青岛理工大学学报 第 ３５ 卷第 ５ 期 Ｖｏ ｌ． ３５Ｎｏ． ５　 ２０１４ Ｊ ｏｕｒ ｎａ ｌ ｏ ｆ　 Ｑｉ ｎｇｄａｏ　 Ｔｅ ｃｈｎｏ ｌ ｏｇ ｉ ｃ ａ ｌ　 Ｕｎ ｉ ｖｅ ｒ ｓ ｉ ｔ 　 ｙ 太阳能光伏发电技术及在农村地区住宅建筑上的应用 刘学贤 ，孙少越 （青岛理工大学 建筑学院，青岛 ２６６０３３） 摘 　 要：世界范围内的能源危机和环境污染日渐严重，人们希望用新型的可再生能源替代常规的有限的能源 ． 太阳能光伏 发 电 技 术 可 直 接 将 太 阳 光 能 转 换 成 电 能 ，由 于 太 阳 能 的 洁 净 、可 持 续 性，很 多 国 家 开 始 实 行 “阳 光 计划”，将光伏发电作为能源发展的重点任务 ．介绍了太阳能光伏发电的原理、太阳能电池、光伏发电的应用情 况，展望了国内光伏发电的前景，提出了发展太阳能光伏发电的建议 ． 关键词：太阳能；光伏发电技术；建筑；应用 中图分类号： ＴＵ１１３　　　 文献标志码： ２０１４） ０５－００３７－０５ Ａ　　　 文章编号： １６７３－４６０２（ ＴＫ５１； Ｐｈｏ ｔ ｏｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ ｔ ｅ ｃｈｎｏ ｌ ｏ ａｎｄ　 ａｐｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏｎ　 ｏ ｆ ｒ ｅ ｓ ｉ ｄ ｅｎ ｔ ｉ ａ ｌ 　 　 ｇ ｙ　 ｃ ｏｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏｎ ｉ ｎ　 ｒ ｕ ｒ ａ ｌ ａ ｒ ｅ ａ ｓ 　 　 ＬＩＵ　 Ｘｕｅ－ｘ ｉ ａｎ，ＳＵＮ　 Ｓｈａｏ－ｙｕｅ （ Ｓｃｈｏｏ ｎｇｄａｏ　 ２６６０３３， Ｃｈ ｉ ｎａ） ｌ ｏ ｆ　 Ａｒ ｃｈ ｉ ｔ ｅ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ，Ｑｉ ｎｇｄａｏ　 Ｔｅ ｃｈｎｏ ｌ ｏｇ ｉ ｃ ａ ｌ　 Ｕｎ ｉ ｖｅ ｒ ｓ ｉ ｔ 　 ｙ，Ｑｉ Ａｂ ｓ ｌ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏｎ　 ａ ｒ ｅ　 ｂｅ ｃｏｍｉ ｎｇ　 ｍｏ ｒ ｅ ａｎｄ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ： Ｔｈｅ　 ｗｏ ｒ ｌ ｄｗｉ ｄｅ ｅｎｅ ｒｇｙ　 ｃ ｒ ｉ ｓ ｉ ｓ ａｎｄ　 ｅｎｖ ｉ ｒ ｏｎｍｅｎ ｔ ａ ｌ 　 　 　 　 ｐｏ ｍｏ ｒ ｅ ｓ ｅ ｒ ｉ ｏｕｓ ｔ ｏ　 ｈｕｍａｎ　 ｂｅ ｉ ｎｇｓ．Ｉ ｔ ｉ ｓ　 ｈｏｐｅｄ ｔ ｈａ ｔ ｎｅｗ　 ｒ ｅｎｅｗａｂ ｌ ｅ ｅｎｅ ｒ ｓｏｕｒ ｃ ｅ ｓ ｃ ａｎ ｔ ａｋｅ ｔ ｈｅ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ｇｙ　 ｌ ａ ｃ ｅ　 ｏ ｆ ｒｕ ｌ ｅ ｅｎｅ ｒ ｓｏｕｒ ｃ ｅ ｓ　 ｗｈ ｉ ｃｈ　 ａ ｒ ｅ ｌ ｉｍｉ ｔ ｅｄ．Ｐｈｏ ｔ ｏｖｏ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ ｔ ｅ ｃｈｎｏ ｌ ｏｇｙ　 ｃ ａｎ　 ｃｏｎｖｅ ｒ ｔ ｔ ｈｅ ｓｕｎ－ 　 　 　 　 　 　 ｐ ｇｙ　 ｌ ｉ ｔ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｌ ｉ ｎ ｔ ｏ　 ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｉ ｔ ｃ ａｕｓ ｅ　 ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｓｏ ｌ ａ ｒ ｅｎｅ ｒｇｙ ｉ ｓ ａ ｃ ｌ ｅ ａｎ ｉ ｎｇ　 ａｎｄ　 ｓｕｓ ｔ ａ ｉ ｎａｂ ｌ ｅ ｅｎｅ ｒ－ 　 　 　 　 　 　 　 ｇｈ ｙ ｙ．Ｂｅ 　 　 ， ” ， “ ｌ ａｎ ｔ ａｋ ｉ ｎｇ ｔ ｈｅ　 ｔ ｏｖｏ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ ｒ ｅ ａｎｄ　 ｍｏ ｒ ｅ ｃｏｕｎ ｔ ｒ ｉ ｅ ｓ　 ｂｅｇ ｉ ｎ ｔ ｏ ｉｍｐ ｌ ｅｍｅｎ ｔ Ｓｕｎｓｈ ｉ ｎｅ　 　 　 　 　 ｇｙ ｍｏ ｐ ｐｈｏ 　 ｉ ｎｃ ｉ ｌ ｅ　 ｏ ｆ ｔ ｏ－ ｒ ｒ ｅｖ ｉ ｅｗｓ ｔ ｈｅ　 ｔ ｅ ｃｈｎｏ ｌ ｏｇｙ　 ａ ｓ ａ　 ｋｅｙ ｔ ａ ｓｋ　 ｏｎ　 ｅｎｅ ｒｇｙ　 ｄｅｖｅ ｌ ｏｐｍｅｎ ｔ．Ｔｈ ｉ ｓ　 　 　 　 　 ｐｒ ｐ ｐｈｏ ｐａｐｅ 　 ， ， ， ｖｏ ｌ ｈｅ ｓｏ ｌ ａ ｒ ｃ ｅ ｌ ｌｔ ｈｅ ａｐｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏｎ　 ｓ ｉ ｔ ｕａ ｔ ｉ ｏｎ ｔ ｈｅ　 ｔ ａ ｉ ｃ ｔ ｅ ｃｈｎｏ ｌ ｏｇｙ ｔ ｏｓｐｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈｅ　 ｔ ｏｖｏ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ 　 　 　 　 　 　 ｐｒ ｐｈｏ ｔ ｅ ｃｈｎｏ ｌ ｏｇｙ ｉ ｎ　 Ｃｈ ｉ ｎａ．Ｔｈｅ ｓｕｇｇｅ ｓ ｔ ｉ ｏｎｓ ｆ ｏ ｒ ｔ ｏｖｏ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ　 ｄｅｖｅ ｌ ｏｐｍｅｎ ｔ ａ ｒ ｅ　 ｔ ｆ ｏ ｒｗａ ｒｄ． 　 　 　 　 　 ｐｈｏ ｐｕ 　 ： ； ； ； ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｒ ｃｈ ｉ ｔ ｅ ｃ ｔ ｕｒ ｅ ａｐｐ Ｋｅ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ｓｏ ｌ ａ ｒ ｅｎｅ ｒ ｔ ｏｖｏ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ ｔ ｅ ｃｈｎｏ ｌ ｏｇｙ ａ 　 　 ｇｙ ｐｈｏ ｙ　 　　 世界范围内的能源危机和环境污染日渐严重，发展新型能源、推动高效利用可再生能源成为各能源消 耗大国可持续发展的任务之一 ．由于太阳能的洁净、可持续性，很多国家开始实行“阳光计划”，将光伏发电 作为能源发展的重点任务，我国近年来也相继出台了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》、 《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》等措施 ． 近年来，世界太阳能光伏发电产业发展很快，以年均 ３０％ 以上的速度快速增长，截至 ２００９ 年底，全 球 光伏发电总容量已超过 ２０００ 万 ｋＷ ，已成为最受世界关注的新型能源发电技术 ． ２００２ 年，我国的光伏产业 在“送电到乡”工程的支持下迅速起步 ．由于欧洲市场的拉动，国内光伏市场在 ２００４ 年后得到快速发展，太 阳能电池产量的增长率已连续 ５ 年翻番， ２００９ 年太阳能电池产量 已 超 过 ４００ 万 ｋＷ ，目 前，我 国 的 太 阳 能 收稿日期： ２０１４－０１－０３ 作者简介：刘学贤（ ｉ ｌ： ｂｄ ｌ ｘｘ＠ｓ ｉ ｎａ． ｃ ｏｍ． １９７０－　 ），男，山东青岛人 ．副教授，主要从事建筑设计及其理论方面的研究 ． Ｅ－ｍａ 青 岛 理 工 大 学 学 报 ３８ 第 ３５ 卷 光伏电池板和组件产量约占世界总产量的一半，位居世界首位 ．我国太阳能光伏产业已形成了较完整的产 业链，主要生产设备的国产化率不断提升，太阳能电池研发技术水平和转换 效 率 不 断 提 高，为 增 强 光 伏 发 电的市场竞争力做出了突出贡献 ． 目前，根据光伏发电系统的不同运行特点，我国太阳能光伏发电利 用 的 形 式 主 要 分 为 三 种：一 是 大 型 并网光伏电站；二是与建筑结合的并网光伏发电系统；三是独立光伏发电系统 ．结合实际情况，在太阳能资 源和闲置土地资源丰富的荒漠地区建设不同规模的大型并网光伏电站 ；在广大城镇，推广与建筑相结合的 分布式并网光伏发电系统；在偏远的农牧地区，结合解决无电地区人口的用 电 问 题，推 广 户 用 光 伏 发 电 系 统或集中建设独立小型光伏电站 ． １　 太阳能光伏的优劣 光伏发电是指利用半导体材料的光电效应将太阳能直接 转 化 为 电 能 的 固 态 发 电 技 术 ［１］．发 电 原 理 是 光生伏特效应，即光子能量转换成电能的过程 ．与传统发电技术相比，具有以下优势和局限性 ． １． １　 优势 太阳能是可再生能源，制造太阳能光伏电池所需的硅元素在地壳中的含量高达 ２６％ ，可就地发电，节 省了输电成本；光伏发电是个简单的能量转化过程，无噪声污染，不排放 废 气 和 废 水，不 污 染 环 境；采 用 模 块化工作模式，无需专人值守；运行可靠，维护简单；太阳能电池的结 构 简 单，体 积 小，质 量 轻，便 于 运 输 和 安装；太阳能电池可与建筑形成一体化设计，无需单独占地，节省了宝贵的土地资源 ． １． ２　 局限性 任何事物都有两面性，光伏发电也存在一些局限性，主要表现在以下几个方面： 第一，太阳能密度的局限性 ．地球表面的 太 阳 辐 射 照 度 最 高 值 约 为 １． ２ｋＷ ·ｈ／ｍ２ ，绝 大 多 数 地 区 在 大多数的日照时间内都低于 １ｋＷ ·ｈ／ｍ２ ；第二，时间周期的局限性 ．容易受昼夜交替和季节变化的影响； 第三，气候条件的局限性 ．不良天气易造成太阳能电池发电时电力负荷的大幅度波动 ；第四，转换效率 ［２］的 局限性 ．相比于常规能源的转换效率，太阳能电池的转换效率太低 ． ２　 太阳能电池及其转换效率的计算 太阳能电池是光伏发电过程中将光能直接转化为电能的最基本器件 ． １９５４ 年美国的贝尔实验室 诞 生 了世界上第一块实用的太阳能电池， ６０ 年间，又诞生了多种不同材料和不同用途的太阳能电池 ．晶体硅太 阳能电池因具有转化率高、稳定、可靠性高等特点而被广泛使用，目前其产量 约 占 世 界 太 阳 能 电 池 总 产 量 的 ７５％．晶体硅太阳能电池又可分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池两种 ． 单晶硅太阳能电池是开发较早、产量最大和转换效率 最 高 的 一 种 太 阳 能 电 池 ［３］．在 我 国，单 晶 硅 太 阳 能电池转换效率已经平均达到 １６． ５％．多晶硅太阳能电池是以多晶硅材料为基体的太阳能电池，与单 晶 硅电池相比，缩短了生产时间，降低了制造成本，但转换效率稍低一些，工业化生产的多晶硅太阳能电池转 换效率可以达到 １４％ ～１６％．由于多晶硅电池制造成本和转换效率的平衡点较好，所以它是目前生产 量 最大的太阳能电池 ． 转换效率是指太阳能电池输出的最大发电量占太阳光能量的百分比 ．由 于 大 气 层 对 太 阳 光 能 量 的 吸 收，到达地球表面的太阳能密度约为 １ｋＷ／ｍ２ ．假设太阳能电池的转换 效 率 是 １００％ ，那 么 太 阳 光 照 射 在 面积为 １ｍ２ 的电池板上就可以获得 １ｋＷ 的电能 ．但目前太阳能电池的转换效率为 １５％ 左右，这是因 为 太阳光能转化为电能的过程中存在很多损失 ［４］，例如光的透过损失、光 学 因 素（反 射、散 射）造 成 的 损 失 和 电压造成的损失等等，因此不可能达到理想值 ．太阳能电池的能量转化效率可以通过以下 ２ 个公式计算得 出： Ｐ η＝ＥＡ ×１００％ （ １） Ｐ ＦＦ＝ ×１００％ ＶＩ （ ２） 第５期 　　 刘学贤，等：太阳能光伏发电技术及在农村地区住宅建筑上的应用 ３９ ［］ 式中： Ｐ 是最大电功 率 ５ ； Ｅ 是 放 射 强 度； Ａ 是 受 光 面 积； ＦＦ 是 填 充 因 子； Ｖ 是 开 路 电 压； Ｉ η 是转换效率； 是短路电流 ． 另外，太阳能电池的输出功率不仅受太阳辐射强度的影响，而且还 受 环 境 条 件 和 温 度 的 影 响 ．为 了 使 得计算出的太阳 能 电 池 转