1.1　太阳能光伏发电技术

太阳能光伏发电是根据光生伏打效应原理，利用光伏电池将太阳的光能直接转化为电能。可以说，太阳能光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电器；大到兆瓦级电站，小到儿童玩具。

光伏发电也称为太阳能光伏发电，是光伏电池将太阳的辐射能量直接转换为电能的过程。太阳能光伏发电具有电池组件模块化、安装维护方便、使用方式灵活等特点，因此光伏发电是太阳能发电应用最多的技术，在政府的推动下它正迅猛地发展并成为化石燃料发电的重要替代品。但相比于化石燃料的传统发电技术，光伏发电还是一项新技术。20世纪50年代，第一个实用的光伏电池才研制成功；60年代，太空业的需求是光伏发电技术的主要驱动力，使光伏发电技术得到了快速的发展；21世纪，能源危机和环境污染问题，为太阳能光伏发电的快速发展和大面积推广提供了机会，目前太阳能光伏发电在全球已经实现较大规模的应用。

太阳能光伏发电系统的开发和利用成为经济可持续发展的重要环节，但光伏电池的价格（价格相对较高）及光伏电池的转换效率（转换效率较低，一般在12%～17%）等因素制约着太阳能光伏发电的发展。近些年来，由于常规能源成本的上升和环境污染的日益严重，同时相关技术的进步和产业规模的不断扩大，以及光伏组件制造工艺水平的提高，光伏组件的价格下降较快，太阳能光伏发电的成本在不断下降，为太阳能光伏发电的进一步发展和广泛应用提供了必要条件。随着国家一系列扶持和优惠政策的出台，我国光伏产业的发展与应用即将进入快速增长时期，并逐步在技术和成本上形成较大优势，具有一定的国际竞争力。

近年来，与建筑物结合的光伏并网发电技术逐渐兴起，建筑光伏一体化成为未来光伏发电技术发展的重要方向。2011年，中国政府安排预算12.7亿元，逆变器补贴国内光电建筑应用示范项目共111个，总规模为91MW，重点引导光电建筑一体化发展。国家“十二五”规划尤其指出建筑光伏一体化是未来发展重点，代表未来太阳能技术发展方向。然而，建筑光伏一体化特定的安装环境及复杂的光照条件就对现有的并网发电系统结构提出了挑战。

1.1.1　国外光伏发电技术的发展

自从1954年第一块实用光伏电池问世以来，太阳能光伏发电技术取得了长足的进步。1973年的石油危机和20世纪90年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电技术的发展，其发展过程如下。

1893年，法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应”，即“光伏效应”。1876年，亚当斯等在金属和硒片上发现固态光伏效应。1883年，第一个“硒光电池”研制成功，并用作敏感器件。20世纪30年代，肖特基提出Cu2O势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳能电池”，使太阳能变成电能。之后，布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电解液，在阳光下启动了一个电动机；奥杜博特和斯托拉制成第一块“硫化镉”太阳能电池。

20世纪40年代至50年代，奥尔在硅上发现光伏效应，由此进入了光伏电池研究的新阶段。之后，恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶太阳能电池。韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳能电池。吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换效率优化设计，太阳能电池首次装备在美国先锋一号卫星上。

20世纪60年代至70年代，硅太阳能电池首次实现并网运行，砷化镓太阳能电池光电转换效率达13%，薄膜硫化镉太阳能电池效率达8%。罗非斯基研制出紫光电池，效率达16%。美国宇航公司背场电池问世，砷化镓太阳能电池效率达15%。COMSAT研究所提出无反射绒面电池，硅太阳能电池效率达18%。非晶硅太阳能电池问世，以及带硅电池效率达6%。多晶硅太阳能电池效率达10%。美国建成100kWp太阳能地面光伏电站。

进入20世纪80年代，光伏电池的效率得到了进一步提高，其应用也得到了进一步的扩大。单晶硅太阳能电池效率达20%，砷化镓电池效率达22.5%，多晶硅电池效率达14.5%，硫化镉电池效率达9.15%，冶金硅（外延）电池效率达11.8%。美国建成1MWp、6.5MWp光伏电站。

进入20世纪90年代，政府的推动，使太阳能光伏发电技术得到了迅速发展。德国提出“2000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装3～5kWp光伏电池；美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”，在2010年以前为100万户，每户安装3～5kWp光伏电池；日本“新阳光计划”提出到2010年生产43×109Wp光伏电池；荷兰政府提出“荷兰百万个太阳光伏屋顶计划”，到2020年完成。

太阳能光伏发电在不远的将来将会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体之一。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。

1.1.2　我国光伏发电技术的发展

我国太阳能电池的研究始于20世纪50年代末，1959年我国第1个实用的太阳能电池研制成功，并于70年代成功应用于我国第2颗卫星和地面太阳能发电站上。

我国的光伏产业有两次大的发展，第一次是在20世纪80年代末，我国引进了多条太阳能电池生产线，使我国的太阳能电池生产能力由原来的几百千瓦上升到了4.5MW。第二次光伏产业的大发展，是2002年由国家发改委负责实施的“光明工程”送电到乡和送电到村工程采用了太阳能光伏发电技术。由于我国西部人口密度小、居住分散，同时又拥有丰富的太阳能资源，所以太阳能光伏发电是既廉价又清洁的能源选择。

近年来中国政府相继提出了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》、“金太阳示范工程”等鼓励光伏发电产业发展的政策。2010年国务院颁布的《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》明确提出要“开拓多元化的太阳能光伏光热发电市场”。2011年国务院制定的“十二五”规划纲要再次明确了要重点发展包括太阳能热利用和光伏光热发电在内的新能源产业，一系列的政策支持让中国光伏发电发展之路更加宽广。

中国作为新的世界经济发动机，光伏产业也呈现出前所未有的活力，大量系统集成公司伴随着国家的“光明工程”、“奥运工程”、“世博会工程”等项目的启动应运而生，世界一些大财团也瞄准了中国巨大的光伏市场潜力，开始投资中国光伏行业。

从20世纪90年代开始，国内光伏市场平稳发展，年增长速度在20%左右。进入21世纪，国内光伏市场呈现加速发展趋势，2001～2003年平均增长速度都在30%以上。中国政府目前正在制定《新能源和可再生能源发展规划》，将出台一系列扶持PV发展的优惠政策。按照规划，中国2003～2009年在农村电网建设中每年安装70MW光伏系统，2010～2020年普及推广应用，年平均安装100MW。目前中国已经是国际光伏发电应用产品生产基地。

太阳能是洁净无污染的巨大能源，最大限度地开发利用太阳能将是人类新能源利用方面的重要发展方向。近年来，由于世界能源的日趋紧张和光伏技术的不断发展，廉价的非晶硅太阳能电池的生产技术已经成熟。大规模的光伏发电，可解决广大中西部无电地区居民的能源问题，不仅达到了绿色环保的目的，而且会逐步改变我国传统能源的结构，对克服我国能源紧张、改善生态环境等方面具有重大意义。

1.1.3　光伏发电技术的应用

光伏发电系统的应用有多种形式，包括独立光伏发电系统、并网运行光伏发电系统、光伏发电与建筑一体化等。

（1）独立光伏发电系统

独立光伏发电系统一般适用于远离电网的偏远地区，其工作原理是太阳能经光伏阵列转换为电能，经控制器向蓄电池组充电。蓄电池组通过控电器向直流负载供电或者经交流变换器向交流负载供电。

（2）并网运行光伏发电系统

并网运行的光伏发电系统是将光伏电池产生的电能转换为交流电，然后再连接到现有的电网上供用户使用。它的最大优点是不需要存储电能的设备（通常是蓄电池），其最大的缺点是间歇式发电，对电网形成冲击。

（3）光伏发电与建筑相结合

光伏发电与建筑相结合通常称之为建筑太阳能一体化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV），主要有两种形式：一种是太阳能电池方阵直接安装于房屋顶或阳台；另一种是将光伏发电材料与建筑物相结合，在房屋建筑之初，使用光伏材料作为建筑材料，从而实现两者的集成。