电力电子应用-太阳能光伏发电

二十世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是1954年美国贝尔实验室研制出6%的实用型单晶硅光伏电池，二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论，并研制成功选择性太阳吸收涂层，这两项技术的突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。从第一次空间应用到现在，光伏产业已经经历了近50年的发展历史。过去十年，是强劲增长的10年，同时预计这种增长仍将在未来数年内持续。

70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮。2006年全球光伏电池的实际产量达到了2.6GW，截至2011年底，全球累计光伏装机量已达到67.4GW，成为仅次于生物质能和风电的第三大可再生能源。传统欧洲市场仍然是2011年全球光伏发电装机市场增长的主要动力：2011年欧洲地区21GW的光伏发电装机量占到了全球总装机的约75%，其中德国和意大利光伏装机为16.5GW，占全球光伏装机量的近60%。截至2011年底，中国光伏发电装机量累计达3GW，较2010年增长了三倍多。2012年中国光伏装机量累计达4.5GW。2013年7月15日，我国出台了《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，提出到2015年总装机容量要达到35GW以上。图18是2003-2017年全球光伏发电累计装机容量示意图。

图18 2003-2017年全球光伏发电累计装机容量示意图

图19图示目前市场上已实现产业化的各类光伏电池：单晶硅光伏电池（转换效率14-20%）、多晶硅光伏电池（转换效率11-16%）、薄膜硅光伏电池（转换效率5-8%）、碲化镉薄膜光伏电池（转换效率9-11%）和铜铟镓硒薄膜光伏电池（转换效率10-12%）。当前单晶硅光伏电池占有80%以上的光伏发电市场份额，仍是当前光伏发电的主体，如图20所示。图21是当前各种光伏电池主要优缺点比较。

图19 目前市场上已实现产业化的各类光伏电池

图20 目前各种光伏电池发电市场份额比较

图21当前各种光伏电池主要优缺点比较

 那么从长远看，我们究竟应当如何理性地认识和有效地利用太阳能光伏发电这一重要的可再生能源呢？

我个人的看法是：

1. 期望用硅光伏电池来解决发电的问题，从根本上讲是不现实的，因为制造一块硅光伏电池实际需要花费的电力（沙子—二氧化硅—工业级多晶硅—高纯多晶硅—单晶硅—单晶硅片—单晶硅光伏电池每道工艺过程均需要消耗大量电力）可能比它所能发出的电力还要多。因此硅光伏电池光伏发电将主要用于特殊地区的发电及改造环境的需要。

2.太阳能光伏发电最有应用前途的是光伏建筑一体化应用。它是结合光伏电池发电和建筑物外墙的功能，将光伏电池组件装置在建筑物上，使它起到既可以发电又可以代替建筑材料的双重用途。在土地价格昂贵的地区，光伏建筑一体化是解决土地成本过高和整合发电运送的最佳方案，建筑业已开始使用薄膜光伏电池，因为它既能发电，又可降低二氧化碳的排放量，这是未来一个新的发展趋势。依照安装位置的不同，光伏建筑一体化可以有很多种类型，如与屋顶结合、与外墙结合、与遮阳装置结合、做玻璃幕墙用等。光伏建筑一体化具有如下优点：1.节省光伏电池支撑结构，并可替代屋顶、墙面、窗户等建材；2.节省光伏电池安装成本；3.有效利用建筑物的表面积，不需另外占用土地；4.可以遮阳，降低建筑物外表温度；5.增加建筑物美观；6.将太阳能和建筑物结合，使建筑物能有自己的电源供应，特别在我国这样一个幅员广阔、人口众多的国家将会在很大程度上解决电能供给的难题。

薄膜光伏电池有非晶硅(Amorphus Silicon, a-Si)；微晶硅(Nanocrystaline Silcon, nc-Si，Microcrystalline Silicon, mc-Si)；无机化合物半导体 [CdS、CdTe（碲化镉）]、CIGS（铜铟镓硒化物）；色素敏化染料(Dye-Sensitized)和有机高分子(Organic/Polymer)光伏电池等多种类别。其中，目前已实现产业化的薄膜光伏电池有非晶硅(Amorphus Silicon, a-Si)；微晶硅(Nanocrystaline Silcon, nc-Si，Microcrystalline Silicon, mc-Si)；无机化合物半导体 [CdS、CdTe（碲化镉）]、CIGS（铜铟镓硒化物）光伏电池等。色敏染料(Dye-Sensitized)和有机高分子(Organic/Polymer)光伏电池尚处于实验室研究阶段。

2010年12月6日，全球重要的铜铟镓硒CIGS【Cu(In,Ga)Se2】薄膜光伏电池制造商MiaSolé宣布，经美国能源部下属的国家可再生能源实验室证实，该公司生产的铜铟镓硒薄膜光伏电池的转换效率已达到了15.7%。据悉，这是当前薄膜组件在商业运用中已被证实的最高转换效率。虽然许多数据表明，无机化合物半导体 [CdS、CdTe（碲化镉）]、CIGS（铜铟镓硒化物）薄膜光伏电池具有许多如图21所示的优点，但是由于它们存在材料来源稀缺或有毒和会造成环境污染等致命缺点，推广应用速度不快。

随着技术的进步，薄膜光伏电池产品的转换效率将可望稳定达到10%以上，加上它们原来就具有低成本、总耗电量小、可大规模量产等一系列的优点，组件的售价可望降到l美元／瓦以下，发电成本也就可望降到8美分/千瓦时以下，和现有传统电力相比是具有竞争力的。图22 是全球当前各类光伏电池产业化/实验室研发水平进程示意图，图中Emerging PV 表明各种目前尚处于实验室研究开发阶段的有机/非有机薄膜光伏电池的技术现状，从图可见，目前EPFL研发的色素敏化染料薄膜光伏电池的转换效率已达到14.1%, 多个实验室制作的有机高分子(Organic/Polymer)和非有机高分子(Inorganic) 薄膜光伏电池的转换效率均已达到10%以上，它们离实现产业化的日子已经不远了。

图22 全球当前各类光伏电池产业化/实验室研发水平进程示意图