太阳能光伏发电原理及优势

17-09-15


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,在固体物质中,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。太阳能电池将太阳能转换成为电能的过程分为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、负极所收集,并在外电路中产生电流,从而获得电能。
1太阳能光伏发电原理,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,使电子发生越迁,成为自由电子,自由电子在P—N结两侧集聚形成了电位差,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。
      在太阳能光伏发电系统中,系统的总效率由太阳能电池组件的光电转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率所组成。目前太阳能电池的光电转换率只有17%左右,因此提高太阳能电池组件的光电转换率,降低太阳能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。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。运用吸杂技术和钝化工艺提高硅太阳能电池的转化率。电池超薄型化等。目前太阳能光伏发电系统主要应用于三大方面:
(1)为无电场合提供电源,主要为广大无电地区居民生活提供电力,还有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,在发达国家已经大面积推广实施,我国太阳能光伏并网发电系统正在起步阶段。

       2.太阳能发电的优势
相比生物质能、水能、风能和太阳能等常见的新能源,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,而且在接受太阳能时不用支付任何费用,可以随地取用:二是在目前的技术发展水平下,有些太阳能利用已具经济性。随着科技发展以及人类开发利用太阳能的技术突破,太阳能利用的经济性将会更加明显。
      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,以建筑房顶、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在2015年可达到5000~10 000元,相比其他可再生能源已具有较大的经济优势。
(2)太阳能是取之不尽的可再生能源,可利用量大。太阳每秒钟放射的能量大约是1.6X10KW, 其中到达地球的能量高达8X10KW,相当于6X10t保证煤。按此计算,一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892X10千亿t,是目前世界主要能源探明储量的10 000倍。太阳的寿命至少尚有40亿年,相当于人类历史来说,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量匮乏、枯竭的最有效途径。从我国可开发的资源蕴含量来看,学者和专家比较公认的数字是:生物质能1亿KW,水电3.78亿kw,风电2.53亿kw,而太阳能是2.1万亿kw,只需开发太阳能资源的1%即达到210亿kw。从其比例上看生物质能仅占0.46%,风电占1.74%,水电占1.16%,而光电为96.64%。
(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)在使用过程中排除大量的有毒有害物质,会对水、土壤和大气造成严重的污染,形成温室效应和酸雨,严重危害到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来看,不计算其上游环节:煤电为275g,油发电为204g,天然气发电为181g,风力发电为20g,而太阳能光伏发电则接近零排放。并且在发电工程中没有废渣、废料、废水、废气排出,没有噪声,不产生有害物质,不会污染环境。
(4)转换环节最少、最直接。从能量转换环节看,太阳能光伏发电直接将太阳辐射能转换为电能,在所有可再生能源利用中转换环节最少、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,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转换效率实用水平在15%~20%之间,实验室水平最高已达35%。
(5)最经济、最清洁、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,而太阳能则很灵活和广泛。假设太阳能光伏发电要占用土地面积为1的话,则风力将是8~10,生物能则是达到100.而水电,一个大型水坝的建成往往需要淹没数十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,减少蒸发量,进而使植物的存活和生长在相当程度上成为可能,稳固并减少了沙丘,又向自然索取了清洁可再生能源。
(6)可免费使用切无需运输。人类可以通过专门的技术和设备将光能转化为热能或电能,就地加以利用,无需运输,为人类造福。而且人类利用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于地球上绝大多数地区具有存在普遍性,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。

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