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太陽能光伏發電的原理及優勢,為什么我們要大力發展太陽能?

太陽能光伏發電的原理及優勢,為什么我們要大力發展太陽能?

2020年光伏上網指導價及補貼標準終于落地。4月2日,國家發展改革委印發《關于2020年光伏發電上網電價政策有關事項的通知》,從今年6月1日起,I-III類資源區新增集中式光伏電站指導價分別為每千瓦時0.35元(含稅,下同)、0.4元、0.49元;“自發自用、余電上網”模式的工商業分布式光伏項目補貼標準為每千瓦時0.05元;戶用分布式光伏補貼標準調整為每千瓦時0.08元。

短期來看,2020年光伏新政的公布,將有利于整個產業鏈對今年工作提前準備。并且,從電價調整幅度分析,2020年新增有補貼光伏電站規模將達到30GW(千兆瓦)。

從太陽能是什么到太陽能應用的相關技術,相信很多人能有一個大概的了解了,那么太陽能應用技術中的光伏發電,其原理和優勢又是什么呢?

一、太陽能光伏發電原理

光生伏打效應在液體和固體物質中都會發生,但是只有固體(尤其是半導體PN結器件)在太陽光照射下的光電轉換效率較高。利用光生伏打效應原理制成晶體硅太陽能電池,可將太陽的光能直接轉換成為電能。太陽能光伏發電的能量轉換器是太陽能電池,又稱光伏電池,是太陽能光伏發電系統的基礎和核心器件。太陽能轉換成為電能的過程主要包括3個步驟:

(1)太陽能電池吸收一定能量的光子后,半導體內產生電子一空穴對,稱為“光生載流子”,兩者的電極性相反,電子帶負電,空穴帶正電。

(2)電極性相反的光生載流子被半導體PN結所產生的靜電場分離開。

(3)光生載流電子和空穴分別被太陽能電池的正、負極收集,并在外電路中產生電流,從而獲得電能。

當光線照射太陽能電池表面時,一部分光子被硅材料吸收,光子的能量傳遞給硅原子,使電子發生躍遷,成為自由電子,在PN結兩側集聚形成電位差。當外部電路接通時,在該電壓的作用下,將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的實質是光子能量轉換成電能的過程。

在太陽能發電系統中,系統的總效率η由太陽能電池組件的光電轉換效率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負載的效率等決定。目前,太陽能電池的光電轉換效率只有17%左右。因此,提高太陽能電池組件的光電轉換效率、降低太陽能光伏發電系統的單位功率造價,是太陽能光伏發電產業化的重點和難點。

自太陽能電池問世以來,晶體硅作為主要材料保持著統治地位。目前對硅太陽能電池轉換效率的研究,主要圍繞著加大吸能面(如采用雙面電池減小反射)、運用吸雜技術和鈍化工藝提高硅太陽能電池的轉換效率、電池超薄型化等方面。

目前,太陽能光伏發電系統主要應用于以下3個大的方面。

(1)為無電場合提供電源,主要為廣大無電地區居民生活生產提供電力,為微波中繼站和移動電話基站提供電源等。

(2)太陽能日用電子產品,如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草坪燈等。

(3)并網發電,即接入國家電網。我國光伏并網發電已經很成熟了,從2013年開始,國家出臺了一系列的光伏發電促進政策,鼓勵有條件的地區工商業和戶用、公共建筑等建設光伏發電設施。

二、太陽能發電的優勢

通過對生物質能、水能、風能和太陽能等幾種常見新能源的對比分析,可以清晰地看出太陽能發電具有以下獨特優勢。

(1)光伏發電具有經濟優勢。

可以從兩個方面看太陽能利用的經濟性:一是太陽能取之不盡,用之不竭,而且在接收太陽能時不征收任何“稅”,可以隨地取用;二是在目前的技術發展水平下,有些太陽能的利用已具經濟性。隨著科技的發展以及人類開發利用太陽能技術的突破,太陽能利用的經濟性將會更加明顯。如果說20世紀是石油的世紀,那么21世紀則是可再生能源的世紀(太陽能的世紀)。

從太陽能光伏發電站建設成本來看,隨著太陽能光伏發電的大規模應用和推廣,尤其是上游晶體硅產業和光伏發電技術的日趨成熟,建筑房頂、外墻等平臺的復合開發利用,每千瓦太陽能光伏發電的建設成本越來越低,相比其他可再生能源已具有同樣的經濟優勢,而且隨著國家平價的政策推行,其普及會越來會廣。

(2)太陽能是取之不盡的可再生能源。

根據計算,一年內到達地球表面的太陽能總量折合標準煤共約1.892x10^24噸,是目前世界主要能源探明儲量的1萬倍。太陽的壽命至少尚有40億年,相對于人類歷史來說,太陽能可源源不斷供給地球的時間可以說是無限的,這就決定了開發利用太陽能將是人類解決常規能源匱乏、枯竭的最有效途徑。

(3)對環境沒有污染。

太陽能像風能、潮汐能等潔凈能源一樣,其開發利用時幾乎不產生任何污染,加之其儲量的無限性,是人類理想的替代能源。由于傳統化石燃料(煤、石油和天然氣)在使用過程中排出大量的有毒有害物質,會對水、土壤和大氣造成嚴重污染,形成溫室效應和酸雨,嚴重危害人類的生存環境和身體健康,因此急需開發出新的比較清潔的替代能源,而太陽能作為一種比較理想的清潔能源,正受到世界各國的日益重視。

從目前各種發電方式的碳排放率(g/kW·h)來看,不計算其上游環節:煤發電為275g/kW·h,油發電為204g/kW·h,天然氣發電為181g/kW·h,風力發電為20g/kW·h,而太陽能光伏發電則接近零排放。并且,在發電過程中沒有廢渣、廢料、廢水、廢氣排出,沒有噪聲,不產生對人體有害的物質,不會污染環境。

(4)能量轉換環節最少。
從能量轉換環節來看,太陽能光伏發電是直接將太陽輻射能轉換為電能,在所有可再生能源利用中,太陽能光伏發電的轉換環節最少、利用最直接。一般來說,在整個生態環境的能量流動中,隨著轉換環節的增加、轉換鏈條的拉長,能量的損失將呈幾何級增加,并同時大大增加整個系統的建設、運行成本和不穩定性。目前,晶體硅太陽能電池的光電轉換效率實用水平為15%-20%,實驗室最高水平已達35%。
(5)最經濟、最環保。
從資源條件尤其是土地占用來看,生物能、風能是較為苛刻的,而太陽能利用則很靈活。如果說太陽能光伏發電占用土地面積為1,風力則是太陽能的8-10倍,生物能則達到100倍。就水電而言,一個大型水壩的建成往往需要淹沒數十平方公里到上百平方公里的土地。相比而言,太陽能發電不需要占用更多的土地,屋頂、墻面都可成為太陽能光伏發電利用的場所,還可利用我國廣闊的沙漠,通過在沙漠上建造太陽能光伏發電基地,直接降低沙漠地帶直射到地表的太陽輻射,有效降低地表溫度,減小蒸發量,進而使植物的存活和生長在相當程度上成為可能,穩固并減少沙丘,又向大自然索取了所需的清潔可再生能源。
(6)可免費使用且無須運輸。
人類可以通過專門的技術和設備將太陽能轉化為熱能或電能,就地加以利用,無須運輸,為人類造福。而且人類利用太陽能這一取之不盡的能源也是免費的。雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽能輻射的不均勻,但相對于其他能源來說,太陽能對地球上絕大多數地區具有存在的普遍性,可就地取用。這就為常規能源缺乏的國家和地區解決能源問題提供了美好前景。

來源:山東潔陽新能源有限公司轉載

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