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太阳能光伏发电的原理及优势

2019-05-13 15:38:10      点击:

从太阳能是什么到太阳能应用的相关技术讲解,相信很多人对太阳能有了一个大概的了解了,下面说说太阳能应用技术中的光伏发电,主要两个方面:原理及其优势。

太阳能光伏发电的原理及优势 为何要大力发展太阳能

地面集中式太阳能发电应用

1、太阳能光伏发电原理

光生伏打效应在液体和固体物质中都会发生,但是只有固体(尤其是半导体PN结器件)在太阳光照射下的光电转换效率较高。利用光生伏打效应原理制成晶体硅太阳能电池,可将太阳的光能直接转换成为电能。太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池,又称光伏电池,是太阳能光伏发电系统的基础和核心器件。太阳能转换成为电能的过程主要包括3个步骤:

(1)太阳能电池吸收一定能量的光子后,半导体内产生电子一空穴对,称为“光生载流子”,两者的电极性相反,电子带负电,空穴带正电。

(2)电极性相反的光生载流子被半导体PN结所产生的静电场分离开。

(3)光生载流电子和空穴分别被太阳能电池的正、负极收集,并在外电路中产生电流,从而获得电能。

太阳能光伏发电原理如下图所示。当光线照射太阳能电池表面时,一部分光子被硅材料吸收,光子的能量传递给硅原子,使电子发生跃迁,成为自由电子,在PN结两侧集聚形成电位差。当外部电路接通时,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。

在太阳能发电系统中,系统的总效率η由太阳能电池组件的光电转换效率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等决定。目前,太阳能电池的光电转换效率只有17%左右。因此,提高太阳能电池组件的光电转换效率、降低太阳能光伏发电系统的单位功率造价,是太阳能光伏发电产业化的重点和难点。自太阳能电池问世以来,晶体硅作为主要材料保持着统治地位。目前对硅太阳能电池转换效率的研究,主要围绕着加大吸能面(如采用双面电池减小反射)、运用吸杂技术和钝化工艺提高硅太阳能电池的转换效率、电池超薄型化等方面。

目前,太阳能光伏发电系统主要应用于以下3个大的方面。

(1)为无电场合提供电源,主要为广大无电地区居民生活生产提供电力,为微波中继站和移动电话基站提供电源等。

(2)太阳能日用电子产品,如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草坪灯等。

(3)并网发电,即接入国家电网。我国光伏并网发电已经很成熟了,从2013年开始,国家出台了一系列的光伏发电促进政策,鼓励有条件的地区工商业和户用、公共建筑等建设光伏发电设施。

2、太阳能发电的优势

通过对生物质能、水能、风能和太阳能等几种常见新能源的对比分析,可以清晰地看出太阳能发电具有以下独特优势。

(1)光伏发电具有经济优势

可以从两个方面看太阳能利用的经济性:一是太阳能取之不尽,用之不竭,而且在接收太阳能时不征收任何“税”,可以随地取用;二是在目前的技术发展水平下,有些太阳能的利用已具经济性。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能技术的突破,太阳能利用的经济性将会更加明显。如果说20世纪是石油的世纪,那么21世纪则是可再生能源的世纪(太阳能的世纪)。

从太阳能光伏发电站建设成本来看,随着太阳能光伏发电的大规模应用和推广,尤其是上游晶体硅产业和光伏发电技术的日趋成熟,建筑房顶、外墙等平台的复合开发利用,每千瓦太阳能光伏发电的建设成本越来越低,相比其他可再生能源已具有同样的经济优势,而且随着国家平价的政策推行,其普及会越来会广。

(2)太阳能是取之不尽的可再生能源

根据计算,一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892x10^24吨,是目前世界主要能源探明储量的1万倍。太阳的寿命至少尚有40亿年,相对于人类历史来说,太阳能可源源不断供给地球的时间可以说是无限的,这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。

(3)对环境没有污染

太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样,其开发利用时几乎不产生任何污染,加之其储量的无限性,是人类理想的替代能源。由于传统化石燃料(煤、石油和天然气)在使用过程中排出大量的有毒有害物质,会对水、土壤和大气造成严重污染,形成温室效应和酸雨,严重危害人类的生存环境和身体健康,因此急需开发出新的比较清洁的替代能源,而太阳能作为一种比较理想的清洁能源,正受到世界各国的日益重视。

从目前各种发电方式的碳排放率(g/kW·h)来看,不计算其上游环节:煤发电为275g/kW·h,油发电为204g/kW·h,天然气发电为181g/kW·h,风力发电为20g/kW·h,而太阳能光伏发电则接近零排放。并且,在发电过程中没有废渣、废料、废水、废气排出,没有噪声,不产生对人体有害的物质,不会污染环境

(4)能量转换环节最少

从能量转换环节来看,太阳能光伏发电是直接将太阳辐射能转换为电能,在所有可再生能源利用中,太阳能光伏发电的转换环节最少、利用最直接。一般来说,在整个生态环境的能量流动中,随着转换环节的增加、转换链条的拉长,能量的损失将呈几何级增加,并同时大大增加整个系统的建设、运行成本和不稳定性。目前,晶体硅太阳能电池的光电转换效率实用水平为15%-20%,实验室最高水平已达35%。

(5)最经济、最环保

从资源条件尤其是土地占用来看,生物能、风能是较为苛刻的,而太阳能利用则很灵活。如果说太阳能光伏发电占用土地面积为1,风力则是太阳能的8-10倍,生物能则达到100倍。就水电而言,一个大型水坝的建成往往需要淹没数十平方公里到上百平方公里的土地。相比而言,太阳能发电不需要占用更多的土地,屋顶、墙面都可成为太阳能光伏发电利用的场所,还可利用我国广阔的沙漠,通过在沙漠上建造太阳能光伏发电基地,直接降低沙漠地带直射到地表的太阳辐射,有效降低地表温度,减小蒸发量,进而使植物的存活和生长在相当程度上成为可能,稳固并减少沙丘,又向大自然索取了所需的清洁可再生能源。

(6)可免费使用且无须运输

人类可以通过专门的技术和设备将太阳能转化为热能或电能,就地加以利用,无须运输,为人类造福。而且人类利用太阳能这一取之不尽的能源也是免费的。虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀,但相对于其他能源来说,太阳能对地球上绝大多数地区具有存在的普遍性,可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。