太阳能光伏发电

太阳能光伏发电

太阳能光伏 (PV) 电源是一种通过使用具有光伏效应的半导体将太阳能辐射转换为直流电来产生电能的方法。太阳能光伏发电是一种可再生和可持续的能源。就全球装机容量而言，太阳能光伏发电现在是仅次于水力和风能的第三大可再生能源。太阳能电池，也被科学家称为光伏电池，将太阳能直接转化为电能。 PV 得名于将光（光子）转换为电能（电压）的过程，称为“光伏 (PV) 效应”。 PV 效应是指光激发电子的光子进入更高的能量状态，允许它们充当电流的电荷载流子。光伏效应由 Alexandre-Edmond Bequerel 于 1839 年首次观察到。光伏一词表示光电二极管的无偏操作模式，其中流过器件的电流完全由转换的光能引起。几乎所有的光伏器件都是某种类型的光电二极管。硅（一种在沙子中发现的元素）的光伏效应是在 1954 年发现的，当时贝尔电话公司的科学家们发现硅暴露在阳光下会产生电荷。

太阳能是地球上最丰富的能源。在光伏电池中将太阳能直接转换为电能是三种太阳能活性技术之一。另外两种技术是“聚光太阳能（CSP）”和“用于加热和冷却的太阳能集热器（HSC）”。今天，光伏提供了全球总发电量的 0.1% 以上。它也有广阔的前景。自 2000 年以来，全球光伏装机容量以年均 40% 以上的速度增长，并在未来几年具有巨大的长期增长潜力。太阳能光伏发电是一种商业上可用的可靠发电技术。太阳能光伏发电不仅有助于显着减少温室气体排放，而且在能源供应安全和社会经济发展方面也有好处。由于对可再生能源的需求不断增长，近年来太阳能电池和光伏的制造有了长足的进步。

太阳能电池从太阳光中产生直流电，可用于为设备供电或为电池充电。光伏的第一个实际应用是为轨道卫星和其他航天器供电，但如今大多数光伏模块用于并网发电。在这种情况下，逆变器用于将直流电 (DC) 转换为交流电 (AC)。

用于发电的太阳能电池板通常由太阳能电池制成，这些太阳能电池组合成可容纳约 40 个电池的模块。许多太阳能电池板组合在一起形成一个称为太阳能电池阵列的系统。铜太阳能电缆连接模块（模块电缆）、阵列（阵列电缆）和子场。一座典型的建筑将使用大约 10 到 20 块太阳能电池板来满足其电力需求。对于大型电力公司或工业应用，数百个太阳能电池阵列相互连接，形成一个大型公用事业规模的光伏系统。

为了获得最佳性能，太阳能光伏电池板旨在最大限度地延长它们面对太阳的时间，以实现更高的发电量。太阳能跟踪器通过移动光伏板跟随太阳来实现这一点。这使他们能够捕捉到大部分的阳光。冬季增加多达 20%，夏季增加多达 50%。静态安装系统可以通过分析太阳路径进行优化。面板通常设置为纬度倾斜，一个等于纬度的角度，但可以通过调整夏季和冬季的角度来提高性能。一般来说，与其他半导体器件一样，高于室温的温度会降低光伏电池的性能。

太阳能电池由半导体材料层组成。当光线照射在电池上时，它会在各层之间产生电场，从而导致电流流动。光的强度越大，电流就越大。然而，光伏系统也可以在阴天发电。它不需要明亮的阳光即可操作。太阳能电池的性能是根据将阳光转化为电能的效率来衡量的。太阳能光伏组件的效率为 12.5%，意味着它将照射到组件的阳光的八分之一转化为电能。

光伏功率容量以“Wp”（瓦特峰值）为单位在标准化测试条件 (STC) 下测量为最大功率输出。特定时间点的实际功率输出可能小于或大于此标准化或“额定”值，具体取决于地理位置、一天中的时间、天气条件和其他因素。太阳能光伏阵列的工厂负载系数 (PLF) 通常低于 25%，低于许多其他工业用电来源。

太阳能光伏电池

传统的太阳能电池由硅制成。它们通常是平板，通常是最有效的。电池需要保护免受环境影响，并且通常紧紧地包装在玻璃板后面。光伏技术使用以下类型的太阳能电池。

• 晶体硅太阳能电池 - 这些是最高效的太阳能电池，由“太阳能级硅”制成。这项技术是首先开发的，今天它代表了太阳能电池板的大部分应用。电池由从单晶硅（单晶硅 c-Si）或硅晶体块（多晶或多晶硅 poly-Si 或 mc-Si）切割而成的薄片（晶片）制成。单晶晶片电池往往很昂贵，因为它们是由圆柱形锭切割而成。它们不能完全覆盖方形太阳能电池模块而不会大量浪费精制硅。通常在由单晶制成的单元的四个角处有未覆盖的间隙。多晶硅或多晶硅电池由铸造方形锭制成，方形锭是经过仔细冷却和固化的大块熔融硅。多晶硅电池的生产成本低于单晶硅电池，但效率较低。
• 薄膜太阳能电池 - 这些是第二代太阳能电池，通过在玻璃、不锈钢或塑料等低成本背衬上沉积极薄的感光材料层制成。使用的光敏材料是非晶硅和非硅材料，例如碲化镉 (Cd-Te)、铜铟镓硒/硫化物 (CIGS)。薄膜太阳能电池使用只有几微米厚的半导体材料层。较低的生产成本抵消了该技术较低的效率。与晶圆硅相比，它们已经变得流行起来，因为它们具有更低的成本和优势，包括灵活性、重量更轻和易于集成。典型的薄膜制造工艺包括 (i) 用透明导电层涂覆基板，(ii) 通过各种技术（例如化学/物理气相沉积）沉积有源层，(iii) 使用激光的背面金属化（接触）划线或传统丝网印刷，以及 (iv) 封装在玻璃聚合物外壳中。卷对卷技术通常用于柔性基材，以减少生产时间和成本。

• 其他类型的电池——目前正在开发或开始商业化的几种其他类型的光伏技术。这些是第三代太阳能电池，由各种新材料制成，包括使用传统印刷技术的太阳能墨水、太阳能染料和导电塑料。一些新的太阳能电池使用塑料透镜或镜子将阳光集中到一块非常小的高效光伏材料上。 PV 材料更昂贵，但由于需要的很少，这些系统对于公用事业和工业使用变得具有成本效益。但是，由于透镜必须指向太阳，因此聚光集热器的使用仅限于阳光最充足的部分。

表 1 给出了不同技术的转换效率。太阳能光伏电池的寿命为 25 年。然而，它的效率和发电量会随着时间的推移而下降。前十年恶化10%，后15年再恶化10%。

太阳能光伏发电的应用

太阳能光伏系统可以安装在屋顶或地面安装。这些可以是电网连接的发电厂，也可以是离网系统。与电网的连接允许将产生的多余电力传输到电网并在由于没有太阳而没有发电时输入电力。离网系统将电力带到偏远地区。离网系统也可用于农村电气化。太阳能光伏也可用于消费品。太阳能光伏电站示意图如图1所示。

图 1 太阳能光伏电站示意图

太阳能光伏发电的优势

• 到达地球表面的阳光充足，有成为世界主要能源的潜力。
• 太阳能在使用过程中无污染。
• 光伏装置使用寿命长，维护量极少。
• 光伏装置的运营成本极低。
• 可以在本地使用并网太阳能电力，从而减少传输/分配损失。

太阳能光伏发电的缺点

• 初期投资高。
• 需要很大的空间
• 没有阳光就不能发电
• 并网电厂的最大电厂规模限制为 10 兆瓦。






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