第1章 太阳能LED路灯的光伏系统

1.1 太阳能光伏系统

1.1.1 太阳能光伏技术及优势

1. 太阳能

太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程中产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kW/m2。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kW/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kW/m2，相当于有102000TW的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外），虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。

太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75×1026 W）的22亿分之一，但已高达173000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤所产生的能量。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来储存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无须运输，对环境无任何污染。但太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。

人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用、太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。

太阳能是最重要的基本能源，生物质能、风能、潮汐能、水能等都来自太阳能，太阳内部进行着由氢聚变成氦的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，不断地向宇宙空间辐射能量，这就是太阳能。太阳内部的这种核聚变反应可以维持很长时间，据估计约有几十亿年至几百亿年，相对于人类的有限生存时间而言，太阳能可以说是取之不尽，用之不竭的。

太阳能的总量很大，我国陆地表面每年接受的太阳能就相当于1700亿吨标准煤，但十分分散，能流密度较低，到达地面的太阳能每平方米只有1000W左右。同时，地面上太阳能还受季节、昼夜、气候等影响，时阴时晴，时强时弱，具有不稳定性。

太阳的基本结构是一个炽热气体构成的球体，主要由氢和氦组成，其中氢占80%，氦占19%。太阳常数是指在太阳地球间平均距离外，在地球大气层以上垂直于太阳光线的平面上，单位面积单位时间内的太阳辐射能的数值是个常数，一般取1367W/m2（4920kJ/m2时）。由于通过地球外大气层的吸收反射，太阳光到达地面的辐射强度大大降低了。

整个太阳每秒钟释放出来的能量是无比巨大的，高达3.826×1033尔格或37.3×106兆焦，相当于每秒钟燃烧1.28亿吨标准煤所放出的能量。太阳辐射到达地球陆地表面的能量大约为17万亿千瓦，仅占到达地球大气外层表面总辐射量的10%。即使这样，它也相当目前全世界一年内能源总消耗量的3.5万倍。我国太阳能资源十分丰富，全国有2/3以上的地区，年辐照总量大于5020000kJ/m2，年日照时数在2000h以上。太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点：

● 它是人类可以利用的最丰富的能源，据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%，可以说是取之不尽，用之不竭。

● 地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。

● 太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪声，更不会影响生态平衡。

2. 太阳能光伏技术

太阳是能量的天然来源，地球上每一个活着的生物之所以具有发挥作用的能力，甚至于是它的生存，都是直接或间接来自于太阳的能量。太阳能（太阳能发电）每天都能无限供应，而且数量庞大。在太阳能的有效利用当中，太阳能光电利用是近些年来发展最快，也是最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。为此，人们研制和开发了太阳能电池。尤其是在电力供应方面，有专家认为太阳能发电最终将在电力供应中占20%。

太阳能是一种辐射能，太阳能发电意味着要将太阳光直接转换成电能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。太阳能发电有两种方式：一种是光-热-电转换方式；另一种是光-电直接转换方式。

（1）光-热-电转换方式是通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸汽，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光-热转换过程；后一个过程是热-电转换过程，与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站高5～10倍。一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

（2）光-电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光-电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种基于光生伏特效应将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照射到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其他电源无法比拟的。

太阳能电池也同晶体管一样，是由半导体组成的。它的主要材料是硅，也有一些其他合金。用于制造太阳能电池的高纯硅，要经过特殊的提纯处理制作。太阳能电池只要受到阳光或灯光的照射，就能够把光能转变为电能，使电流从一方流向另一方，一般就可发出相当于所接收光能的10%～20%的电。一般来说，光线越强，产生的电能就越多。为了使太阳能（太阳能发电）电池板最大限度地减少光反射，将光能转变为电能，一般在它的上面都蒙上一层可防止光反射的膜，使太阳能（太阳能发电）板的表面呈紫色。它的工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应就是当物体受光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压（光生电压）。这种现象就是著名的光生伏打效应。它使PN结短路，就会产生电流。

太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，当太阳光照射在半导体PN结上，由于PN结势垒区产生了较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，从而在外电路中产生电压和电流，将光能转化成电能。

3. 太阳能光伏系统

光伏系统定义：光伏系统是利用太阳能电池组件和其他辅助设备将太阳能转换成电能的系统。一般将光伏系统分为独立系统、并网系统和混合系统。如果根据太阳能光伏系统的应用形式、应用规模和负载的类型，对光伏系统进行比较细致的划分，可以将其分为如下七种类型：小型太阳能供电系统（Small DC），简单直流系统（Simple DC），大型太阳能发电系统（Large DC），交流、直流供电系统（AC/DC），并网发电系统（Utility Grid Connect），混合供电系统（Hybrid），以及并网混合供电系统。

并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂。而独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路。并网发电系统通过太阳能电池组将接收来的太阳辐射能转换为电能，再经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。而独立式发电系统，是通过太阳能电池组将接收来的太阳辐射能直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中。太阳能独立光伏系统的构成如图1-1所示。

太阳能光伏系统中最重要的是太阳能电池，它是收集阳光的基本单位。大量的太阳能电池合成在一起构成光伏组件。太阳能电池主要划分为：晶体硅电池（包括单晶硅Mono c⁃Si、多晶硅Multi⁃Si、带状硅Ribbon/Sheet c⁃Si）、非晶硅电池（a⁃Si）、非硅电池（包括硒化铜铟CIS、碲化镉CdTe）。

近年来，作为太阳能电池主流技术的晶体硅电池的原材料价格不断上涨，从而致使晶体硅电池的成本大幅攀升，这使得非晶硅电池成本优势更加明显。另外，薄膜电池（大大节约原材料使用，从而大幅降低成本）已成为太阳能电池的发展方向，但是其技术要求非常高，而非晶硅薄膜电池作为目前技术最成熟的薄膜电池，是目前薄膜电池中最富增长潜力的品种。

4. 太阳能发电的优势

通过对生物质能、水能、风能和太阳能等几种常见新能源的对比分析，可以清晰地得出太阳能发电具备以下独特优势。

① 光伏发电具有经济优势。从光伏电站建设成本来看，随着太阳能光伏发电的大规模应用和推广，尤其是上游晶体硅产业和光伏发电技术的日趋成熟，建筑房顶、外墙等平台的复合开发利用，每千瓦光伏电能的建设成本在2010年前后可能达到7000元至1万元，相比其他可再生能源已具有同样的经济优势。

②光电资源蕴含量高达96.64%。从我国可开发的资源蕴含量来看，学者和专家比较公认的数字是生物质能1亿千瓦，水电3.78亿千瓦，风电2.53亿千瓦，而太阳能是2.1万亿千瓦，只需开发1%即达到210亿千瓦；从其比例来看，生物质能仅占0.46%，风电占1.74%，水电占1.16%，而光电占96.64%。

③ 对环境没有污染。由于传统化石燃料（煤、石油和天然气）在使用过程中排出大量的有毒有害物质，会对水、土壤和大气造成严重污染，形成温室效应和酸雨，严重危害到人类的生存环境和身体健康，因此急需开发出新的比较清洁的替代能源，而太阳能作为一种比较理想的清洁能源，正受到世界各国的日益重视。碳排放量接近零且不污染环境。从目前各种发电方式的碳排放来看，不计算其上游环节：煤电为275g，油发电为204g，天然气发电为181g，风力发电为20g，而太阳能光伏发电则接近零排放。并且，在发电过程中没有废渣、废料、废水、废气排出，没有噪声，不产生对人体有害物质，不会污染环境。

④ 转换环节最少最直接。从能量转换路线来看，太阳能发电的能量转换路线，是直接将太阳辐射能转换为电能，是所有可再生能源中对太阳能的转换环节最少、利用最直接的方式。一般来说，在整个生态环境的能量流动中，随着转换环节的增加，转换链条的拉长，能量的损失将呈几何级数增加，并同时大大增加整个系统的运作成本和不稳定性。目前，晶体硅太阳能电池的转换效率实用水平在15%～20%，实验室水平目前最高已达35%。

⑤ 最经济、最清洁、最环保。从资源条件尤其是土地占用来看，生物能、风能是较为苛刻的，而太阳能则很灵活和广泛。如果说太阳能发电要占用的土地面积为1，风力则是太阳能的8～10倍，生物能则达到100倍。而水电，一个大型水坝的建成往往需要淹没数十到上百平方公里的土地。相比而言，太阳能发电不需要占用更多额外的土地，屋顶、墙面都可成为其应用的场所，还可利用我国广阔的沙漠，通过在沙漠上建造太阳能发电基地，直接降低沙漠地带直射到地表的太阳辐射，有效降低地表温度，减少蒸发量，进而使植物的存活和生长在一定程度上成为可能，稳固并减少了沙丘，又向自然索取了需要的清洁可再生能源。

⑥ 可以源源不断地获得。太阳是一个巨大的能量源，每秒辐射到地球上的能量相当于燃烧500万吨标准煤所释放的能量，和人类存在的时间相比，太阳能可以说是一种久远和无尽的能源。随着化石燃料（煤、石油和天然气）的不断开采和消耗，能源的供应越来越紧张，具有丰富来源的太阳能的开发和利用就显得越发重要和紧迫。

⑦ 可免费使用，且无须运输。人类可以通过专门的技术和设备将光能转化为热能或电能，就地加以利用，无须运输，为人类造福，而且人类利用这一取之不尽的能源也是免费的。

由此可以看出，太阳能光伏发电是目前可以使用的能源中最经济、最清洁、最环保的可持续能源。

5. 太阳能发电系统的效率

在太阳能发电系统中，系统的总效率η由太阳能电池组件的P-V转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等组成。目前太阳能电池的转换率只有17%左右。因此提高太阳能电池组件的转换率，降低单位功率造价是太阳能发电产业化的重点和难点。太阳能电池问世以来，晶体硅作为主要材料保持着统治地位。目前对硅电池转换率的研究主要围绕着加大吸能面（如双面电池），减小反射；运用吸杂技术减小半导体材料的复合；电池超薄型化等。