之所以太阳能受到如此的重视,是因为利用太阳能发电有以下优点[4]:(1)污染小,太阳能可以直接利用,基本上没有污染物排放,清洁干净;(2)可再生性,太阳能取之不尽,用之不竭,照射到地球表面1小时的能量,就可以让地球上的人生活一年;(3)资源丰富,基本上不受地域的限制,太阳能可以福射到地球的每一个角落;(4)太阳能光伏发电集成模块可大可小,可以按需要方便的扩充;(5)太阳能电池板可以装在屋顶等建筑上面,节省土地资源;(6)太阳能电池的主要原料----桂在地球上的储量丰富;(7)随着科学技术的进步,太阳能电池板的生产成本越来越低,这也就意着发电的成本会逐渐降低。
因此,太阳能光伏发电将是21世纪最重要的绿色可再生能源。改善生态环境和人类生活条件,发展可持续经济都离不开太阳能。
1.2太阳能光伏发电的历史和现状
目前太阳能的利用形式主要有光热利用、光化学转换和光伏发电利用三种形式[5]。光热利用具有成本低、方便、效率高等优点,但其不利于能量的传输,而且输出形式不具备通用性;光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在,但目前人类还不能很好的利用;光伏发电是利用光生伏打效应原理制成的光伏电池,可将太阳光能转换成电能加以利用,由于以电能为输出方式,其具有传输方便、可存储、通用性强的特点。
1.2.1光伏发电历史
人类社会研究太阳能发电已经有将近200年的历史。1893年,法国物理学家A.E.贝克勒尔意外发现,用两个金属片放入特定溶液构成的伏打电池中,在光照下会产生额外的电动势,他把这种现象叫做“光生伏打效应”(photovoltaic effect)。1873年,英国科学家WiloughB.Smith注意到对光敏感的硒材料,同时做出推断:在光照下硒材料的导电能力和光通量成正比。1880年Charles Fritts发出了以硒为材料的光伏电池。后来,大家把可以发生光生伏打效应的器件叫做“光伏器件”其中光电转换效率最高的半导体P-N结器件被称为“光伏电池”(solarcell)[6]。
刚开始光伏电池的能量转换效率非常低,生产成本特别高。科学家们一直努力于光伏电池的改进,以提高电转换效率,降低成本。20世纪50年代初,美国贝尔实验室的科学家发现掺入杂质的硅对光敏感,并且产生的电压稳定。1954年贝尔实验室一次做出了光电转换效率为6%的单晶桂光伏电池,开创了光伏发电的新纪元。在1961年到1971年期间,研究的重点放在提高抗辖射能力和降低成本方面,桂光伏电池没有取得重大进展。
在1972至1976年间世界上各个公司研制出了各种空间用的单晶桂光伏电池;在20世纪70年代中期,研制出了超薄单晶桂光伏电池;1976年,诺贝尔物理学奖获得者莫特教授指出:非晶态半导体“光伏电池”在未来可以把人类从能源危机中拯救出来。从此,光伏技术不断提高,成本不断降低,逐渐形成了发展壮大的光伏产业,成为21世纪人类利用的主要能源之一。
1.2.2光伏发电的现状
近10多年来,国内外光伏发电增长趋势明显。截止到2008年,全球累计装机容量基本上达到15000MW,其中欧洲9000MW,日本2100MW,美国1200MW,分别占全球总容量的60%、14%、8%。
2008年全球太阳能光伏发电的装机容量接近6000MW,其中西班牙为2511MW,占全球总量的45%,德国1500MW,美国342MW,日本230MW。相对于离网型太阳能发电系统,并网型太阳能发电系统增长明显加快。截止2008年,我国太阳能发电累计安装总量为140MW,主要采用户用太阳能光伏发电系统或建设小型太阳能光伏电站,解决偏远地区无电村和无电户的供电问题。光伏发电的大规模应用需要以技术突破和成本大幅度下降为前提。2020年以前,我国会采取合适的政策措施,保证稳定的规模适度的国内太阳能光伏发电市场,激励研发和国内产业基础,以政府投入为主,稳定每年1000~3000MW的规模。在近期主要是在大中型城市推广屋顶并网系统[7]。