光伏发电技术与光伏产业的发展

聂德志 胡永波

【摘 要】本文首先介绍了三次能源革命的过程以及太阳能在第三次能源革命中所处的地位。指出了太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源，具有普遍无害无污染的特点。太阳能在第三次能源革命中具有重要的地位。随后，介绍了太阳能光热，太阳能光电，太阳能光化学太阳能燃油这四种太阳能利用途径，全面展示了太阳能被人们所利用的方式。紧接着，提出光伏发电技术的基本原理和光伏发电系统的基本组成和分类，将光伏发电系统分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。在接下来的部分当中，引用大量统计数据，指出了全球光伏行业处于在迅速蓬勃的发展阶段，中国光伏行业也在迅速、持续的增长当中，成为全球光伏产业发展的主要动力。另外介绍了其他国家光伏行业的发展。在文章的最后，指出了光伏发电在节能减排中具有的重要意义，在未来人们的生产和生活当中必将发挥重要的作用。在第三次能源革命中，光伏发电的能源利用方式也必将扮演重要的组成部分，对人们的生产生活和环境的保护起到重要的影响。

一、三次能源革命、太阳能在能源革命中的地位

能源是为人类生产和生活提供能量以及做功的自然资源。历史学界指出，人类社会已发生过两次能源革命，正在进行着第三次能源革命。

早在远古时期，人类就在劳动中学会钻木取火，学会利用木材的燃烧能量照明、取暖和加工食物。在4000-5000年以前，埃及人发明了风帆，即使人类不划船，船也能乘风前进。2000多年前，人们又学会了制造水车、风车，利用水和风的能量来提水、磨面。在第一次能源革命中，从1709年用焦炭炼铁，到1920年煤炭占世界商品能源结构的87%，前后经历了200余年。

19世纪70年代，随着电磁学的发展，人们先后制成了有实用价值的电动机和发电机，标志着第二次能源革命的到来。本次能源革命中，人们主要利用的能源是煤、石油和天然气。此后，直至1959年，石油、天然气在世界商品能源构成的50%，前后经历了100年。然而，据估算，石油在地球上的储量约为2000亿吨，50年后就要枯竭，是不可再生能源。煤的总储量是9万亿吨，最多可维持260年。并且在使用这些能源的过程中，要排放大量二氧化碳气体和有害气体，引发温室效应和大气污染。

人们从20世纪30年代开始，一直在研究和开发新型能源。其中包括对太阳能、水能、地热能的深层次转换和利用，还包括发展核能、海洋能、生物能、氢能、化学合成能等。这些能源大多数属于可再生能源，并且具有能量大、效益高、使用方便、无污染等特点。人们对它们的使用，构成了第三次能源革命。本次能源革命至今尚未完成。从统计数据来看，2015年可再生能源占世界总能耗20%，预计2050年可占50%[1][2]。

指太阳的热辐射能，是由太阳内部氢原子发生氢核聚变而释放出的能量，是一种取之不尽，用之不竭的清洁能源，它具有普遍，无害，无污染，能源长久等特点。在第三次能源革命中，太阳能具有重要的地位。

二、太阳能的利用方式

第一种利用方式是利用太阳能光热。它的基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。

第二种利用方式是太阳能光电利用，太阳能光电是指太阳的辐射能光子通过半导体材料转变为电能，通常叫“光生伏打效应”，太阳能电池就是利用这种效应制成的。

第三种方式是光化学利用。这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光—化学转换方式。它包括光合作用、光电化学作用、光敏化学作用及光分解反应。太阳能光化转换正在积极探索、研究中。

第四种利用方式是燃油利用。截止目前，研发团队已在世界上首次成功实现实验室规模的可再生燃油全过程生产，其产品完全符合欧盟的飞机和汽车燃油标准，无需对飞机和汽车发动机进行任何调整改动。

三、光伏發电技术原理及光伏发电系统简介

1.光伏发电技术原理

光打在太阳能电池感光面上其内部将光能转化为电能依靠的就是光生伏特效应。光生伏特效应是半导体材料的一种特性，光场照射到半导体材料，其内部电子在光场驱动下运动产生电动势，如果在外部接上负载则可以利用这部分电势做功将光能以电能形式利用起来。

太阳能电池在没有光照的情况下，其电路特性体现为半导体材料的特性，表现为一个负载，其电流电压的关系满足指数规律，相当于一个二极管：

其中V为太阳能电池两端的电压，I为流经太阳能电池的电流，T为太阳能电池温度，e、kB为物理常数。根据指数函数的性质可大致了解太阳能电池在外加电场下的伏安特性。

与太阳能电池暗特性对应的是太阳能电池在光照射下的响应特性。此时因有光生伏特效应，太阳能电池表现为一个电源，为外界负载提供电动势，输出电能 [3]。

2.光伏发电系统简介

光伏发电系统是由光伏电池板、控制器和电能储存及变换环节构成的发电与电能变换系统。太阳光辐射能量经由光伏电池板直接转换为电能，并通过电缆、控制器、储能等环节予以储存和转换，提供负载使用。光伏发电系统按与电力系统关系分类，通常分为独立光伏发电系统（Stand-Alone PV System）和并网光伏发电系统（Grid-Connected PV System）[4]。

四、光伏发电行业的现状和未来

1.全球光伏行业发展概况

据预测，到2030年全球光伏累计装机量有望达1，721GW，到2050年将进一步增加至4，670GW，光伏行业发展潜力巨大。预计2018-2022年全球新增装机容量分别为101.91GW、107.01GW、125.20GW、140.40GW和157.80GW。按照每GW安装量对太阳能电池背板的需求量为610万平方米进行估算，对应的2018-2022年太阳能电池背板需求量分别为6.22亿平方米、6.53亿平方米、7.64亿平方米、8.56亿平方米和9.63亿平方米。

2.中国光伏行业发展概况

2002年，我国光伏行业开始起步。在“十五”期间，我国在光伏发电技术研发工作上先后通过“国家高技术研究发展计划”、“科技攻关”计划安排，开展了晶体硅高效电池、非晶硅薄膜电池、碲化镉和铜铟硒薄膜电池、晶硅薄膜电池以及应用系统的关键技术的研究，大幅度提高了光伏发电技术和产业的水平，缩短了光伏发电制造业与国际水平的差距。我国光伏发电行业从2004年进入快速发展时期，光伏电池产量和装机量逐年上升。

中国的太阳能资源分布广泛，有条件大规模发展光伏行业，光伏发电已成为我国新能源产业中发展最快的产业。中国光伏产业起步较晚但呈现迅速发展的势头。2010年后，在欧洲经历光伏产业需求放缓的背景下，我国光伏产业迅速崛起，成为全球光伏产业发展的主要动力。

2013年以来，中国出台了一系列有关光伏产业发展的政策，从产业政策提出的脉络看，中国光伏行业主要沿着“补贴促进规模发展——规范行业环境——多种模式发展——新能源电力并网——降低补贴”的路径发展。2017年度，我国光伏新增并网装机量达到53GW，同比增长超过50%，累计并网装机量高达131GW，位居全球首位。

在未来，随着我国光伏技术的逐渐提高，我国光伏行业仍具有巨大的发展空间。据预测，到2030年全球光伏累计装机量有望达到1，721GW，到2050年将进一步增加至4，670GW，光伏行业发展潜力巨大。在美国、欧盟和印度等新兴国家较为强劲的需求下，预计2020-2022年全球新增装机容量分别为125.20GW、140.40GW和157.80GW。按照每GW安装量对太阳能电池背板的需求量为610万平方米进行估算，对应的2020-2022年太阳能电池背板需求量分别为7.64亿平方米、8.56亿平方米和9.63亿平方米。

中国光伏制造企业当前在技术和成本上已占据压倒性优势，目前我国光伏行业处于竞争加剧时代，光伏企业“降本增效”，现在处于先进生产技术研发加快阶段，很多先进晶体硅电池技术多次打破世界记录。如钝化发射区背面钝化（PERC）技术、N型硅双面电池技术、多晶黑硅电池技术等高效晶硅电池技术提升了电池的转换效率，我国光伏产业链各个环节产量全球占比均超50%，稳居世界第一[8]。

3.其他主要国家光伏行业发展概况

全球生产规模前十的中国企业数目从2011年的4家增长到2017年的8家，美国从2家减少到0家。2011年到2017年，组件产能由原先的35GW逐步增长到现在的105.5GW，中国大陆占据了72%左右的产能。

2007年，德国光伏发电已占整个发电行业的14.2%。至2010年底，德国光伏发电装机容量已达到1719.3万千瓦，到2020年至5100万千瓦。目前德国已形成完善的光伏产业链，并成立了德国航天航空研究中心太阳能实验室，其目标是技术支持欧洲第一座光热电站项目的开发，逐步致力于降低光热发电的成本，并研究以化学方式储存太阳能。

法国的发展状况如下：2009年，世界上第一座能“追踪”太阳的太阳能发电在法国马帝亚克小城正式投运，其光电接收转换装置的面积达3500平方米，转换效率提高了20%?40%。

西班牙在太阳能发电领域位居世界前列，是全球增长最快的光伏国家之一，2010年底光伏发电装机容量为378.4万k W，预计2020年将达到870万kW。

以色列南部内盖夫沙漠中在建的占地1000英亩，发电功率50万k W的世界最大的太阳能发电厂，一期发电能力将达10万k W，2012年完工时达到50万k W，发电量约占全国电力生产的5%。

印度作为世界上最大的太阳电池模板制造国之一，2009年制定了耗资700亿美元的国家太阳能计划，预计发电量在2022年前达到20GW p。

五、光伏发电在节能减排中的意义

太阳能是一种非常稳定的能源，在能源短缺的今天，太阳能给人们带来了希望，人们可以通过光伏发电实现能源的可持续利用，改善生产和生活。

光伏产业是以太阳能综合利用为核心的包含不同制造部门的产业链条，既消耗能源又生产能源。光伏发电应用所产生的能源远大于从硅材料提取到光伏组件生产所消耗的能源。通常认为光伏系统的使用周期为25-30年，除去整个光伏系统建造所需的能源回收期约4年外，还有至少21年的能源净生产期。随着技术发展和生产条件的进一步改进，光伏组件生产的吨能耗还会下降，而太阳能电池转换率的进一步提高以及电池使用寿命的延长会使能源生产效率得到新的提升。

在污染物减排方面，光伏发电体系利用清洁无污染的太阳能资源。与传统能源相比，在二氧化碳、二氧化硫以及氮氧化合物等污染物的减排方面效果明显[10]。因此，以光伏发电为核心的能源利用，对于推进低碳经济建设，实现节能减排的目标，具有重要意义。伴随相关工艺流程的改进和技术进步，光伏产业发展的节能减排效应还将进一步显现。

参考文献：

[1]周洪宇.第三次工业革命的新能源革命[J].决策与信息，2016（03）：10-18.

[2]本刊编辑部.国内外新能源开发资料选登[J].水电与新能源，2019，33（10）：79-80.

[3]陈妍如.太阳能电池探究[J].科教文汇（上旬刊），2017（06）：180-181.

[4]赵晶，赵争鸣，周德佳.太陽能光伏发电技术现状及其发展[J].电气应用，2007（10）：6-10+136.

[5]刘飞，段善旭，徐鹏威，王志峰.光伏并网发电系统若干技术问题的研究[J].太阳能，2006（04）：34-37.

[6]石定寰，赵玉文，吴达成.大力发展太阳能光伏发电关键材料 力促我国实现节能减排目标[J].新材料产业，2010（03）：3-10.

[7]全球及中国光伏累计装机量新增装机量预测[J].中国产业信息网，2018（11）：010-603.

[8]张东.光伏产业发展趋势及现状分析[J].轻工科技，2018，34（03）：41-42+45.

[9]袁惊柱，王婧.中美光伏产业竞争力比较分析及启示[J].中国经贸导刊（中），2019（07）：21-24.

[10]王开科，黄如良，关阳.低碳经济背景下我国光伏产业发展路径选择[J].经济问题探索，2010（10）：43-47.

作者简介：

聂德志，男，2000，江苏盐城，主要研究能量采集及微机电系统。

通讯作者：

胡永波，男，2000，陕西渭南，主要研究材料及物理。

（作者单位：西北工业大学）