光伏發(fā)電（將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿募夹g(shù)）
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光伏發(fā)電
將光能直接轉(zhuǎn)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(dǎo)體材料將光轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)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(zhuǎn)化為直流電能，通過(guò)光伏逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能，再通過(guò)電池組儲(chǔ)存電能或直接供電，控制器則控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，光伏發(fā)電設(shè)備具備了精練的優(yōu)勢(shì)， 也能夠長(zhǎng)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(yùn)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(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)
功能
將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)換成電能的技術(shù)。光伏發(fā)電原理基于光伏效應(yīng)，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(dǎo)體材料構(gòu)成。其中一層為p型半導(dǎo)體，具有較多的空穴；另一層為n型半導(dǎo)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(dǎo)體中的電場(chǎng)作用，電子和空穴被分離到p-n結(jié)的兩側(cè)，從而形成電勢(shì)差和電流。這個(gè)過(guò)程稱為內(nèi)部光電效應(yīng)，可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)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(jí)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(dāng)時(shí)法國(guó)物理學(xué)家貝克雷爾（Becquerel）發(fā)現(xiàn)光照能讓導(dǎo)電液中的兩種金屬電級(jí)的電流得到強(qiáng)化，產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，即將光能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象后來(lái)被稱為“光生伏特效應(yīng)”，簡(jiǎn)稱“光伏效應(yīng)”。1954年，美國(guó)貝爾研究所的PEARSON等3位科學(xué)家成功開發(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(yīng)用。20世紀(jì)70年代，發(fā)達(dá)國(guó)家開始了太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的國(guó)家級(jí)計(jì)劃，日本的“Sunshine計(jì)劃”尤其引人注目。20世紀(jì)80年代后期，太陽(yáng)能電池種類的增多和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，使得光伏發(fā)電技術(shù)在20世紀(jì)90年代得到了迅速發(fā)展。德國(guó)在1990年率先提出并實(shí)施“一千屋頂計(jì)劃”，美國(guó)于1997年宣布實(shí)施“百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”，1999年1月，德國(guó)又開始實(shí)施“十萬(wàn)屋頂計(jì)劃”，2000年光伏發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)40MW。2010年，全球光伏總裝機(jī)容量首次突破4千萬(wàn)千瓦。2013年，全球光伏新增裝機(jī)量達(dá)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(tǒng)，15.4千兆瓦為公用事業(yè)規(guī)模的光伏電站。2015年，國(guó)際能源署旗下的光伏電力系統(tǒng)項(xiàng)目研究小組（IEA-PVPS）發(fā)布的報(bào)告指出，2014年全球光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量達(dá)38.7千兆瓦，累計(jì)裝機(jī)容量至少達(dá)177千兆瓦。
現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
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(jì)的今天，太陽(yáng)能光伏發(fā)電這種新興的產(chǎn)業(yè)開始向民用領(lǐng)域滲透，最明顯的是在民用建筑設(shè) 計(jì)、施工中的應(yīng)用，在船舶、交通樞紐等運(yùn)輸業(yè)中也有應(yīng)用。一項(xiàng)德國(guó)全球變化咨詢委員會(huì)的研究指出，為了實(shí)現(xiàn)全球可持續(xù)能源發(fā)展，可再生能源在2050年的替代比例應(yīng)該從2020年的20%增長(zhǎng)到50%。日本太陽(yáng)光發(fā)電協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，每平方米的太陽(yáng)光能達(dá)到1千瓦，如果100%轉(zhuǎn)換成可消費(fèi)的能源，1小時(shí)的太陽(yáng)光能就足以滿足全球一年的能源需求。隨著技術(shù)的發(fā)展和研究，光伏電池的效率不斷提高，將在2030年達(dá)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(yīng)用范圍將會(huì)擴(kuò)大。除了傳統(tǒng)的大型光伏電站，光伏發(fā)電還可以應(yīng)用于分布式發(fā)電、戶用光伏等領(lǐng)域。分布式光伏可以將光伏電站接入到社區(qū)、工業(yè)區(qū)等地，提供更加靈活的能源供應(yīng)。總之，太陽(yáng)能是清潔可再生能源的代表，在國(guó)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(yīng)用和研究成果，但仍有廣泛的發(fā)展空間。除了有效利用當(dāng)前技術(shù)外，還需要進(jìn)一步研究光電轉(zhuǎn)換效率、降低光伏材料成本以及建設(shè)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(tǒng)發(fā)電方式
獨(dú)立光伏發(fā)電
獨(dú)立光伏發(fā)電也稱為離網(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(jié)合的方式，獨(dú)立地向設(shè)備或負(fù)載供電，不依賴于電網(wǎng)的電力供應(yīng)方式。這種發(fā)電方式可以有效利用陽(yáng)光資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)清潔能源的利用，并為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供電力供應(yīng)。近年來(lái)，隨著光伏技術(shù)的不斷進(jìn)步和價(jià)格的降低，獨(dú)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(zhuǎn)換的直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)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(yīng)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能發(fā)電和電網(wǎng)互相補(bǔ)充的目標(biāo)，同時(shí)減少了對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴。當(dāng)太陽(yáng)能電池陣列無(wú)法滿足負(fù)載需求時(shí)，公共電網(wǎng)會(huì)提供電力.而當(dāng)陣列產(chǎn)生的電能超過(guò)負(fù)載時(shí)，多余的電能則會(huì)饋回電網(wǎng)。為實(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)。因此，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)能調(diào)峰并降低負(fù)載缺電率。
集中式光伏發(fā)電
集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)可將太陽(yáng)能直接 連入電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一進(jìn)行供電配置，屬于單向交換類型。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(jí)高，將所發(fā)電能 直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。由于其規(guī)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(shè)需要大量的資金和土地資源，但是由于其規(guī)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(tǒng)分散在用戶用電側(cè)，將直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，再接入到當(dāng)?shù)氐挠秒娤到y(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)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(fèi)和損失。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)通常包括太陽(yáng)能電池板、逆變器、電池、控制器和監(jiān)測(cè)裝置等組成部分。其中太陽(yáng)能電池板主要負(fù)責(zé)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為直流電，逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，同時(shí)通過(guò)電池和控制器將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)，以備不時(shí)之需；監(jiān)測(cè)裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電量、電壓、電流等參數(shù)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和管理。
結(jié)構(gòu)組成
光伏發(fā)電系統(tǒng)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(gòu)成。
太陽(yáng)能電池板
太陽(yáng)能電池板是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)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(dǎo)體材料制成，呈藍(lán)色或黑色。當(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為交流電的裝置，它可以將直流電轉(zhuǎn)化為符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的交流電，并將交流電輸入到電網(wǎng)或者用電負(fù)載中。逆變器通常具有光控、功率控制、故障保護(hù)等多種功能。
控制器
控制器是管理光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，它可以對(duì)太陽(yáng)能電池板和電池的充放電過(guò)程進(jìn)行控制，對(duì)逆變器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電能的合理分配和利用。
蓄電池組
電池是儲(chǔ)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型的電池。
支架
支架是太陽(yáng)能電池板的支撐架構(gòu)，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、停車場(chǎng)等，需要具備良好的承重能力和穩(wěn)定性。
電纜
光伏系統(tǒng)中通過(guò)電線電纜進(jìn)行電力傳輸、信號(hào)傳輸及遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)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(dǎo)電性能和耐高溫性能。電纜需要按照電氣規(guī)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(tǒng)的發(fā)電能力與太陽(yáng)光照的時(shí)間、地點(diǎn)和季節(jié)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(tǒng)不需要燃料，沒有機(jī)械部件，因此比其他能源設(shè)備更可靠。
低噪音
光伏發(fā)電不需要機(jī)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(duì)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(duì)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(jié)、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(duì)電力供應(yīng)造成一定影響。
能量存儲(chǔ)難度較大
由于天氣條件不穩(wěn)定，光伏發(fā)電需要一定的能量存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)保證供電的連續(xù)性，但能量存儲(chǔ)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)問題。
成本較高
光伏發(fā)電的成本較高，主要是因?yàn)楣夥姵氐闹圃旌桶惭b成本較高，雖然隨著技術(shù)的發(fā)展，成本已經(jīng)有所下降，但仍然比傳統(tǒng)能源發(fā)電設(shè)備高。
應(yīng)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(zhuǎn)換為電能的技術(shù)。其應(yīng)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(tǒng)
屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)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(zhuǎn)化為電能供建筑物使用。這種應(yīng)用領(lǐng)域適用于各種建筑物，如住宅、商業(yè)建筑、工業(yè)廠房等，有利于降低能源成本，減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴。
公共設(shè)施與市政項(xiàng)目
公共設(shè)施和市政項(xiàng)目包括公共建筑、道路照明、交通信號(hào)等，這些項(xiàng)目通常需要大量的電能支持，而光伏發(fā)電系統(tǒng)可以為這些項(xiàng)目提供可靠的電力供應(yīng)。在一些地區(qū)，政府還推出了一些鼓勵(lì)政策，以促進(jìn)公共設(shè)施和市政項(xiàng)目的光伏發(fā)電應(yīng)用。
農(nóng)業(yè)領(lǐng)域
光伏發(fā)電系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛，可以為農(nóng)村地區(qū)提供電力，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活的需求。同時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)還可以為農(nóng)業(yè)溫室、養(yǎng)殖等提供電力支持，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的能源成本，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。
離網(wǎng)應(yīng)用
離網(wǎng)應(yīng)用是指將光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或無(wú)法接入電網(wǎng)的地方。這種應(yīng)用領(lǐng)域適用于一些山區(qū)、荒漠、海島等地區(qū)，可以為這些地區(qū)提供可靠的電力供應(yīng)，提高生產(chǎn)和生活的水平。
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