谈太阳能光伏技术的原理与建筑应用

    摘要：本文从太阳能光伏技术应用的现实意义出发，论述了光伏技术的基本原理、系统组成、应用方式、安装要求等，分析了光伏技术在建筑等领域应用的现状及前景，旨在对太阳能光伏技术的设计应用、创新发展起到积极的推动作用。

    关键词：光伏技术太阳能电池板 蓄电池 控制器 逆变器 屋顶发电 并网发电 固体光源 LED 光伏建筑一体化（ BIPV ）

    •  引 言

    《可再生能源法》自 2006 年 1 月 1 日起 ，在我国已正式实施。此后，可再生能源的开发利用成为各级政府工作之重。可再生能源包括：太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源。

　　常规化石燃料的无节制使用和 20 世纪 70 年代发生的两次石油危机，使得人们越来越清醒地认识到：化石燃料资源迟早会枯竭耗尽。 80 年代人们进一步认识到，化石燃料对环境的严重污染所导致的生态破坏、地球温室效应等正日趋严重地威胁着人类的生存。能源短缺、环境污染是当今世界面临的两大问题，制约着人类经济和社会的发展。

　　中国能源生产和消费均居世界前列，属能耗大国。根据我国现已探明可开采的化石能源储量的统计和使用这些能源的速度，可以预测，煤炭可以使用的时间约为 54-81 年，石油为 15-20 年，天然气为 28-58 年，核燃料使用的时间也不会超过百年。而在电力方面，全国每年仍有 10 — 20 多个省份会发生不同程度的拉闸限电现象。因此，努力开发利用包括太阳能在内的可再生能源，已成为我们避免人类能源短缺与枯竭的紧迫任务。

　　面对迫在眉睫的能源危机，太阳能作为新能源和可再生能源的一种，因其清洁环保、永不衰竭的特点，受到了世界各国能源专家的青睐，并被业内人士称为 “ 黄金电 ” 。

　　“ 中国缺能，我们不能辜负头顶的大好阳光！ ” 这是有识之士的热切呼吁。充分开发利用太阳能，对于节约常规能源、保护自然环境、促进经济发展都有极为重要的意义。
 
　　2 光伏技术的原理

　　太阳能光伏技术，即太阳能发电技术，其基本工作原理是：以太阳能电池板接收太阳光并产生电能（即发电），再将产生的电能储存在蓄电池里，到需要用电时再从蓄电池中取电。太阳能电池板（也叫光伏板或光伏组件）本身只能发电不能储存电能。它发出的是直流电，蓄电池进出的也是直流电。对用电器而言，这时可以直接给直流电器供电，也可经过逆变器将直流电变换为交流电给交流电器供电或直接进入电网。
　　现在比较成熟的光伏元件是硅元件，分为晶体硅和非晶体硅。晶体硅目前能规模生产的产品发电效率在 13 ～ 17 ％，非晶体硅效率在 7 ～ 10 ％左右。即 1 ㎡电池板在 1kW 太阳能量的照射下，分别产生 130 ～ 170Wp 和 70 ～ 100Wp 的电能（电池板发电能力以 Wp 来表示，读作“峰瓦”，表示电池板在标准条件下所产生的电力）。由于晶体硅比非晶体硅的发电效率高，所以目前市场上晶体硅太阳电池（包括单晶硅、多晶硅电池）占主导地位。

　　那么，晶体硅太阳电池是如何发电的呢？

　　单一太阳电池是一只硅晶体二极管，根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由 P 型和 N 型两种不同导电类型的、同质半导体材料构成的 P-N 结上时，在一定的条件下（太阳光谱中波长小于 1.1μm 的光线进入 P-N 结区附近），太阳能辐射被半导体材料吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子，即电子和空穴。由于 P-N 结势垒区存在着较强的内建静电场，在电场的作用下， N 区的空穴向着 P 区移动，而 P 区的电子则向着 N 区移动，最后在太阳电池的受光面上积累大量的负电荷（电子），而在它的背光面上积累大量的正电荷（空穴）。即在光照作用下太阳电池内部形成电流密度 J 、短路电流 Isc 、开路电压 Uoc 。此时如果在太阳电池的两个表面引出金属电极，并用导线接上负载，即形成由 P-N 结、连接电路和负载组成的回路，在负载上就有“光生电流”流过，实现对负载的功率输出。

　　晶体硅太阳电池的发电原理如图 1 所示。

　　3 光伏系统的组成及功能

　　太阳能光伏系统主要由太阳能电池板、蓄电池、控制器、 DC-AC 逆变器和用电负载等组成。其中，太阳能电池板、蓄电池为电源系统，控制器、逆变器为控制保护系统。光伏系统组成如图 2 所示。

　　各部件的功能分述如下：

　　3 ． 1 太阳能电池板

　　单一太阳电池的发电量十分有限，实用中的太阳能电池是根据系统需求，将多个电池经串、并联组成的电池系统，称为太阳能电池板。它是太阳能光伏系统的核心部件，直接将太阳光能转换成电能。电池板板面为钢化玻璃封装，可承受冰雹冲击和 12 级强风的力量，使用温度为－ 40 ～＋ 60 ℃ 。基本可满足一般需求。目前太阳能电池板使用寿命为 20 ～ 25 年。

　　3 ． 2 蓄电池

　　蓄电池将太阳能电池板产生的电能储存起来，当光照不足或晚上，或者负载需求大于太阳能电池板所发的电量时，将存储的电能释放以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏系统的储能部件。目前光伏系统常用的是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统，通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。

　　3 ． 3 控制器

　　控制器对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳能电池板和蓄电池对负载的电能输出，它是整个系统的核心控制部分，保证系统能正常、可靠地工作，延长系统部件（特别是蓄电池）的使用寿命。它必须包含蓄电池过充、过放、负载过流和防反充等保护电路。随着光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势。

　　3 ． 4 逆变器

　　在光伏供电系统中，如用户终端为交流负载，则须使用逆变器设备，将太阳能电池板产生的直流电，或蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。如为直流负载，则不需逆变器转换。

　　
　　4光伏系统的应用方式

　　通常太阳能光伏系统的应用方式分为独立系统、群控系统、并网系统、混合系统、并网混合系统等几种。

　　4 ． 1 独立系统

　　单一个体本身带有电池板、蓄电池、控制器、用电器等全套配置的系统，例如太阳能路灯、庭院灯、草坪灯以及移动通讯基站、直放站、高速公路电话；住宅楼、办公楼等的楼道灯等等。

    该系统的特点是 : 单一个体是一个独立的系统，即使某一个体出现故障，不会影响其他个体，且不必架设配电源线路。但要求应用场所周围没有遮挡物，确保每一单体必须是接收阳光良好。

　　4 ． 2 群控系统

　　有些场合太阳光受到树荫、高层建筑等的遮挡，不适合设置独立太阳能用电系统，就需要采用集群控制系统。集群控制系统就是在接收阳光比较好的地点安放一组或多组太阳能电池板，并设置相应的控制系统，对其它阳光遮蔽处的多个用电器供电和控制，比如对有高大树木的公园、有较高山峦的景区、住宅楼之间的路灯、庭园灯、草坪灯等供电和控制。

　　群控系统因其供电范围大小，将决定采用何种供电模式。当用电设备距离控制系统较近时可以采用直流 DC 供电；当用电设备距控制系统较远时（大于 500m ），低压直流供电的线路损耗将会使用电设备无法正常工作，这时应采用交流 AC 系统，即经过逆变器将直流电 DC 转变为交流电 AC 给用电设备供电。

　　运行经验表明，一般直流 DC12V 系统供电距离不超过 60m ， DC24V 系统不超过 200m ， DC36V 系统不超过 350m ， DC48V 系统不超过 500m ；供电距离超过 500m 时，采用交流 AC 系统供电。

　　4 ． 3 并网系统

　　并网系统的特点是：太阳能电池板产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。由于直接将电能输入到电网，免除了蓄电池的配置，降低了系统的成本；且省掉了蓄电池储能和释放的过程，充分利用太阳能电池板所发的电力，减少了能量的损耗。但另一方面，系统中需要配置专用的并网逆变器，以保证输出的电能满足电网电力对电压、频率等用电性能指标的要求。因为逆变器效率的问题，会有部分的能量损失。

　　这种系统能够并行使用市电和太阳能电池板作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率，而且并网光伏系统可以对公用电网起到调峰作用。但并网光伏系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，如谐波污染、孤岛效应等。
 
　　4.4 混合系统

　　混合系统中除了使用太阳能电池板发电之外，还使用了柴油发电机作为备用电源，其目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。如光伏系统的优点是维护少，缺点是电能输出依赖于天气、不稳定。使用这种光 / 柴混合供电系统，可减少对天气的依赖性，降低负载缺电率，并实现较好的负载匹配和较高的性价比。

　　4.5 并网混合系统

　　随着太阳能光伏产业的发展，出现了可以综合利用太阳能电池板、市电和备用油机的并网混合供电系统。这种系统将控制器和逆变器集成一体化，使用电脑芯片可全面控制整个系统的运行。针对不同的使用情况，合理调剂利用太阳能、市电、备用油机等各种能源，达到最佳的工作状态。还可以配备使用蓄电池，使其长期处于浮充状态，进一步提高系统的负载供电保障率。

　　4.6 电池板安装原则

　　4.6.1 安装方向

　　安装太阳能电池板时，在北半球电池板面原则上应朝南略偏西，南半球应朝北略偏西，这是因为午后阳光较强，即使上午有雾，午后即可消散，下午也可以较好地接收太阳光。当然，实际安装时，还需针对不同地区的具体情况而定。

　　4.6.2 安装角度

　　地理纬度不同，则太阳能电池板面与地面夹角亦有所不同，通常高纬度地区夹角大一些，低纬度地区夹角小一些（如武汉地区夹角一般为 35 °），这样才能最大限度地利用太阳光。

　　4.6.3 占地面积

　　使用太阳能板必须预留安装面积，现阶段电池板因技术原因还不可能做得很小，因而占地面积较大。以武汉为例，目前每 100Wp （峰值功率）电池板占地面积约为 1.2 ㎡，如果排成阵列，后排必须留有足够位置避开前排的阴影，则占地面积在武汉地区约为 2.2 ㎡。
 
　　4.6.4 基本要求

　　无论上述何种太阳能光伏应用系统，电池板安装都必须避开所有阴影，使阳光不被遮挡，其支架强度必须能够抵抗当地最大风力及最大雨雪冰雹等荷载。
 
　　5 光伏系统的建筑应用

　　5.1 太阳能照明系统

　　太阳能照明系统由太阳能电池板、蓄电池、充放电控制器、逆变器和节能灯具、灯杆等组成。建筑领域的太阳能灯主要有路灯、草坪灯、庭园灯、楼道灯等。

　　太阳能灯的控制器除了要具备一般光伏系统的防反充、防过充和过放、防短路和反接等功能以外，还要具有自动开关照明灯的功能。通常使用定时和光控两种方式对太阳能灯的工作时间进行控制。

　　定时控制可采用模拟线路或单片机控制两种方法，根据实际需要，事先设定路灯每天晚上的工作时间，调整电子或者机械计时器的接通或断开时刻，到时路灯便可以自动开或关。另一种控制方式是光控，可以单独安装光敏器件，也可以利用太阳能电池本身作为光敏器件，即在周围环境暗到一定程度（照度低于某一设定值）时自动开灯，一直到天亮（照度高于某一设定值）时再自动关灯。

　　5.2 太阳能、 LED 光源的结合

　　应用太阳能给传统的灯具光源供电并不十分经济。随着固体物理和半导体技术的发展，人类开发出了第四代光源 ── 固体光源 LED （第一代为白炽灯，第二代为荧光灯，第三代为气体放电灯）。太阳能发电与 LED 照明的结合立即成为一大亮点，迅速吸引了人们的目光。

　　固体光源 ──LED 具有功耗低、寿命长（ 1.0×105h ）、光效高（目前为 50~80lm/W ，今后可达 100~120lm/W ）、反应速度快（可在高频下使用，可任意控制其功耗和亮度，而不影响其寿命）、直流低压工作安全可靠（ 24V 、 12V 、 4.8V ，免逆变器）、环保（耐震、耐冲击、不易破、废弃物可回收、没有污染）、可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点；没有白炽灯泡高耗电、易碎以及日光灯废弃物含汞污染等缺点；兼备照明、装饰功效，是被业界看好在未来 10 年内，成为替代传统照明器具的一大潜力产品。

　　下面给出几种市面常见 LED 灯泡的技术指标

　　5.3 太阳能水泵

　　太阳能水泵一般不需要蓄电池，而由太阳能电池板直接带动水泵工作。大型光伏水泵站通常备有逆变器，首先将太阳能电池板的直流电变为交流电，然后用交流电机带动水泵工作，这样可以与常规供电互补。虽然太阳能光伏水泵系统一次性投资较高，但它的运行费用低、维修少，使用寿命比较长，通常来说比小型柴油机抽水更合算。特别是对于太阳辐射强的干旱地区，发展光伏水泵具有良好的前景。

　　5.4 光伏建筑一体化（ BIPV ）

　　“光伏发电与建筑物集成化”（ Building integrated/attached photovoltaic ）的概念早在 1991 年被正式提出，并很快成为热门课题。此后，一些国家纷纷实施、推广“太阳能屋顶计划”，比较著名的有德国十万屋顶计划、美国百万屋顶计划以及日本的新阳光计划等。
　　所谓太阳能屋顶，是将太阳能电池板安装在建筑物的屋顶，引出端经过控制器、逆变器与公共电网相连接，由太阳能电池板、电网并联向用户供电，即组成了户用并网光伏系统。

　　这种并网系统因有太阳能、公共电网同时给负载供电，系统随时可向电网中存电或取电，所以供电可靠性得到增强；而且，系统一般不用蓄电池，这既降低了造价，又免去了蓄电池的电能损耗、维护更换；同时，多余的发电可反馈给电网，既充分利用了光伏系统所发的电能，又对电网具有调峰作用。

　　太阳能屋顶还可采用一些创新技术，如设置能量管理优化智能系统，以减少能量消耗；设置屋顶冷却系统，对没有安装光伏组件的屋顶，使用特殊功能的反射涂层，可反射 65% 的太阳能，这样可以有效地降低夏季屋顶的温度，提高太阳能电池的转换效率；设置绝缘底层保护屋顶，并降低建筑物内部的温度。

　　光伏建筑一体化（ BIPV ）的进一步目标是将光伏器件与建筑材料集成化。比如，将建筑屋顶、向阳的外墙甚至窗户材料都用光伏器件来代替，则既能作为建材又能发电，可谓一举两得。当然，对光伏器件来说，同时还应具备建材所要求的隔热保温、防水防潮、机械强度、电气绝缘等性能，并要考虑安全可靠、便于施工、立面美观等因素。

　　显然，光伏器件代替部分建材，可进一步降低光伏发电的成本，有利于光伏技术的推广应用。

　　总之 , 光伏建筑一体化（ BIPV ）体现了创新的建筑设计理念和高科技含量，它不仅开辟了光伏技术应用于建筑领域的新天地，而且拉动了光伏技术的产业化发展及在城市的大规模应用，因而具有非常广阔的市场前景。

　　6光伏系统的应用现状及前景展望

　　目前，发达国家以“太阳能屋顶计划”和并网发电为基本形式，积极推广光伏产业。与发达国家相比，我国的光伏产业还处于初级阶段， 2006 年我国太阳能电池仅占世界总产量的 6% 左右。笔者认为，我国在光伏发展方面主要存在以下问题：

　　（ 1 ）没有形成一个国家级权威研究机构；没有长远发展战略和规划；缺乏相关政策和具体措施；
 
　　（ 2 ）科研人才、工程技术人才匮乏；研究力量薄弱、分散，实验条件差；

　　（ 3 ）光伏物理学科发展薄弱；光伏材料与器件、关键生产设备和测试仪器依赖进口。

　　显然，有效解决上述问题，即加大投入、着力扶持，是发展我国光伏产业的当务之急。

　　另一方面，开发创新技术，降低光伏成本，将有力推动光伏产业在我国的大规模应用。

    应该说，直接影响光伏技术在我国广泛应用的最主要障碍是：太阳能电池的光电转换效率低、系统制造成本高（目前单位功率造价约为 50 ～ 70 元 /W ）。因此，现阶段光伏技术最关键的问题，就是要提高电池效率和降低成本。

　　我们知道，在太阳能光伏发电系统中，系统的总效率η由太阳能电池板的转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率、用电负载的效率等组成。

　　相对于太阳能电池技术而言，控制器、逆变器、用电负载等其它单元的技术及生产水平要成熟得多，而目前晶体硅太阳电池的转换率只有 13 ～ 17 ％左右，因此采用创新技术，提高电池板的转换率、降低系统造价，是太阳能发电产业化的重点和难点。

　　目前，太阳能电池创新技术的研究开发，主要围绕 a. 加大吸能面，如采用双面电池，减少反射； b. 运用吸杂技术，减少半导体材料的复合； c. 电池超薄型化，如薄膜电池； d. 高效聚光电池； e. 改进现有制造工艺； f. 开发新的电池材料； g. 改进理论、建立新模型等。

　　7 结 语

　　“ 中国缺能，我们不能辜负头顶的大好阳光！ ” 如果我们的国人都有这种强烈的节能意识，如果我们的各级政府相应采取强有力的“阳光行动”，并配套有“阳光政策”扶持，那么，随着光伏技术的不断创新发展，我国光伏产业的前景该是何等美好！

　　参考文献

    1 曾树荣 . 半导体器件物理基础 . 北京：北京大学出版社， 2002 ： 27-36

    2 沈辉 , 曾祖勤 . 太阳能光伏发电技术 . 北京：化学工业出版社 , 2005: 144-146, 160-163

    3 武汉日新科技有限公司 . 太阳能系列产品使用说明书 , 2006: 3-9