，进行直接或间接的利用。根据集热器所能达到的温度和用途，通常可把太阳能热利用分为低温利用、中温利用（200～800℃）和高温利用。
直接把太阳能转换为热能供人类使用（例如：加热和取暖），称为太阳能的热利用，或者叫光热利用。直接热利用是最古老的应用方式，也是目前技术最成熟、成本最低、应用最广泛的太阳能利用模式。太阳能热利用具有广阔的应用领域, 但最终可归纳为太阳能热发电(能源产出)和建筑用能(终端直接用能),包括采暖、空调和热水。当前太阳能热利用最活跃，并已形成产业的当属太阳能热水器、太阳能热发电和太阳能制冷。此外,在太阳能热泵、热推进技术等新型领域也有一定的研究与应用。
3.1 集热器类型
集热器就是用于收集太阳的辐射能并将其转换为热能的装置。目前广泛使用的太阳能集热器，可以分为三大类。(1) 平板集热器:平板集热器的吸热部分主体是涂有黑色吸收涂层的平板。(2) 真空管集热器: 其核心部件是真空管，按照材料来分，有全玻璃真空管和金属真空管两类。比较常见的是黑色镀膜的真空玻璃管。(3) 聚焦型集热器: 采用特定的聚焦结构设计，将太阳辐射聚集到较小的集热面上，从而获得很高的能流密度和集热温度。常见的聚焦结构设计，包括：① 点聚焦结构,如复合抛物面反射镜,菲涅尔透镜,定日镜等；② 线聚焦结构, 如槽型抛物面反射镜和柱状抛物面反射镜。
3.2 太阳能热水器
太阳能热水器就是利用太阳辐射的热量进行加热从而提供热水的设备。由于可以节省用于加热的电能，太阳能热水器被认为是最重要的环保节能措施之一。在太阳能热利用的各种方式中，发展和应用最完善的就是太阳能热水器。
太阳能热水器是一种利用太阳辐射能，通过温室效应把水加热的装置，它由集热器、储热水箱、循环水泵、管道、支架、控制系统及相关附件组成。集热器是吸收太阳辐射能并向工质(水)传递热量的装置，是热水器的核心部件。根据收集太阳辐射能的形式，集热器可分为平板型集热器和聚光型集热器两种。早期的集热器为闷晒式，后来发展成为平板式和真空管式．集热器担负着两项主要功能，一是吸收太阳辐射能，二是将热量传递给工质．集热器上的太阳能吸热材料可分为两类：非选择性吸收涂层和选择性吸收涂层。非选择性吸收涂层是指其光学特性与辐射波长无关的吸收涂层；选择性吸收涂层则是指其光学特性随辐射波长不同有显著变化的吸收涂层热水器是太阳能热利用中商业化程度最高、应用最普遍的技术。国际上,太阳能热水器产品经历了闷晒式、平板式、全玻璃真空管式的发展。目前热水器产品的发展方向仍注重提高集热器的效率,如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层, 以减少热量损失。目前在提高集热器效率的研究领域,主要在以下几个方面取得了较大进展:
(1) 透明蜂窝应用于太阳能热水器的研究透明蜂窝是应用广泛的透明隔热材料,将透明蜂窝应用于太阳能热水器的核心部件集热器的研究,成为目前太阳能热水器发展的一个重要趋势。透明蜂窝结构中的网格把其中的空气分割成很多相互隔离的微小空气单元,在一端或两端封闭的情况下能有效抑制单元内自然对流的形成,使热损系数降低,提高隔热性 能。透明蜂窝具有热二极管的作用，既能透过太阳辐射,又具有优异的隔热性能。 透过率和热损系数是透明蜂窝结构的两个主要性能参数,多年来人们在不断地研制不同构造的透明蜂窝结构以期获得热损低而透过率高的透明隔热材料。
(2) 真空管太阳能热水器的研究真空管式太阳能热水器由多只真空玻璃集热管插入储水箱构成, 换热原理为自然对流换热。作为真空管式太阳能热水器的核心部件,国外最初的真空集热管是由单层壁内部抽成真空的玻璃管内置带 U 型金属管的钢制吸热体构成的。流体从金属管一端流入,另一端流出,但热效率太低,制作复杂。1976年,美国康宁公司研制成功了单层壁玻璃真空管内置热管和内曲面反射器真空集热管。该设计曲面使投射的太阳射线在一宽范围的接受角内聚集在热管上,大大降低了光线的反射和漫反射损失,这就是CPC复合抛物面聚光器在全玻璃真空集热管上应用的雏形,为降低热损失,热管上开始电镀黑铬。现在,国外已经具有完备的生产制造真空玻璃管的工艺和技术,并且和 CPC 技术得到完美结合。
(3) 热管式真空管太阳能热水器的设计研究由于热管具有良好的导热性能,其形状又可随热源和冷源的条件而变化,具有很好的环境适应性。所以将热管应用于太阳能集热器将会显著提高其集热效率。热管式真空集热管由外玻璃管、表面带选择性涂层的重力热管组成。外玻璃管和热管之间抽真空(约 1*10Pa) , 这样可以有效地减少热管吸热段向外界的散热损失。采用重力热管,是因为热管内不需设置吸液芯,具有结构简单、制造方便、成本低廉、传热性能优良、工作可靠、单向导热等优点,热管材料为不锈钢。
(4) 应用全息技术提高太阳能热水器效率的研究。全息聚光元件兼具有会聚和色散的功能,用它来实现聚光型太阳能的转换系统不仅效率高,成本也大大地降低。反射透射型全息太阳能集光图器,它由两层全息图组成。上层对可见光相当于一个凹面反射镜把蓝、绿、红 三种不同波长的光分开并会聚成不同的光斑, 选用相应的光谱响应特性曲线的光电池进行光电热转换,下层对红外光相当于会聚透镜,把热红外光谱成分透射会聚到一个光热转化接收器上。这样就减少光电转换器件、光热转换器件的用量,降低太阳能热水器的成本和提高太阳能的利用率 。
3.3 太阳灶
太阳灶是利用太阳辐射能，通过聚光、传热、储热等方式获取热量，进行炊事烹饪食物的一种装置。太阳灶常用的榘热方法有两种，一种是采用热箱装置，另一种是采用聚光装置。故太阳灶也有两种型式：箱式灶和聚光灶。
3.4 太阳房
太阳房是利用太阳辐射能量来代替部分常规能源，使室内达到一定环境温度的一种建筑物。太阳房分为主动式和被动式两类。1938年世界上第一幢主动式太阳房由美国麻省理工学院建成。它是一种能够控制的采暖方式，用集热器、贮热装置、管道、风机、水泵等设备“主动”收集、储存和输配太阳能。由于它具有利用太阳热能和节约能源的优点，从它诞生的那天开始就十分引人注意。被动式太阳房最早是在法国发展起来的。它主要依靠建筑方位、建筑空间的合理布置和建筑结构及建筑材料的热工性能，使房屋尽可能多地吸收和储存热量。如果所获得的太阳能达到了建筑物采暖、空调所需能量的一半以上，就达到了被动式太阳房的要求。
3.5 太阳能空调
太阳能空调是比较常见的利用太阳能制冷的方式。太阳能空调的能量需求和太阳能的供应比较一致。这是太阳能空调应用最有利的客观因素。从这方面来看，太阳能空调应该是最合理的太阳能应用方案之一。目前的太阳能空调技术，主要采用太阳能吸收式制冷和光电转化电能驱动制冷。
3.5.1 太阳能吸收式制冷
太阳能吸收式制冷，是利用热能直接制冷的最常用方式。比较成熟的是“溴化锂-水溶液”吸收制冷，已经在一些示范工程中应用，效果理想。也可以用氨－水溶液，其中氨是制冷剂（沸点33.4oC ），水是吸收剂。
3.5.2 光电转化电能驱动制冷
光电转换电能驱动制冷，实际是先把太阳能转换为电能（是光伏发电方式），再用电力驱动空调。
3.6 太阳池
太阳池是一种集中储存太阳能的方式，并可作为热源使用。池水为盐水，一般表层为清水，越往深处盐度越大，底层甚至为饱和状态。池底深而黑，光辐射被池底吸收转变为热能后，除了池底的有限散热，基本不会向水池表面散热。太阳不断辐射、底层水不断储热，水温就越来越高。将池底的热取出，就可以进行各种应用，而且这种热源还比较稳定。
4 太阳能光伏发电
4.1 光伏效应与光伏材料
光伏效应，是指当光照在不均匀半导体或半导体与金属组合材料上，在不同的部位之间产生电位差的现象。光伏效应是物质吸收光能产生电动势的现象，是太阳的光辐射能通过半导体物质转变为电能的过程。光伏发电对光伏材料的一般要求是：要有较高的光电转换效率；材料本身对环境不造成污染；材料便于工业化生产；材料的性能要稳定；等等。制造光伏电池的半导体材料，已知的有十几种。第一代光伏电池主要基于硅晶片，采用单晶硅和多晶硅材料制成，目前仍是光伏产品市场的主流。
4.2 光伏发电系统
光伏电池，是利用光伏效应将太阳能直接转换为电能的器件，也叫太阳能电池，都是由很多单体光伏电池构成的。单体光伏电池是指具有正、负电极，并能把光能转换成电能的最小光伏电池单元。光伏发电系统，一般由太阳能电池方阵、储能蓄电池、保护和控制系统、逆变器等设备组成。
4.2.1 光伏电池方阵
根据功率需要，将多个光伏单体电池经串并联，并封装在一起，组成一个可以单独作为电源使用的最小单元，即光伏电池组件。还可把多个电池组件再串、并联起来并装在支架上，组成光伏电池阵列。
4.2.2 储能蓄电池
光伏发电输出功率不稳定性、不连续，独立工作时，常常需要配备储能装置，以保证对用户的可靠供电。阳光充足时，剩余的能量给蓄电池充电。日照缺乏的情况下，由蓄电池向用户补充供电。常用的蓄电池有铅酸蓄电池、硅胶蓄电池和碱性镉镍蓄电池，其中铅酸蓄电池功率价格比最优、应用最广。
4.2.3 保护和控制系统
在小型或独立运行的光伏发电系统中，保护和控制功能主要是蓄电池的保护，防止过充电和过放电。对于大中型或并网运行的光伏发电系统，保护和控制系统担负着平衡、管理系统能量，保护蓄电池及整个系统正常工作和显示系统工作状态等重要作用。
4.2.4 逆变器
光伏电池和蓄电池输出的都是直流电。逆变器是将直流电变换成交流电的电力电子设备，是光伏电池普及应用的关键技术之一。
4.3 光伏发电的特点
从太阳能资源的角度来看：太阳能是最丰富、最广泛的可再生能源。不仅总量巨大，而且分布广泛，获取容易，不需要开采和运输。从光伏发电系统的角度来看，（1）运输、安装容易（2）运行、维护简单（3）安全，可靠，寿命长。（4）清洁，环境污染少。
太阳能光伏发电的不足主要是由太阳能资源本身的弱点造成的。（1）能量分散（能量密度低）。（2）能量不稳定。（3）能量不连续。
4.4 光伏发电技术的发展历史
光伏发电技术的研究历史已经有100 多年。
1839 年，法国物理学家贝克勒尔发现光伏效应。
20世纪50年代，太阳电池技术出现重大突破。
1954 年诞生世界上第一个实用的太阳能电池。
1960 年，硅太阳电池首次实现并网运行。
1975 年，非晶硅太阳电池问世。
1978 年，美国建成100kWp 地面光伏电站。
2000 年，太阳电池与建筑相结合的技术正式开始发展。
4.5 光伏发电产业的发展状况
太阳能光伏发电技术已历经了半个世纪。2004 年，光伏电池在全世界能源市场开始蓬勃发展，产业开始形成。目前，光伏电池的功率级别非常丰富，大到100kW～10MW 的太阳能光伏电站，小到手表、计算器的电源。太阳电池的转换效率也明显提高。近年来世界光伏发电的装机容量逐年增加，世界太阳电池组件的年产量已超过6000MW。近20 多年光伏电池产品每增加一倍，光伏电池的价格下降20％。光伏发电的小功率的应用已经比较普遍，而今正向大功率应用发展。
4.5.1 我国光伏发电行业的发展状况
国从20 世纪50 年代开始研制太阳能电池。
1971 年，我国发射的第二颗人造卫星“实践1 号”上配备了多块单晶硅太阳电池板，在后面8 年的服役期内，太阳电池功率衰降不到15％。
1994 年，中科院电工所建造了许多小型户用光伏发电系统和100 千瓦独立光伏电站等。
2003 年，中国成为世界上最大的庭园灯等光伏消费品生产国。
2007 年，一座205千瓦的太阳能聚光光伏示范电站在内蒙古建成，同年，崇明岛兆瓦级光伏电站发电示范工程正式并网发电。
截止到2007 年，中国电池产量约为1088MW，占世界总量的29％，已经居世界首位。2008 年我国太阳能光伏电池年产量2GW，占全球产量的30%以上，继续稳居世界第一。但我国2008 年光伏电池安装量仅为40 MW，仅占全球总安装量的0.7%，中国目前虽然是光伏电池生产大国，但国内光伏电池应用的市场仍未启动，市场潜力十分巨大。
50 年代第一块实用的硅太阳电池的问世,揭开了光电技术的序幕, 也揭开 了人类利用太阳能的新篇章。世界光伏组件生产最近 10 年的平均年增长率为 22% , 最近 5 年的年平均增长率为 35% , 20## 年已达到近 800MW。可以看出, 世界光伏产业呈快速发展势态,成为世界发展最快的新兴产业之一。 在光伏产业方面,各国一直通过扩大规模、 提高自动化程度,改进技术水平、开拓市场等措施降低成本,并取得了巨大进展。在研究开发方面,单晶硅电池效率达到24.7%, 多晶硅电池效率19.8% ,非晶硅电池实验室稳定效率已突破 15%,碲化镉电池效率达到16.4%,铜铟硒电池效率18.8%。晶硅薄膜电池的研究自1987 年以来发展迅速,成为世界关注的新热点。太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应, 将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统,有独立运行和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置, 主要用于无电网的边远地区和人口分散地区, 整个系统造价很高；在有公共电网的地区,光伏发电系统与电网连接并网运行,省去蓄电池,不仅可以大幅度降低造价,而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。目前, 太阳能光伏发电的研究重点在开发高效率、低成本新型太阳能电池方面。主要包括非晶硅太阳能电池和微晶硅迭层薄膜电池的实验型研究。
5 太阳能开发利用技术未来发展趋势
随着可持续发展战略在世界范围内的实施,太阳能的开发利用将被推到新的 高度。至本世纪中叶,世界范围内的能源问题、环境问题的最终解决将依靠可再 生洁净能源特别是太阳能的开发利用。随着越来越多的国家和有识之士的重视, 太阳能的利用技术也有望在短期内获得较大进展。能源利用技术的发展是人类控制自然能力的一个重要标志。没有煤的利用，工业革命是很难想像的。没用石油和电力的利用，20世纪很多新技术和产业部门的产生和发展同样也是很难想像的。然而，随着社会生产力的不断发展和能源利用规模日益扩大，总有一天人类利用的矿物能源会被用尽。首先是石油。1973年世界性石油危机就给人们一种切身感受。关于这个问题，我们必须及早做好准备。在这种情况下，人们有理由大力开拓可再生能源，比如太阳能。太阳能光伏发电有无可比拟的优点，如清洁性、安全性、广泛性、长寿命和免维护、实用性、资源的充足性及潜在的经济性等。有关专家说，太阳能产品离我们的生活其实很近，太原市也已经完全掌握了太阳能适合在本地区应用而研制出的高新产品，我们要做的是如何加以综合利用，做好这项符合国家的节能、环保政策的事业，为太原市的节能减排，为蓝天碧水更高的目标而努力奋斗。
发展新能源是必然趋势，而作为朝阳产业，需要解决的问题也很多。有关部门应该加强领导，统一规划，提出目标，拟订优惠政策，鼓励大规模开发利用太阳能光伏发电，鼓励银行和光伏企业结合，创建名牌企业和名牌产品，加强国际交流和合作。人们希望通过这些举措，在不久的将来，实现“有阳光就有电”的美好理想。但是，太阳能利用并不是没有困难的。太阳能分布在广大的地球表面，密度是很低的。要能付之实用，首先要从很大的面积上把它收集起来，这就意味着需要很大的设备和相当大的投资。另外，由于地球的运动以及气象条件的变化，对于同一地点来说，所能接受的太阳能是间断的、不稳定的，这就是他要么拿来做辅助能源，要么就增加储能装置，因而有要增加投资。
尽管有这么多困难，但是在常规能源短缺与环境污染日益加剧的双重压力下，出于国家能源安全考虑和经济可持续发展的需要，世界各国都投入了巨大资金，加快太阳能利用技术的研究步伐
5.1 提高太阳能热利用效率有望获得突破
目前,世界范围内许多国家都在进行新型高效集热器的研制,一些特殊材料也开始应用于太阳能的储热,利用相变材料储存热能就是其中之一。相变贮能就是利用太阳能或低峰谷电能加热相变物质,使其吸收能量发生相变(如从固态变为液态),把太阳能贮存起来。在没有太阳的时间里,又从液态回复到固态,并释放出热能,相变贮能是针对物质的潜热贮存提出来的,对于温度波动小的采暖循环过程,相变贮能非常高效。而开发更为高效的相变材料将会成为未来提高太阳能热利用效率研究的重要课题。
5.2 太阳能建筑将得到普及
太阳能建筑集成已成为国际新的技术领域,将有无限广阔的前景。太阳能建 筑不仅要求有高性能的太阳能部件,同时要求高效的功能材料和专用部件。如隔 热材料、透光材料、储能材料、智能窗(变色玻璃)、透明隔热材料等,这些都是 未来技术开发的内容。
5.3 新型太阳能电池开发技术可望获得重大突破
光伏技术的发展, 近期将以高效晶体硅电池为主, 然后逐步过渡到薄膜太 阳能电池和各种新型太阳能光电池的发展。薄膜太阳能电池以及各种新硅太阳能 电池具有生产材料廉价、 生产成本低等特点,随着研发投人的加大,必将促使其中 一、二种获得突破,正如专家断言,只要有一、二种新型电池取得突破,就会使光 电池局面得到极大的改善。
5.4 太阳能光电制氢产业将得到大力发展
随着光电化学及光伏技术和各种半导体电极试验的发展,使得太阳能制氢成 为氢能产业的最佳选择。氢能具有重量轻、热值高、爆发力强、品质纯净、贮存 便捷等许多优点。随着太阳能制氢技术的发展,用氢能取代碳氢化台物能源将是 本世纪的一个重要发展趋势。
5.5 空间太阳能电站显示出良好的发展前景
随着人类航天技术以及微波输电技术的进一步发展,空间太阳能电站的设 想可望得到实现。由于空间太阳能电站不受天气、气候条件的制约,其发展显示出美好的前景,是人类大规模利用太阳能的另一条有效途径。
结束语
由于化石能源的储量有限, 难以维持人类的可持续发展；同时化石能源的利 用产生的大量有毒有害物质,将导致环境污染、温室效应,严重危害地表环境。人 类发展到现在, 越来越多的国家都逐渐清醒地认识到,要在有限资源和环保严格 要求的双重制约下实现经济和社会可持续发展的关键,就在于寻求清洁环保的可 再生能源。可因此太阳能、风能、生物质能、地热能等再生洁净能源的大规模利 用就显得尤为重要, 这其中又以太阳能利用的优势最为明显,它具有以下几个特 点:①储量的“无限性”相对于常规能源和其它可再生能源的有限性,太阳能具 有储量的“无限性”，取之不尽,用之不竭。②存在的普遍性相对于其它能源来说, 太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性,可就地取用。③利用的
清净性和经济性太阳能的开发利用几乎不产生任何污染;同时由于其储量无限, 利用技术代价不高,具有良好的经济性。太阳能也必将由此在世界能源的未结构 转换中担纲重任, 成为理想的替代能源。但是,太阳能也存在单位能量强度不高、分布不均、转化利用效率较低等问题,这就要求我们太阳能工作者积极探索,研究出更为科学的集能方式和设备,加快太阳能技术的开发和推广应用。随着化石能 源的减少,太阳能利用的比例将大幅度提高。