陶文彪，萬 利

四川大學電氣信息學院，四川成都 610065

進入21世紀，全球經(jīng)濟快速增長，能源消耗也達到了前所未有的程度。隨著化石燃料的大量開采消耗，能源日益枯竭，全球溫室效應逐年加劇，生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞，人類的生存與發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)。根據(jù)已探明的儲量分析，全球石油可開采約45年，天然氣約61年，煤炭約230年。也就是說，經(jīng)過億萬年形成的化石能源將在未來的200年～300年內(nèi)消耗殆盡。那么，300年后我們的子孫后代怎么生存？巨大的能源缺口需要怎樣填補？這些已經(jīng)成為人們必須深思的問題。解決這些問題的關(guān)鍵在于尋求一種可再生的新型能源替代化石能源。目前，地球上可以利用的可再生能源有風力，潮汐，水利，太陽照射等等，而其中太陽能取之不盡用之不竭，對環(huán)境無任何污染，是公認的可取代化石能源的最理想能源之一。

1 太陽能資源

太陽是一個巨大的能量源，它的內(nèi)部不斷地進行熱核反應，向外部釋放巨大的能量。地球表面接收到的太陽輻射能大約為17×1 012kW，這些能量相當于全球一年內(nèi)消耗總能量的3.5萬倍。假如到達地球表面太陽能的0.1%按5%的轉(zhuǎn)變率轉(zhuǎn)化為電能，每年的發(fā)電量可以達到5.6×1 012kW·h，相當于目前世界上能耗的40倍，由此可見太陽能利用的巨大潛力。

就我國而言，全國年日照大于2 200h的地區(qū)超過2/3，年輻射量約為5 900MJ/m2，是世界上太陽能最豐富的地區(qū)之一。特別是西部地區(qū)如青藏高原、內(nèi)蒙古、陜西、青海等地太陽能資源尤為豐富，年日照時間可以達到3 000h以上。除四川盆地及其毗鄰地區(qū)之外的全國絕大部分地區(qū)太陽能資源均相當于或超過國外其他同緯度地區(qū)。因此，我國非常適合太陽能的開發(fā)與利用。

2 太陽能發(fā)電基本原理

太陽能發(fā)電主要有太陽能光發(fā)電和太陽能熱發(fā)電兩種形式，太陽能光發(fā)電可又分為光伏發(fā)電，光化學發(fā)電，光感應發(fā)電以及光生物發(fā)電，其中光伏發(fā)電是應用最廣、能量轉(zhuǎn)換效率較高的一種太陽能發(fā)電形式。下面主要介紹光伏發(fā)電。

太陽能光伏發(fā)電是指利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電系統(tǒng)。太陽能電池是根據(jù)光生伏打效應設(shè)計的一種具有光電轉(zhuǎn)換特性的半導體器件。光生伏打效應是指物體由于吸收光子而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。當太陽光照射到電池上時，電池吸收光能，產(chǎn)生光生電子—空穴對。在電池內(nèi)建電場的作用下，光生電子與空穴分離，電池兩端出現(xiàn)異號電荷積累，產(chǎn)生光生電壓，此時在內(nèi)建電場兩側(cè)引出電極并接上負載，負載就會有光生電流流過，從而獲得功率輸出。這樣，太陽的光能就被轉(zhuǎn)化成了可以付諸實施的電能。

3 光伏建筑一體化

光伏建筑一體化是指將光伏組件安裝在建筑物的屋頂以及陽臺上，或者將光伏組件與建筑材料融為一體，即光伏組建直接作為建筑材料使用，然后通過其逆變控制器輸出端與公共電網(wǎng)并聯(lián)，共同向建筑供電，也可以做成離網(wǎng)系統(tǒng)，與蓄電池相結(jié)合，完全由光伏系統(tǒng)向建筑供電。光伏建筑一體化有著其獨特的優(yōu)點，比如節(jié)約土地，避免電能的長距離傳輸，夏季對電網(wǎng)調(diào)峰等等。

據(jù)統(tǒng)計，全球建筑物消耗的能量大約占總能耗的一半以上。而我國每年建成的住房面積達16億m2～20億m2，約占世界年總建筑面積的一半。到2010年底，房屋建筑總面積已經(jīng)超過500億m2，其中城市170多億m2，屋頂面積約為17億m2。預計到2020年，我國房屋建筑總面積約為680億m2，其中城市約為260億m2。而當中既有的近400億的建筑中99%以上為高耗能建筑，新建的建筑大部分也超過了發(fā)達國家的能耗水平。屆時我國的電力供應將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。而如果新建建筑采用光伏建筑一體化設(shè)計，或?qū)εf的建筑進行改造，建筑本身就轉(zhuǎn)化為一個個太陽能轉(zhuǎn)換工廠，源源不斷的向外輸送能量，將大大緩解我國電力供應緊張的壓力。

雖然現(xiàn)在光伏電池成本還比較高，能量轉(zhuǎn)化率偏低，但我相信隨著科技的進步以及制造工藝的不斷改進，光伏電池必將得到廣泛應用，光伏建筑一體化也將成為建筑的主流。可以想象，當一座城市建筑的屋頂全部安裝太陽能電池，那將會是多么壯觀的場景——城市不再僅僅是能源消耗的場所，而是一片生產(chǎn)能量哺育人類的森林。

4 前景展望

目前太陽能電池的成本高是影響其大規(guī)模應運的主要障礙，因此，通過設(shè)計新的電池結(jié)構(gòu)，提高電池的轉(zhuǎn)換效率以及改進現(xiàn)有的制造工藝降低制造成本是太陽能電池發(fā)展的主要方向。例如薄膜太陽能電池，它由沉積在玻璃、不銹鋼、塑料、陶瓷襯底或薄膜上的幾微米或幾十微米厚的半導體膜構(gòu)成。由于其半導體層很薄，可大為節(jié)省電池材料，降低成本，因而是最有前景的新型太陽能電池，它的開發(fā)與研究已經(jīng)成為當今太陽能發(fā)電領(lǐng)域的熱點課題。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同的地方有不同的應運形式：在發(fā)展較好的地方，發(fā)展太陽能光伏建筑；在人口密度小的荒漠地區(qū)，可以建立大型的光伏電站；在比較偏遠的地區(qū)，可以建立光伏微電網(wǎng)。隨著智能電網(wǎng)以及分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展與完善，太陽能發(fā)電必將走進千家萬戶，給家庭以及社會帶來巨大的效益。我相信在常規(guī)化石能源的日益消耗，國際能源價格不斷飆升，以及人們環(huán)保觀念的逐漸增強的大背景下，大力開發(fā)太陽能等可再生能源，逐步改變能源消費結(jié)構(gòu)，走可持續(xù)發(fā)展之路，必將成為世界能源發(fā)展的主流。太陽能光伏發(fā)電作為新能源開發(fā)中的主力軍，潛力巨大，發(fā)展前景廣闊。

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