太阳能光伏技术的研发与运用

众所周知，太阳能是一种无污染的能源，也是人类可利用的最丰富的能源之一。我国的太阳能资源丰富，全国三分之二的国土面积年日照小时数在2200小时以上，年太阳辐射总量大于每平方米5000兆焦，属于太阳能利用条件较好的地区。西藏、青海、新疆、甘肃、内蒙古、山西、陕西、河北、山东、辽宁、吉林、云南、广东、福建、海南等地区的太阳辐射能量较大，尤其是青藏高原地区太阳能资源最为丰富。［1］目前，我国太阳能利用在建筑领域中技术最成熟、应用范围最广、产业化发展最快的是家用太阳能热水器(系统)，其次是被动式采暖太阳房，并在太阳能光伏技术和照明技术领域积累了一定的应用数据和经验。高校应从自身功能和优势出发，积极参与研发太阳能光伏技术、并在建筑中综合利用太阳能光伏技术，探索有效的太阳能光伏技术与建筑节能有机结合的载体与方式。

1光伏技术及我国光伏产业发展现状

1．1光伏技术

光伏是指光生伏特效应(即光伏效应)，是光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。太阳能光伏技术即太阳能发电技术，其基本工作原理为:太阳能电池板在光照条件下接收太阳光并产生电能，使太阳电池组件产生一定的电动势能(即发电)，并通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换产生的电能储存在蓄电池里。到需要用电时，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。太阳能光伏发电系统一般由太阳能电池板、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜等设备组成。因太阳能电池板本身只具有发电功能而不能储存电能，且发出的是直流电，逆变器是将直流电转换为交流电的设备。因此，太阳能光伏发电系统的利用形式一般可以分为并网光伏发电系统和离网光伏发电系统两大类别。利用太阳能光伏技术发出的电能是典型的安全、清洁能源，不受资源分布地域的限制，使用范围广泛，且建设周期短，获取能源花费的时间短。当前，太阳能光伏技术的突出难题是成本收益问题。人类一旦在光伏发电技术上进一步实现重大突破，光伏产业将实现井喷式发展，而光电也将成为火电的有效替代品，能够有效解决能源短缺问题，也是应对气候变化的重要途径。

1．2我国光伏产业发展现状

光伏产业是利用太阳能的光伏转换，使太阳光射到硅材料上产生电流直接发电，形成以硅材料应用开发为中心的产业链条。一般来说，晶体硅太阳能光伏发电产业链主要包括原料硅生产、硅碇和硅片生产、太阳能电池制造、光伏发电系统以及技术研究等。我国自1958年开始研究太阳能电池，1971年首次将光伏电池应用在东方红2号卫星上，1973年在地面应用太阳能电池，但直到2000年，因太阳能电池的成本高等因素，地面应用范围仍然有限。新世纪以来，在全球光伏应用市场强力启动及国内政策大力推动的背景下，我国光伏产业发展迅猛，呈现出高增长态势，表现出“中间独大、两头在外”的显著特征，即企业大多集中在利润较小、技术含量较低的光伏电池制造环节，企业制造光伏电池所需的高纯硅原材料对进口的依赖程度较大，且生产制造出的光伏电池则对出口的依存度高。上述特征具体表现在四个方面:

一是光伏电池产量已超全球总产量的50%。随着常规能源短缺、生态环境恶化、全球气候变暖等问题的出现，各国政府非常重视和支持发展可再生能源特别是光伏产业，我国也不例外。2005年以来，我国太阳能电池产量年均增长率高达126%，2007年增长率更是达到218．9%，光伏电池产量跃居世界第一，远高出同期世界平均增长47%的水平。2009年，我国多晶硅产量超过两万吨，太阳能电池产量超过了4000兆瓦。2010年，我国光伏电池产量已超过全球总产量的50%，并在光伏产业上形成了主要以硅材料、电池组件、光伏系统应用等较为完整的产业链。［2］

二是光伏产业链主要处于低端。与其它产业相比，光伏产业链各环节的毛利润从上到下呈现“倒金字塔”结构，其价值形态呈现出从左上到右下倾斜的形状，与一般产业呈现出两头高、中间低的“微笑曲线”形状不同。目前，从我国光伏产业链各生产环节分布的企业数量看，光伏企业主要集中在毛利润较低的电池制造、组件生产环节，其光伏产业链价值不到30%，而毛利润较高的环节被美、日、德等掌握硅材料提纯技术的国家获得，其光伏产业链价值超过70%。

三是光伏产品应用不广。受光伏发电上网成本较高、光伏发电自身技术局限性较大、相关政策支持体系不够完善等因素的影响，我国国内生产的太阳能电池及组件等光伏产品主要销往海外市场，2011年的光伏产品出口比例达95%，是典型的“制造大国、应用小国”。这不仅使光伏产品过分依赖于海外市场的出口，导致光伏产品国内外市场不平衡问题的出现，也对光伏产品的对外贸易产生不利影响。

四是光伏电池生产原材料依赖进口。太阳能晶硅制造处在光伏产业链的上游，技术门槛较高、投资规模较大，技术被国际市场垄断。长期以来，美、日、德三国的7个公司的10家工厂集中了超纯硅材料的制造，从事高纯度硅原材料生产的企业较少。国内企业与世界先进水平相比，存在生产工艺落后、能耗较高、规模效益较低、污染较大的问题，生产能力不足，难以满足国内光伏企业对硅原料增加的需求。因此，我国光伏电池生产所需的原材料基本上依赖进口。［3］

2高校研发应用太阳能光伏技术的优势

一是高校具有较强的创新能力。高校在激发创新思维、开展多学科综合交叉研究等方面的优势明显，拥有源源不断的创新人才和广泛的国际合作与交流的渠道，既是国家培养拔尖创新人才的基地，开展原始创新的主要场所，也是我国基础研究和高技术领域原始创新的主力军，解决国民经济重大科技问题、实现技术转移和成果转化的生力军。数据显示，全国高校从事科技活动的人数为36．1万人，两院院士41%来自高校;依托高校建设的国家重点实验室138个，占62．7%，国家工程(技术)中心113个，占34．6%。［4］由于太阳能光伏技术的研究开发需要多个学科的相互配合，而高校本身就具备开展多个学科综合交叉研究的优势，两者能有机结合、有效融合，能为太阳能光伏技术的研发提供必不可少的技术和人才支撑。