1.2 光电银行

『学习情境』

光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属内部引力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。硅原子有 4 个外层电子，如果在纯硅中掺入有 5 个外层电子的原子如磷原子，就成为N型半导体；若在纯硅中掺入有 3 个外层电子的原子如硼原子，就成为P型半导体。当P型和N型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到PN结后，电流便从P型一边流向N型一边，形成电流。

光电效应就是光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程，其次是形成电压过程。

多晶硅经过铸锭、破锭、切片等程序后，制作成待加工的硅片。在硅片上掺杂和扩散微量的硼、磷等，就形成PN结。然后采用丝网印刷，将精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂一层防反射涂层，电池片就至此制成。电池片排列组合成电池组件，就组成了大的电路板。一般在组件四周包铝框，正面覆盖玻璃，反面安装电极。有了电池组件和其他辅助设备，就可以组成发电系统。为了将直流电转化为交流电，需要安装电流转换器。发电后可用蓄电池存储，也可输入公共电网。发电系统成本中，电池组件约占 50%，电流转换器、安装费、其他辅助部件以及其他费用占另外的 50%。

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术，主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器 3 个部分组成，主要部件由电子元器件构成。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电系统如图1-7 所示。

李华是初中二年级的一名学生，他利用假期的时间去看望住在乡下的外婆。但他发现，乡下的照明条件有限，晚上走夜路视线不好，他提出要在经常行走的路段装上路灯，但外婆说，这样浪费电。李华想：我何不帮外婆设计一个利用太阳能发电的路灯，一是可以解决照明问题，二是可以节省电费。

『学习目标』

1.学习光生伏特的原理。

2.学习光伏发电的传输和利用相关知识。

3.学习太阳能发电在生活中的应用。

『学习导航』

『学习探究』

1.光生伏特效应

利用半导体PN结光生伏特效应制成的器件称为光生伏特器件，也称结型光电器件（图1-8）。光生伏特效应是基于两种材料相接触形成内建势垒，光子激发的光生载流子被内建电场扫向势垒的两边，从而形成了光生电动势。

当光照射PN结，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区激发电子-空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电场运动，电子逆着电场运动，在开路状态，最后在N区边界积累光生电子，在P区边界积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场，即在P区和N区之间产生了光生电压 U _OC ，这就是PN结的光生伏特效应。只要光照不停止，这个光生电压将永远存在。

光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应，而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。光伏电池组件即太阳能电池板、光伏组件，是光伏发电系统的核心部分，其作用是太阳能转化为电能。

太阳能发电是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。太阳能电池组件（solarcells）是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置，在广大的无电力网地区，该装置可以方便地实现为用户照明及生活供电，一些发达国家还可与区域电网并网实现互补。目前从民用的角度，在国外技术研究趋于成熟且初具产业化的是“光伏-建筑（照明）一体化”技术，而国内主要研究生产适用于无电地区家庭照明用的小型太阳能发电系统。单体太阳能电池输出电压很低不能直接作为电源使用，要用太阳能电池板作为发电系统使用必须将若干个单体电池串联、并联连接和严密封装成组件。光伏组件具有良好的导电性、密封性；光电转换效率高，可靠性强；先进的扩散技术，保证片内转换效率的均匀性等特点。电池芯片与光伏组件实物图如图1-9 所示。

太阳能电池组件的内部结构由光伏玻璃、光伏胶膜、电池片、光伏背板等组成，如图1-10所示。由于单个硅太阳能电池的输出电压为 0.4～0.7 V，所以光伏电池板一般被串联或并联在一起，可以得到所需的电压值和电流值。例如，单个硅太阳能电池的输出电压为 0.5 V，24 个电池串联在一起就可形成一个额定电压为 12 V的系统。

太阳能电池按其材料可以分为硅半导体、化合物半导体、有机半导体几大类，具体分类如图1-11 所示。问世最早的光伏电池组件是单晶硅光伏电池，目前，市面上应用的有单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池、非晶硅光伏电池。各国对多元化合物太阳能光伏电池的研究种类繁多，但大多数尚未工业化生产，或许将是未来的新一代产品。

2.电能的存储和传输

（1）铅酸蓄电池。铅酸蓄电池如图1-12 所示，是蓄电池的一种，主要特点是采用稀硫酸做电解液，用PbO ₂ 和海绵Pb分别作为电池的正极和负极。铅酸蓄电池自发明后，在化学电源中占有绝对优势。这是因为其价格低廉、原材料易于获得，使用上有充分的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度范围。

（2）铅酸蓄电池的工作原理。

①铅酸蓄电池电动势的产生。铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅（PbO ₂ ）在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质——氢氧化铅［（Pb（OH） ₄ ）］，氢氧根离子在溶液中，铅离子（Pb ⁴⁺ ）留在正极板上，故正极板上缺少电子。铅酸蓄电池充电后，负极板是铅（Pb），与电解液中的硫酸（H ₂ SO ₄ ）发生反应，变成铅离子（Pb ²⁺ ），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子（2e）。可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是铅酸蓄电池的电动势。

②铅酸蓄电池放电过程的电化反应。铅酸蓄电池放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流 I ，同时在电池内部进行化学反应。

负极板上每个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子（Pb ²⁺ ）与电解液中的硫酸根离子（ ）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO ₄ ）。正极板的铅离子（Pb ⁴⁺ ）得到来自负极的两个电子（2e）后，变成二价铅离子（Pb ²⁺ ），与电解液中的硫酸根离子（ ）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO ₄ ）。正极板水解出的氧离子（O ^2- ）与电解液中的氢离子（H ⁺ ）反应，生成稳定物质——水。

电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。放电时H ₂ SO ₄ 浓度不断下降，正负极上的硫酸铅（PbSO ₄ ）增加，电池内阻增大（硫酸铅不导电），电解液浓度下降，电池电动势降低。

③分类。铅酸电池按维护类别分类见表1-2。

铅酸电池按电池盖和排气栓结构分类见表1-3。

（3）逆变器。逆变器是将直流电转换成交流电的设备。逆变与整流相对应，由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，当负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式可分为独立运行逆变器和并网逆变器。

将直流电（DC）变成交流电（AC），它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。逆变电路的框图如图1-13 所示。

在逆变器出现以前，DC/AC变换是通过直流电动机-交流发电机来实现的，称为旋转变流器。随着电力电子技术的高速发展，大功率开关器件和集成控制电路的研发成功，利用半导体技术就可以完成DC/AC变换，这种变换装置称为静止变流器。通常所说的逆变器均指静止变流器。

独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。

逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。

3.电能的高效利用

国家电网对分布式光伏发电应用采取鼓励和合作的态度，允许光伏电站业主采用自发自用，自发自用、余电上网和完全上网卖电等三种结算模式，如图1-14 所示。各地方电力公司在实际操作过程中，会遇到一些阻碍，这些问题主要是因为光伏电站业主对变电、配电系统的认识不足。下面将针对以上三种并网模式在操作过程中遇到的一些实际问题，就具体并网方案做一些阐述。

（1）自发自用模式。自发自用模式一般应用于用户侧用电负荷较大且用电负荷持续、一年中很少有停产或半停产发生的情况，或者是就算放假期间，用户的用电维持负荷大小也足以消纳光伏电站发出的绝大部分电力。这类模式由于低压侧并网，如果用户用电无法消纳，会通过变压器反送到上一级电网，但配电变压器设计是不允许用于反送电能的（可以短时倒送电，比如调试时，但长期反送是不允许）。其最初潮流方向设计是固定的，因此需要安装防逆流装置来避免电力的反送。针对一些用户无法确保自身用电能够持续消纳光伏电力，或者生产无法保证持续性的项目，建议不要采用此种并网模式。单体 500 kW以下且用户侧有配电变压器的光伏电站，建议采用这种模式，因为其升压所需增加的投资占投资比例较大。

（2）自发自用、余电上网模式。对于大多数看好分布式发电的用户来说，选择自发自用、余电上网是最理想的模式，这样既可以拿到自发自用较高电价，又可以在用不掉的情况下卖电给电网。但是在实际操作过程中这种模式存在的阻力颇多，原因是光伏从业者和地方电网公司人员信息的不对称，互相缺乏对对方专业知识的了解，这也是为什么该模式成为光伏电价政策和国网新政中最让人难以理解的部分。光伏发电在自发自用、余电上网模式时，用户（或者称为“投资商”）希望所发电量尽可能在企业内部消耗掉，实在用不掉的情况下，可以送入电网，不浪费掉这部分光伏电量。但电力公司最希望的是用户简单选择，要么自发自用，要么升压上网，因为自发自用、余电上网对地方电力公司来说，要增加一些工作量：区域配网容量计算（允许反向送电负荷）、增加管理的电源点（纯自发自用可以降低标准来管理）、正反转电表改造后的用户用电计量烦琐（需要通过电表1 和电表2 的数值换算得出用户实际用电负荷曲线和用电量）、增加抄表工作量等。

（3）完全上网卖电模式。在光伏发电大发展的近十年中，直接上网卖电一直是光伏应用的主流，因为其财务模型简单，并且相对可靠。

『学习总结』

1.购买简易太阳能照明灯，并完成安装和调试。

2.蓄电池在整个光伏发电系统中的作用是什么？

3.查询相关资料，说说光伏发电给我们的生活带来了哪些便利。

『学习延伸』

新能源及可再生能源的使用在快速增长，其中太阳能光伏发电的增长更加明显。

1.光伏发电的优点

①太阳能资源分布广泛、储量巨大，使得太阳能发电系统受到地域、海拔等因素的影响较小，且取之不尽，用之不竭。

②光伏发电系统可以实现就近发电及供电，减少了长距离输电时线路造成的损失。

③光伏发电是直接从光子到电子的能量转换，不存在机械磨损。

④光伏发电不排放任何废气，不产生噪声，对环境友好。

⑤光伏发电系统可安装在荒漠戈壁，充分利用荒废的土地资源，同时也可与建筑物相结合，节省宝贵的土地资源。

⑥光伏发电系统操作、维护简单，运行稳定可靠，基本可实现无人值守，维护成本低。

⑦光伏发电系统使用寿命长，晶体硅太阳能电池寿命可达 20～35 年。

⑧太阳能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。

2.光伏发电的缺点

①太阳能的能量密度低，最高辐射强度约为 1 000 W/m ² ，且太阳能电池板的光电转换效率仅为 20％左右，因此大规模发电需要很大的面积。

②受气候因素影响大，如长期的雨雪天、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，比如空气中的颗粒物（如灰尘）等降落在太阳能电池组件表面，阻挡部分光线的照射，这会使电池组件的转换效率降低，从而造成发电量的减少。

③系统成本高，由于太阳能光伏发电效率低，到目前为止，其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。

④晶体硅电池的制造过程耗能高，且会对环境造成污染。

特斯拉光伏发电超级充电站

特斯拉曾在其宣传活动中为人们描绘了这样一幅场景：特斯拉车主们可在任意超级充电站享受免费的充电服务，而Model S补充 80%的电能花时不到 40 分钟，这些电能都来自安装在超级充电站顶棚或者周边建筑屋顶的光伏发电组件。

特斯拉的超级充电站电能居然源于光能？那问题来了，光伏发电组件能提供足够的电能来维持充电站的正常运作吗？

目前，超级充电站采用CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳能光伏技术，其组件发电每平方米155 Wp，特斯拉超级充电站一般包括 150 m ² 光伏组件，约 10 个乘用车停车位的面积，最大发电 23 kW。以上海为例，光伏发电年均可利用日照峰值时间 984 h，那么，超级充电站年发电量 22 632 kW·h时，折合日均发电量 62 kW·h时。光伏组件光电转换效率还存在一定的衰减性（25 年衰减不超过 20%），25 年运营期内日均发电量降为 56 kW·h，而这点电量仅能支持一辆Model S行驶不到 300 km。

通过专业人士分析之后，我们也就不难发现，特斯拉超级充电站仅靠光伏充电就能满足充电需要显然不现实。但实际上特斯拉所谓的“光伏发电组件”应该是“分布式并网光伏发电”，有人认为分布式并网光伏发电可以这样来解释：

①分布式强调的是小型电站，区别于集中式电站。

②并网指的是并联在国家电网上，区别于使用蓄电池的光伏系统。

③光伏发电指的是利用太阳的光伏进行发电，区别于电热和其他环保能源。

因为有“并网”的存在，所以“光伏充电”才能有效地解决电量不足的弊端，而现阶段想仅靠“光伏充电”来维持电动汽车充电站的运行是不可能的。但是，光伏充电会不会得到普及？这个问题我们也不急于回答，一则上海市发展和发改委的通知与建设规划中，我们可以看到政府对光伏发电不仅是给予了极大力度的支持，还做出了“分布式光伏发电新增建设规模 200 MW”的落实计划并下达至各区县。“尽可能简化程序，鼓励优先备案采用新技术、新产品的光伏发电项目”这也为各个区县电动汽车充电站项目的实施提供了有利的条件。

根据目前的一个现状来看，光伏充电确实只能在电动汽车充电中担任一个配角，但这个配角的重要意义就在于它与电动汽车的理念是一致的，它们都是提倡环保、节能的产物。而至于光伏充电能否成为电动汽车充电的新可能，想必大家也有了自己的看法。 IY1++6rHYlu9lFmRoaodkIUolYAIAHw9BJuhgg8EHiFsA5UtZfSlOVfT99sJ+q1c