光伏發電

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光伏發電（Photo-voltage Generation，Photovoltaic power generation）

　　光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，主要部件由電子元器件構成。太陽能電池經過串聯後進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發電裝置。

　　光伏發電的主要原理是半導體的光電效應。光子照射到金屬上時，它的能量可以被金屬中某個電子全部吸收，電子吸收的能量足夠大，能剋服金屬原子內部的庫侖力做功，離開金屬錶面逃逸出來，成為光電子。硅原子有4個外層電子，如果在純硅中摻入有5個外層電子的原子如磷原子，就成為N型半導體；若在純硅中摻入有3個外層電子的原子如硼原子，形成P型半導體。當P型和N型結合在一起時，接觸面就會形成電勢差，成為太陽能電池。當太陽光照射到P－N結後，電流便從P型一邊流向N型一邊，形成電流。

　　光電效應是物理學中一個重要而神奇的現象。在高於某特定頻率的電磁波（該頻率稱為極限頻率threshold frequency）照射下，某些物質內部的電子吸收能量後逸出而形成電流，即光生電。

　　多晶硅經過鑄錠、破錠、切片等程式後，製作成待加工的矽片。在矽片上摻雜和擴散微量的硼、磷等，就形成P－N結。然後採用絲網印刷，將精配好的銀漿印在矽片上做成柵線，經過燒結，同時製成背電極，併在有柵線的面塗一層防反射塗層，電池片就至此製成。電池片排列組合成電池組件，就組成了大的電路板。一般在組件四周包鋁框，正面覆蓋玻璃，反面安裝電極。有了電池組件和其他輔助設備，就可以組成發電系統。為了將直流電轉化交流電，需要安裝電流轉換器。發電後可用蓄電池存儲，也可輸入公共電網。發電系統成本中，電池組件約占50%，電流轉換器、安裝費、其他輔助部件以及其他費用占另外 50%。

　　早在1839年，法國科學家貝克雷爾（Becqurel）就發現，光照能使半導體材料的不同部位之間產生電位差。這種現象後來被稱為“光生伏特效應”，簡稱“光伏效應”。1954年，美國科學家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次製成了實用的單晶硅太陽電池，誕生了將太陽光能轉換為電能的實用光伏發電技術。

　　20世紀70年代後，隨著現代工業的發展，全球能源危機和大氣污染問題日益突出，傳統的燃料能源正在一天天減少，對環境造成的危害日益突出，同時全球約有20億人得不到正常的能源供應。這個時候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變人類的能源結構，維持長遠的可持續發展。

　　太陽能以其獨有的優勢而成為人們重視的焦點。豐富的太陽輻射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源。太陽能每秒鐘到達地面的能量高達800兆瓦時，假如把地球錶面0.1%的太陽能轉為電能，轉變率5%，每年發電量可達5.6×1012千瓦小時，相當於世界上能耗的40倍。正是由於太陽能的這些獨特優勢，20世紀80年代後，太陽能電池的種類不斷增多、應用範圍日益廣闊、市場規模也逐步擴大。

　　20世紀90年代後，光伏發電快速發展，到2006年，世界上已經建成了10多座兆瓦級光伏發電系統，6個兆瓦級的聯網光伏電站。美國是最早制定光伏發電的發展規劃的國家。1997年又提出“百萬屋頂”計劃。日本1992年啟動了新陽光計劃，到2003年日本光伏組件生產占世界的50%，世界前10大廠商有4家在日本。而德國新可再生能源法規定了光伏發電上網電價，大大推動了光伏市場和產業發展，使德國成為繼日本之後世界光伏發電發展最快的國家。瑞士、法國、義大利、西班牙、芬蘭等國，也紛紛制定光伏發展計劃，並投巨資進行技術開發和加速工業化進程。

　　世界光伏組件在1990年——2005年年平均增長率約15%。20世紀90年代後期，發展更加迅速，1999年光伏組件生產達到200兆瓦。商品化電池效率從10%～13%提高到13%～15%，生產規模從1～5兆瓦/年發展到5～25兆瓦/年，並正在向50兆瓦甚至100兆瓦擴大。光伏組件的生產成本降到3美元/瓦以下。

　　2011年，全球光伏新增裝機容量約為27.5GW，較上年的18.1GW相比，漲幅高達52%，全球累計安裝量超過67GW。全球近28GW的總裝機量中，有將近20GW的系統安裝於歐洲，但增速相對放緩，其中義大利和德國市場占全球裝機增長量的55%，分別為7.6GW和7.5GW。2011年以中日印為代表的亞太地區光伏產業市場需求同比增長129%，其裝機量分別為2.2GW，1.1GW和350MW。此外，在日趨成熟的北美市場，新增安裝量約2.1GW，增幅高達84%。

　　其中中國是全球光伏發電安裝量增長最快的國家，2011年的光伏發電安裝量比2010年增長了約5倍，2011年電池產量達到20GW，約占全球的65%。截至2011年底，中國共有電池企業約115家，總產能為36.5GW左右。其中產能1GW以上的企業共14家，占總產能的53%；在100MW和1GW之間的企業共63家，占總產能的43%；剩餘的38家產能皆在100MW以內，僅占全國總產能的4%。規模、技術、成本的差異化競爭格局逐漸明晰。國內前十家組件生產商的出貨量占到電池總產量的60%。

　　2015年上半年，全國累計光伏發電量1900萬兆瓦時。

　　2015年9月7日，江蘇省首個供電所光伏發電項目在南京市浦口區正式並網運行，農村居民也用上了“綠色電”。接下來光伏發電項目將在農村變電所推廣。

　　2015年11月，安徽省來安縣全面啟動鄉村光伏發電項目，11個美好鄉村“空殼村”裝機容量為60KW以上的光伏電站進入招標程式。據初步估算，並網發電後各村每年能提供72000KWh清潔電能，村級集體經濟能增收5萬元以上。

　　2015年1-6月，全國新增光伏發電裝機容量773萬千瓦，截至2015年6月底，全國光伏發電裝機容量達到3578萬千瓦。

　　自2013年起，光伏發電連續3年新增裝機容量超過1000萬千瓦；截至2015年底，光伏發電累計裝機容量達到約4300萬千瓦，超過德國成為全球第一。此外，光伏產業正發力“走出去”。國家能源局數據顯示，2015年光伏電池及組件出口量達到2500萬千瓦以上，出口額達到144億美元。

　　據能源局網站公佈消息，我國2021年新增光伏發電並網裝機容量約5300萬千瓦，連續9年穩居世界首位。截至2021年底，光伏發電並網裝機容量達到3.06億千瓦，突破3億千瓦大關，連續7年穩居全球首位。“十四五”首年，光伏發電建設實現新突破，呈現新特點。

　　一是分散式光伏達到1.075億千瓦，突破1億千瓦，約占全部光伏發電並網裝機容量的三分之一。

　　二是新增光伏發電並網裝機中，分散式光伏新增約2900萬千瓦，約占全部新增光伏發電裝機的55%，歷史上首次突破50%，光伏發電集中式與分散式並舉的發展趨勢明顯。

　　三是新增分散式光伏中，戶用光伏繼2020年首次超過1000萬千瓦後，2021年超過2000萬千瓦，達到約2150萬千瓦。戶用光伏已經成為我國如期實現碳達峰、碳中和目標和落實鄉村振興戰略的重要力量。

　　優點

　　與常用的火力發電系統相比，光伏發電的優點

　　①無枯竭危險；

　　②安全可靠，無雜訊，無污染排放外，絕對乾凈（無公害）；

　　③不受資源分佈地域的限制，可利用建築屋面的優勢；例如，無電地區，以及地形複雜地區；

　　④無需消耗燃料和架設輸電線路即可就地發電供電；

　　⑤能源質量高；

　　⑥建設周期短，獲取能源花費的時間短。

　　缺點

　　①照射的能量分佈密度小，即要占用巨大面積；

　　②獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關；

　　③目前相對於火力發電，發電機會成本高；

　　④光伏板製造過程中不環保。

　　第一代：以單晶硅、多晶硅為代表的硅晶太陽能電池，目前該技術已經發展成熟且應用最為廣泛，但存在單晶硅太陽能電池對原料要求過高，以及多晶硅太陽能電池生產工藝過於複雜等問題。

　　第二代：薄膜太陽能電池，以CdTe、GaAs及CIGS為代表的的太陽能電池成為研究熱點，該技術與晶硅電池相比，所需材料較少且容易大面積生產，成本方面優勢較明顯。

　　第三代：基於高效、綠色環保和先進納米技術的新型薄膜太陽能電池，如染料敏化太陽能電池（DSSCs）、鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）和量子點太陽能電池（QDSCs）等。

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