光伏發(fā)電（將光能直接轉變?yōu)殡娔艿募夹g(shù)）
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光伏發(fā)電
將光能直接轉變?yōu)殡娔艿募夹g(shù)
光伏發(fā)電（Photovoltaic power generation）是一種通過(guò)太陽(yáng)能電池半導體材料將光轉化為電能的技術(shù)。光伏發(fā)電系統一般由太陽(yáng)能電池板、光伏逆變器、蓄電池組、控制器等組成。太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉化為直流電能，通過(guò)光伏逆變器將直流電能轉化為交流電能，再通過(guò)電池組儲存電能或直接供電，控制器則控制整個(gè)系統的運行。因此，光伏發(fā)電設備具備了精練的優(yōu)勢， 也能夠長(cháng)期使用，安裝時(shí)也更加快速簡(jiǎn)便。從理論上講，在各種場(chǎng)合中都能夠使用光伏發(fā)電技術(shù)，其無(wú)處不在。
基本信息
中文名
光伏發(fā)電
英文名
Photovoltaic power generation
別名
太陽(yáng)能發(fā)電
運用領(lǐng)域
任何需要電源的場(chǎng)合
原理
利用太陽(yáng)能電池半導體材料的光伏效應，將陽(yáng)光輻射能直接轉換電能的一種新型發(fā)電系統
功能
將太陽(yáng)能轉化為電能
組成部分
太陽(yáng)能電池板、支架、逆變器、電纜、電池、控制器等
應用學(xué)科
電氣工程
原理
光伏發(fā)電（Photovoltaic power generation）是一種利用太陽(yáng)能將光能直接轉換成電能的技術(shù)。光伏發(fā)電原理基于光伏效應，即光子能夠擊穿物質(zhì)表面的電子，將其激發(fā)出來(lái)形成自由電子和空穴，從而產(chǎn)生電流。光伏電池是光伏發(fā)電的核心部件，它由兩層半導體材料構成。其中一層為p型半導體，具有較多的空穴；另一層為n型半導體，具有較多的自由電子。在光照下，光子被吸收并釋放出一個(gè)電子和一個(gè)空穴。由于半導體中的電場(chǎng)作用，電子和空穴被分離到p-n結的兩側，從而形成電勢差和電流。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為內部光電效應，可以將太陽(yáng)能轉換成電能。為了提高光伏電池的發(fā)電效率，常采用多晶硅、單晶硅、非晶硅等不同的材料制造光伏電池，同時(shí)也可以采用多級接合技術(shù)、光學(xué)濃縮技術(shù)等措施來(lái)提高光吸收效率和電子的收集效率。
發(fā)展過(guò)程
早期發(fā)展
光伏發(fā)電的早期發(fā)展可以追溯到1839年，當時(shí)法國物理學(xué)家貝克雷爾（Becquerel）發(fā)現光照能讓導電液中的兩種金屬電級的電流得到強化，產(chǎn)生光生伏特效應，即將光能轉化為電能的現象。這種現象后來(lái)被稱(chēng)為“光生伏特效應”，簡(jiǎn)稱(chēng)“光伏效應”。1954年，美國貝爾研究所的PEARSON等3位科學(xué)家成功開(kāi)發(fā)出單晶硅太陽(yáng)能電池，從此太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)得到了實(shí)際應用。20世紀70年代，發(fā)達國家開(kāi)始了太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的國家級計劃，日本的“Sunshine計劃”尤其引人注目。20世紀80年代后期，太陽(yáng)能電池種類(lèi)的增多和應用范圍的擴大，使得光伏發(fā)電技術(shù)在20世紀90年代得到了迅速發(fā)展。德國在1990年率先提出并實(shí)施“一千屋頂計劃”，美國于1997年宣布實(shí)施“百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計劃”，1999年1月，德國又開(kāi)始實(shí)施“十萬(wàn)屋頂計劃”，2000年光伏發(fā)電裝機容量已經(jīng)超過(guò)40MW。2010年，全球光伏總裝機容量首次突破4千萬(wàn)千瓦。2013年，全球光伏新增裝機量達到37.6千兆瓦，其中23千兆瓦為屋頂太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統，15.4千兆瓦為公用事業(yè)規模的光伏電站。2015年，國際能源署旗下的光伏電力系統項目研究小組（IEA-PVPS）發(fā)布的報告指出，2014年全球光伏發(fā)電新增裝機容量達38.7千兆瓦，累計裝機容量至少達177千兆瓦。
現狀與發(fā)展趨勢
光伏發(fā)電是一種清潔、可再生、無(wú)污染的能源。進(jìn)入21世紀的今天，太陽(yáng)能光伏發(fā)電這種新興的產(chǎn)業(yè)開(kāi)始向民用領(lǐng)域滲透，最明顯的是在民用建筑設 計、施工中的應用，在船舶、交通樞紐等運輸業(yè)中也有應用。一項德國全球變化咨詢(xún)委員會(huì )的研究指出，為了實(shí)現全球可持續能源發(fā)展，可再生能源在2050年的替代比例應該從2020年的20%增長(cháng)到50%。日本太陽(yáng)光發(fā)電協(xié)會(huì )的數據顯示，每平方米的太陽(yáng)光能達到1千瓦，如果100%轉換成可消費的能源，1小時(shí)的太陽(yáng)光能就足以滿(mǎn)足全球一年的能源需求。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和研究，光伏電池的效率不斷提高，將在2030年達到了約30%～50%的效率，高效的光伏電池可以減少光伏電站的占地面積和成本，提高發(fā)電效率和減低發(fā)電成本。同時(shí)未來(lái)的光伏發(fā)電應用范圍將會(huì )擴大。除了傳統的大型光伏電站，光伏發(fā)電還可以應用于分布式發(fā)電、戶(hù)用光伏等領(lǐng)域。分布式光伏可以將光伏電站接入到社區、工業(yè)區等地，提供更加靈活的能源供應?？傊?，太陽(yáng)能是清潔可再生能源的代表，在國際上受到充分重視。雖然太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)已有應用和研究成果，但仍有廣泛的發(fā)展空間。除了有效利用當前技術(shù)外，還需要進(jìn)一步研究光電轉換效率、降低光伏材料成本以及建設光伏電站。這樣才能更好地利用太陽(yáng)能資源，替代化石能源，成為社會(huì )發(fā)展的新能源保障。
系統發(fā)電方式
獨立光伏發(fā)電
獨立光伏發(fā)電也稱(chēng)為離網(wǎng)光伏發(fā)電，是指利用太陽(yáng)能光伏電池板和蓄電池組相結合的方式，獨立地向設備或負載供電，不依賴(lài)于電網(wǎng)的電力供應方式。這種發(fā)電方式可以有效利用陽(yáng)光資源，實(shí)現對清潔能源的利用，并為偏遠地區提供電力供應。近年來(lái)，隨著(zhù)光伏技術(shù)的不斷進(jìn)步和價(jià)格的降低，獨立光伏發(fā)電逐漸成為一種可行的替代能源方案。
并網(wǎng)光伏發(fā)電
并網(wǎng)光伏發(fā)電，是指將太陽(yáng)能電池板轉換的直流電通過(guò)逆變器轉換為交流電，然后接入電網(wǎng)供電。這種發(fā)電方式可以將發(fā)電的多余電能送回電網(wǎng)，同時(shí)在用電高峰期使用電網(wǎng)的電力供應，實(shí)現了太陽(yáng)能發(fā)電和電網(wǎng)互相補充的目標，同時(shí)減少了對傳統能源的依賴(lài)。當太陽(yáng)能電池陣列無(wú)法滿(mǎn)足負載需求時(shí)，公共電網(wǎng)會(huì )提供電力.而當陣列產(chǎn)生的電能超過(guò)負載時(shí)，多余的電能則會(huì )饋回電網(wǎng)。為實(shí)現這一行為，需要并網(wǎng)逆變器以保證電能輸出符合電網(wǎng)標準。因此，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統能調峰并降低負載缺電率。
集中式光伏發(fā)電
集中式光伏發(fā)電系統可將太陽(yáng)能直接 連入電網(wǎng)，由電網(wǎng)統一進(jìn)行供電配置，屬于單向交換類(lèi)型。集中式大中型并網(wǎng)光伏電站主要特點(diǎn)是容量大、并網(wǎng)電壓等級高，將所發(fā)電能 直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統一調配向用戶(hù)供電。由于其規模較大，通常需要建造在寬闊的空地上，例如沙漠、荒野等地。集中式光伏發(fā)電站的建設需要大量的資金和土地資源，但是由于其規模大，因此可以獲得較高的發(fā)電效率和成本效益。
分布式光伏發(fā)電
分布式光伏發(fā)電是指將光伏發(fā)電系統分散在用戶(hù)用電側，將直流電通過(guò)逆變器轉換為交流電，再接入到當地的用電系統中，實(shí)現自給自足或者并網(wǎng)供電的方式。分布式光伏發(fā)電是將太陽(yáng)能電池板的發(fā)電系統分散部署在建筑物和地面的各個(gè)位置，分散供電和分散接受電力，從而降低能源的浪費和損失。分布式光伏發(fā)電系統通常包括太陽(yáng)能電池板、逆變器、電池、控制器和監測裝置等組成部分。其中太陽(yáng)能電池板主要負責將太陽(yáng)能轉換為直流電，逆變器將直流電轉換為交流電，同時(shí)通過(guò)電池和控制器將多余的電能儲存起來(lái)，以備不時(shí)之需；監測裝置可以實(shí)時(shí)監測系統的電量、電壓、電流等參數，并進(jìn)行遠程控制和管理。
結構組成
光伏發(fā)電系統通常由太陽(yáng)能電池板、支架、逆變器、電纜、電池、控制器等組成部分構成。
太陽(yáng)能電池板
太陽(yáng)能電池板是將太陽(yáng)能轉化為直流電的核心部分，通常由多個(gè)太陽(yáng)能電池組成，每個(gè)太陽(yáng)能電池由硅、磷、硼等半導體材料制成，呈藍色或黑色。當太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能電池板上時(shí)，太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)光轉化為直流電。
逆變器
逆變器是將太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的直流電轉化為交流電的裝置，它可以將直流電轉化為符合國家標準的交流電，并將交流電輸入到電網(wǎng)或者用電負載中。逆變器通常具有光控、功率控制、故障保護等多種功能。
控制器
控制器是管理光伏發(fā)電系統的核心部分，它可以對太陽(yáng)能電池板和電池的充放電過(guò)程進(jìn)行控制，對逆變器的運行狀態(tài)進(jìn)行監測和調節，實(shí)現電能的合理分配和利用。
蓄電池組
電池是儲存太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)生的電能的裝置，它可以在太陽(yáng)能電池板無(wú)法產(chǎn)生電能的情況下提供電力。通常使用鉛酸電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等多種類(lèi)型的電池。
支架
支架是太陽(yáng)能電池板的支撐架構，通常由鋁合金、不銹鋼等材料制成，具有抗風(fēng)、抗震、抗腐蝕等特點(diǎn)。支架的安裝位置通常是建筑物的屋頂、墻面、停車(chē)場(chǎng)等，需要具備良好的承重能力和穩定性。
電纜
光伏系統中通過(guò)電線(xiàn)電纜進(jìn)行電力傳輸、信號傳輸及遠程監控設備的連接即通過(guò)光伏電纜進(jìn)行連接，通常由銅或鋁制成，具有良好的導電性能和耐高溫性能。電纜需要按照電氣規范進(jìn)行安裝，以確保電氣安全和可靠性。
優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)
清潔環(huán)保
光伏發(fā)電不需要燃料，不會(huì )產(chǎn)生任何污染物和溫室氣體，無(wú)污染排放，因此是一種環(huán)保的能源。
可再生性
太陽(yáng)能是一種無(wú)限可再生的能源，光伏發(fā)電系統的發(fā)電能力與太陽(yáng)光照的時(shí)間、地點(diǎn)和季節等因素有關(guān)，但總體而言，它是一種可再生的能源。
可靠性高
光伏發(fā)電系統不需要燃料，沒(méi)有機械部件，因此比其他能源設備更可靠。
低噪音
光伏發(fā)電不需要機械部件，不會(huì )產(chǎn)生噪音，因此是一種低噪音的能源。
缺點(diǎn)
能量密度低
太陽(yáng)能的能量密度相對較低，因此需要大面積的光伏電池組來(lái)產(chǎn)生足夠的電能，占地面積相對較大。
易受外界條件影響
光伏發(fā)電的發(fā)電能力易受到季節、晝夜、天氣等條件的影響，如冬天、夜晚、陰天、雨天等氣象會(huì )降低光伏發(fā)電的效率，這可能會(huì )對電力供應造成一定影響。
能量存儲難度較大
由于天氣條件不穩定，光伏發(fā)電需要一定的能量存儲設備來(lái)保證供電的連續性，但能量存儲技術(shù)目前仍有一定的局限性，這也是光伏發(fā)電需要解決的一個(gè)問(wèn)題。
成本較高
光伏發(fā)電的成本較高，主要是因為光伏電池的制造和安裝成本較高，雖然隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，成本已經(jīng)有所下降，但仍然比傳統能源發(fā)電設備高。
應用領(lǐng)域
光伏發(fā)電是一種以太陽(yáng)能為動(dòng)力，將太陽(yáng)輻射能直接轉換為電能的技術(shù)。其應用領(lǐng)域較為廣泛，包括但不限于以下幾個(gè)方面。
屋頂光伏發(fā)電系統
屋頂光伏發(fā)電系統是指將太陽(yáng)能電池板安裝在建筑物的屋頂上，將太陽(yáng)能轉化為電能供建筑物使用。這種應用領(lǐng)域適用于各種建筑物，如住宅、商業(yè)建筑、工業(yè)廠(chǎng)房等，有利于降低能源成本，減少對傳統能源的依賴(lài)。
公共設施與市政項目
公共設施和市政項目包括公共建筑、道路照明、交通信號等，這些項目通常需要大量的電能支持，而光伏發(fā)電系統可以為這些項目提供可靠的電力供應。在一些地區，政府還推出了一些鼓勵政策，以促進(jìn)公共設施和市政項目的光伏發(fā)電應用。
農業(yè)領(lǐng)域
光伏發(fā)電系統在農業(yè)領(lǐng)域的應用較為廣泛，可以為農村地區提供電力，滿(mǎn)足農業(yè)生產(chǎn)和生活的需求。同時(shí)，光伏發(fā)電系統還可以為農業(yè)溫室、養殖等提供電力支持，減少農業(yè)生產(chǎn)的能源成本，提高農業(yè)生產(chǎn)的效率。
離網(wǎng)應用
離網(wǎng)應用是指將光伏發(fā)電系統應用于一些偏遠地區或無(wú)法接入電網(wǎng)的地方。這種應用領(lǐng)域適用于一些山區、荒漠、海島等地區，可以為這些地區提供可靠的電力供應，提高生產(chǎn)和生活的水平。
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