太阳能光伏发电原理

太阳能光伏发电原理

徐世儒

（中电投新疆能源化工集团哈密有限公司新疆哈密839000）

摘要：在社会经济飞速发展的时代背景下，生态污染和能源消耗成为全球共同关注的问题，因此可再生能源成为提高社会发展水平、实现经济可持续发展的重要课题。可再生能源指的是无消耗、无污染的免费能源，是自然环境中的天然能源，不需要经过人力二次改造，例如风能、水能、地热能、太阳能等，其中太阳能是当前电力产业最为理想的清洁能源，不仅能够保障正常发电，而且避免环境污染、能源消耗等问题。

关键词：太阳能光伏；发电；原理

引言

根据太阳辐射能量进行转化形式的不同，太阳能的利用可以分为光伏和光热两大类别。一种是光伏发电，利用太阳能电池板将光能转化为电能；另外一种是光热技术，利用太阳能的高温将光能转化成热能。我国太阳能光热发电正处于起步阶段，目前光热技术主要是以太阳能热水器或者太阳能聚热厨具为主。随着国家的重视与提倡，光热发电技术正以一种蓬勃的姿态展现在人们的视野之中。

1太阳能光伏发电的概述

太阳能光伏发电顾名思义就是利用太阳光能转化成电能供人们使用。作为一项比较先进的可再生能源技术已经逐渐融入到社会发展中并取得了一些成就。光伏发电是用半导体界面的光生伏特效应将太阳光能转化成为电能。在整个设备中，太阳能电池是重要的元件，主要是将多个电池串联起来再做好封装保护并配备一个功率控制器就组成了整个发电装置。其重要的优势在于可以在没有电的地位提供所需电源、电子产品和并网发电等。

2太阳能光伏的基本原理

太阳能电池一种把太阳能转换成电能的能量转换器，太阳能电池工作原理的基础，是太阳能电池的光生伏打效应。太阳能电池工作原理如图1所示。

图1太阳能电池工作原理

首先，太阳能电池吸收阳光，只有当光量子能量是半导体材料的禁带宽度Eg的数倍时才会产生多个电子-空穴对，其间的差值则转化为热量。然而，在电子-空穴对产生的同时也发生了电子-空穴的再复合；最后，利用外加电场使电子-空穴对相互分离形成扩散电流；简而言之，主要分三个过程：太阳光吸收过程、电子-空穴对激发过程、分离光生载流子过程。

3太阳能光伏电池分类

（1）单晶硅太阳能电池转换效率为较高的26.7±0.5%，但由于单晶硅太阳能电池的生产工艺复杂，电耗很大，生产成本较高；

（2）多晶硅太阳能电池的生产工艺较简单，生产能耗也较低，但其转换率也较单晶硅的低，在实验室里其光电转换效率约22.3±0.4%；

（3）非晶硅太阳能电池的转换效率为10.2±0.3%，转换效率较低，但其有着制造成本低、能源消耗的回收期短、售价低方面的优点；

（4）砷化镓（GaAs）化合物太阳能电池的转换效率高达28.8±0.9%，并且成本较晶硅电池低，也易于大规模生产，但是，GaAs材料受表面复合速度的影响强烈，目前主要用航空领域的多层太阳能电池；CIGS化合物太阳能电池的转换效率为21.7±0.5%，与传统的硅材料太阳能电池相比，制造成本低，能源回收期短，但由于铟资源十分有限，并且这些元素大都会对环境造成污染；

（5）有机半导体太阳能电池主要是并五苯和噻吩这两大类，其转换效率较低仅为9.7±0.3%，但具有工艺简单、适用性强、可以直接涂刷在建筑物外表以充分利用其受光面积等优点。

4我国太阳能光伏发电的现状

近年来，太阳能的应用已经与人们的生活工作密切联系在一起，而且太阳能资源丰富，属于可再生资源，所以对太阳能的开发利用潜力是比较可观的。一般地区每年太阳能的均辐射量都在4kWh/m2以上，在我西部地区日均辐射量更多，甚至达到了7kWh/m2，与欧洲、日本等国家相比拥有绝对的太阳能资源优势。所以，太阳能光伏发电极有可能会成为我国主要的可再生能源生产的方式。

在20世纪70年代开始，我国逐渐产生了光伏发电，而太阳能电池在地面应用开始于1973年。在20世纪90年代中期时，光伏发电就已经得到了一定的发展，并且太阳电池及配件等生产量也在不断增加。经过几十年的发展，我国的光伏发电产业已经快速步入正轨，为电力事业的可持续长久发展起到了重要的现实意义。据统计，在2007年底，国内光伏发电系统装机的总量约为100MW，专门生产太阳能电池的企业数量也在不断增加，而太阳能电池的生产能力也有突飞猛进的发展。调查研究表明，太阳能的年产量约为1188MW，甚至与欧洲和日本等技术比较发达国家的相比，我国的太阳能电池的生产与应用有着很大的优势。目前，我国太阳能光伏发电存在的几点问题表现为：

4.1光伏发电项目的规划缺少科学合理性

在1992年，美国就针对可再生能源的开发和利用出台了一些优惠政策给予扶持和保障。同时也提出了可再生能源市场推广标准规范，在政策和规范制度的指导下推动了美国可再生能源市场的持续长久发展。但是，我国与美国相比，无论是国家政策还是太阳能光伏发电的规划上仍然缺少一些明确的市场管理和鼓励政策，不利于我国太阳能光伏发电的进一步发展。

4.2科学技术水平落后

与一些发达国家相比，我国的太阳能光伏发电技术还处于远远落后的水平，无论是技术还是理念都存在很大的差距。存在这一问题的主要原因在于国家和政府对光伏发电重视程度不够，另外，在太阳能电池材料方面技术水平落后，相对来说成本较高。

5太阳能光伏发电的前景

当前太阳能光伏发电主要有两种应用类型，一种是并网光伏发电系统，另一种是独立光伏发电系统。由于我国对太阳能光伏发电的研究已经相对稳定，因此未来必将进入大规模的建设时期，并成功应用于工业、通信等行业，同时实现偏远地区的项目建设，例如当前在青海、甘肃、宁夏、新疆等省份已经核准大规模的并网光伏发电系统建设，从而保障偏远地区的供电。由于电能的转换来自于太阳能，因此太阳能光伏发电的效果与气象情况具有密不可分的关系，在电网规划中应该将气象预报纳入其中，避免太阳能光伏发电不稳定影响电网的运行安全。

6太阳能光伏发电的发展建议

太阳能光伏发电产业是有利于国计民生的重要产业，因此必须制定合理的发展目标。当前我国产业发展的主要问题集中于市场需求与产业发展之间的不平衡，因此必须加快对市场的刺激，提高市场对太阳能光伏产业的认知程度和重视程度，同时对光伏发电的技术进行深入研发，着重在降低成本的前提下提升转换的效率，加快对原材料的研发，转变从国外进口材料的现状。例如国家可以联合社会电力企业，建立专项的光伏发电研发中心，引进先进研发人才和资源，加快光伏发电材料的研制，并且开展系列化的光伏发电实验，针对不同的市场需求规范太阳能光伏发电的使用方式和发电准则，从而与市场需求相衔接。例如开发房顶发电项目，使太阳能光伏发电能够实现与建筑一体化的发电方式，从而刺激市场的需求。另外，还可以综合应用清洁能源进行发电，弥补太阳能光伏发电不连续、不稳定的影响。例如在将风力发电和太阳能光伏发电相结合，对当前清洁能源的市场进行补充和完善。

结语

综上所述，我们应该清楚的认识到光伏电池技术发展的最初动力是为了缓解能源、环境的压力，为人类幸福生活服务。因此，光伏电池的发展思路应该是可持续性的，而不是仅仅把它看作一项阶段性的能源技术，如何降低能耗这也是今后的研究重点。

参考文献：

[1]兰江.我国太阳能光伏发电现状及发展前景分析[J].中国高新技术企业，2016（25）：93-94.

[2]杨立权，韩东全.我国太阳能光伏发电发展现状及前景[J].农业与技术，2015，35（23）：168-170.