1.1　太阳能概述

太阳是位于太阳系中心的恒星，表面温度约为5800K，它的能量来自内部的氢聚变反应。太阳已经存在了50亿年，它每秒消耗约6.2亿吨氢，按照这一燃烧速度，太阳还可以继续为人类服务约50亿年。

太阳辐射的基本参数可以通过黑体模型进行估算。太阳半径R_S=6.96×10⁸m，地球半径R_E=6.38×10⁶m，日地距离d=1.496×10¹¹m。太阳辐射波谱中，最大能量值对应的波长为λ_m=490nm。如果将太阳视作黑体，则根据维恩位移定律Tλ_m=b，得到太阳表面温度为T=5900K（很接近实际值T=5800K，其中b是常数，也称为维恩常量，b=0.002897m·K）。再根据斯特潘-玻尔兹曼定律W₀（T）=σT⁴，可得到单位面积上的发射功率

W₀=6.87×10⁷W/m²

式中，σ是斯特潘-玻尔兹曼常数，σ=5.67×10^-8W/（m²·K⁴）。

则太阳辐射的总功率P_S=W₀×4π=4.2×10²⁶W。设太阳辐射分布在以太阳至地球的距离为半径的球面上，地球单位面积所能接收到的太阳辐射的功率为

P'_E=P_S/4πd²=1490W/m²

由于地球到太阳的距离远大于地球半径，可将地球看成半径为R_E的圆盘，地球接收到的太阳辐射功率为

P_E=P'_E×π=1.776×10¹⁷W

由此即可算出地球全年接收到的太阳辐射能量为

W_s=1.56×10¹⁸kWh

有人估算过，只要在非洲沙哈拉沙漠几百平方公里的范围上铺满光伏组件，就可以满足全世界的用电需求。

相对于化石能源、风能、水能等而言，全球太阳能资源的分布更为均匀。全球太阳能资源较丰富的地区有北非、南非、中东、南欧、澳大利亚、美国西南部、南美洲东西海岸、我国西部地区。我国青藏高原的太阳辐射量与世界上太阳能资源最丰富的非洲沙哈拉沙漠地区接近；我国太阳能资源比较差的地区主要位于贵州与四川的部分地区，其他绝大部分地区都可以较好地利用光伏发电。我国西部地区具有大片沙漠、戈壁地带，非常适合建设大型地面光伏电站；而在东部沿海地区，有大量的厂房屋面，适合建设规模化屋顶光伏电站。

以1000W光伏组件为例，在太阳能资源中等水平地区，如上海地区，年发电量为900kWh左右，广州地区约为1100kWh；在太阳能资源丰富地区，如昆明，年发电量可以达到1400kWh，呼和浩特可达1500kWh，甘肃嘉峪关地区能够达到1600kWh，新疆乌鲁木齐约为1700kWh，西藏日喀则地区则可以达到1800kWh以上。

光伏发电作为一种全新的发电方式，在全球范围内目前尚处于初级发展阶段。根据国家能源局的统计数据，截至2017年底，我国可再生能源发电装机容量达到6.5亿千瓦，占全部电力装机容量的36.6%，其中水电装机容量达到3.41亿千瓦，风电装机容量达到1.64亿千瓦，光伏发电装机容量达到1.30亿千瓦，生物质发电装机容量达到1476万千瓦。我国不但是光伏发电设备第一生产大国，也是光伏发电应用第一大国。光伏发电技术之所以得到全球广泛关注与快速发展，主要是因为它具有以下优点：

（1）太阳能取之不尽，用之不竭，在地球上分布广泛，不管在陆地还是在海洋、高山和岛屿，太阳能都可以得到很好的开发和利用；

（2）太阳能和风能、海洋能、地热能等一样，属于可再生清洁能源，其利用过程中几乎不产生污染，基本无CO₂排放，光伏发电运行安全、可靠，无噪声、无污染物排放，因此太阳能是真正的绿色能源；

（3）太阳电池所用的主要原料是硅材料，硅在地壳中的含量非常丰富，约占26%，仅次于氧，因此不存在资源枯竭问题；

（4）光伏发电设备既可以安装在地面上，建成大型地面发电站，也可以安装在屋顶或幕墙上，甚至可以在每栋建筑上建成一个发电单元，服务于千家万户，这是其他能源所不及的；

（5）与其他发电形式相比，光伏电站安装简单快捷，容易扩容与搬迁，不会对环境造成影响与破坏；

（6）光伏电站运行模式相对简单，部件更换与维修方便，可以做到无人值守，维护费用低。作为光伏发电核心部件的光伏组件，一般情况下至少可以正常工作25年，具有明显的经济效益优势。

太阳辐射到地表的能量受自然界昼夜交替、季节变化、地理纬度、海拔高度、气象条件以及各种随机因素的影响较大，呈间断性、不稳定的状态，从而影响光伏发电效果。如晴天有阳光照射就可以正常发电，阴雨天没有阳光照射，发电效果就很差；夏天和冬天的日照时间不同，太阳辐射量不同，因此光伏发电产出也不同。正因为如此，目前光伏发电主要采用并网发电的形式，这样就不会影响终端用户正常用电。

由于化石能源消耗所产生的环境污染问题日益突出，新能源的发展得到世界各国的关注与重视。目前，风能、太阳能及生物质能三大可再生能源技术得到了快速发展。美国杰里米·里夫金在《第三次工业革命》一书中，提到第三次工业革命的五大支柱为：

（1）向可再生能源转型；

（2）将每一大洲的建筑转化成微型发电厂，以便就地收集可再生能源；

（3）在每一栋建筑物以及基础设施中使用氢和其他存储技术，以存储间歇式能源；

（4）利用互联网技术将每一大洲的电力网转化为能源共享网络，这一共享网络的工作原理类似于互联网（成千上万的建筑物能够就地生产出少量的能源，这些能源多余的部分既可以被电网回收，也可以在各大洲之间通过联网共享）；

（5）将运输工具转向插电式以及燃料电池动力车，这种电动车所需要的电能可以通过洲与洲之间共享的电网平台进行买卖。

可以预见，光伏发电还将向着与建筑结合、与储能结合、与智能电网结合的方向继续发展，其生产成本会持续下降，直至完全能够与常规能源发电相竞争，成为人类社会电力供应的主要方式。目前在欧洲多个国家，如丹麦、德国、西班牙、意大利等，风能与太阳能发电已经占据了较大的份额。美国、日本及我国的可再生能源发展情况也已经表明，可再生能源能够有效改变能源结构。

根据多家权威机构的统计数据，当前全球太阳能的应用比例还很低，只占全球能源应用总量的2%，而到2050年，全球可再生新能源（包括太阳能）应用比例可以达到70%左右。从发展趋势看，太阳能将逐渐从补充能源向主导能源过渡，成为维持人类社会可持续健康发展的最终能源。