光伏發電技術與光伏產業的發展

聶德志 胡永波

【摘 要】本文首先介紹了三次能源革命的過程以及太陽能在第三次能源革命中所處的地位。指出了太陽能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源，具有普遍無害無污染的特點。太陽能在第三次能源革命中具有重要的地位。隨后，介紹了太陽能光熱，太陽能光電，太陽能光化學太陽能燃油這四種太陽能利用途徑，全面展示了太陽能被人們所利用的方式。緊接著，提出光伏發電技術的基本原理和光伏發電系統的基本組成和分類，將光伏發電系統分為獨立光伏發電系統和并網光伏發電系統。在接下來的部分當中，引用大量統計數據，指出了全球光伏行業處于在迅速蓬勃的發展階段，中國光伏行業也在迅速、持續的增長當中，成為全球光伏產業發展的主要動力。另外介紹了其他國家光伏行業的發展。在文章的最后，指出了光伏發電在節能減排中具有的重要意義，在未來人們的生產和生活當中必將發揮重要的作用。在第三次能源革命中，光伏發電的能源利用方式也必將扮演重要的組成部分，對人們的生產生活和環境的保護起到重要的影響。

一、三次能源革命、太陽能在能源革命中的地位

能源是為人類生產和生活提供能量以及做功的自然資源。歷史學界指出，人類社會已發生過兩次能源革命，正在進行著第三次能源革命。

早在遠古時期，人類就在勞動中學會鉆木取火，學會利用木材的燃燒能量照明、取暖和加工食物。在4000-5000年以前，埃及人發明了風帆，即使人類不劃船，船也能乘風前進。2000多年前，人們又學會了制造水車、風車，利用水和風的能量來提水、磨面。在第一次能源革命中，從1709年用焦炭煉鐵，到1920年煤炭占世界商品能源結構的87%，前后經歷了200余年。

19世紀70年代，隨著電磁學的發展，人們先后制成了有實用價值的電動機和發電機，標志著第二次能源革命的到來。本次能源革命中，人們主要利用的能源是煤、石油和天然氣。此后，直至1959年，石油、天然氣在世界商品能源構成的50%，前后經歷了100年。然而，據估算，石油在地球上的儲量約為2000億噸，50年后就要枯竭，是不可再生能源。煤的總儲量是9萬億噸，最多可維持260年。并且在使用這些能源的過程中，要排放大量二氧化碳氣體和有害氣體，引發溫室效應和大氣污染。

人們從20世紀30年代開始，一直在研究和開發新型能源。其中包括對太陽能、水能、地熱能的深層次轉換和利用，還包括發展核能、海洋能、生物能、氫能、化學合成能等。這些能源大多數屬于可再生能源，并且具有能量大、效益高、使用方便、無污染等特點。人們對它們的使用，構成了第三次能源革命。本次能源革命至今尚未完成。從統計數據來看，2015年可再生能源占世界總能耗20%，預計2050年可占50%[1][2]。

指太陽的熱輻射能，是由太陽內部氫原子發生氫核聚變而釋放出的能量，是一種取之不盡，用之不竭的清潔能源，它具有普遍，無害，無污染，能源長久等特點。在第三次能源革命中，太陽能具有重要的地位。

二、太陽能的利用方式

第一種利用方式是利用太陽能光熱。它的基本原理是將太陽輻射能收集起來，通過與物質的相互作用轉換成熱能加以利用。

第二種利用方式是太陽能光電利用，太陽能光電是指太陽的輻射能光子通過半導體材料轉變為電能，通常叫“光生伏打效應”，太陽能電池就是利用這種效應制成的。

第三種方式是光化學利用。這是一種利用太陽輻射能直接分解水制氫的光—化學轉換方式。它包括光合作用、光電化學作用、光敏化學作用及光分解反應。太陽能光化轉換正在積極探索、研究中。

第四種利用方式是燃油利用。截止目前，研發團隊已在世界上首次成功實現實驗室規模的可再生燃油全過程生產，其產品完全符合歐盟的飛機和汽車燃油標準，無需對飛機和汽車發動機進行任何調整改動。

三、光伏發電技術原理及光伏發電系統簡介

1.光伏發電技術原理

光打在太陽能電池感光面上其內部將光能轉化為電能依靠的就是光生伏特效應。光生伏特效應是半導體材料的一種特性，光場照射到半導體材料，其內部電子在光場驅動下運動產生電動勢，如果在外部接上負載則可以利用這部分電勢做功將光能以電能形式利用起來。

太陽能電池在沒有光照的情況下，其電路特性體現為半導體材料的特性，表現為一個負載，其電流電壓的關系滿足指數規律，相當于一個二極管：

其中V為太陽能電池兩端的電壓，I為流經太陽能電池的電流，T為太陽能電池溫度，e、kB為物理常數。根據指數函數的性質可大致了解太陽能電池在外加電場下的伏安特性。

與太陽能電池暗特性對應的是太陽能電池在光照射下的響應特性。此時因有光生伏特效應，太陽能電池表現為一個電源，為外界負載提供電動勢，輸出電能 [3]。

2.光伏發電系統簡介

光伏發電系統是由光伏電池板、控制器和電能儲存及變換環節構成的發電與電能變換系統。太陽光輻射能量經由光伏電池板直接轉換為電能，并通過電纜、控制器、儲能等環節予以儲存和轉換，提供負載使用。光伏發電系統按與電力系統關系分類，通常分為獨立光伏發電系統（Stand-Alone PV System）和并網光伏發電系統（Grid-Connected PV System）[4]。

四、光伏發電行業的現狀和未來

1.全球光伏行業發展概況

據預測，到2030年全球光伏累計裝機量有望達1，721GW，到2050年將進一步增加至4，670GW，光伏行業發展潛力巨大。預計2018-2022年全球新增裝機容量分別為101.91GW、107.01GW、125.20GW、140.40GW和157.80GW。按照每GW安裝量對太陽能電池背板的需求量為610萬平方米進行估算，對應的2018-2022年太陽能電池背板需求量分別為6.22億平方米、6.53億平方米、7.64億平方米、8.56億平方米和9.63億平方米。

2.中國光伏行業發展概況

2002年，我國光伏行業開始起步。在“十五”期間，我國在光伏發電技術研發工作上先后通過“國家高技術研究發展計劃”、“科技攻關”計劃安排，開展了晶體硅高效電池、非晶硅薄膜電池、碲化鎘和銅銦硒薄膜電池、晶硅薄膜電池以及應用系統的關鍵技術的研究，大幅度提高了光伏發電技術和產業的水平，縮短了光伏發電制造業與國際水平的差距。我國光伏發電行業從2004年進入快速發展時期，光伏電池產量和裝機量逐年上升。

中國的太陽能資源分布廣泛，有條件大規模發展光伏行業，光伏發電已成為我國新能源產業中發展最快的產業。中國光伏產業起步較晚但呈現迅速發展的勢頭。2010年后，在歐洲經歷光伏產業需求放緩的背景下，我國光伏產業迅速崛起，成為全球光伏產業發展的主要動力。

2013年以來，中國出臺了一系列有關光伏產業發展的政策，從產業政策提出的脈絡看，中國光伏行業主要沿著“補貼促進規模發展——規范行業環境——多種模式發展——新能源電力并網——降低補貼”的路徑發展。2017年度，我國光伏新增并網裝機量達到53GW，同比增長超過50%，累計并網裝機量高達131GW，位居全球首位。

在未來，隨著我國光伏技術的逐漸提高，我國光伏行業仍具有巨大的發展空間。據預測，到2030年全球光伏累計裝機量有望達到1，721GW，到2050年將進一步增加至4，670GW，光伏行業發展潛力巨大。在美國、歐盟和印度等新興國家較為強勁的需求下，預計2020-2022年全球新增裝機容量分別為125.20GW、140.40GW和157.80GW。按照每GW安裝量對太陽能電池背板的需求量為610萬平方米進行估算，對應的2020-2022年太陽能電池背板需求量分別為7.64億平方米、8.56億平方米和9.63億平方米。

中國光伏制造企業當前在技術和成本上已占據壓倒性優勢，目前我國光伏行業處于競爭加劇時代，光伏企業“降本增效”，現在處于先進生產技術研發加快階段，很多先進晶體硅電池技術多次打破世界記錄。如鈍化發射區背面鈍化（PERC）技術、N型硅雙面電池技術、多晶黑硅電池技術等高效晶硅電池技術提升了電池的轉換效率，我國光伏產業鏈各個環節產量全球占比均超50%，穩居世界第一[8]。

3.其他主要國家光伏行業發展概況

全球生產規模前十的中國企業數目從2011年的4家增長到2017年的8家，美國從2家減少到0家。2011年到2017年，組件產能由原先的35GW逐步增長到現在的105.5GW，中國大陸占據了72%左右的產能。

2007年，德國光伏發電已占整個發電行業的14.2%。至2010年底，德國光伏發電裝機容量已達到1719.3萬千瓦，到2020年至5100萬千瓦。目前德國已形成完善的光伏產業鏈，并成立了德國航天航空研究中心太陽能實驗室，其目標是技術支持歐洲第一座光熱電站項目的開發，逐步致力于降低光熱發電的成本，并研究以化學方式儲存太陽能。

法國的發展狀況如下：2009年，世界上第一座能“追蹤”太陽的太陽能發電在法國馬帝亞克小城正式投運，其光電接收轉換裝置的面積達3500平方米，轉換效率提高了20%?40%。

西班牙在太陽能發電領域位居世界前列，是全球增長最快的光伏國家之一，2010年底光伏發電裝機容量為378.4萬k W，預計2020年將達到870萬kW。

以色列南部內蓋夫沙漠中在建的占地1000英畝，發電功率50萬k W的世界最大的太陽能發電廠，一期發電能力將達10萬k W，2012年完工時達到50萬k W，發電量約占全國電力生產的5%。

印度作為世界上最大的太陽電池模板制造國之一，2009年制定了耗資700億美元的國家太陽能計劃，預計發電量在2022年前達到20GW p。

五、光伏發電在節能減排中的意義

太陽能是一種非常穩定的能源，在能源短缺的今天，太陽能給人們帶來了希望，人們可以通過光伏發電實現能源的可持續利用，改善生產和生活。

光伏產業是以太陽能綜合利用為核心的包含不同制造部門的產業鏈條，既消耗能源又生產能源。光伏發電應用所產生的能源遠大于從硅材料提取到光伏組件生產所消耗的能源。通常認為光伏系統的使用周期為25-30年，除去整個光伏系統建造所需的能源回收期約4年外，還有至少21年的能源凈生產期。隨著技術發展和生產條件的進一步改進，光伏組件生產的噸能耗還會下降，而太陽能電池轉換率的進一步提高以及電池使用壽命的延長會使能源生產效率得到新的提升。

在污染物減排方面，光伏發電體系利用清潔無污染的太陽能資源。與傳統能源相比，在二氧化碳、二氧化硫以及氮氧化合物等污染物的減排方面效果明顯[10]。因此，以光伏發電為核心的能源利用，對于推進低碳經濟建設，實現節能減排的目標，具有重要意義。伴隨相關工藝流程的改進和技術進步，光伏產業發展的節能減排效應還將進一步顯現。

參考文獻：

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[2]本刊編輯部.國內外新能源開發資料選登[J].水電與新能源，2019，33（10）：79-80.

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[4]趙晶，趙爭鳴，周德佳.太陽能光伏發電技術現狀及其發展[J].電氣應用，2007（10）：6-10+136.

[5]劉飛，段善旭，徐鵬威，王志峰.光伏并網發電系統若干技術問題的研究[J].太陽能，2006（04）：34-37.

[6]石定寰，趙玉文，吳達成.大力發展太陽能光伏發電關鍵材料 力促我國實現節能減排目標[J].新材料產業，2010（03）：3-10.

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[9]袁驚柱，王婧.中美光伏產業競爭力比較分析及啟示[J].中國經貿導刊（中），2019（07）：21-24.

[10]王開科，黃如良，關陽.低碳經濟背景下我國光伏產業發展路徑選擇[J].經濟問題探索，2010（10）：43-47.

作者簡介：

聶德志，男，2000，江蘇鹽城，主要研究能量采集及微機電系統。

通訊作者：

胡永波，男，2000，陜西渭南，主要研究材料及物理。

（作者單位：西北工業大學）