第一节 光伏产业的发展现状
自从1839年法国科学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应以来，太阳发电已经经过了160多年的漫长发展历史。20世纪50年代，美国贝尔实验室三位科学家首次研制成功实用的单晶硅太阳能电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术，成为太阳能电池发展史上的里程碑。
光伏发电的基本原理就是“光生伏特效应”，简称“光伏效应”，它是指在光的照射下，使半导体或某些特定材料的不同部位之间产生电位差的现象。它将光能量转化为电能量，然后形成电压的过程，从本质上讲是能量相互转换的过程。有了电压，就像筑高了的大坝，如果两者之间连通，就会形成电流回路。能产生光伏效应的原材料有许多，常见的有单晶硅、多晶硅、非晶硅和砷化镓等，它们的发电原理基本相似，现以硅为例进行说明和分析。
带正电荷的硅原子旁边围绕着4 个带负电荷的电子，可以通过向硅晶体中掺入其他杂质，如硼、磷等来改变其特性，形成N型或P型半导体。当P型和N型半导体结合在一起时，形成具有电位差的PN结。具体形成过程如图1-1和图1-2所示。
图1-1 硅原子图
在图1-1中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的4个电子。当硅晶体中掺入其他杂质，如当掺入硼时，硅晶体中就会存在1个空穴。如图1-2所示，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的4个电子，实心圆表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生如图所示的空穴（图中的“空心圆”表示空穴），这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P型（positive）半导体。
图1-2 掺硼的硅原子（P型）
同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有5个电子，所以就会有1个电子变得非常活跃，形成N型（negative）半导体。实心圆为磷原子核，边上的负电荷为多余的电子，如图1-3所示。
图1-3 掺磷的硅原子（N型）
当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层，这就是PN结，如图1-4所示。当PN结受到光照射之后产生电子-空穴对，在“内电场”的作用下，N型半导体的空穴获得能量后向P型区移动，而P型区中的电子获得能量后往N型区移动，形成从N型区到P型区的“内电流”，最后在PN结中形成电势差，形成了光伏电源。
图1-4 PN结内电场
以太阳能硅材料的应用开发所形成的产业链条称为光伏产业，如高纯多晶硅原材料生产、太阳能电池生产、太阳能电池组件生产、相关生产设备的制造、光伏发电站等均属于光伏产业。
目前，传统的化石能源与经济、环境的矛盾越来越突出，能源是经济与社会发展的基本动力，但由于常规能源的有限性和分布不均匀性，造成世界上大部分国家的能源供应不足，不能满足经济可持续发展的需要。从长远来看，全球已探明的石油储量大约只能用到2040年，天然气也只能延续到2060年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持一两百年。而传统的化石能源所带来的环境问题更令人担忧，每年有数十万吨二氧化硫和二氧化碳等有害物质排向空间，使大气环境遭到严重污染，直接影响人们的身体健康和生活质量，局部地区形成严重的酸雨区，又严重污染水土。同时，由于排放大量温室气体而产生的温室效应，已引起全球气候恶化。
发展可再生能源已成为全球课题，可再生能源可分为：风能、生物能、太阳能。太阳能的利用前景最好，潜力最大。近30年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。而其中的太阳光伏发电是世界上节约能源、倡导绿色电力的一种主要的高新技术产业。发展光伏产业已经成为全球各国解决能源与经济发展、环境保护之间矛盾的最佳途径之一。
光伏产业具有明显的优越性。首先，丰富的太阳辐射能，是取之不尽用之不竭、无污染、廉价的能源。太阳每秒辐射到地球的能量高达80万kW，如果把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率为5%，那么每年发电量可达5.6 × 1012 kW·h，相当于目前全世界能耗的40倍。其次，太阳能光伏发电在近些年来得到了长足的发展和进步。太阳能光伏发电是一种零排放的清洁能源，而且十分容易规模产业化，可用于独立发电和并网发电。近几年来，国际上光伏发电快速发展，2008 年全球太阳能新装容量达5559MW，其中德国约为1500MW，西班牙约为2511MW，日本约为230MW，美国约为342MW，如图1-5所示。
图1-5 2008全球太阳能光伏市场
PV为photovoltaic的缩写，意思是光伏发电。光伏发电作为一种清洁能源，受到了世界各国的重视，2008年全球光伏装机容量为5559MW，比2007年增长了135%。如图1-6所示为2003—2008年全球光伏装机容量。
图1-6 2003—2008年全球光伏装机容量（单位：MW）
光伏发电与其他能源的发电相比，主要有如下优点：
（1）结构简单，体积小且轻；
（2）易安装，易运输，建设周期短；
（3）使用方便，维护简单，在-50℃～65℃温度范围均可正常工作；
（4）清洁能源，安全、无噪声、零排放；
（5）可靠性高，寿命长；
（6）太阳能几乎到处都有，所以光伏发电应用范围广；
（7）降价速度快，能量偿还时间有可能缩短；
（8）可以与蓄电池相配组成独立电源，也可以并网发电。
它的主要缺点有：
（1）覆盖面积大但太阳能能量密度低；
（2）光伏发电具有间歇性和随机性；
（3）各个地区太阳能资源分布情况不同，所以光伏发电区域性强。
另外光伏发电的成本较高，是火电成本的6 倍，是风电的4 倍多，高额的发电成本决定了目前光伏发电必须依靠政策补贴运行。过去十几年光伏发电行业爆炸性增长的原因在于欧美发达国家相继出台光伏发电的补贴政策，补贴政策也成为光伏发电行业增长的主要驱动力。例如，日本政府于2008 年11 月发布了“太阳能发电普及行动计划”，确定太阳能发电量到2030 年的发展目标是要达到2005 年的40 倍。2008 年9 月16 日，美国参议院通过了一揽子的减税计划，其中将光伏行业的减税政策（ITC）续延2 6 年。
中国光伏发电产业于20 世纪70 年代起步，90 年代中期进入稳步发展时期，太阳能电池及组件产量逐年稳步增加。经过30 多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段，在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，中国光伏发电产业迅猛发展。
视野拓展
一、太阳能容量的表示法
MWp 代号的含义：MW是兆瓦，1MW等于1000kW，WP 是太阳能电池的峰值功率。
二、日本政府的太阳能发电普及行动计划
据日经BP社2008 年11 月14 日报道：日本经济产业省、文部科学省、国土交通省以及环境省于2008 年11 月11 日联合发布了“太阳能发电普及行动计划”，主要内容包括：
（1）争取到2020 年、2030 年太阳能电池的发电量分别增加至2005 年的10 倍、40 倍，期间年均复合增速约为16%；
（2）在未来3～5 年内，将太阳能电池系统的价格降至目前的50%左右；
（3）推进太阳能电池材料和模块的技术开发、实现系统的轻量化和安装的简化；
（4）向家庭方面普及提供补助金，并加快公路、铁路、港口及机场等公共设施领域内的普及。
三、中国“光明工程”项目和“送电到乡”工程
1. 光明工程
1997年5月7日，国家确定“中国光明工程”已进入实施阶段，5年内将有800万无电贫困人口成为这一工程的首批受惠者。“中国光明工程”将通过开发利用风能、太阳能等新能源，以新的发电方式为那些远离电网的无电地区提供能量，为改变当地贫困落后的面貌提供条件。这一计划是我国政府为响应1996年在津巴布韦召开的“世界太阳能高峰会议”上提出的在全球无电地区推行“光明工程”的倡议而制订的。目前，我国有7656 万无电人口、16个无电县、29783个无电村，这些人口和地区都远离电网，负荷小而分散，无法用延伸电网的方式供电。无电成为制约经济发展的一大障碍。据国家计委人士介绍，我国风能、太阳能资源丰富，风能可开发总量为2.53亿kW，年日照时间为2000h以上的地区占国土面积的2/3。同时，通过自主开发和引进技术，我国已能提供多种配套风能发电设备，为实施中国光明工程奠定了技术基础。据悉，“中国光明工程”近期将选择风力发电作为突破口。其目标是到2010年利用风力发电为我国有风无电地区的2300万人口供电。首期目标将在5年内完成2000个无电村、100个微波通信站的风电系统等的建设，装机总量40 60 万kW，可以为全国1/10 无电人口即800 万人送去光明。
2. 送电到乡
2002—2004 年，国家组织实施了“送电到乡”工程，中央和地方财政共安排47 亿元资金，在内蒙古、青海、新疆、四川、西藏和陕西等12 个省（市、区）的1065 个乡镇，建设了一批独立的光伏、风光互补、小水电等可再生能源电站，其中光伏电站占大部分，解决了当地居民生活用电问题。
3. 金太阳工程
金太阳工程是一个崭新的提法，意味着太阳能产业在政策面上，将会得到更大力度的支持。
2009 年7 月21 日，财政部联合科技部和国家能源局发布财建公告，宣布金太阳示范工程正式启动，并制定了《金太阳示范工程财政补助资金管理暂行办法》同时印发。金太阳示范工程是我国促进光伏发电产业技术进步和规模化发展，培育战略性新兴产业，支持光伏发电技术在各类领域的示范应用及关键技术产业化的具体行动，计划在2～3年时间内实施完成。纳入金太阳示范工程的项目原则上按光伏发电系统及其配套输配电工程总投资的50%给予补助，偏远无电地区的独立光伏发电系统按总投资的70%给予补助。
金太阳示范工程项目计划实施年限为2009—2011 年。补贴范围包括利用大型工矿、商业企业以及公益性事业单位现有条件建设的用户侧并网光伏发电示范项目，提高偏远地区供电能力和解决无电人口用电问题的光伏、风光互补、水光互补发电示范项目，在太阳能资源丰富地区建设的大型并网光伏发电示范项目，光伏发电关键技术产业化示范项目，包括硅材料提纯、控制逆变器、并网运行等关键技术产业化，光伏发电基础能力建设，包括太阳能资源评价、光伏发电产品及并网技术标准、规范制定和检测认证体系建设五项。《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》财政补贴的项目，已享受国家可再生能源电价分摊政策支持的光伏发电应用项目不在本办法支持范围。
工程要求单个项目装机容量不低于300kWp，建设周期原则上不超过1年，运行期不少于20年，并网光伏发电项目的业主单位总资产不少于1 亿元，项目资金不低于总投资的30%。对于符合条件的示范工程项目，并网光伏发电项目原则上按光伏发电系统及其配套输配电工程总投资的50%给予补助，偏远无电地区的独立光伏发电系统按总投资的70%给予补助。光伏发电关键技术产业化和产业基础能力建设项目，给予适当贴息或补助。并要求各地电网企业应积极支持并网光伏发电项目建设，提供并网条件，用户侧并网的光伏发电项目所发电量原则上自发自用，富余电量及并入公共电网的大型光伏发电项目所发电量均按国家核定的当地脱硫燃煤机组标杆上网电价全额收购。原则上每省示范工程总规模不超过20MW，全国采取财政补助方式支持不低于500MW的光伏发电示范项目。
金太阳示范工程是财政部继光伏建筑补贴政策推出之后的大举措。此次补贴的范围主要为用户侧并网光伏发电项目、无电地区光伏发电项目和大型并网光伏发电项目3项，是同光伏建筑补贴政策互为补充的，共同涵盖了光伏产业下游的主要应用领域，对开拓我国尚处于萌芽期的光伏市场，加速我国光伏产业的发展，有着不可估量的推动和促进作用。
练习与思考
1. 什么是光伏效应？哪些生产属于光伏产业？
2. 光伏发电与其他能源的发电相比，具有哪些优、缺点？
3. 名词解释：光明工程、送电到乡、金太阳工程。
4. 请简单描述光伏效应的工作原理。