太阳能发电(将太阳能转换为电能的技术)

太阳能发电，是将太阳能转换为电能的技术。太阳能的能源是来自地球外部天体的能源（主要是太阳能），是太阳中的氢原子核在超高温时聚变释放的巨大能量，人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。

2024年2月，国家统计局发布《中华人民共和国2023年国民经济和社会发展统计公报》，其中太阳能发电装机容量60949万千瓦，增长55.2%。2025年7月23日，国家能源局发布1-6月份全国电力工业统计数据。截至6月底，太阳能发电装机容量11.0亿千瓦，同比增长54.2%。

背景

现有能源

推动风电、光伏发电跃升发展。中国风能、太阳能资源丰富，风电、光伏发电成为清洁能源的主力军。有序推进大型风电光伏基地建设，以库布其、乌兰布和、腾格里、巴丹吉林沙漠为重点，规划建设4.5亿千瓦大型风电光伏基地项目。推进海上风电规模化集群化发展，累计装机规模达3728万千瓦。积极推进分布式新能源发展，开展“千乡万村驭风行动”“千家万户沐光行动”，推广农光互补、渔光互补、牧光互补等“光伏+农业”新模式，打开了农村新能源发展的广阔空间。截至2023年底，中国风电、光伏发电累计装机容量分别达4.41亿千瓦、6.09亿千瓦，合计较10年前增长了10倍。其中，分布式光伏发电累计装机容量超过2.5亿千瓦，占光伏发电总装机容量40%以上。

火电缺点

火电需要燃烧煤、石油等化石燃料，一方面化石燃料蕴藏量有限、越烧越少，正面临着枯竭的危险。据估计，全世界石油资源再有30年便将枯竭。另一方面燃烧燃料将排出二氧化碳和硫的氧化物，因此会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。

水电缺点

水电要淹没大量土地，有可能导致生态环境破坏，而且大型水库一旦塌崩，后果将不堪设想，另外，一个国家的水力资源也是有限的，而且还要受季节的影响。

核电缺点

核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样是可怕的。苏联切尔诺贝利核事故，已使900万人受到了不同程度的损害；2011年3月11日13时46分，福岛县发生9.0级地震，引发震惊国际的福岛核电站事故，造成核电站附近30公里成为无人区；方圆5公里的海洋资源将受到不同程度的影响或是海洋生物变异。

理想能源

新能源以新技术和新材料为基础，使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用，用取之不尽、周而复始的可再生能源来不断取代资源有限、对环境污染的化石能源，重点在于开发太阳能、生物质能、海洋能、风能、地热能和氢能等。所以他是能源领域的高新技术，新的和可再生的是打开CPEM了解更多一个完整的含义，在英文中缩写为NRSE，即new and renewable sources of 能量，在中国则习惯的称为新能源或可再生能源。在我国，新能源和可再生能源是指除常规能源和大型水力发电之外的生物质能、风能、太阳能、小水电、海洋能、地热能、氢能等能源资源。

分类

太阳能光伏发电

太阳能光伏(PV or 光伏产业)，是太阳能(4.650， 0.03， 0.65%)光伏发电系统(photovoltaic 功率 system)的简称，光伏发电的技术起源可以追溯到19世纪，但直到20世纪70年代才开始得到广泛应用。光伏发电是一种利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，它通过光伏电池将太阳光转化为直流电，再经过逆变器转化为交流电，供应给家庭、企业或者电网使用，有独立运行和并网运行两种方式。光伏发电是一种清洁、可再生能源，对环境友好，具有广阔的应用前景。

太阳能光热发电

太阳能光热发电是指利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。采用太阳能光热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。而且，这种形式的太阳能利用还有一个其他形式的太阳能转换所无法比拟的优势，即太阳能所烧热的水可以储存在巨大的容器中，在太阳落山后几个小时仍然能够带动汽轮发电。

光热发电和光伏发电的区别

　　1、发电原理的不同

　　常规光伏电站是利用太阳能电池板吸收太阳光中的可见光形成光电子，产生电流。光热发电利用熔盐或者油等介质吸收太阳光中的热能，使用汽轮机将其转化为电能。

　　2、并网难易不同

　　目前太阳能光热发电系统可以通过增加储热单元或通过补燃或与常规火电联合运行改善出力特性，输出电力稳定，电力具有可调节性。而光伏发电受日光照射强度影响较大，上网后给电网带来较大压力，其发电形式独特，和传统电厂合并难度大。就并网难易程度来看，光热发电比常规的光伏发电更具有优势。通过储热改善光热发电出力特性（槽式和塔式光热发电）。白天将多余热量储存，晚间再用储存的热量释放发电，这样可以实现光热发电连续供电，保证电流稳定，避免了光伏发电与风力发电难以解决的入网调峰问题。根据不同的储热模式，可一定程度上提高电站利用小时数和发电量，提高电站调节性能。

　　通过补燃或与常规火电联合运行改善光热发电出力特性。太阳能热发电站可利用化石燃料补燃或与常规火电联合运行，使其可以在晚上或连续阴天时持续发电，甚至可以以稳定出力承担基荷运行，从而使年发电利用达到7000小时左右。

　　3、对环境的污染程度的不同

　　光热发电是清洁生产过程，基本采用物理手段进行光电能量转换，对环境危害极小，太阳能光热发电站全生命周期的CO2排放仅为13~19g/kWh。而光伏发电技术存在致命弱点为太阳能电池在生产过程中对环境的损耗较大，是高能耗、高污染的生产流程。

　　4、技术成熟程度的不同

　　常规的光伏发电技术，在我国已经发展稳定，技术相对成熟，而光热发电，虽然很早就在国外兴起，但是在我国来说，依然处于技术不断的创新与改进的阶段。

　　5、使用方向不同

　　光伏--适合分散式、小规模、高档城市；小局域供电。

　　光热--适合集中式、大规模、一般性地区；整个地区、省、甚至全国大范围供电，仅仅利用新疆沙漠100平方公里的太阳热能，就够我们整个中国的用电；新疆沙漠是42.48万平方公里。

　　6、相关产业链不同

　　光伏--硅矿生产、提纯、切片、产品，相关产业链专业单一。

　　光热--钢铁、玻璃、水泥等等，涉及到多个行业，类似房地产，相关产业链长，非常丰富；

光热发电和光伏发电的优劣势对比

投资成本方面

光热发电投资成本远高于光伏电站。目前我国建设的大型光伏电站单位造价约为8000元/千瓦，光热约为22000元/千瓦，美国的光伏电站则为2400-3000美元/千瓦，光热约为5100-6200美元/千瓦，光热造价基本上是光伏的2-3倍。此外，光热电站对规模的敏感度较高，只有在规模足够大的前提下，才能有效实现经济效益。同时，其整体投资门槛较高，百兆瓦电站投资需要近5亿美元。正是由于光热电站的投资大、风险高，即使达到平价上网水平，与光伏电站相比，其投资者还是非常少，这在客观上也会相应延缓其成本下降。

建设条件方面

光热电站对建设条件要求较高，光伏的安装弹性则相对较大。太阳能热发电主要安装在太阳能直接辐射（DNI）较好的地方，沙漠地区是最好的选择，但这些地方往往较为偏远，电力需求较弱，需要为其建设输电通道将电力送出，这不仅会增加成本，并且也只能享受发电侧电价。同时，由于光热电站属于跟踪系统，对当地气候条件要求也比较高。

光伏电站则可同时利用直射光和散射光，安装区域选择较大，比如可安装在负荷中心、屋顶或工业厂房上，享受用户侧电价。因此，相对于光热电站，它以发电侧电价出售会更具竞争力。

环境保护方面

光热电站需要大量的土地和水，对环保的要求也较高。根据美国现在光热电站的建设情况，每MW大概需要40-50亩土地，几乎是光伏电站的两倍，并且要求土地十分平坦。在用水方面，虽然光伏和光热都需要水对组件或镜面清洗，但光热电站还需要额外的水用于冷却，耗水量约为2.9-3.2升/kwh，几乎是天然气发电的4倍。虽然现在也在开发干法冷却技术，比如，用空气冷却可以解决水的问题，但一方面是技术尚未成熟，另一方面可能降低发电量，并增加大约3%-8%的发电成本。此外，由于光热电站占用空间较大，会对当地的野生动物、生物多样性等造成影响，也容易引发环保争端。

技术原理

太阳能发电系统主要是借助太阳能电池将光能转化为电能。与其相关的主要元件有光伏电池板、逆变器以及控制系统。光伏电池板利用光生伏特效应，将阳光中的光子能源直接转换为电能，逆变器的任务则是把直流电转为交流电。光照强度和温度变化是影响太阳能发电效率的主要因素，智能控制技术的应用能有效调节和优化系统运行。两种发电系统的智能化控制技术均旨在提升能效、稳定性和适应性，为可再生能源的可持续发展提供保障。

技术组成

概述

太阳能发电系统依赖于四大元素——太阳能电池板、逆变器、蓄电池组和控制系统。光伏效应使太阳能电池板能够直接将阳光变为电力，这是整个系统的中心所在。电池板由几个光伏元件组成，材质包括单晶硅、多晶硅和薄膜太阳能电池，效率和成本因材料的不同而有别。整个太阳能发电系统中，逆变器也占据着主要地位，负责将电池板产出的直流电转化为可以供应家庭和电网所用的交流电。从而使得逆变器性能的良莠直接影响到电力系统的效率和稳定性。先进的逆变器在电能转换过程中，能够有效降低损耗，达到优化使用效果。蓄电池组用于储存电能，以便在光照不足或夜间时提供电力支持。蓄电池的选择和管理对系统的长期稳定运行至关重要，常用的蓄电池有铅酸电池、锂电池等。控制系统是实现太阳能发电系统智能化运行的关键。其主要功能包括最大功率点追踪（MPPT）、能量管理和故障诊断等。最大功率点追踪技术能够根据光照强度和温度的变化，实时调整电池板的工作点，以确保系统始终工作在最高效率点。能量管理系统在太阳能发电系统中扮演着关键角色，负责协调电池板、逆变器和蓄电池组之间的能量流动，优化电力的生产和使用。而故障诊断系统则通过实时监测各组件的运行状态，及时发现并处理潜在问题，确保系统的安全可靠运行。太阳能发电系统的运行原理主要基于光伏效应和电力电子技术。光伏效应使得光子照射到半导体材料上时能产生电动势，而电力电子技术则实现对电能的高效传输和使用。在实际应用中，系统还会结合气象数据和负载预测，通过智能化控制技术进一步提高运行效率和可靠性。这些技术的综合应用，使得太阳能发电系统能在多变的环境条件下稳定高效运行。

电池单元

由于受到工艺及材料等因素的制约，单一单体电池的发电能力受到制约。在如今的现实应用之中，电池组件(阵列)是由多个单一电池通过串、并联构成的单体体系。其实，单一电池就是一个个石英二极管其工作原理是，在一定光照下，根据半导体的导电性能，利用 P、N两种导电型同质半导体组成的 P-N 结，然后对太阳光进行有效吸收，进而在导带、价带中产生的电子、空穴等非平衡态载流子。如若在 P-N 结势垒区中较强的内建电场，那么其会在电场的作用下产生短路电流 Isc、电流密度丁以及开路电压 Uoc，进而有效提升各组件的性能。在实际应用中，如若内建电场两端电极与负荷是串联，那么会通过P-N 结、连接电路及负载，“光生电流”形成一个环路，进而促使太阳电池模块向负荷输出电能P。研究还发现，光伏模块的最大输出功率Pk与太阳总辐射强度和终端负载(也就是所需电能)有关。所以，在光伏发电技术的发展过程中，需要对其进行全面的研究，以保证其高效稳定的运行。

储存单元

由太阳电池输出的直流电能首先被存储在蓄电池中，其性能将直接决定整个储能装置的运行性能。储能系统已经非常完善，但是它的储能能力会被终端用电、光照等因素所决定。这样，储能器的功率和单位时间的能力就取决于预先确定的不受光照的持续时间。

控制器

要想控制器得到最大效能以及实现发电率最大化，应当确保太阳能发电系统始终保持接近发电最大功率点状态。其中，采用脉冲宽度调制技术(即PWM控制方式)能够在充电控制领域中，以有效保障整个系统能够在最大功率点 Pm 的邻近区域内实现稳定运行，从而确保系统的高效性和稳定性。至于放电控制:其核心目标在于在电池电量不足或系统出现故障，如电池开路或接反等情况时，及时切断开关，以保障系统的安全与稳定。目前日立制作所已成功研发出了一款先进的“向日葵”式控制器。这款控制器不仅能够精准地跟踪并调控点 Pm，还能实时跟踪太阳的移动参数，从而显著提升了固定电池组件的效率，达到了约50%的提升幅度。这一创新成果的推出，无疑为太阳能发电领域的发展注入了新的活力。

逆变器

逆变电源在激励方式上分为自激式与他激式两种类型。其核心功能在于将蓄电池输出的直流电(DC)转换为交流电(AC)，以满足不同应用场景的电力需求。在实际应用中，通常采用全桥式电路结构，并结合 SPWM 处理器进行精确调制、滤波和增压等处理，以确保输出电流的稳定性和可靠性。通过这种方式，我们可以获得一种与灯具负载频率 f、额定电压 UN 等参数相匹配的正弦交变电流，从而满足终端用户的实际使用需求。通过这种科学严谨的设计和处理方式，逆变电源能够有效地提升电力供应的效率和稳定性，为各类应用场景提供可靠的电力保障。

防反充二极管

防反充二极管(简称阻塞二极管)是用于太阳能电池模块在雨天、夜间无电或发生短路等情况下防止蓄电池群通过其排出。在太阳能光伏发电系统中，防反充二极管串接于太阳能电池阵列的内部，具有一种单向导电的功能。这就要求在回路中既要有最大的电流，又要能抵抗最大的反相电压。防反充二极管通常可以选择适当的整流二极管。如果只有一片平板，那么就不需要二极管了，这是由于控制器本身就有抗反冲力的能力。在光伏板的安装过程中，若采取串联方式，应安装旁路二极管;而若采用并联方式，则需加装防反冲二极管，以有效防止光伏板直接充电。值得注意的是，防反充二极管的主要功能是保护作用，其安装并不会对发电效果产生任何不良影响。

效率

电池组件的 PV 转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率以及负载效率等诸多关键环节，直接影响着太阳能发电系统的效能评估以及系统总效率nese的优劣。太阳能电池技术的成熟度与生产水平相较于控制器、逆变器及照明负载等其他技术单元较为领先。然而，当前系统整体转换率尚待提升，这在一定程度上成为制约太阳能发电产业化进程的关键因素。因此亟需将提升电池组件的转换率、降低单位功率造价作为推动太阳能发电产业化的核心任务与重大挑战。自太阳能电池技术问世以来，晶体硅作为其关键原材料一直占据着主导位置。对于硅电池转换率的深入研究主要聚焦于以下几个方面:一是通过加大吸能面;是运用吸杂技术;三是推进电池超薄型化;四是不断改进理论模型;五是研发聚光电池等先进技术。

优缺点

优点

太阳能光伏发电过程简单，没有机械转动部件，不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质，无噪声、无污染；太阳能资源分布广泛且取之不尽、用之不竭。因此，与风力发电、生物质能发电和核电等新型发电技术相比，光伏发电是一种最具可持续发展理想特征(最丰富的资源和最洁净的发电过程)的可再生能源发电技术，具有以下主要优点。

①太阳能资源取之不尽，用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类目前消耗的能量大6000倍。而且太阳能在地球上分布广泛，只要有光照的地方就可以使用光伏发电系统，不受地域、海拔等因素的限制。

②太阳能资源随处可得，可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路所造成的电能损失。

③光伏发电的能量转换过程简单，是直接从光能到电能的转换，没有中间过程(如热能转换为机械能、机械能转换为电磁能等)和机械运动，不存在机械磨损。根据热力学分析，光伏发电具有很高的理论发电效率，可达80％以上，技术开发潜力巨大。

④光伏发电本身不使用燃料，不排放包括温室气体和其它废气在内的任何物质，不污染空气，不产生噪声，对环境友好，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定而造成的冲击，是真正绿色环保的新型可再生能源。

⑤光伏发电过程不需要冷却水，可以安装在没有水的荒漠戈壁上。光伏发电还可以很方便地与建筑物结合，构成光伏建筑一体化发电系统，不需要单独占地，可节省宝贵的土地资源。

⑥光伏发电无机械传动部件，操作、维护简单，运行稳定可靠。一套光伏发电系统只要有太阳能电池组件就能发电，加之自动控制技术的广泛采用，基本上可实现无人值守，维护成本低。

⑦光伏发电系统工作性能稳定可靠，使用寿命长(30年以上)。晶体硅太阳能电池寿命可长达20～35年。在光伏发电系统中，只要设计合理、选型适当，蓄电池的寿命也可长达10～15年。

⑧太阳能电池组件结构简单，体积小、重量轻，便于运输和安装。光伏发电系统建设周期短，而且根据用电负荷容量可大可小，方便灵活，极易组合、扩容。

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。太阳能光伏发电与火力发电、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，小到只供一户用电的独立太阳能发电系统，这些特点是其他电源无法比拟的。

缺点

①能量密度低。尽管太阳投向地球的能量总和极其巨大，但由于地球表面积也很大，而且地球表面大部分被海洋覆盖，真正能够到达陆地表面的太阳能只有到达地球范围太阳辐射能量的10％左右，致使在陆地单位面积上能够直接获得的太阳能量较少。通常以太阳辐照度来表示，地球表面辐照度最高值约为1.2kw／㎡，且绝大多数地区和大多数日照时间内都低于1kw／㎡。太阳能的利用实际上是低密度能量的收集、利用。

②占地面积大。由于太阳能能量密度低，这就使得光伏发电系统的占地面积会很大，每10kw光伏发电功率占地约需100㎡，平均每平方米面积发电功率为100w。随着光伏建筑一体化发电技术的成熟和发展，越来越多的光伏发电系统可以利用建筑物、构筑物的屋顶和立面，将逐渐克服光伏发电占地面积大的不足。

③转换效率低。光伏发电的最基本单元是太阳能电池组件。光伏发电的转换效率指光能转换为电能的比率。目前晶体硅光伏电池转换效率为13％～17％，非晶硅光伏电池只有5％～8％。由于光电转换效率太低，从而使光伏发电功率密度低，难以形成高功率发电系统。因此，太阳能电池的转换效率低是阻碍光伏发电大面积推广的瓶颈。

④间歇性工作。在地球表面，光伏发电系统只能在白天发电，晚上不能发电，除非在太空中没有昼夜之分的情况下，太阳能电池才可以连续发电，这与人们的用电需求不符。

⑤受气候环境因素影响大。太阳能光伏发电的能源直接来源于太阳光的照射，而地球表面上的太阳照射受气候的影响很大，长期的雨雪天、阴天、雾天甚至云层的变化都会严重影响系统的发电状态。另外，环境因素的影响也很大，比较突出的一点是，空气中的颗粒物(如灰尘)等沉落在太阳能电池组件的表面，阻挡了部分光线的照射，这样会使电池组件转换效率降低，从而造成发电量减少甚至电池板的损坏。

⑥地域依赖性强。地理位置不同，气候不同，使各地区日照市资源相差很大。光伏发电系统只有应用在太阳能资源丰富的地区，其效果才会好。

⑦系统成本高。由于太阳能光伏发电的效率较低，到目前为止，光伏发电的成本仍然是其他常规发电方式(如火力和水力发电)的几倍，这是制约其广泛应用的最主要因素。但是也应看到，随着太阳能电池产能的不断扩大及电池片光电转换效率的不断提高，光伏发电系统的成本也下降得非常快。太阳能电池组件的价格几十年来已经从最初的每瓦70多美元下降至目前的每瓦2美元左右。

⑧晶体硅电池的制造过程高污染、高能耗。晶体硅电池的主要原料是纯净的硅。硅是地球上含量仅次于氧的元素，主要存在形式是沙子(sio2)。从硅砂一步步变成纯度为99.9999％以上的晶体硅，要经过多道化学和物理工序的处理，不仅要消耗大量能源，还会造成一定的环境污染。

应用现状及其领域

应用现状

目前，太阳能的利用还不是很普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题，但是太阳能电池在为人造卫星提供能源方面得到了应用。太阳能是太阳内部或者表面的黑子连续不断的核聚变反应过程产生的能量地球轨道上的平均太阳辐射强度为1369w／㎡。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达太阳能173000TW在地平线上的标准峰值强度为1kw／㎡，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw／㎡，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1万多倍，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。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的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t煤，每秒照射到地球的能量则为49940000000J。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能都是来源于太阳；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贮存下来的太阳能，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。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。

应用领域

光伏+储能”了，这种模式是将光伏发电与储能技术结合，通过将白天产生的太阳能电力储存起来，以供夜间或低能量需求时使用。这种组合可以解决光伏发电的间歇性和波动性，实现可靠的能源供应。这种应用方式可用于电动车辆充电，从而降低交通运输的碳排放，推动绿色交通发展。

“光伏+建筑”“光伏+农业”“光伏+水利”也是近些年来较为流行的应用场景：将太阳能电池板集成到建筑外墙、屋顶或窗户等部位，实现建筑自发电的同时，也为建筑增添了美观和功能性；光伏技术应用于农业领域，例如在农田上架设太阳能板，为农业设施和灌溉系统供电，提高农业生产的可持续性和效益；将光伏技术与水利工程相结合，例如在水库、河流或灌溉渠道上安装浮动式太阳能电池板，为水利设施供电，提高水资源管理的可持续性和效率。

“光伏+加油站”将光伏技术与传统的加油站结合，旨在利用太阳能发电系统为加油站提供清洁、可再生的能源，以替代或补充传统的化石燃料。

太阳能电池

太阳能电池原理

在太阳能发电系统中，常用的电池储能系统类型包括铅酸蓄电池、锂离子电池、钠硫电池和流动电池等。每种类型的电池储能系统都具有不同的性能特征和应用场景。

铅酸蓄电池

铅酸蓄电池是最常见的电池储能系统之一，具有我本低、可靠性高的优势。它可以满足小规模太阳能发电系统对能量储存和释放的需求。然而，铅酸蓄电也存在以下缺点:能量密度低、容量逐渐降低、寿命较短等。

锂离子电池

锂离子电池是目前最常用的电池储能系统之一，具有较高的能量密度、长寿命、低自放电率等优势。它可以满足大规模太阳能发电系统对能量储存和释放的需求。然而，锂离子电池也存在一些不足之处，如成本较高、安全性较差等。

钠硫电池

钠硫电池是一种高温电池系统，具有较高的能量密度和长寿命，适用于大规模储能系统。它可以满足太阳能发电系统对峰值功率输出和长期储能的需求。然而，钠硫电池的高温要求和较高成本限制了其在实际应用中的推广。

流动电池

流动电池是一种使用可溶性溶液作为储能介质的新型电池系统。它具有可调节容量、高能量密度、长寿命等优点。流动电池可以满足太阳能发电系统对灵活储能和快速充放电的需求。然而，流动电池目前仍处于实验室研究阶段，面临着技术成熟度和成本等挑战。

太阳能生产过程

太阳能电池片的生产工艺流程分为硅片检测——表面制绒——扩散制结 ——去磷硅玻璃——等离子刻蚀——镀减反射膜——丝网印刷——快速烧结等。具体介绍如下：

一、硅片检测

硅片是太阳能电池片的载体，硅片质量的好坏直接决定了太阳能电池片转换效率的高低，因此需要对来料硅片进行检测。该工序主要用来对硅片的一些技术参数进行在线测量，这些参数主要包括硅片表面不平整度、少子寿命、电阻率、 P/N 型和微裂纹等。该组设备分自动上下料、硅片传输、系统整合部分和四个检测模块。其中，光伏硅片检测仪对硅片表面不平整度进行检测，同时检测硅片的尺寸和对角线等外观参数；微裂纹检测模块用来检测硅片的内部微裂纹；另外还有两个检测模组，其中一个在线测试模组主要测试硅片体电阻率和硅片类型，另一个模块用于检测硅片的少子寿命。在进行少子寿命和电阻率检测之前，需要先对硅片的对角线、微裂纹进行检测，并自动剔除破损硅片。硅片检测设备能够自动装片和卸片，并且能够将不合格品放到固定位置，从而提高检测精度和效率。

二、表面制绒

单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀，在每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的短路电流和转换效率。硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液，可用的碱有氢氧化钠，氢氧化钾、氢氧化锂和乙二胺等。大多使用廉价的浓度约为1%的氢氧化钠稀溶液来制备绒面硅，腐蚀温度为70-85℃。为了获得均匀的绒面，还应在溶液中酌量添加醇类如乙醇和2-丙醇等作为络合剂，以加快硅的腐蚀。制备绒面前，硅片须先进行初步表面腐蚀，用碱性或酸性腐蚀液蚀去约20～25μm，在腐蚀绒面后，进行一般的化学清洗。经过表面准备的硅片都不宜在水中久存，以防沾污，应尽快扩散制结。

三、扩散制结

太阳能电池需要一个大面积的PN结以实现光能到电能的转换，而扩散炉即为制造太阳能电池PN结的专用设备。管式扩散炉主要由石英舟的上下载部分、废气室、炉体部分和气柜部分等四大部分组成。扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散源。把P型硅片放在管式扩散炉的石英容器内，在850---900摄氏度高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器，通过三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子。经过一定时间，磷原子从四周进入硅片的表面层，并且通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散，形成了N型半导体和P型半导体的交界面，也就是PN结。这种方法制出的PN结均匀性好，方块电阻的不均匀性小于百分之十，少子寿命可大于10ms。制造PN结是太阳电池生产最基本也是最关键的工序。因为正是PN 结的形成，才使电子和空穴在流动后不再回到原处，这样就形成了电流，用导线将电流引出，就是直流电。

四、去磷硅玻璃

该工艺用于太阳能电池片生产制造过程中，通过化学腐蚀法也即把硅片放在氢氟酸溶液中浸泡，使其产生化学反应生成可溶性的配位化合物六氟硅酸，以去除扩散制结后在硅片表面形成的一层磷硅玻璃。在扩散过程中，POCL3与O2反应生成五氧化二磷淀积在硅片表面。P2O5与Si反应又生成SiO2和磷原子，这样就在硅片表面形成一层含有磷的SiO2，称之为磷硅玻璃。去磷硅玻璃的设备一般由本体、清洗槽、伺服驱动系统、机械臂、电气控制系统和自动配酸系统等部分组成，主要动力源有氢氟酸、氮气、压缩空气、纯水，热排风和废水。氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸与二氧化硅反应生成易挥发的四氟化硅气体。若氢氟酸过量，反应生成的四氟化硅会进一步与氢氟酸反应生成可溶性的配位化合物六氟硅酸。

五、等离子刻蚀

由于在扩散过程中，即使采用背靠背扩散，硅片的所有表面包括边缘都将不可避免地扩散上磷。PN结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面，而造成短路。因此，必须对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀，以去除电池边缘的PN结。通常采用等离子刻蚀技术完成这一工艺。等离子刻蚀是在低压状态下，反应气体四氟化碳的母体分子在射频功率的激发下，产生电离并形成等离子体。等离子体是由带电的电子和离子组成，反应腔体中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团。活性反应基团由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面，在那里与被刻蚀材料表面发生化学反应，并形成挥发性的反应生成物脱离被刻蚀物质表面，被真空系统抽出腔体。

六、镀减反射膜抛光硅表面的反射率为35%，为了减少表面反射，提高电池的转换效率，需要沉积一层氮化硅减反射膜。现在工业生产中常采用PECVD设备制备减反射膜。 PECVD 即等离子增强型化学气相沉积。它的技术原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体SiH4和NH3，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜即氮化硅薄膜。一般情况下，使用这种等离子增强型化学气相沉积的方法沉积的薄膜厚度在70nm左右。这样厚度的薄膜具有光学的功能性。利用薄膜干涉原理，可以使光的反射大为减少，电池的短路电流和输出就有很大增加，效率也有相当的提高。

七、丝网印刷

太阳电池经过制绒、扩散及PECVD等工序后，已经制成PN结，可以在光照下产生电流，为了将产生的电流导出，需要在电池表面上制作正、负两个电极。制造电极的方法很多，而丝网印刷是目前制作太阳电池电极最普遍的一种生产工艺。丝网印刷是采用压印的方式将预定的图形印刷在基板上，该设备由电池背面银铝浆印刷、电池背面铝浆印刷和电池正面银浆印刷三部分组成。其工作原理为：利用丝网图形部分网孔透过浆料，用刮刀在丝网的浆料部位施加一定压力，同时朝丝网另一端移动。油墨在移动中被刮刀从图形部分的网孔中挤压到基片上。由于浆料的粘性作用使印迹固着在一定范围内，印刷中刮板始终与丝网印版和基片呈线性接触，接触线随刮刀移动而移动，从而完成印刷行程。

八、快速烧结

经过丝网印刷后的硅片，不能直接使用，需经烧结炉快速烧结，将有机没药树粘合剂燃烧掉，剩下几乎纯粹的、由于玻璃质作用而密合在硅片上的银电极。当银电极和晶体硅在温度达到共晶温度时，晶体硅原子以一定的比例融入到熔融的银电极材料中去，从而形成上下电极的欧姆接触，提高电池片的开路电压和填充因子两个关键参数，使其具有电阻特性，以提高电池片的转换效率。烧结炉分为预烧结、烧结、降温冷却三个阶段。预烧结阶段目的是使浆料中的有机高分子化合物粘合剂分解、燃烧掉，此阶段温度慢慢上升；烧结阶段中烧结体内完成各种物理化学反应，形成电阻膜结构，使其真正具有电阻特性，该阶段温度达到峰值；降温冷却阶段，玻璃冷却硬化并凝固，使电阻膜结构固定地粘附于基片上。

九、外围设备

在电池片生产过程中，还需要供电、动力、给水、排水、暖通、真空、特汽等外围设施。消防和环保设备对于保证安全和持续发展也显得尤为重要。一条年产50MW能力的太阳能电池片生产线，仅工艺和动力设备用电功率就在1800KW 左右。工艺纯水的用量在每小时15吨左右，水质要求达到中国电子级水 GB/T11446.1-1997 中 EW-1 级技术标准。工艺冷却水用量也在每小时15吨左右，水质中微粒粒径不宜大于10微米，供水温度宜在15-20℃。真空排气量在300M3/H 左右。同时，还需要大约氮气储罐20立方米，氧气储罐10立方米。考虑到特殊气体如硅烷的安全因素，还需要单独设置一个特气间，以绝对保证生产安全。另外，硅烷燃烧塔、污水处理站等也是电池片生产的必备设施。

晶体硅光伏技术电池

晶体硅光伏技术电池主要分为单晶太阳能电池和多晶太阳能电池。

单晶太阳能电池外观呈圆柱形，边缘呈圆形单晶太阳能电池板的效率为 15%~20%，而最新的单晶太阳能电池板在实验室中实现了25%的效率，其中21%是经过验证的效率。在美国，E20单晶太阳能电池系列的效率约为20%，而SunPowerPV(光伏板)的X系列可达到21.5%的效率。单晶太阳能电池板需要的空间少，只占屋顶的一小块区域。单晶太阳能电池板的平均寿命约为25年。同等光照条件下，其性能优于多晶太阳能电池板。此外，单晶太阳能电池板产生的电能是薄膜太阳能电池板的倍。因此，单晶太阳能电池板是目前市面上效率量高的光伏组件，易于使用和更换。

但是，与薄膜太阳能光伏组件或多晶太阳能电池板相比，单晶太阳能电池板的初始成本较高。是由单晶硅制成的，单晶光伏板具有较高的抗热冲击性能，能够在高温环境下长期工作而不会出现明显的性能衰减。反之雨雪天气会导致设备受潮，降低电气设备的绝缘性能，增加短路故障的风险。此外，潮湿环境还会促进电气设备的腐蚀，影响其性能和可靠性，因此如果太阳能电池板的部分区域被雪、污垢或阴影所覆盖，可能会破坏整个光伏电路。同时，为了制造大圆柱形的硅晶片和阵列，会将光伏电池的四个末端从硅锭上切掉，这会产生量纯硅废料。

多晶太阳能电池板的效率约为 13.5%-17%，这在技术上意味着如果 100W的太阳能势能撞击太阳能电池板，那么将输出大约13.5W~17W的太阳能电能。因此，它的效率略低于单晶太阳能电池板。单晶太阳能电池板相比，多晶光伏组件的相同表面(尺寸)会产生更少的功率(但并非总是如此)。

串联太阳能电池

串联太阳能电池的优点是生产成本较低，简单易用。串带式太阳能电池板的效率约为13%-14%在实验室中，研究人员实现了18%-19%的效率)。其缺点是制造耗能大，电池板效率低。

分布式太阳能发电

应用场景

在中国仲巴县，这个县城里所有的供热都是由太阳能来提供的。太阳能集热器面积有3.5万平方米，就像我们平常用到的热水器那样，能够把太阳能变成热能。

解决方案

分布式光伏发电系统，又称分散式发电或分布式供能，是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。

分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另外还有电站监控装置和环境监测装置。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节。

方案特点

系统相互独立，可自行控制，避免发生大规模停电事故，安全性高。

弥补大电网稳定性的不足，在意外发生时继续供电，成为集中供电不可或缺的重要补充。

可对区域电力的质量和性能进行实时监控，非常适合向农村、牧区、山区，发展中的中、小城市或商业区的居民供电，大大减小环保压力。

输配电损耗低，甚至没有，无需建配电站，降低或避免附加的输配电成本；土建和安装成本低。

调峰性能好，操作简单；由于参与运行的系统少，启停快速，便于实现全自动。

无疑，利用太阳能发电的光伏发电技术前景广阔。太阳能资源近乎无限，光伏发电也不产生任何环境污染，是满足未来社会需求的理想能源。随着光伏发电技术的深入发展，转换效率的逐步提高，系统成本的日趋合理，以及相关的分布式发电技术、智能电网等的完善，光伏发电这种绿色能源将成为未来社会的重要能源。

发展前景

全球发展格局

欧美国家太阳能发电起步较早，产业成熟。中国光伏产业正在快速发展，产量、装机容量处于世界领先地位，产业链完整。印度、中东、非洲等新兴市场港力大，需求旺，全球装机容量逐年攀升。

太阳能光伏发电引起各国重视，经过100多年的发展，太阳能电池的种类、规格在市场的需求下变得十分复杂。随着国际对环境保护日益重视，太阳能光伏发电技术拥有市场空间越来越大。近年来，国际上对太阳能电池的使用需求长期保持在 50% 以上的增长率。早期推广的光伏发电技术已经为各个区域的经济增长提供了可靠的助力。例如美国的“百万屋顶计划”，在建筑物顶部和其他可能的部位安装光伏设备，以确保对太阳能的有效利用。在此基础上，2015 年美国进一步延长太阳能减税优惠法案大力推广太阳能发电技术的有效应用。

太阳能光伏发电技术发展缓慢现阶段虽然太阳能光伏发电技术在国际上的应用得到重视，但总体来说，太阳能光伏发电量仅占全球总发电量的 1%，该技术的应用依然需要进行进一步的推广。根据相关统计数据，预计到2040年太阳能光伏发电的占比会进一步提升到 21%左右。太阳能光伏发电技术的推广和应用是未来国际总体的发展趋势，将成为社会主流的用电生产方式之一。

国内发展态势

“光伏+”多元模式涌现，扶贫、治沙、农业领域光伏产业成效显著；分布式光伏普及，屋顶.园区项目激增；技术创新升级，电池容量产不断攀升，国家政策扶持力度大，规范引导产业健康发展，其中国家发展改革委、国家能源局联合下发的《关于促进新时代新能源高质量发展实施方案的通知》锚定了到2030年我国风电、太阳能发电总装机容量达到 12亿千瓦以上的目标，提出鼓励地方政府加大力度支持农民利用自有建筑屋顶建设户用光伏等一系列举措，还明确了到2025年公共机构新建建筑屋顶光伏覆盖率力争达到 50%。

太阳能资源储量丰富从中国太阳能资源分布的角度上来讲，中国的太阳能资源较丰富，且大量太阳能资源集中在人口较为稀疏的西北区域，因此具备大规模光伏发电厂建厂的需求。从太阳能光伏发电技术应用的角度上来讲，早在1971年，东方红2号卫星就已经使用太阳能电池提供动力。

太阳能光伏发电技术得到广泛认可随着我国改革开放的推进以及我国生态可持续发展战略的执行，太阳能光伏发电技术早已成为中国技术研究的重点。在“送电下乡”等政策的推广过程中，太阳能光伏发电技术已经得到大众的广泛认可。该技术的清洁、可再生优势，使其在中国生态可持续建设的过程中发挥了十分重要的作用。

数据统计

2021年6月和7月，欧盟的太阳能供应达到历史新高，占该地区总发电量的10%。在这两个月里，欧盟27个成员国的太阳能发电量达到近39太瓦时（TWh），比2018年同期增加了10.9太瓦时。

截至2021年10月底，我国可再生能源发电累计装机容量达到10.02亿千瓦，突破10亿千瓦大关，比2015年底实现翻番，占全国发电总装机容量的比重达到43.5%，比2015年底提高10.2个百分点。其中，水电、风电、太阳能发电和生物质发电装机分别达到3.85亿千瓦、2.99亿千瓦、2.82亿千瓦和3534万千瓦，均持续保持世界第一。

截至2022年12月底，全国太阳能发电装机容量约3.9亿千瓦，同比增长28.1%。

2023年3月21日，记者从国家能源局获悉：1至2月份，全国新增发电装机容量3511万千瓦，比上年同期多投产1162万千瓦。截至2月底，全国累计发电装机容量约26亿千瓦，同比增长8.5%。其中，水电装机约4.1亿千瓦，同比增长5.5%；风电装机约3.7亿千瓦，同比增长11%；太阳能发电装机约4.1亿千瓦，同比增长30.8%。截至2023年4月底，我国风电装机3.8亿千瓦，光伏发电装机4.4亿千瓦，风电光伏发电总装机突破8亿千瓦，达到8.2亿千瓦，占全国发电装机的30.9%。8.2亿千瓦，约为36个三峡电站的总装机容量。

2024年1月，国家统计局消息，2023年12月份，规上工业太阳能发电增速回落。太阳能发电增长17.2%，增速比11月份回落18.2个百分点。同年2月29日，国家统计局发布《中华人民共和国2023年国民经济和社会发展统计公报》，太阳能发电装机容量60949万千瓦，增长55.2%。

2025年1月17日，国家统计局公布，2024年12月份，规模以上工业（以下简称规上工业）原煤、原油、天然气、电力生产平稳增长。分品种看，12月份，规上工业核电、太阳能发电增速加快，火电由增转降，水电、风电由降转增。其中规上工业太阳能发电增长28.5%，增速比11月份加快18.2个百分点。2025年2月28日，国家统计局发布《中华人民共和国2024年国民经济和社会发展统计公报》显示：2024年水电、核电、风电、太阳能发电等清洁能源发电量37126亿千瓦时，比上年增长16.4%。2025年7月23日，国家能源局发布1-6月份全国电力工业统计数据。截至6月底，太阳能发电装机容量11.0亿千瓦，同比增长54.2%。2025年7月10日，中国电力企业联合会在北京发布《中国电力行业年度发展报告2025》。报告显示，2024年全国新增并网太阳能发电2.8亿千瓦，占全国总新增装机的比重为63.9%，同比增长27.7%。2024年，全国发电量100869亿千瓦时，同比增长6.7%。其中，风电和太阳能发电量均保持快速增长，合计发电量同比增加3661亿千瓦时，占全年总发电量增量的58.1%。2024年，全国电力系统稳定运行，电力供需总体平衡。太阳能发电投资4478亿元，同比增长1.9%。2025年8月23日，国家能源局发布1-7月份全国电力工业统计数据。截至7月底，全国累计发电装机容量36.7亿千瓦，同比增长18.2%。其中，太阳能发电装机容量11.1亿千瓦，同比增长50.8%；风电装机容量5.7亿千瓦，同比增长22.1%。1-7月份，全国发电设备累计平均利用1806小时，比上年同期降低188小时。

维护与保养

光伏组件的清洁

太阳能光伏组件直接吸收太阳能，因此常暴露在室外长期的运行中会累积大量的尘埃。因此应定期对光伏组件进行清洁，保证光伏组件的干净，避免尘埃物质降低光伏组件对太能能的吸收。尘埃的增加不仅导致光能的转换效率降低，还可能引起太阳能电池板的过热自燃现象。目前常见的清洁方式有人工清洁组件、人工水洗清洁、工程车清洗与机器人清洁四类，其中人工清洗组件利用了特定毛绒物质的静电作用吸附光伏组件表面的灰尘，该方式操作简单，但可能因为压力控制不当对光伏组件造成破坏；人工水洗采用特定的压力装置，实现在特定水压下对光伏组件的清洁，效率远远高于人用清洁组件；工程车清洗效率较高，效果明显，但成本相对的也较高:机器人清洁则充分利用了人工智能的优势，实现在复杂环境下的作业，提高了工作效率，但特定的区域内的灵活性仍需提升。