摘　要：太陽(yáng)電池的基本原理是光生伏特效應(yīng)。光伏發(fā)電具有資源可再生、潔凈環(huán)保等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)電池方陣、蓄電池組、控制器、直流--交流逆變器等部分組成。分析了各組成部分的功能，介紹了光伏發(fā)電技術(shù)在通信、工業(yè)、邊遠(yuǎn)地區(qū)、光伏建筑一體化、大型荒漠光伏電站等方面的應(yīng)用情況以及未來發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電、基本原理、系統(tǒng)組成、應(yīng)用

1.太陽(yáng)電池的基本原理和光伏發(fā)電的主要優(yōu)勢(shì)

1.1 太陽(yáng)電池的基本原理

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是太陽(yáng)能利用的一種重要形式，是采用太陽(yáng)電池將光能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方式，而且隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，光伏發(fā)電有可能成為最具發(fā)展前景的發(fā)電技術(shù)之一。太陽(yáng)電池的基本原理為半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)。當(dāng)太陽(yáng)光(或其它光)照射到太陽(yáng)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)電場(chǎng)作用下，光生電子和空穴被分離，從而在電池兩端積累起異號(hào)電荷，即產(chǎn)生電壓。

1.2 光伏發(fā)電的主要優(yōu)勢(shì)

(1)發(fā)電原理具有先進(jìn)性：即直接從光子轉(zhuǎn)換到電子，沒有中間過程(如熱能—機(jī)械能、機(jī)械能—電磁能轉(zhuǎn)換等)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)，發(fā)電形式極為簡(jiǎn)捷。

(2)太陽(yáng)能資源的無(wú)限和分布特性：太陽(yáng)能輻射取之不盡，用之不竭，可再生并潔凈環(huán)保;陽(yáng)光普照大地，無(wú)處不在，無(wú)需運(yùn)輸，不受霸權(quán)控制。

(3)光伏發(fā)電與環(huán)境關(guān)系：光伏發(fā)電沒有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，無(wú)噪聲;沒有燃燒過程，不排放溫室氣體和其它廢氣、廢水，環(huán)境友好，真正的綠色發(fā)電。

(4)建造、拆卸和維護(hù)特性：模塊化結(jié)構(gòu)，規(guī)模大小隨意，易于建造安裝、拆卸遷移，而且易于隨時(shí)擴(kuò)大發(fā)電容量�？蓪�(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，維護(hù)成本低。

2.光伏發(fā)電系統(tǒng)組成及各部分功能

光伏發(fā)電系統(tǒng)是采用太陽(yáng)電池將太陽(yáng)輻射能直按轉(zhuǎn)換成電能的完整的發(fā)電系統(tǒng)。一般來說，它由太陽(yáng)電池方陣、控制器、蓄電池組、直流--交流逆變器等部分組成。

2.1 太陽(yáng)電池組件及方陣

太陽(yáng)電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心。太陽(yáng)電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般為4~200cm2不等。太陽(yáng)電池單體的工作電壓約為0.5V，工作電流約為20~25mA，一般不能單獨(dú)作為電源使用。將太陽(yáng)電池單體進(jìn)行串并聯(lián)且封裝后，就成為太陽(yáng)電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元。太陽(yáng)電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)并安裝在支架上，就構(gòu)成了太陽(yáng)電池方陣，可以滿足負(fù)載所要求的輸出功率。

2.2 儲(chǔ)能蓄電池

蓄電池是光伏電站的貯能裝置，它將太陽(yáng)電池方陣從太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換來的直流電轉(zhuǎn)換為化學(xué)能貯存起來，以供應(yīng)用。在獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，必須配備儲(chǔ)能蓄電池，以儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)電能。當(dāng)日照充足而產(chǎn)生的電能過剩時(shí)，蓄電池將多余的電能儲(chǔ)存起來;反之，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電量不足或負(fù)荷用電量大時(shí)，蓄電池向負(fù)載補(bǔ)充電能，并保持供電電壓的穩(wěn)定。

蓄電池是通過充電將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能貯存起來，使用時(shí)再將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能釋放出來的化學(xué)電源裝置。它是用兩個(gè)分離的電極浸在電解質(zhì)中而成。由還原物質(zhì)構(gòu)成的電極為負(fù)極，由氧化態(tài)物質(zhì)構(gòu)成的電極為正極。當(dāng)外電路接通兩極時(shí)，氧化還原反應(yīng)就在電極上進(jìn)行，電極上的活性物質(zhì)就分別被氧化還原了，從而釋放出電能，這一過程稱為放電過程。放電之后，若有反方向電流流入電池時(shí)，就可以使兩極活性物質(zhì)回復(fù)到原來的化學(xué)狀態(tài)，這一過程稱為充電過程。光伏電站中與太陽(yáng)電池方陣配用的蓄電池組通常是在半浮充電狀態(tài)下長(zhǎng)期工作，考慮到連續(xù)陰雨天氣，蓄電池的設(shè)計(jì)容量一般是電負(fù)荷日耗電量的5~10倍。目前我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)配置的蓄電池多數(shù)為鉛酸蓄電池。

2.3 充放電控制器

蓄電池，尤其是鉛酸蓄電池，要求在充電和放電過程中加以控制，頻繁的過充電和過放電都會(huì)影響蓄電池的使用壽命。過充電會(huì)使蓄電池大量出氣(電解水)，造成水份散失和活性物質(zhì)的脫落;過放電則容易加速柵板的腐蝕和不可逆硫酸化。為了保護(hù)蓄電池不受過充電和過放電的損害，則必須要有一套控制系統(tǒng)來防止蓄電池的過充電和過放電，稱為充放電控制器�？刂破魍ㄟ^檢測(cè)蓄電池的電壓或荷電狀態(tài)判斷蓄電池是否已經(jīng)達(dá)到過充點(diǎn)或過放點(diǎn)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果發(fā)出繼續(xù)充、放電或終止充、放電的指令。

隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)容量的不斷增加，用戶對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行方式的合理性的要求越來越高，系統(tǒng)的安全性也更加突出和重要。因此，近年來設(shè)計(jì)者又賦予控制器更多的保護(hù)和監(jiān)測(cè)功能。此外，控制器在控制原理和元器件方面也有了很大發(fā)展和提高，目前先進(jìn)的系統(tǒng)控制器已經(jīng)使用了微處理器，實(shí)現(xiàn)了軟件編程和智能控制。

2.4 直流—交流逆變器

眾所周知，整流器的功能是將50Hz的交流電整流成為直流電。而逆變器與整流器恰好相反，它的功能是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。這種對(duì)應(yīng)于整流的逆過程稱為“逆變”。太陽(yáng)電池在陽(yáng)光照射下產(chǎn)生直流電，然而以直流電形式供電的系統(tǒng)有很大的局限性。例如，熒光燈、電視機(jī)、電冰箱、電風(fēng)扇等均不能直接用直流電源供電，絕大多數(shù)動(dòng)力機(jī)械也是如此。此外，當(dāng)供電系統(tǒng)需要升高電壓或降低電壓時(shí)，交流系統(tǒng)只需加一個(gè)變壓器即可，而在直流系統(tǒng)中升降壓技術(shù)與裝置則要復(fù)雜得多。因此，除特殊用戶外，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中都需要配備逆變器。逆變器還具備自動(dòng)調(diào)壓或手動(dòng)調(diào)壓功能，可改善光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。另外，光伏發(fā)電系統(tǒng)若要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，則輸出必須為交流。因此，逆變器已成為光伏發(fā)電系統(tǒng)中不可缺少的重要設(shè)備。

在光伏系統(tǒng)中，要求逆變器有較高的逆變效率和可靠性，對(duì)直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍。

逆變器的輸出波形有方波、階梯波、正弦波等類型。在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)供電品質(zhì)有較高的要求。另外，當(dāng)中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為避免對(duì)公共電網(wǎng)的電力污染，也要求逆變器輸出失真度滿足要求的正弦波。

3.光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用

中國(guó)是光伏產(chǎn)業(yè)大國(guó)，中國(guó)光伏企業(yè)生產(chǎn)的太陽(yáng)電池占據(jù)全球市場(chǎng)份額50%以上。但國(guó)產(chǎn)太陽(yáng)電池約98%出口，銷往國(guó)內(nèi)市場(chǎng)僅占很小一部分。國(guó)內(nèi)光伏系統(tǒng)的應(yīng)用還處在初步階段，目前主要有通信和工

業(yè)應(yīng)用、農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用、太陽(yáng)能商品、光伏建筑一體化、大型荒漠光伏電站等。今后，按照可再生能源發(fā)展規(guī)劃，將逐步擴(kuò)大光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量。

3.1 通信和工業(yè)應(yīng)用

主要有微波中繼站、光纜通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信和衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)、農(nóng)村程控電話系統(tǒng)、部隊(duì)通信系統(tǒng)、鐵路和公路信號(hào)系統(tǒng)、燈塔和航標(biāo)燈電源、氣象和地震臺(tái)站、水文觀測(cè)系統(tǒng)、水閘陰極保護(hù)和石油管道陰極保護(hù)等。

3.2 農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用

主要有獨(dú)立光伏電站(村莊供電系統(tǒng))、小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)、太陽(yáng)能照明燈、太陽(yáng)能水泵、農(nóng)村社團(tuán)(學(xué)校、醫(yī)院、飯店、商店、卡拉OK廳等)。

3.3 太陽(yáng)能商品

主要有太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能庭院燈、太陽(yáng)能草坪燈、太陽(yáng)能噴泉、太陽(yáng)能城市景觀、太陽(yáng)能信號(hào)標(biāo)識(shí)、太陽(yáng)能廣告燈箱、太陽(yáng)能電動(dòng)汽車、太陽(yáng)能游艇、太陽(yáng)能鐘、太陽(yáng)能帽、太陽(yáng)能手表、太陽(yáng)能玩具等。

3.4 光伏建筑一體化(BIPV)

BIPV即Building?Integrated?Photovoltaic，指的是光伏建筑一體化。BIPV模式這種新能源利用方式，能將太陽(yáng)能光伏發(fā)電與建筑相結(jié)合，利用了建筑屋頂?shù)拈e置空間，組裝太陽(yáng)能光伏發(fā)電模塊，滿足或者補(bǔ)充電力需求�？萍汲晒@示，這種BIPV模式日后將與建筑物幕墻相結(jié)合，以獲得更多的陽(yáng)光和電力，但目前的BIPV主要以樓頂為主，應(yīng)用技術(shù)較為成熟。BIPV在建設(shè)初期成本較高，隨著我國(guó)財(cái)政對(duì)BIPV項(xiàng)目的大力支持，我國(guó)將大幅擴(kuò)大BIPV技術(shù)的應(yīng)用。

光伏建筑一體化的優(yōu)勢(shì)是：

(1)清潔能源，節(jié)能并減少環(huán)境污染;

(2)一旦市政發(fā)生特殊情況(如地震災(zāi)難時(shí))，太陽(yáng)能光伏發(fā)電能夠滿足本建筑的需求，不會(huì)因?yàn)槭姓娋W(wǎng)中斷而斷電。

3.5 大型荒漠光伏電站

氣象資料顯示，中國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，主要集中在西北地區(qū)。太陽(yáng)能資源極豐富帶的地區(qū)包括西藏大部、新疆南部以及青海、甘肅和內(nèi)蒙古的西部。這些地區(qū)的年太陽(yáng)照量超過1750kWh/(m2.a)，而且月際最大與最小可利用日數(shù)的比值較小，年變化較穩(wěn)定，是太陽(yáng)能資源利用條件最佳的地區(qū)。這些地區(qū)大部分為荒漠，很適合利用起來建設(shè)大型荒漠光伏電站。大型荒漠光伏電站建設(shè)已經(jīng)啟動(dòng)，如青海省格爾木200MW大型荒漠光伏電站已經(jīng)并網(wǎng)投運(yùn)。

3.6光伏發(fā)電未來應(yīng)用前景

2009年12月，中國(guó)政府在哥本哈根氣候變化領(lǐng)導(dǎo)人會(huì)議上承諾：至2020年我國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%，非石化能源占一次能源消費(fèi)的比重提高至15%左右。這是世界上最大的發(fā)展中國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化的莊重承諾，表明我國(guó)政府在應(yīng)對(duì)氣候變化和降低二氧化碳排放問題上作為一個(gè)負(fù)責(zé)任大國(guó)的態(tài)度和決心。《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》確定的光伏發(fā)電裝機(jī)目標(biāo)為：到2015年達(dá)1000萬(wàn)kW，到2020年達(dá)5000萬(wàn)kW。中國(guó)光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用潛力巨大。

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