太阳能发电过程与原理

太阳能发电过程与原理

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（Solar cells）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。

1 太阳能发电原理

太阳能发电系统主要包括：太阳能电池组件（阵列）、控制器、蓄电

池、逆变器、用户即照明负载等组成。其中，太阳能电池组件和蓄电池

为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。

1.1 太阳能电源系统

太阳能电池与蓄电池组成系统的电源单元，因此蓄电池性能直接影

响着系统工作特性。

⑴ 电池单元

由于技术和材料原因，单一电池的发电量是十分有限的，实用中的

太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件（阵

列）。单一电池是一只硅晶体二极管，根据半导体材料的电子学特性，当

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太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的

P-N结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，在导带

和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。同于P-N结势垒区存在着较

强的内建静电场，因而能在光照下形成电流密度J，短路电流Isc，开路

电压Uoc。若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载，理论上讲由P-N

结、连接电路和负载形成的回路，就有"光生电流"流过，太阳能电池组

件就实现了对负载的功率P输出。

理论研究表明，太阳能电池组件的峰值功率Pk，由当地的太阳平均

辐射强度与末端的用电负荷（需电量）决定。

⑵ 电能储存单元

太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存，蓄电池的特性影响着

系统的工作效率和特性。蓄电池技术是十分成熟的，但其容量要受到末

端需电量，日照时间（发电时间）的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时

容量由预定的连续无日照时间决定。

1.2 控制器

控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点

附近，以获得最高效率。而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即PWM

控制方式，使整个系统始终运行于最大功率点Pm附近区域。放电控制

主要是指当电池缺电、系统故障，如电池开路或接反时切断开关。目前

日立公司研制出了既能跟踪调控点Pm，又能跟踪太阳移动参数的"向日

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葵"式控制器，将固定电池组件的效率提高了50%左右。

1.3 DC-AC逆变器

逆变器按激励方式，可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主

要功能是将蓄电池的直流

电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、

滤波、升压等，得到与照

明负载频率f，额定电压UN等匹配的正弦交流电供系统终端用户使

用。

1.4 发电系统反充二极管

太阳能光伏发电系统的防反充二极管又称阻塞二极管，在太阳电池

组件中其作用是避免由于太阳电池方阵在阴雨和夜晚不发电或出现短路

故障时，擂电池组通过太阳电池方阵放电。防反充二极管串联在太阳电

池方阵电路中，起单向导通作用。因此它必须保证回路中有最大电流，

而且要承受最大反向电压的冲击。一般可选用合适的整流二极管作为防

反充二极管。一块板的话可以不用任何二极管，因为控制器本来就可防

反冲。板子串联的话，需要安装旁路二极管，如果是并联的话就要装个

防反冲二极管，防止板子直接冲电。防反充二极管只是保护作用，不会

影响发电效果。

2 效率

在太阳能发电系统中，系统的总效率ηese由电池组件的PV转换率、

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控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等组成。但相对于

太阳能电池技术来讲，要比控制器、逆变器及照明负载等其它单元的技

术及生产水平要成熟得多，而且目前系统的转换率只有17%左右。因此

提高电池组件的转换率，降低单位功率造价是太阳能发电产业化的重点

和难点。太阳能电池问世以来，晶体硅作为主角材料保持着统治地位。

目前对硅电池转换率的研究，主要围绕着加大吸能面，如双面电池，减

小反射；运用吸杂技术减小半导体材料的复合；电池超薄型化；改进理

论，建立新模型；聚光电池等。几种太阳能电池的转换效率见表1。

表1 转换效率

实验室典型电池 商品薄膜电池

各种太阳能电池 ηmax(%) 各种太阳能电池 η（%)

单晶硅 24.4 多晶硅 16.6

多晶硅 18.6 铜铟镓硒 18.8

GaAs（单结） 25.7 碲化镉 16.0

a-si（单结） 13 铜铟硒 14.1

充分利用太阳能是绿色照明的重要内容之一。而真正意义上的绿色

照明至少还包括：照明系统的高效率，高稳定性，高效节能的绿色光源

等。

3 一体化设计

目前成功地把太阳能组件和建筑构件加以整合，如太阳能屋面（顶）、

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墙壁及门窗等，实现了"光伏--建筑照明一体化（BIPV)"。1997年6月，

美国宣布了以总统命名的"太阳能百万屋顶计划"，在2010年以前为100

万座住宅实施太阳能发电系统。日本"新阳光计划"已在2000年以前将光

伏建筑组件装机成本降到170～210日元/W，太阳能电池年产量达

10MW，电池成本降到25～30日元/W。1999年5月14日，德国仅用一

年两个月建成了全球首座零排放太阳能电池组件厂，完全用可再生能源

提供电力，生产中不排放CO2。工厂的南墙面为约10m高的PV阵列玻

璃幕墙，包括屋顶PV组件，整个工厂建筑装有575m2的太阳能电池组

件，仅此可为该建筑提供三分之一以上的电能，其墙面和屋顶PV组件

造型、色彩、建筑风格与建筑物的结合，与周围的自然环境的整合达到

了十分完美的协调。该建筑另有约45kW容量，由以自然状态的菜子油

作燃料的热电厂提供，经设计燃烧菜子油时产生的CO2与油菜生长所需

的CO2基本平衡，是一座真正意义上的零排放工厂。BIPV还注重建筑

装饰艺术方面的研究，在捷克由德国WIP公司和捷克合作，建成了世界

第一面彩色PV幕墙。印度西孟加拉邦为一无电岛117家村民安装了

12.5kW的BIPV。国内常州天合铝板幕墙制造有限公司研制成功一种"太

阳房"，把发电、节能、环保、增值融于一房，成功地把光电技术与建筑

技术结合起来，称为太阳能建筑系统（SPBS），SPBS已于2000年9月

20日通过专家论证。近日在上海浦东建成了国内首座太阳能--照明一体

化的公厕，所有用电由屋顶太阳能电池提供。这将有力地推动太阳能建

筑节能产业化与市场化的进程。

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4 绿色照明光源研究

绿色照明系统优化设计，要求低能耗下获得高的光效输出，并延长

灯的使用寿命。因此DC-AC逆变器设计，应获得合理的灯丝预热时间和

激励灯管的电压和电流波形。目前处在研究开发中的太阳能照明光源激

励方式有四种典型电路：①自激推挽振荡电路，通过灯丝串联启辉器预

热启动。该光源系统的主要参数是：输入电压DC=12V，输出光效>495Lm/

支，灯管额定效率9W，有效寿命3200h，连续开启次数>1000次。②自

激推挽振荡（简单式）电路，该光源系统的主要参数是：输入电压

DC=12V，灯管功率9W，输出光效315Lm/支，连续启动次数>1500次。

③自激单管振荡电路，灯丝串联继电器预热启动方式。④自激单管振荡

(简单式）电路等方式的高效节能绿色光源。

5 结束语

绿色能源和可持续发展问题是本世纪人类面临的重大课题，开发新

能源，对现有能源的充分合理利用已经得到各国政府的极大重视。太阳

能发电作为一种取之不尽，用之不竭的清洁环保能源将得到前所未有的

发展。随着太阳能产业化进程和技术开发的深化，它的效率、性价比将

得到提高，它在包括BIPV在内的各个领域都将得到广泛的应用，也将

极大地推动中国"绿色照明工程"的快速发展。

编辑本段应用

太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所

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以它适于各家各户分别进行发电，而且要联接到供电网络上，使得各个

家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司，不足时又可从电力公司买入。

实现这一点的技术不难解决，关键在于要有相应的法律保障。现在美国、

日本等发达国家都已制定了相应法律，保证进行太阳能发电的家庭利益，

鼓励家庭进行太阳能发电。

日本已于1992年4月实现了太阳能发电系统同电力公司电网的联

网，已有一些家庭开始安装太阳能发电设备。日本通产省从1994年开始

以个人住宅为对象，实行对购买太阳能发电设备的费用补助三分之二的

制度。要求第一年有1000户家庭、2000年时有7万户家庭装上太阳能

发电设备。

据日本有关部门估计日本2100万户个人住宅中如果有80%装上太阳

能发电设备，便可满足全国总电力需要的14%，如果工厂及办公楼等单

位用房也进行太阳能发电，则太阳能发电将占全国电力的30%－40%。

当前阻碍太阳能发电普及的最主要因素是费用昂贵。为了满足一般家庭

电力需要的3千瓦发电系统，需600万至700万日元，还未包括安装的

工钱。有关专家认为，至少要降到100万到200万日元时，太阳能发电

才能够真正普及。降低费用的关键在于太阳电池提高变换效率和降低成

本。

不久前，美国德州仪器公司和SCE公司宣布，它们开发出一种新的

太阳电池，每一单元是直径不到1毫米的小珠，它们密密麻麻规则地分

布在柔软的铝箔上，就像许多蚕卵紧贴在纸上一样。在大约50平方厘米

的面积上便分布有1，700个这样的单元。这种新电池的特点是，虽然变

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换效率只有8%—10%，但价格便宜。而且铝箔底衬柔软结实，可以像布

帛一样随意折叠且经久耐用，挂在向阳处便可发电，非常方便。据称，

使用这种新太阳电池，每瓦发电能力的设备只要1.5至2美元，而且每

发一度电的费用也可降到14美分左右，完全可以同普通电厂产生的电力

相竞争。每个家庭将这种电池挂在向阳的屋顶、墙壁上，每年就可获得

一二千度的电力。

编辑本段前景

太阳能发电有更加激动人心的计划。一是日本提出的创世纪计划。

准备利用地面上沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳

能发电站联成统一电网以便向全球供电。据测算，到2000年、2050年、

2100年，即使全用太阳能发电供给全球能源，占地也不过为 65.11万平

方公里、 186.79万平方公里、829.19万平方公里。829.19万平方公里才

占全部海洋面积 2.3%或全部沙漠的 51.4%，甚至才是撒哈拉沙漠的

91.5%。因此这一方案是有可能实现的。

另一是天上发电方案。早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空

间建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公

里的大平板，上面布满太阳电池，这样便可提供500万千瓦电力。但这

需要解决向地面无线输电问题。现已提出用微波束、激光束等各种方案。

目前虽已用模型飞机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电，

但离真正实用还有漫长的路程。

随着中国技术的发展，在2006年，中国有三家企业进入了全球前十

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名，标志着中国将成为全球新能源科技的中心之一，世界上太阳能光伏

的广泛应用，导致了目前缺乏的是原材料的供应和价格的上涨，我们需

要将技术推广的同时，必须采用新的技术，以便大幅度降低成本，为这

一新能源的长远发展提供原动力！

太阳能的使用主要分为几个方面：家庭用小型太阳能电站、大型并

网电站、建筑一体化光伏玻璃幕墙、太阳能路灯、风光互补路灯、风光

互补供电系统等，现在主要的应用方式为建筑一体化和风光互补系统。

世界目前已有近200家公司生产太阳能电池，但生产设备厂主要在

日企之手。

近年韩国三星、LG都表示了积极参与的愿望，中国海峡两岸同样十

分热心。据报道，中国台湾2008年结晶硅太阳能电池生产能力达2．2GW，

以后将以每年1Gw生产能力扩大，当年并开始生产薄膜太阳能电池，今

年将大力增强，台湾期待向欧洲“太阳能电池大国”看齐。2010年各国及

地区有1GW以上生产计划的太阳能电池厂商有日本Sharp，德国

Q—Cells，Scho~Solar，拐5威RWESolar，中国SuntechPower等5家公

司，其余7家500MW以上生产能力的公司。

近年世界太阳能电池市场高歌猛进，一片大好，但百年不遇的金融

风暴带来的经济危机，同样是压在太阳能电池市场头上的一片乌云，主

要企业如德国Q—Cells的业绩应声下调，预年今年世界太阳电地市场也

会因需求疲软、石油价格下降而竞争力反提升等不利因素而下挫。但与

此同时，人们也看到美国．奥巴马上台后即将施行GreenNewDeal政策，

包括其内的绿色能源计划可有1500亿美元的补助资金，日本也将推行补

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助金制度来继续普及太阳能电池的应用。

编辑本段太阳能电池发电原理

太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生

光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒

铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体硅为例描述光发电过程。P

型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。

吉光光电

当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量

传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P－N结两侧集

聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流

流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换

成电能的过程。

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编辑本段太阳能电池的制作过程

储量丰富的硅

“硅”是我们这个星球上储藏最丰量的材料之一。自从19世纪科学家

们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维。

20世纪末，我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电

池是近15年来形成产业化最快的。

生产过程

生产过程大致可分为五个步骤：a、提纯过程 b、拉棒过程 c、切片

过程 d、制电池过程 e、封装过程。

以单晶硅为例，其生产过程可分为：

工序一，硅片清洗制绒

目的——表面处理：

清除表面油污和金属杂质；

去除硅片表面的切割损坏层；

在硅片表面制作绒面，形成减反射织构，降低表面反射率；

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利用Si在稀NaOH溶液中的各向异性腐蚀，在硅片表面形成3-6 微米的

金字塔结构，这样光照在硅片表面便会经过多次反射和折射，增加了对

光的吸收；

工序二，扩散

硅片的单/双面液态源磷扩散，制作N型发射极区，以形成光电转换

的基本结构：PN结。

POCl3 液态分子在N2 载气的携带下进入炉管，在高温下经过一系

列化学反应磷原子被置换，并扩散进入硅片表面，激活形成N型掺杂，

与P型衬底形成PN结。主要的化学反应式如下：

工序三，等离子刻边

POCl3 + O2 → P2O5 + Cl2 P2O5 + Si → SiO2 + P

去除扩散后硅片周边形成的短路环；

工序四，去除磷硅玻璃

去除硅片表面氧化层及扩散时形成的磷硅玻璃（磷硅玻璃是指掺有

P2O5的SiO2层）。

工序五，PECVD

目的——减反射+钝化：

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PECVD即等离子体增强化学气相淀积设备，Plasma Enhanced

Chemical Vapor Deposition；

制作减少硅片表面反射的SiN 薄膜（～80nm）；

SiN 薄膜中含有大量的氢离子，氢离子注入到硅片中，达到表面钝

化和体钝化的目的，有效降低了载流子的复合，提高了电池的短路电流

和开路电压。

工艺原理：

硅烷与氨气反应生成SiN 淀积在硅片表面形成减反射膜。

利用高频电源辉光放电产生等离子体对化学气相沉积过程施加影响

的技术。由于等离子体存在，促进气体分子的分解、化合、激发和电离，

促进反应活性基团的生成，从而降低沉积温度。PECVD在200℃～500℃

范围内成膜，远小于其它CVD在700℃～950℃范围内成膜。

反应过程中有大量的氢离子注入到硅片中，使硅片中悬挂键饱和、

缺陷失去活性，达到表面钝化和体钝化的目的。

工序六，丝网印刷

用丝网印刷的方法，完成背场、背电极、正栅线电极的制作，已引

出产生的光生电流；

工艺原理：

给硅片表面印刷一定图形的银浆或铝浆，通过烧结后形成欧姆接触，

使电流有效输出；

正面电极用Ag金属浆料，通常印成栅线状，在实现良好接触的同时

使光线有较高的透过率；

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背面通常用Al金属浆料印满整个背面，一是为了克服由于电池串联

而引起的电阻，二是减少背面的复合；

工序七，烘干和烧结

目的及工作原理：

烘干金属浆料，并将其中的添加料挥发（前3个区）；

在背面形成铝硅合金和银铝合金，以制作良好的背接触（中间3个

区）；

铝硅合金过程实际上是一个对硅进行P掺杂的过程，需加热到铝硅

共熔点（577℃）以上。经过合金化后，随着温度的下降，液

相中的硅将重新凝固出来，形成含有少量铝的结晶层，它补偿了N

层中的施主杂质，从而得到以铝为受主杂质的P层，达到了消除背结的

目的。

在正面形成银硅合金，以良好的接触和遮光率；

Ag浆料中的玻璃添加料在高温（~700度）下烧穿SiN膜，使得Ag

金属接触硅片表面，在银硅共熔点（760度）以上进行合金化。

编辑本段聚光太阳能发电

聚光太阳能发电（Concentrating Solar Power）简称CSP，准确地说

应该是“聚光太阳能热发电”。

聚光太阳能发电的先行者是美国的吉尔伯特·科恩，在美国内华达州

建造极具规模的聚光太阳能发电站，已经成功地为拉斯维加斯供应22兆

瓦的电力能源。

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聚光太阳能发电继风能、光电池之后，已经开始崭露头角，有望成

为解决能源匮乏、应对气候变暖的有效技术手段。

基本原理：聚光太阳能发电使用抛物镜将光线聚集到充有合成油的

吸热管上，再将加热到约400摄氏度的合成油输送到热交换器里，将热

量通过此加热循环水，将水加热，产生水蒸气，推动涡轮转动使发电机

运转，以此来发电。

聚光太阳能发电与太阳能电池不同，太阳能电池使用太阳电池板将

太阳能直接变成电能，可以在阴天操作，CSP一般只能够在阳光充足、

天气晴朗的地方进行。

不过，即使在没有太阳的夜晚，采用熔融盐储存热量的方法，现在

也能解决全天候的供电问题了。

国际能源署（IEA）下属的SolarPACES、欧洲太阳能热能发电协会

（ESTELA）和绿色和平组织的预测则较为温和，认为CSP到2030年在

全球能源供应份额中将占3%-3.6%，到2050年占8%-11.8%，这意味着

到2050年CSP装机容量将达到830GW，每年新增41GW。在未来5-10

年内累计年增长率将达到17%-27%。

编辑本段太阳能电池的应用

通信卫星供电

上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术——通

信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电

这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多

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领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供

电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极

保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标

等。欧美等先进国家，将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界

村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业

化趋势。

离网发电系统

太阳能发电控制器（光伏控制器和风光互补控制器）对所发的电能

进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另

一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要

时，控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后，控制器要控

制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时，控制器要控制蓄电

池不被过放电，保护蓄电池。控制器的性能不好时，对蓄电池的使用寿

命影响很大，并最终影响系统的可靠性。

蓄电池组的任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。

逆变器负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。逆变器是光

伏风力发电系统的核心部件。由于使用地区相对落后、偏僻，维护困难，

为了提高光伏风力发电系统的整体性能，保证电站的长期稳定运行，对

逆变器的可靠性提出了很高的要求。另外由于新能源发电成本较高，逆

变器的高效运行也显得非常重要。

产品包括：A、光伏组件B、风机 C、控制器 D、蓄电池组 E、逆

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变器 F、风力/光伏发电控制与逆变器一体化电源。

并网发电系统

可再生能源并网发电系统是将光伏阵列、风力机以及燃料电池等产

生的可再生能源不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接反向馈入电网

的发电系统。

因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和

释放的过程，可以充分利用可再生能源所发出的电力，减小能量损耗，

降低系统成本。并网发电系统能够并行使用市电和可再生能源作为本地

交流负载的电源，降低整个系统的负载缺电率。同时，可再生能源并网

系统可以对公用电网起到调峰作用。网发电系统是太阳能风力发电的发

展方向，代表了21世纪最具吸引力的能源利用技术。

编辑本段技术原理

现在，太阳能的利用还不是很普及，利用太阳能发电还存在成本高、

转换效率低的问题，但是太阳能电池在为人造卫星提供能源方面得到了

应用。太阳能是太阳内部或者表面的黑子连续不断的核聚变反应过程产

生的能量。地球轨 道上的平均太阳辐射强度为1369w/㎡。地球赤道的

周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173000TW。在

海平面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射

强度为0.20kw/㎡，相当于有102000TW 的能量，人类依赖这些能量维

持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外），虽然

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太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的

能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的

主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到

一定的限制。 尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的

22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上

的能量就相当于500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪

能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃

料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳

能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳

辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

编辑本段太阳能发电网

中国太阳能发电网以互联网作为信息平台，以光伏、光热及太阳能

发电行业的整个产业链的企业要闻、行业政策、技术动态、产业观察等

信息作为主要内容，是致力于为太阳能发电企业提供行业新鲜、权威的

资讯产品，为政府机关、能源企事业单位、科研院所、行业协会、学会

提供资讯服务、咨询服务、资本运作、项目合作等综合服务的信息咨询

公司。积极利用自身行业优势，探索将新技术、新资源，新媒体进行整

合，尝试新思维、新模式有机结合，创新绿色能源发展路径，致力打造

成中国太阳能发电企业的权威网站、极

具影响力的行业媒体平台——“中国太阳能发电网”。

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