太陽(yáng)能光伏發(fā)電的原理及優(yōu)勢(shì)，為什么要大力發(fā)展太陽(yáng)能？
文章來(lái)源:未知時(shí)間:2022-01-26
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原標(biāo)題：太陽(yáng)能光伏發(fā)電的原理及優(yōu)勢(shì)，為什么要大力發(fā)展太陽(yáng)能？
從太陽(yáng)能是什么到太陽(yáng)能應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)講解，相信很多人對(duì)太陽(yáng)能有了一個(gè)大概的了解了，下面說(shuō)說(shuō)太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)中的光伏發(fā)電，主要兩個(gè)方面：原理及其優(yōu)勢(shì)。1、太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理
光生伏打效應(yīng)在液體和固體物質(zhì)中都會(huì)發(fā)生，但是只有固體（尤其是半導(dǎo)體PN結(jié)器件）在太陽(yáng)光照射下的光電轉(zhuǎn)換效率較高。利用光生伏打效應(yīng)原理制成晶體硅太陽(yáng)能電池，可將太陽(yáng)的光能直接轉(zhuǎn)換成為電能。太陽(yáng)能光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器是太陽(yáng)能電池，又稱光伏電池，是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心器件。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成為電能的過(guò)程主要包括3個(gè)步驟：
1.太陽(yáng)能電池吸收一定能量的光子后，半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，稱為“光生載流子”，兩者的電極性相反，電子帶負(fù)電，空穴帶正電。
2.電極性相反的光生載流子被半導(dǎo)體PN結(jié)所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)分離開(kāi)。
3.光生載流電子和空穴分別被太陽(yáng)能電池的正、負(fù)極收集，并在外電路中產(chǎn)生電流，從而獲得電能。
太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理如下圖所示。當(dāng)光線照射太陽(yáng)能電池表面時(shí)，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(fā)生躍遷，成為自由電子，在PN結(jié)兩側(cè)集聚形成電位差。當(dāng)外部電路接通時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過(guò)外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過(guò)程的實(shí)質(zhì)是光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。
在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總效率η由太陽(yáng)能電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負(fù)載的效率等決定。目前，太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率只有17%左右。因此，提高太陽(yáng)能電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率、降低太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的單位功率造價(jià)，是太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)和難點(diǎn)。自太陽(yáng)能電池問(wèn)世以來(lái)，晶體硅作為主要材料保持著統(tǒng)治地位。目前對(duì)硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)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(yùn)用吸雜技術(shù)和鈍化工藝提高硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率、電池超薄型化等方面。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用于以下3個(gè)大的方面
1、為無(wú)電場(chǎng)合提供電源，主要為廣大無(wú)電地區(qū)居民生活生產(chǎn)提供電力，為微波中繼站和移動(dòng)電話基站提供電源等。
2、太陽(yáng)能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽(yáng)能充電器、太陽(yáng)能路燈和太陽(yáng)能草坪燈等。
3、并網(wǎng)發(fā)電，即接入國(guó)家電網(wǎng)。我國(guó)光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)很成熟了，從2013年開(kāi)始，國(guó)家出臺(tái)了一系列的光伏發(fā)電促進(jìn)政策，鼓勵(lì)有條件的地區(qū)工商業(yè)和戶用、公共建筑等建設(shè)光伏發(fā)電設(shè)施。
2、太陽(yáng)能發(fā)電的優(yōu)勢(shì)
通過(guò)對(duì)生物質(zhì)能、水能、風(fēng)能和太陽(yáng)能等幾種常見(jiàn)新能源的對(duì)比分析，可以清晰地看出太陽(yáng)能發(fā)電具有以下獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
1、光伏發(fā)電具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)
可以從兩個(gè)方面看太陽(yáng)能利用的經(jīng)濟(jì)性：一是太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽(yáng)能時(shí)不征收任何“稅”，可以隨地取用；二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，有些太陽(yáng)能的利用已具經(jīng)濟(jì)性。隨著科技的發(fā)展以及人類開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能技術(shù)的突破，太陽(yáng)能利用的經(jīng)濟(jì)性將會(huì)更加明顯。如果說(shuō)20世紀(jì)是石油的世紀(jì)，那么21世紀(jì)則是可再生能源的世紀(jì)（太陽(yáng)能的世紀(jì)）。
從太陽(yáng)能光伏發(fā)電站建設(shè)成本來(lái)看，隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用和推廣，尤其是上游晶體硅產(chǎn)業(yè)和光伏發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，建筑房頂、外墻等平臺(tái)的復(fù)合開(kāi)發(fā)利用，每千瓦太陽(yáng)能光伏發(fā)電的建設(shè)成本越來(lái)越低，相比其他可再生能源已具有同樣的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，而且隨著國(guó)家平價(jià)的政策推行，其普及會(huì)越來(lái)越廣。
2、太陽(yáng)能是取之不盡的可再生能源
根據(jù)計(jì)算，一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約1.892x10^24噸，是目前世界主要能源探明儲(chǔ)量的1萬(wàn)倍。太陽(yáng)的壽命至少尚有40億年，相對(duì)于人類歷史來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能可源源不斷供給地球的時(shí)間可以說(shuō)是無(wú)限的，這就決定了開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能將是人類解決常規(guī)能源匱乏、枯竭的最有效途徑。
3、對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染
太陽(yáng)能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開(kāi)發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染，加之其儲(chǔ)量的無(wú)限性，是人類理想的替代能源。由于傳統(tǒng)化石燃料（煤、石油和天然氣）在使用過(guò)程中排出大量的有毒有害物質(zhì)，會(huì)對(duì)水、土壤和大氣造成嚴(yán)重污染，形成溫室效應(yīng)和酸雨，嚴(yán)重危害人類的生存環(huán)境和身體健康，因此急需開(kāi)發(fā)出新的比較清潔的替代能源，而太陽(yáng)能作為一種比較理想的清潔能源，正受到世界各國(guó)的日益重視。
從目前各種發(fā)電方式的碳排放率(g/kW·h)來(lái)看，不計(jì)算其上游環(huán)節(jié)：煤發(fā)電為275g/kW·h,油發(fā)電為204g/kW·h,天然氣發(fā)電為181g/kW·h,風(fēng)力發(fā)電為20g/kW·h,而太陽(yáng)能光伏發(fā)電則接近零排放。并且，在發(fā)電過(guò)程中沒(méi)有廢渣、廢料、廢水、廢氣排出，沒(méi)有噪聲，不產(chǎn)生對(duì)人體有害的物質(zhì)，不會(huì)污染環(huán)境。
4、能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)最少
從能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)來(lái)看，太陽(yáng)能光伏發(fā)電是直接將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為電能，在所有可再生能源利用中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)最少、利用最直接。一般來(lái)說(shuō)，在整個(gè)生態(tài)環(huán)境的能量流動(dòng)中，隨著轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的增加、轉(zhuǎn)換鏈條的拉長(zhǎng)，能量的損失將呈幾何級(jí)增加，并同時(shí)大大增加整個(gè)系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)行成本和不穩(wěn)定性。目前，晶體硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率實(shí)用水平為15%-20%,實(shí)驗(yàn)室最高水平已達(dá)35%。
5、最經(jīng)濟(jì)、最環(huán)保
從資源條件尤其是土地占用來(lái)看，生物能、風(fēng)能是較為苛刻的，而太陽(yáng)能利用則很靈活。如果說(shuō)太陽(yáng)能光伏發(fā)電占用土地面積為1,風(fēng)力則是太陽(yáng)能的8-10倍，生物能則達(dá)到100倍。就水電而言，一個(gè)大型水壩的建成往往需要淹沒(méi)數(shù)十平方公里到上百平方公里的土地。相比而言，太陽(yáng)能發(fā)電不需要占用更多的土地，屋頂、墻面都可成為太陽(yáng)能光伏發(fā)電利用的場(chǎng)所，還可利用我國(guó)廣闊的沙漠，通過(guò)在沙漠上建造太陽(yáng)能光伏發(fā)電基地，直接降低沙漠地帶直射到地表的太陽(yáng)輻射，有效降低地表溫度，減小蒸發(fā)量，進(jìn)而使植物的存活和生長(zhǎng)在相當(dāng)程度上成為可能，穩(wěn)固并減少沙丘，又向大自然索取了所需的清潔可再生能源。
太陽(yáng)能對(duì)地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國(guó)家和地區(qū)解決能源問(wèn)題提供了美好前景。
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