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太阳能属于可再生能源的一种，具有储量大、清洁无污染、就地可取等特点，因此成为目前人类可利用能源的最佳选择之一。本节主要分析光伏产业现状，掌握光伏发电应用场合、光伏发电特点以及光伏发电产业前景。
当前太阳能光伏发电主要应用领域如下。
1）通信领域的应用。主要包括无人值守微波中继站、光缆通信系统及维护站、移动通信基站、广播、通信以及无线寻呼电源系统、卫星通信和卫星电视接收系统、农村程控电话、载波电话光伏系统、小型通信机、部队通信系统等。
2）公路、铁路、航运等交通领域的应用。如铁路和公路信号系统，铁路信号灯，交通警示灯、标志灯、信号灯，公路太阳能路灯，太阳能道钉灯、高空障碍灯，高速公路监控系统，高速公路、铁路线无线电话亭，无人值守道班供电，航标灯灯塔和航标灯电源等。
3）石油、海洋、气象领域的应用。如石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象和水文观测设备、观测站电源系统等。
4）农村和边远无电地区的应用。在高原、海岛、牧区、边防哨所等农村和边远无电地区应用太阳能光伏户用系统、小型风光互补发电系统等解决了日常生活的用电问题，如照明、电视、收录机、DVD、卫星接收机等的用电，也解决了手机、手电筒等随身小电器充电的问题，发电功率大多在几瓦到几百瓦之间。应用1~5kW的离网光伏发电系统或并网发电系统作为村庄、学校、医院、饭馆、旅社、商店等的供电系统。应用太阳能光伏水泵，解决了无电地区的深水井抽水、农田灌溉等用电问题。另外还有太阳能喷雾器、太阳能电围栏、太阳能黑光灭虫灯等应用。
5）太阳能光伏照明方面的应用。太阳能光伏照明包括太阳能路灯、庭院灯、草坪灯、太阳能景观照明、太阳能路标标牌、信号指示、广告灯箱照明等。还有家庭照明灯具及手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、割胶灯、节能灯、手电等。
6）大型光伏发电系统（电站）的应用。大型光伏发电系统（电站）是10kW~200MW的地面离网或并网光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车场充电站等。
7）太阳能光伏建筑一体化并网发电系统。将太阳能发电与建筑材料相结合，充分利用建筑的屋顶和外立面，使得大型建筑能实现电力自给、并网发电等。
8）太阳能电子商品及玩具的应用。包括太阳能收音机、太阳能时钟、太阳能帽、太阳能充电器、太阳能手表、太阳能计算器、太阳能玩具等。
9）其他领域的应用。包括太阳能电动汽车、太阳能电动自行车、太阳能游艇、太阳能电池充电设备、太阳能汽车空调、太阳能换气扇、太阳能冷饮箱等；还有太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统，海水淡化设备太阳能供电系统，卫星、航天器、空间太阳能电站等。
光伏发电应用案例如图1-1所示。
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，与风力发电和生物质能发电等新型发电技术相比，光伏发电是最具可持续发展特征（丰富的资源和洁净的发电过程）的可再生能源发电技术之一。
光伏发电的缺点主要体现在能量密度低、占地面积大、转换效率低、间歇性工作、受气候环境因素影响大、地域依赖性强、系统成本高、晶体硅电池的制造过程能耗高等。
尽管太阳能光伏发电存在上述不足，但是随着解决能源问题越来越迫切，大力开发可再生能源将是解决能源危机的主要途径。近年来我国相继出台了一系列鼓励和支持太阳能光伏产业的政策法规，这将极大地促进太阳能光伏产业的发展，光伏发电的技术和应用水平也将会不断提高，我国光伏发电产业的前景将会十分广阔。
图1-1 光伏发电应用案例
回顾能源工业的发展历史，人类正在消耗地球通过50万年积累的有限能源资源——煤和石油。虽然极大地解放了生产力，但同时也向人类敲响了常规能源正面临枯竭的警钟。根据有关资料显示，人类已确知的石油储备将只能用40余年，天然气60余年，煤大约200年。另外，以化石能源为主体的能源结构，对人类环境的破坏是显而易见的，全球每年二氧化碳排放量约为540亿t，并呈逐年上升的趋势，从而造成冰雪消融、冰川退缩、全球气候变暖等环境问题。能源短缺和环境保护是21世纪经济和能源领域最重要的课题之一。因此，目前国际上对太阳能资源的利用已经十分重视了。
1954年，贝尔实验室的第一块单晶硅太阳能电池面世，为世界能源提供了一个新的希望。20世纪70年代以来，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。利用太阳能发电的光伏发电技术已被用于许多需要电源的场合。上至航天器，下至家用电源；大到兆瓦级电站，小到儿童玩具，光伏电源无处不在。
由于太阳能光伏发电的诸多优点，其研究开发、产业化制造技术及市场开拓已经成为当今世界各国，特别是发达国家激烈竞争的主要热点。
目前我国已经形成了成熟且具有竞争力的光伏产业链，在国际上处于领先地位。截至2022年底，我国光伏发电累计装机容量392GW，其中2018年新增装机容量为44.26GW，全年光伏发电量1775亿kW·h；2019年新增装机容量为30.1GW，全年光伏发电量2242.6亿kW·h；2020年新增装机容量为48.2GW，全年光伏发电量2605亿kW·h；2021年新增装机容量为54.88GW，全年光伏发电量3259亿kW·h；2022年新增装机容量约为87.41GW。全年光伏发电量4071亿kW·h；2022年我国风电、光伏发电量达到1.19万亿kW·h，比2021年增加2073亿kW·h，同比增长21%，接近全国城乡居民生活用电量。可见光伏发电等可再生能源在保障能源供应方面发挥的作用越来越明显。近5年我国光伏发电年增装机量及年发电量如图1-2所示。
图1-2 光伏发电年增装机量及年发电量
a）年增装机量 b）年发电量
“十三五”期间，我国可再生能源实现跨越式发展，装机规模、利用水平、技术装备、产业竞争力迈上新台阶，取得了举世瞩目的成就，为可再生能源进一步高质量发展奠定了坚实基础。
开发规模持续扩大。截至2020年底，我国可再生能源发电装机容量达到9.34亿kW，占发电总装机的42.5%，其中光伏发电装机容量分别达到2.5亿kW，连续多年稳居世界第一。
利用水平显著提升。2020年我国可再生能源利用总量达6.8亿t标准煤，占一次能源消费总量的13.6%。其中，可再生能源发电量2.2万亿kW·h，占全部发电量的29.1%，主要流域的光伏发电利用率达到98%。
产业优势持续增强。光伏产业占据全球主导地位，多晶硅、硅片、电池片和组件分别占全球产量的76%、96%、83%和76%。全产业链集成制造有力推动我国可再生能源装备制造成本持续下降、国际竞争力持续增强。
政策体系日益完善。以《中华人民共和国可再生能源法》为基础，《可再生能源发电全额保障性收购管理办法》出台，可再生能源电力消纳保障机制稳步实施，市场化竞争性配置有序推进，监测预警机制逐步完善，事中事后监管进一步加强，稳定了市场预期，调动了各类市场主体的积极性。
但也应该看到，虽然可再生能源发电增长较快，但在能源消费增量中的比重还是低于国际平均水平；可再生能源规模化发展和高效消纳利用的矛盾仍然突出，新型电力系统亟待加快构建；制造成本下降较快，但非技术成本仍相对较高；可再生能源非电利用发展相对滞后；保障可再生能源高质量发展的体制机制有待进一步健全完善。
1）2035年远景目标。
展望2035年，我国将基本实现社会主义现代化，碳排放达峰后稳中有降，在2030年非化石能源消费占比达到25%和风电、太阳能发电总装机容量达到12亿kW以上的基础上，上述指标均进一步提高。可再生能源加速替代化石能源，新型电力系统取得实质性成效，可再生能源产业竞争力进一步巩固提升，基本建成清洁低碳、安全高效的能源体系。
2）“十四五”可再生能源发展主要目标。
锚定碳达峰、碳中和与2035年远景目标，按照2025年非化石能源消费占比20%左右任务要求，大力推动可再生能源发电开发利用，积极扩大可再生能源非电利用规模，“十四五”主要发展目标是：
● 可再生能源总量目标。2025年，可再生能源消费总量达到10亿t标准煤左右。“十四五”期间，可再生能源在一次能源消费增量中占比超过50%。
● 可再生能源发电目标。2025年，可再生能源年发电量达到3.3万亿kW·h左右。“十四五”期间，可再生能源发电量增量在全社会用电量增量中的占比超过50%，风电和太阳能发电量实现翻倍。
● 可再生能源电力消纳目标。2025年，全国可再生能源电力总量消纳责任权重达到33%左右，可再生能源电力非水电消纳责任权重达到18%左右，可再生能源利用率保持在合理水平。
● 可再生能源非电利用目标。2025年，地热能供暖、生物质供热、生物质燃料、太阳能热利用等非电利用规模达到6000万t标准煤以上。具体如表1-1所示。
表1-1 2025年可再生能源开发利用主要目标
3）大规模开发可再生能源。
坚持生态优先、因地制宜、多元融合发展，在“三北”地区优化推动风电和光伏发电基地化、规模化开发，在西南地区统筹推进水、风、光综合开发，在中东南部地区重点推动风电和光伏发电就地就近开发，在东部沿海地区积极推进海上风电集群化开发。稳步推动生物质能多元化开发，积极推动地热能规模化开发，稳妥推进海洋能示范化开发。在风电和光伏发电发展上，主要如下。
① 大力推进风电和光伏发电基地化开发。
在风能和太阳能资源禀赋较好、建设条件优越、具备持续规模化开发条件的地区，着力提升新能源就地消纳和外送能力，重点建设新疆、黄河上游、河西走廊、黄河几字弯、冀北、松辽、黄河下游新能源基地和海上风电基地集群。
统筹推进陆上风电和光伏发电基地建设。发挥区域市场优势，主要依托省级和区域电网消纳能力提升，创新开发利用方式，推进松辽、冀北、黄河下游等以就地消纳为主的大型风电和光伏发电基地建设。利用省内、省外两个市场，依托既有和新增跨省、跨区输电通道、火电“点对网”外送通道，推动光伏治沙、可再生能源制氢和多能互补开发，重点建设新疆、黄河上游、河西走廊、黄河几字弯等新能源基地。
加快推进以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电太阳能发电基地。以风光资源为依托、以区域电网为支撑、以输电通道为牵引、以高效消纳为目标，统筹优化风电光伏布局和支撑调节电源，在内蒙古、青海、甘肃等西部北部沙漠、戈壁、荒漠地区，加快建设一批生态友好、经济优越、体现国家战略和国家意志的大型风电光伏基地项目。依托已建跨省区输电通道和火电“点对网”输电通道，重点提升存量输电通道输电能力和新能源电量占比，多措并举增配风电光伏基地。依托已建成投产和开工建设的重点输电通道，按照新增通道中可再生能源电量占比不低于50%的要求，配套建设风电光伏基地。创新发展方式和应用模式，建设一批就地消纳的风电光伏项目。发挥区域电网内资源时空互济能力，统筹区域电网调峰资源，打破省际电网消纳边界，加强送受两端协调，保障大型风电光伏基地消纳。
② 积极推进风电和光伏发电分布式开发。
积极推动风电分布式就近开发。在工业园区、经济开发区、油气矿区及周边地区，积极推进风电分散式开发。重点推广应用低风速风电技术，合理利用荒山丘陵、沿海滩涂等土地资源，在符合区域生态环境保护要求的前提下，因地制宜推进中东南部风电就地就近开发。创新风电投资建设模式和土地利用机制，实施“千乡万村驭风行动”，大力推进乡村风电开发。积极推进资源优质地区老旧风电机组升级改造，提升风能利用效率。
大力推动光伏发电多场景融合开发。全面推进分布式光伏开发，重点推进工业园区、经济开发区、公共建筑等屋顶光伏开发利用行动，在新建厂房和公共建筑积极推进光伏建筑一体化开发，实施“千家万户沐光行动”，规范有序推进整县（区）屋顶分布式光伏开发，建设光伏新村。积极推进“光伏+”综合利用行动，鼓励农（牧）光互补、渔光互补等复合开发模式，推动光伏发电与5G基站、大数据中心等信息产业融合发展，推动光伏在新能源汽车充电桩、铁路沿线设施、高速公路服务区及沿线等交通领域应用，因地制宜开展光伏廊道示范。推进光伏电站开发建设，优先利用采煤沉陷区、矿山排土场等工矿废弃土地及油气矿区建设光伏电站。积极推动老旧光伏电站技改升级行动，提升发电效益。表1-2为风电和光伏发电分布式开发拟建设情况。
表1-2 风电和光伏发电分布式开发拟建设情况
（续）
在优化发展可再生能源上，主要举措如下。
● 优化发展布局：通过合理布局可再生能源开发利用，提高能源利用效率，降低能源损耗。
● 加强科技创新：推动可再生能源技术研发和创新，提高可再生能源的核心竞争力。
● 完善政策体系：制定和完善可再生能源政策体系，为可再生能源的发展提供有力保障。
● 加大投入力度：加大对可再生能源的投入力度，提高可再生能源的投资吸引力。
● 加强国际合作：通过加强国际合作，共同推进全球可再生能源的发展。
● 扩大消纳范围：在发展可再生能源的过程中，需要扩大可再生能源的消纳范围，不仅要满足电力系统的需求，还需要考虑与其他领域的融合和发展。
到2025年，全国可再生能源年利用量折合10亿t标准煤，届时可再生能源年利用量相当于减少二氧化碳排放量约26亿t，减少二氧化硫排放量约50万t，减少氮氧化物排放约60万t，减少烟尘排放约10万t，年节约用水约40亿m 3 ，环境效益显著。
太阳能是光伏发电系统能量的来源，按照光伏发电系统应用结构来分，可以分为离网光伏发电系统和并网光伏发电系统。本书中的“光伏发电系统”均指“太阳能光伏发电系统”，“光伏电池”即“太阳能电池”。从光伏发电系统应用角度出发，要求掌握离网光伏发电系统、并网光伏发电系统的结构组成及各部件功能。
离网光伏发电系统主要包括光伏电池组件（光伏方阵）、光伏控制器、蓄电池、离网逆变器和负载。光伏发电的核心部件是光伏电池组件（即太阳能电池板），它能将太阳能直接转换成电能；并通过光伏控制器把光伏电池产生的电能存储于蓄电池中；当负载用电时，蓄电池中的电能通过光伏控制器合理地分配到各个负载上。光伏电池组件所产生的电流为直流电，可以直接以直流电的形式应用，也可以用离网逆变器将其转换成为交流电，供交流负载使用。光伏发电的电能可以即发即用，也可以用蓄电池等储能装置将电能存储起来。离网光伏发电系统结构如图1-3所示。
图1-3 离网光伏发电系统
1）光伏电池组件。
光伏电池组件也叫太阳能电池板，是太阳能发电系统中的核心部分。其作用是将太阳光的辐射能量转换为电能，并送往蓄电池中存储起来，也可以直接用于驱动负载工作。当发电容量需要较大时，就需要用多块电池组件串、并联后构成太阳能电池阵列。目前应用的光伏电池组件主要是晶体硅电池，分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池等几种。
2）蓄电池（组）。
蓄电池的作用主要是存储太阳能电池板发出的电能，并可随时向负载供电。太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求是：自放电率低、使用寿命长、充电效率高、深放电能力强、工作温度范围宽、少维护或免维护以及价格低廉。目前为光伏系统配套使用的主要是免维护铅酸电池，在小型、微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池、锂电池或超级电容器。当需要大容量电能存储时，就需要将多只蓄电池进行串、并联，构成大容量蓄电池组。
3）光伏控制器。
光伏控制器的作用是控制整个光伏系统的工作状态。其功能主要有：蓄电池防过充电保护、蓄电池防过放电保护、系统短路保护、系统极性反接保护、夜间防反充保护等。在温差较大的地方，控制器还具有温度补偿的功能。另外控制器还有光控、时控等工作模式，以及充电状态、蓄电池电量等各种状态的显示功能。光伏控制器一般分为小功率、中功率、大功率和风光互补控制器等几种。
4）离网逆变器。
离网逆变器是把光伏电池组件或者蓄电池输出的直流电转换成交流电供应给交流负载使用的设备。
并网光伏发电系统就是光伏电池组件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能后接入公共电网。并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏系统，也有分布式小型并网光伏系统。集中式大型并网光伏系统一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。这种电站投资大、建设周期长、占地面积大。分布式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是目前并网光伏发电的主流。常见并网光伏发电系统一般有下列两种形式。
有逆流并网光伏发电系统如图1-4所示。当光伏发电系统发出的电能充裕时，可将剩余电能馈入公共电网，向电网供电（卖电）；当光伏发电系统提供的电力不足时，由电网向负载供电（买电）。由于向电网供电时与电网供电的方向相反，所以称为有逆流并网光伏发电系统。
图1-4 有逆流并网光伏发电系统
无逆流并网光伏发电系统如图1-5所示。光伏发电系统即使发电充裕也不向公共电网供电，但当光伏发电系统供电不足时，则由公共电网向负载供电。
图1-5 无逆流并网光伏发电系统