作者：冯垛生,王飞
出版社：人民邮电出版社
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太阳能光伏发电技术图解指南试读：
前言
2007年作者在人民邮电出版社出版了《太阳能发电原理与应用》一书，三年来社会反应较好，因为该书在国内较早地反映了光伏新能源的原理与应用，对读者学习和了解光伏技术起了一定的启蒙作用。同年，化学工业出版社也出版了沈辉教授（中山大学）的《太阳能光伏发电技术》。这两本书同时为台湾五南出版公司购去版权并于2009年1月在台湾出版发行。2008年上海电机学院通知作者正式将该书列为该校“能源工程”本科专业教材。
近三年来，国际金融危机使许多国家经济滑坡，能源危机促进德、美、日等先进国家对新能源的关注，不少国家认为这是解决“能源危机”的契机。因此，新能源研究、开发、规划突飞猛进，谁都想抢先夺取新能源的制高点。从专业的角度看，“可再生能源”已不是一个孤立的“能源工程”学科，它与智能电网密切相关，是一个多学科综合工程。要想发展光伏发电，除了大力发展材料工程（纳米技术），还涉及控制工程（信息、传感）、物理学科（用高温超导电缆输电）、计算技术（电力智能化调度）。当然，研究的重点主要还是高效率光伏电池和智能电网（当光伏电站容量大于1GW，即一百万千瓦时，一般并网会存在很多问题）。
回过头来看，《太阳能发电原理与应用》一书尚存在不足之处。从技术层面看该书深度和广度不够，从推广普及角度看又略嫌深奥，因此《太阳能光伏发电技术图解指南》（本书）把普及这个问题放于首位。再者，本书的编写是源于编者今年从媒体上看到的一篇文章（见文献15）。文章题目是“当太空发电神话碰上招商冲动”，讲述某地县级市政府受到国外骗子的欺骗。文章提到：一家名为“全球水电工业公司”的美国企业，凭借高深无比的空间太阳能发电技术，并许诺以巨额投资，在1年多时间内和中国多个地方政府签署了巨额太阳能发电合同，总发电量超过三峡工程数倍。按照这家公司自己宣布的数字，其在中国签约宣布的太阳能发电量总和已经高达500GW，而中国到2020年的光伏发电规划总量也不过才20GW。尤其让人不可思议的是，美国全球水电工业公司与江苏省某县签订的太阳能光伏板生产基地及太阳能发电厂项目协议投资额高达62.5亿欧元，项目占地面2积居然接近700km，年发电量就相当于5个三峡工程。此事经当地媒2体报道后曾在民间引为笑谈，该县总地域面积也不过1461km，莫非要将一半的乡镇都拆了来建工厂？在和地方政府频频合作的同时，全球水电工业公司还现身中国资本市场，签订了一个2亿元的投资协议，亦引来颇多关注。
所谓“太空发电”，本书在第8章有详细叙述，确有其事，美、日正在积极研制，据说7年后可以从太空向地球送电，但规模并没有上述“骗子”讲的那么惊人，仅是小规模试验而已。
据此本书想解决三方面问题：一是力求把未来发展动态讲透（到2030年左右），供管理部门制定发展规划作决策参考；二是介绍多学科综合的新技术，重点是智能电网；三是普及光伏发电基础知识，让政府管理者、企业经理、新能源从业者（工人和技术员）均能看懂。因此，大量删去原书中的数学公式推导、软件流程图、现代控制理论等内容，以面向更大的读者群。
本书选用了不少网上下载的照片、国外杂志上的图片（均注明了出处），这些图片很珍贵，使本书图文并茂增色不少，特向图片的作者表示谢意。
感谢出版社编辑人员几年来对作者的关心与支持，他们付出了比我更多的劳动。
本书第6章由王飞讲师编写，其余部分由冯垛生教授编写，全书由冯垛生教授统稿。书中错误之处难免，敬请读者不吝指正。
最后，向被引用文献的作者致以崇高的敬意。特别要提到清华大学卢强教授（中国工程院院士），他在广州做了“智能电网”专题讲座，把“清华学派”的指导思想公布于世，高屋建瓴，使作者本人受益匪浅，在此深表谢意。作者于广州第1章太阳能光伏发电概述1.1光伏电池和太阳能发电1.1.1 太阳能
太阳能的热能利用和光能利用是其两个最重要的应用领域，之所以特别引人注目，是由太阳能的特殊性所决定的。太阳能具有如下优点：
①储量巨大；
②不会枯竭；
③清洁能源；
④不受地域限制。2
在地球大气圈外的太阳光强度为1.38kW/m，其中有30％向宇宙反射，其余的70％可到达地球。太阳的寿命据推算有几十亿年，所8以太阳能可称为无穷大能源。由于太阳距地球约1.5×10km，故有害2的放射能不会对地球产生影响。此外，太阳能不会产生CO等有害物质，不会引起地球变暖，是一种清洁能源。
火力发电或原子能发电所需的燃料常受到地域限制，而太阳能不存在明显地域差别，是一种无所不在的能源。在这方面它和计算机的互联网有些类似。
太阳能的缺点是能量密度低，容易受气象条件的影响，不具备蓄电功能等。因此，对于大容量的太阳能发电装置，需要附加储能设备，例如蓄电池组，或把太阳能发电系统和交流电网联网进行能量互补。此外，太阳能发电本身虽然没有对环境造成污染，但光伏电池、电力电子变换装置的制造过程仍会产生环境污染，这在涉及发电效应时也应综合考虑。
如图1-1所示，太阳能到达地球后，除少量（0.02％）供给植物光合作用外，大部分变成热，或向宇宙和海洋反射。太阳能的数量之巨大是十分惊人的，据有关数据，每秒钟太阳能到达地球的能量高达74.2×10千卡。人类一年所消耗的石化燃料，对太阳来说只需照射1小时而已。图1-1 太阳能到达地球后只有少量被利用1.1.2 太阳能变为电能
光伏电池主要由半导体硅制成。半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。在半导体上照射光后，由于其吸收光能会激发出电子和空穴（正电荷），因此半导体中有电流流过，这可称为“光发电效应”，简称“光伏（photovoltaic，PV）效应”。
下面就硅晶体做成的半导体加以说明。众所周知，掺有磷杂质的硅含有多余电子，称为N型半导体；掺有硼杂质的硅含有多余正电荷，称为P型半导体。若将两者结合，称为PN结，这就是半导体器件的最基本结构。光伏电池同样是利用了PN结的光伏效应。
在PN结中，P型半导体的电子受到拉力，N型半导体的正电荷受到拉力，在结合处形成正负抵消的区域，即形成阻挡层。此时，若有光照射，则激发电子自由运动流向N型半导体；正电荷则集结于P型半导体，从而产生了电位势。如果外接灯泡（负荷），就有电流流动。光生电的工作原理如图1-2所示。图1-2 光生电原理1.1.3 利用太阳能进行分散型发电和供电
①如上所述，由于太阳能不受地域限制、无处不在的特点，对难于供电的无电地区，可将太阳能发电用于远离大陆的海岛灯塔、距离城市远的山区小屋、山顶的无线电转播台等，从而最大化发挥太阳能发电优势。
②能减少输电损耗。由于太阳能发电是分散型发电，一般只需满足本区域用电，无需远距离送电，故减少了输电损耗。
③对城市供电高峰的平峰贡献。发电设备建设周期很长，运行以后无法在短时间内增加尖峰负荷所需电力，而且城市供电的负荷十分不均衡。例如，白天比夜晚的用电量大，一般中午13～15时为峰值；夏季由于空调用电量要比冬季用电量增大很多。其应对的方法是，如核电就用抽水蓄能电站来平峰，黑夜负荷低时，就利用多余的电力抽水蓄能；白天负荷高时，用蓄能水力发电以削平电力峰值。这样，太阳能发电就可以在城市用电高峰时，与交流电网并网，以补足峰值负荷的不足，起到“平峰”作用，而且太阳能发电的电力负荷曲线刚好与城市电力的需求相吻合。例如，太阳能发电最大输出功率刚好是中午12～15时，太阳能发电也是夏季比冬季高。目前，国外“太阳能空调器”产品已实用化，太阳能发电提供的容量约等于空调器功率的50％，主要起“平峰”作用（详见后章）。
④电源多样化，可以安全可靠供电。常规能源有火力、水力、核电等；新能源则有风力、太阳能等。多种能源发电、供电，对一个国家的安全、可靠供电有利，将不会依赖特定的燃料供给。特别是发生自然灾害之际，学校、医院、公园都需事先设置紧急的太阳能发电备用电源。1.1.4 小结
太阳能发电系统有如下优点：
①直接利用太阳能；
②光电直接变换；
③分散型发电系统。
现具体将其特点汇总于表1-1。表1-1 太阳能发电系统特点1.2太阳能发电发展史1.2.1 光伏电池开发史
太阳能发电发展史如表1-2所示。太阳能发电的历史可以追溯到1800年，伯克莱氏发现对某种半导体材料照射光后，会引起其伏安特性改变。最终，发现了光伏效应，并以此半导体制成光伏电池。其后，对硒、氧化铜等半导体材料进行研究，同样发现此种光伏效应，也制成类似的光伏电池。图1-3为太阳能光伏发电“黎明期”的应用举例。图1-4至图1-7为太阳能光伏发电在“电力期”的典型应用（单栋住宅、小区光伏发电网、建筑外墙、独立发电等），图1-8至图1-10为太阳能光伏发电在“未来期”（梦想期）的概念图（在以后章节还要详述）。表1-2 太阳能发电发展史图1-3 太阳能光伏发电“黎明期”举例图1-4 单栋住宅光伏发电（3kW）图1-5 住宅小区光伏发电（553户，每户3.85kW，总容量2130kW）图1-6 日本东京京瓷太阳能电池公司（京瓷大厦）的214kW太阳能发电系统图1-7 西班牙沙玛琅卡市超级光伏发电站（容量13.8MW）图1-8 “梦想”之一用超导电缆联网的国际级光伏电网概念图图1-9 “梦想”之二戈壁沙漠中的超级（若干吉瓦）光伏电站概念图图1-10 “梦想”之三宇宙光伏电站（用微波传输至地球，功率5～8GW）1.2.2 各国“新能源政策”对太阳能发电的促进
由于光伏电池较其他能源价格高，目前，它在与常规能源（火力、水力发电）的竞争中尚处于劣势地位，需要政府在政策与法律方面给予资助才能促进其发展与普及。例如，德国在1991年发布了鼓励“再生能源发展法”，从法律上规定，电力公司有义务以一定的合理价格，收购太阳能发电的多余电力。日本从1992年开始规定电力公司收购太阳光发电和水力发电等分散型电源的多余电力的具体办法（例如，安装逆潮流电度表及如何计价）。2003年，日本又颁布RPS法（新能源利用的特别措施），其内容包含设立清洁能源电力发展基金和市民安装小型太阳能发电装置的资金补助（一般补助金额可达全部设备购置费的50％）。以上举措均对太阳能发电等新能源的发展起了促进作用。
中国有关光伏发展的最新政策是在2015～2020年期间建成智能电网，可以逆潮流供电，光伏发电达到廉价上网（0.5～1元／千瓦时）。此外，财政部与住房和城乡建设部于2009年3月和2009年7月发出两个文件：①《加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》；②《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》。其要点是用户购买光伏发电装置（商品），每瓦由国家财政补助20元；光伏并网项目立项经费由国家财政补助50％，若为无电边远地区，离网（独立型）光伏发电项目则补助70％，更为优惠。
最近，财政部、科技部、住房和城乡建设部、国家能源局四部门共同召开会议，联合对金太阳示范工程和太阳能光电建筑应用示范工程的组织和实施进行部署。会议传出的值得关注的信息有：一是四部门明确，2009年、2010年国内光伏发电规模化应用示范工程建成投产后，明后两年将因地制宜进一步扩大示范，力争2012年以后每年国内应用规模不低于1000MW；二是会议提出要加大政策支持力度，对金太阳和太阳能光电建筑应用示范项目，中央财政对关键设备按中标协议价格给予50％补贴，其他费用按不同项目类型分别按4元／瓦和6元／瓦给予定额补贴；三是会议要求把各地开发区和工业园区作为国内扩大光伏发电应用的重点，争取使园区内具备条件的厂房上都安装光伏发电系统；四是会议强调进一步规范和简化光伏电量并网程序，并对富余电量按国家核定的当地脱硫燃煤机组标杆上网电价实行全额收购；五是会议提出建立“财政——科技联动新机制”，促进科技成果产业化和规模化，尽早实现光伏发电“平价”上网。
表1-3汇总了有关国家和地区促进光伏发电不同的“新能源政策”。表1-3 有关国家和地区支持光伏发电的不同政策1.3太阳能发电和环保的关系1.3.1 3E的概念
经济、资源、环保是困扰现代社会发展的三大问题，简称为3E（Economy Environment Energy）。要发展经济首先要有资源，约50万年前人类发现了“火”，直至今日仍大量消费石化燃料。随着工业化的推进和人口的增长，资源的消耗量日增，从而可预见若干年后会出现资源危机。图1-11所示为世界各种资源的可采年数。图1-11 世界各种资源的可采年数（据2006年“世界能源会议”资料）
除资源枯竭问题外，在石化燃料的使用过程中，环境保护也是不容忽视的问题。环保问题以地球变暖和酸雨为代表，地球变暖是由于二氧化碳、臭氧层等的作用，地球吸收到的太阳热能很难释放到大气层外，使地球的温度每隔100年上升约1℃。此外，石化燃料在燃烧过程中产生的二氧化碳、氧化硫等又制造了酸雨。因此，1997年第三届控制排放物的京都国际环保会议（COP3）成员（不含中国）研究，2002～2012年10年间排放量需逐年减少6％（与1990年比）。要想做到这一点，除改善现有常规发电设备的排放条件外，重要的是开发新能源，其中首选的是太阳能发电和风力发电。1.3.2 各种发电设备价格、性能的比较
这里，价格包含每千瓦投资额（回收年数）和发电价格（元／千瓦时）；而性能除技术上的含义外，重点是分析环保及社会效益。1．电价
现罗列全部发电设备的类别。其中，常规能源四种，包括火力（煤、石油）、火力（液化天然气）、水力、核电；新能源两种，包括太阳能和风力。其电价（元／千瓦时）的比较见图1-12。图1-12 不同发电装置的电价比较（每千瓦时的价格相对值）
由图1-12可知，若以火力发电（煤、石油）的电价为100％，则太阳能发电的电价为300％。若要提高太阳能发电的竞争力，应力图使电价降低一半。
电价的确定主要依据设备初投资和回收年限以及设备使用寿命这几个因素。现将太阳能发电和核电投资作比较。如果仅从初投资一项2看，设太阳光强度为1kW/m，1天用4h，设备利用率为4/24≈17％，变换效率为0.8，则以此和核电比较，每千瓦的投资只有核电的1/5。当然，比较不仅是初投资一项，还要考虑寿命和回收年限。
例如，标准的住宅用太阳能发电装置为3kW，国际市场平均价格为2万～2.5万美元。假设设备寿命为20年，每天发电4h，则总共可发电：3kW×4h/d×365d×20a=87600kWh
以此推算电费为2～3元／千瓦时较合理。2．EPT和LCA评价指标（1）EPT（Energy Payback Time）
EPT是指新能源开发投资的回收时间，可用下式表示：in式中，E为太阳能发电系统开发所需投入的总能耗（含制造光伏电out池、逆变器、开关等）；E为太阳能发电系统年发电量。
若以生产规模10～100MW/a进行分析，多晶硅光伏电池EPT回收年限为2～3年，非晶硅为1～2年。若太阳能发电系统的寿命定为20年，则只需1/10的时间即可完成EPT，其余时间即可生产清洁能源并获利。
当今社会上尚存在有不赞成用光伏发电的观点，或者认为可再生能源应用的重点是风电或其他。他们的论据是“太阳能板的生产加工是个高能耗过程——生产一块太阳能板所消耗的石化能源与它利用太阳能20年所节约的能源相当”。
这种论点是很片面的，前已述设备的回收年限EPT依存于光伏电池的变换效率和生产量。国际上，一般认为生产100MW的光伏电池，用单（多）晶硅材料回收年限为1.5～2年；薄膜硅系列则只需1年左右。一般光伏电池板的寿命为20年，即EPT只是1～2年，并不算长。
图1-13表示从生产所需能耗角度看，光伏电池可形象地看成可以“自行增殖”，即一块电池所发电量可以制造两块，两块电池电量可以制成4块电池，以此类推。图1-13 从生产能耗角度看光伏电池的自增殖现象（2）LCA
该指标的含义是生活必需品从制造到废弃的过程中直接或间接消耗的能量。LCA的原意是评价一般工业产品，但这里的评价对象是太2阳能发电，因此，LCA包含EPT和CO排放两个内容。2
若太阳能发电系统单位发电量所排除的CO为g，则：22式中，g为CO在LCA过程中排放出单位量；G为CO排除总量；L为太阳能发电系统的使用寿命（a）。
现据此LCA指标把火力发电和太阳能发电作一比较。
以光伏电池的生产规模为10～100MW/a为例，多晶硅为20～13(g-c)/kWh，非晶硅为8～16(g-c)/kWh，火力发电为200～300(g-c)/2kWh。由此比较可知，采用太阳能发电后，CO的削减效果十分明显out（c为与E·L有关的系数）。1.3.3 石化燃料（石油、煤、天然气）引起的温室效应1．温室效应的概念
图1-14显示出石化燃料燃烧后对地球环境的影响。石化燃料的主要化学成分是碳，此外还含有硫和氮。燃烧后，将产生大量的二氧化222碳（CO）排于大气中，二氧化硫（SO）和二氧化氮（NO）与大气中的水分化合产生硫酸和硝酸，它们溶解于雨、雪、雾之中，会形成酸度很强的“酸雨”。这些物质将使河流和土壤受到污染，造成植物枯萎、鱼贝类死亡。图1-14 石化燃料燃烧对地球环境的影响2
大气中增多的CO的主要祸害是产生“温室效应”，如图1-15所示。太阳光到达地球，为地表所吸收产生热量，并以红外线的形式向2太空发射。由于CO的作用，在地球上方形成温室效应气体层（主要2是CO），使一部分热量又返回地球表面。如图1-15所示，当下方温室气体层变厚时，反射热量明显增多。图1-15 温室效应的概念“温室效应”的存在给地球覆盖了一个保暖层，使全球平均气温保持在15℃；如果没有这个保暖层，地球平均气温将降到-18℃，不2适合人类居住。但若CO使温室效应气体层加厚，则地球温度将逐年上升，引起灾害。2
经专家研究，200多年来，CO一直存在于大气层中且基本保持-6-6其浓度在200×10～300×10，自工业革命开始，石化燃料用量增加，-622CO浓度逐步上升，2005年检测出空气中的CO浓度已增至379×10，总的趋势是不断上升。2
CO的增加带来的后果之一是世界的平均气温（特别是北半球）升高。2．地球变暖的影响
由于地球平均气温上升，南北极的冰山开始有部分消融的迹象。图1-16所示是尼泊尔东部喜马拉雅山地区冰河10年内变动的情况，冰河溶解会引起洪水泛滥及后续的干旱。图1-17所示为航拍的北冰洋冰山形态的变动情况（1979～2005年）。冰山溶解将引起海平面上升，严重的将使某些岛国被淹没。融冰后使海平面上升的另一影响是气象不正常，国际气象部门对46个地点进行气象检测发现，由于海水温度升高，1898～2003年这约100年间，年降水量减少8％，60mm以上的强降水则增加30％，从而引发水灾。此外，强台风（风速＞45m/s）发生的次数明显增加。图1-16 尼泊尔地区冰河改道现象（航拍图片）［资料来源：Sea Ice Minimum（1978～1998年）］图1-17 北冰洋冰山部分消融（航拍图片）［资料来源：同上（1979～2005年）］3．人类能源消费的历史及预测
人类进入21世纪，技术与经济均得到飞跃性的发展，人们的生活变得丰富起来。但人口增长的压力不断增大，40年前全球人口只有30亿人，到2008年超过65亿人，预计40年后的2050年将增至90亿人。但自然能源是有限的，不会随人口增长而增多。如前所述，除煤炭外，其余能源均达枯竭的边缘，其中威胁最大的是石油，只有40年的寿命。因此，2020～2030年间人类开始遭遇能源危机。可代替的新能源（可再生能源）只能是太阳能。
由图1-18可见，从2020年起，太阳能（光伏发电）将逐渐成为提供人类能源的主角（占50％以上），随后光伏发电将不断增加份额，直至2100年，将成为占总份额70％的能源主流。对现在的大多数人来说，还感到“遥远”，但人类应未雨绸缪，加紧可再生能源的研发。图1-18 人类能源消费的历史及未来预测1.4国内外光伏发电的现状与趋势
本节将用一系列图表和统计数字说明近十年来世界及我国光伏发电的发展（到2009年止）。1.4.1 部分国家已安装光伏发电装置的容量（已应用）
迄至2007年部分国家已安装光伏发电装置的容量见图1-19。图1-19 迄至2007年部分国家已安装光伏发电装置的容量（资料来源：PV news 2008年3月、4月）1.4.2 世界光伏电池板生产量（MW）
世界各国光伏电池板产量的相关统计见图1-20至图1-23。图1-20 欧美日本等国光伏电池板生产量统计之一（资料来源：同上）图1-21 世界各国光伏电池板生产量统计之二图1-22 世界各国光伏电池板生产量统计之三图1-23 对光伏电池板所用材料的统计图注：a-Si／单晶硅电池又称HIT光伏电池，是在N型单晶硅基板上利用等离子体工艺在其表面形成氢化P型非晶薄膜（即a-Si）。该电池又称HIT光伏电池，其效率可高达22％。
据世界光伏协会于2010年9月23日发布的最新统计结果，2009年光伏电池生产创新纪录：2009年全球光伏电池生产达10700MW（10.7GW），比上年增长51％。2004年光伏电池产量第一次达到1000MW，2008年较上年增长了89％，虽然2009年光伏产业发展增速放缓，但仍维持较高增长。图1-22给出了1985～2009年世界每年的光伏电池生产量。
2009年中国大陆光伏电池生产量为3800MW，连续第二年居世界首位。中国大陆和中国台湾地区（世界排名第三）产量相加，占世界光伏电池总产量的49％。2009年排名前5名的生产国和地区依次为中国大陆、日本、中国台湾地区、德国和美国。
截至2009年年底，全球光伏装机容量达23000MW，可以为460万户家庭供应电力。光伏发电是世界上增长最快的新能源发电技术，目前应用光伏发电的国家超过100个。
虽然中国大陆生产的光伏电池占世界总产量的1/3，但95％用于出口，其中大部分出口德国。德国是世界领先的光伏利用大国，其2009年新增光伏装机容量3800MW，是全球新增量7200MW的一半，这也使德国的光伏装机容量达到9800MW，接近于仅次于它的西班牙的3倍。而2010年上半年，德国新增光伏装机容量达3800MW。意大利2009年新增光伏装机容量为730MW，总装机容量翻了一番，排在三四位的日本和美国2009年新增光伏装机容量均接近500MW。1.4.3 光伏企业世界十强生产量统计
光伏企业世界十强生产量统计结果见表1-4。表1-4 光伏企业世界十强生产量统计1.4.4 今后的课题和展望1．降低光伏发电成本，提高电池板变换效率和延长寿命
表1-5给出了预测2025年光伏装置的成本、效率和寿命的目标，成本可降至3元／千瓦时，效率提高一倍，寿命也比预期的20年有较大提高。光伏系统的寿命和将来发电成本（电价）有很大关系。表1-6举出寿命分别为20年、40年、60年、100年的例子（设光伏系统
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