【正文】 球范圍內(nèi)太陽能發(fā)電裝機(jī)容量將從 2021年的 1210 兆瓦上升至 2021 年的 3000 兆瓦，年增長率為 22%” 。德國去 年太陽能業(yè)的總產(chǎn)值達(dá)到 20 億歐元，比前年增長 60%。近五年來日本居民光伏屋頂系統(tǒng)年增長率為 %，成為目前世界上光伏發(fā)電最大的市場。 2021 年全球太陽電池和光伏組件產(chǎn)量約 600MW，其中日本 占 45％ 。 1993 年，包括太陽光在內(nèi)的新能源消費(fèi)量約占全日本能源消費(fèi)的 3%。 1997 年到2021 年間， 日本政府向用于住宅屋頂上的太陽能電池板安裝工程投入了 1230 億日元的資助金。 4 日本政府 2021 年 11 月發(fā)布了“太陽能發(fā)電普及行動(dòng)計(jì)劃”，確定太陽能發(fā)電量到 2030 年的發(fā)展目標(biāo)是要達(dá)到 2021 年的 40 倍 ，并在 35 年后，將太陽能電池系統(tǒng)的價(jià)格降至目前的一半左右。 美國 光伏產(chǎn)業(yè) 現(xiàn)狀 1973 年，美國制定了政府級(jí)陽光發(fā)電計(jì)劃，太陽能研究經(jīng)費(fèi)大幅度增長，并且成立太陽能開發(fā)銀行，促進(jìn)太陽能產(chǎn)品的商業(yè)化。 1994 年度的財(cái)政預(yù)算中，光伏發(fā)電的預(yù)算達(dá) 7800 多萬美元，比 1993 年增加了 %； 1997 年美國和歐洲相繼宣布“百萬屋頂光伏計(jì)劃”，雖受金融危機(jī)的影響，美國政府對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的扶持力 度仍然沒有降低， 2021年 9 月 16 日，美國參議院通過了一攬子減稅計(jì)劃，其中將光伏行業(yè)的減稅政策（ ITC）續(xù)延 26 年。 據(jù) 國際能源網(wǎng)報(bào)道，根據(jù)美國環(huán)境 Coop 非盈利組織最近的一份研究指出：太陽能發(fā)電的成本將在十年內(nèi)與傳統(tǒng)化石能源發(fā)電成本對(duì)等。美國將在 2021 年抵達(dá)這一交叉點(diǎn)。 2021 年，美國太陽能光伏和光熱發(fā)電已經(jīng)從 2021 年的 600MW 提高到 3000MW。印度、馬來西亞等東南亞國家，也制定了國家的光伏發(fā)展計(jì)劃。 2021 年，在太陽能光電產(chǎn)業(yè)鏈中有大量的投資集中到新產(chǎn)能的提升上。雖然受金融危機(jī)影響，德國、西班牙對(duì)太陽能光伏發(fā)電的扶持力度有所降低，但其它國家的政策扶持力度卻在逐年加大。中國的光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有 兩 次跳躍，第一次是在上世紀(jì) 80 年代末，我國的改革開放正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，國內(nèi)先后引進(jìn) 5 了多條太陽能電池生產(chǎn)線，使我國的太陽能電池生產(chǎn)能力由原來的 3 個(gè)小廠的幾百千瓦一下子上升 到 6 個(gè)廠的 ， 引進(jìn)的太陽電池生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線的投資主要來自中央政府、地方政府、國家工業(yè)部委和國家大型企業(yè)。由于我國西部人口密度小，居住分散，同時(shí)又擁有豐富的太陽能資源 ，所以 太陽能光伏發(fā)電是既 廉價(jià)又清潔的能源選擇 [8]。我國太陽電池制造廠的生產(chǎn)能力約為 ～ 1 兆瓦 /年，比國外生產(chǎn)規(guī)模低一個(gè)多數(shù)量級(jí)。電池效率、封裝水平同國外存在一定差距。 （ 4）成本高。 （ 5）市場培育和發(fā)展遲緩，缺乏市場培育和開拓的支持政策、措施。在今后的十幾年中，太陽電池的市場走向?qū)l(fā)生很大的改變，到 2021 年以前中國太陽電池多數(shù)是用于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，從 2021 年到 2020 年，中國光伏發(fā)電的市場主流將會(huì)由獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括沙漠電站和城市屋頂發(fā)電系統(tǒng) [9]。可再生能源法規(guī)定國家將可再生能源開發(fā)利用的科學(xué)技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展列為科技發(fā)展與高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域，納入國家科技發(fā)展規(guī)劃和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī) 6 劃，并安排資金支持可再生能源開發(fā)利用的科學(xué)技術(shù)研究、應(yīng)用示范和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，促進(jìn)可再生能源開發(fā)利用的技術(shù)進(jìn)步，降低可再生能源產(chǎn)品的生產(chǎn) 成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 為促進(jìn)我國可再生能源和新能源技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，根據(jù)國家可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃，國家發(fā)展和改革委員會(huì)決定在 2021～ 2021 年期間，實(shí)施可再生能源和新能源高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)。 2021 年，中國光伏電池產(chǎn)量首次超過德國和日本，居世界第一位。近 5 年來，中國光伏電池 產(chǎn)量年增長速度為 13 倍，光伏電池產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的比例也由 2021 年 ％ 增長到 2021 年的近 15％ 。 由于技術(shù)和成本問題， 我國能源政策在今后很長一個(gè)時(shí)期都是以節(jié)能為主，效率為本。但不可否認(rèn)的是，煤炭和石油的價(jià)格逐步上升，光伏發(fā)電價(jià)格的逐步下降，在某一個(gè)時(shí)期會(huì)有一個(gè)交叉點(diǎn)出現(xiàn)，那時(shí)候，光伏發(fā)電就進(jìn)入了成熟的發(fā)展期 。太陽能發(fā)電完全是一種零排放的清潔能源，也是一種接近規(guī)模應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)能源，雖然存在著占地面積大，設(shè)備價(jià)格高的缺點(diǎn)，但未嘗不是解 決世界各國局部電力緊缺的一種有效方式。從現(xiàn)在起到 2030 年，針對(duì)可持續(xù)能源領(lǐng)域的投資有望在 2021 年達(dá)到每年 4500 億美元的水平；從 2020 年開始，投資有可能增加到每年 6000 億美元。根據(jù)我國中長期能源規(guī)劃研究， 2020 年之前，我國將投入 2 萬億 元用于可再生能源的應(yīng)用與研究。 太陽能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。這些數(shù)字足以顯示出太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景 及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。準(zhǔn)備利用地面上沙漠和海洋面積進(jìn)行發(fā)電，并通過超導(dǎo)電纜將全球太陽能發(fā)電站聯(lián)成統(tǒng)一電網(wǎng)以便向全球供電。 萬平方公里才占全部海洋面積 ％ 或全部沙漠 的 ％ ，甚至才是撒哈拉沙漠的 ％ 。 另一 個(gè) 是天上發(fā)電方案。但這需要解決向地面無線輸電 的 問題。目前雖已用模型 樣機(jī) 實(shí)現(xiàn)了短距離、短時(shí)間、小功率的微波無線輸電，但離真正實(shí)用還有漫長的路程。另外，我國可再生能源資源豐富。因此，我國具有大規(guī)模開發(fā)可再生能源的資源條件和技術(shù)潛力，可以 為未來社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供足夠的能源保障。大規(guī)模的光伏發(fā)電， 不僅 可解決廣大中西部無電地區(qū)居民的能源問題。不過， 這不是太陽能產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的主要原因， 一個(gè)更誘人的動(dòng)因是，太陽能在未來建筑上的應(yīng)用，太陽電池組件比太陽能熱水器與建筑更有親和力。因此，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與 建筑結(jié)合方面，將 8 具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，前途無限。 3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng) 光伏發(fā)電概述 光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏打效應(yīng)原理，利 用太陽電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。理論上講，光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場合，上至航天器，下至家用電源，大到兆瓦級(jí)電站，小到玩具，光伏電源可以無處不在。 二是太陽能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草地?zé)艟叩?。我國并網(wǎng)發(fā)電還未起步，不過 ， 2021 年北京“綠色奧運(yùn)” 部分用電主要 由太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā) 電提供。 而 太陽能電池組件 (Solar cells)是利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性實(shí)現(xiàn) PV轉(zhuǎn)換的固體裝置，是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，又稱光伏電池。若在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載就有“光生電 流”流過，從而獲得功率輸出。 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及功能 太陽能光伏系統(tǒng)主要由太陽能電池板、蓄電池、控制器、 DCAC 逆變器和用電負(fù)載等組成。 9 (1) 太陽能電池板 單一太陽電池的發(fā)電量十分有限，實(shí)用中的太陽能電池是根據(jù)系統(tǒng)需求，將多個(gè)電池經(jīng)串、并聯(lián) 組成的電池系統(tǒng)，稱為太陽能電池板。電池板板面為鋼化玻璃封裝，可承受冰雹沖擊和 12 級(jí) 強(qiáng)風(fēng)的力量，使用溫度為 － 40～＋ 60℃ ， 基本可滿足一般需求。 (2) 蓄電池 蓄電池將太陽能電池板產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存起來，當(dāng)光照不足或晚上，或者負(fù)載需求大于太陽能電池板所發(fā) 出 的電量時(shí)，將存儲(chǔ)的電能釋放以滿足負(fù)載的能量需求，它是太陽能光伏系統(tǒng)的儲(chǔ)能部件。 (3) 控制器 控制器對(duì)蓄電池的充、放電條件加以規(guī)定和控制，并按照負(fù)載的電源需求控制太陽能電池板和蓄 電池對(duì)負(fù)載的電能輸出，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，保證系統(tǒng)能正常、可靠地工作，延長系統(tǒng)部件（特別是蓄電池）的使用壽命。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，控制器的功能越來越強(qiáng)大，有將傳統(tǒng)的控制部分、逆變器以及監(jiān)測系統(tǒng)集成的趨勢。如為直流負(fù)載，則不需逆變器轉(zhuǎn)換。 (1) 獨(dú)立系統(tǒng) 單一個(gè)體本身帶有電池板、蓄電池、控制器、用電器等全套配置的系統(tǒng) 。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是 ： 單一個(gè)體是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，即使某一個(gè)體出現(xiàn)故障，不會(huì)影響其他個(gè)體，且不必架設(shè)配電線路。 這是一種常見的太陽 能應(yīng)用方式。系統(tǒng)比較簡單，而且適應(yīng)性廣。 (2) 并網(wǎng)系統(tǒng) 并網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：太陽能電池板產(chǎn)生的直流電經(jīng)過 并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合 10 市電電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入公共電網(wǎng)。但另一方面，系統(tǒng)中需要配置專用的并網(wǎng)逆變器，以保證輸出的電能滿足電網(wǎng)電力對(duì)電壓、頻率等用電性能指標(biāo)的要求。 這種系統(tǒng)能夠并行使用市電和太陽能電池板作為本地交流負(fù)載的電源，降低了整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載缺電率，而且并網(wǎng)光伏系統(tǒng)可以對(duì)公用電網(wǎng)起到調(diào)峰作用。 (3) 混合系統(tǒng) 這是介于上述兩個(gè)之間的系統(tǒng)， 混合系統(tǒng)中除了使用太陽能電池板發(fā)電之外，還使用了柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源，其目的就是為了綜合利用各種發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，避免各自的缺點(diǎn)。使用這種光或柴 油 混合供電系統(tǒng)，可減少對(duì)天氣的依賴性，降低負(fù)載缺電率，并實(shí)現(xiàn)較好的負(fù)載匹配和較高的性價(jià)比。 光伏 發(fā)電系統(tǒng)的效率 在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總效率 ηes 是 由電池組件的 PV 轉(zhuǎn)換率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負(fù)載的效率等組成。因此提高電池組件的轉(zhuǎn)換率，降低單位功率造價(jià)是太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前對(duì)硅電池轉(zhuǎn)換率的研究，主要圍繞著加大吸能面 （ 如雙面電池 ） ， 減小反射； 運(yùn)用吸雜技術(shù)減小半導(dǎo)體材料的復(fù)合；電池超薄型化；改進(jìn)理論，建立新模型；聚光電池等。 表 2 幾種太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率 實(shí)驗(yàn)室典型電池 商品薄膜電池 各種太陽能電池 ηmax(%) 各種太陽能電池 η(%) 單晶硅 多晶硅 多晶硅 銅銦鎵硒 GaAs(單結(jié) ) 碲化鎘 asi(單結(jié) ) 13 銅銦硒 充分利用太陽能是綠色照明的重要內(nèi)容之一。 發(fā)電與建筑照明一體化 各國工程技術(shù)人員 目前 已經(jīng)能夠 把太陽能組件和建筑構(gòu)件加以整合，如太陽能屋面 (頂 )、墻壁及門窗等，實(shí)現(xiàn)了“光伏 建筑照明一體化 (BIPV)”。 日本“新陽光計(jì)劃”已在 2021 年以前將光伏建筑組件裝機(jī) 成本 降到 170～210 日元 /W，太陽能電池年產(chǎn)量達(dá) 10MW，電池成本降到 25～ 30 日元 /W。工廠的南墻面為約 10m 高的 PV 陣列玻璃幕墻，包括屋頂 PV 組件，整個(gè)工廠建筑裝有 575m2的太陽能電池組件，僅此可為該建筑提供三分之一以上的電能，其墻面和屋頂PV 組件造型、色彩、建筑風(fēng)格與建筑物的結(jié)合，與周圍的自然 環(huán)境 的整合達(dá)到了十分完美的協(xié)調(diào)。 BIPV 還注重建筑裝飾 藝術(shù) 方面的研究，在捷克由德國 WIP 公司和捷克合作，建成了世界第一面彩色 PV 幕墻。 國內(nèi)常州天合鋁板幕墻制造有限公司研制成功一種 “ 太陽房 ” ，把發(fā)電、節(jié)能、環(huán)保、增值融于一房，成功地把光電技術(shù)與建筑技術(shù)結(jié)合起來，稱為太陽能建筑系統(tǒng) (SPBS)， SPBS 已于 2021 年 9 月 20 日通過專家論證。 在 2021 年 第二十九屆 北京 奧運(yùn)會(huì)上， 為踐行“綠色奧運(yùn) ”的理念，在眾多的場館和奧運(yùn)村，太陽能也得到了廣泛的應(yīng)用，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)已在國家體育館等 7 個(gè)奧運(yùn)場館得到應(yīng)用，總裝機(jī)容量 600 多千瓦，年發(fā)電量 58 萬千瓦時(shí)；奧運(yùn)場館周圍 80%至 90%的路燈利用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，這是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在北京奧運(yùn)會(huì)的應(yīng)用。 下面 以太陽能路燈為例介紹 太陽能獨(dú)立 發(fā)電系統(tǒng)在照明領(lǐng) 12 域的應(yīng)用。如輸出電 源為交流 220V 或 110V，還要配置逆變器 。 路燈設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù) （ 1）通過已知太陽能路燈使用地來查找使用地的經(jīng)度與緯度。 （ 2）路燈所選用光源的功率（ W）。 （ 3） 太陽能路燈每天晚上工作的時(shí)間（ H）。 （ 4） 太陽能路燈需要保持的連續(xù)陰雨天數(shù)。 （ 5） 確定兩個(gè)連續(xù)陰雨天之間的間隔天數(shù)。 關(guān)鍵部件選型 太陽電池組件 太陽電池組件的電壓會(huì)隨著溫度的升高 而降低，由于高溫的影響，電池組件的電壓損失約 2V，而充電過程控制器上的二極管壓降 為 ，所以選擇工作電壓為 18V 的組件。 蓄電池（組） 13 在選擇蓄電池時(shí)，須要考慮放電率對(duì)蓄電池容量的影響，溫度對(duì)蓄電池容量的影響，放電深度對(duì)蓄電池容量的影響等幾個(gè)方面。蓄電池在進(jìn) 行并聯(lián)連接時(shí)，需要考慮各單體電池間的不平衡影響，通常情況下并聯(lián)組數(shù)不宜超過 4 組。在選擇路燈控制器時(shí)，特別需要注意控制器恢復(fù)連接點(diǎn)參數(shù)，由于蓄電池有電壓自恢復(fù)特性，當(dāng)蓄電池處于過放電狀態(tài)時(shí)，控制器切斷負(fù)載，隨后蓄電池電壓恢復(fù)，如果些時(shí)控制器各參數(shù)點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)，則可能出現(xiàn)燈具閃爍不定，縮短蓄電池和光源的 壽命。目前常見的光源有直流節(jié)能燈、高頻無極燈、低壓鈉燈和 LED 光源。隨著技術(shù)進(jìn)步， LED 的性能將進(jìn)一步提高。 LED 路燈 驅(qū)動(dòng)器是專門針對(duì) LED 路燈系統(tǒng)所研發(fā)的產(chǎn)品，用于提供 LED 燈具穩(wěn)定的電源。 LED 使用注意事項(xiàng) (1) LED 的特性接近穩(wěn) 壓 二極管， 工作電壓變化 為 ， 工作電流可能變化20mA 左右。采用升壓電路是一個(gè)好辦法，也可以用簡單的恒流電路，總之一定要自動(dòng)限流，否則將損壞 LED。