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能源环境新闻

一起来了解光伏发电

星之球科技 来源:物理佬初九2021-01-11 我要评论(0 )   

近日,据国网青海省电力公司数据,截至2020年底,青海电网总装机规模达到4030万千瓦,其中新能源装机2445万千瓦,占比超过全网总装机规模的60%,达到60.7%,光伏超过水...

近日,据国网青海省电力公司数据,截至2020年底,青海电网总装机规模达到4030万千瓦,其中新能源装机2445万千瓦,占比超过全网总装机规模的60%,达到60.7%,光伏超过水电成为省内第一大电源。与此同时,随着新能源装机规模的扩大,青海电网清洁能源装机规模已达到3638万千瓦,占比超九成。

青海地处青藏高原腹地,被誉为“三江之源”“中华水塔”,其境内水力、风、光等清洁能源资源蕴藏丰富,是国家清洁能源的示范省。光伏作为重要的电能来源,正是借助于地理上太阳光照十分充足的优势进行开展。今天我们就聊聊光伏发电。

发展历史

1839年,法国科学家贝雷尔就在实验中发现了太阳光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差,而这种现象也被成为“光生伏打效应”简称为“光伏效应”。直到了1954年,美国科学家才首次制成了单晶硅太阳电池,并诞生了将太阳能转化为电能的实用光伏发电技术。

20世纪后半叶,伴随着现代工业的发展,全球能源危机和环境污染问题日益突出,太阳能等清洁能源的利用成为关注的焦点,光伏发电也得到快速的发展。

到了21世纪初,全球光伏新增机容量大幅增加,中国成为全球光伏发电安装量增长最快的国家,总发电量也持续创下新高。随着国家的政策补贴和发电技术的更新进步,光伏发电的成本也在逐步地下降。今后,光伏发电将会由独立走向网电系统,在我国发电系统中占据更加重要位置。

光伏发电原理

中学物理中我们就接触过“光电效应”知识,光伏发电原理就是利用半导体的光电效应。光子照射到金属上时,它的能量可以被金属中某个电子全部吸收,电子吸收的能量足够大,能克服金属内部引力做功,离开金属表面逃逸出来,成为光电子。

光伏发电装置的主要构造是由太阳能电池组件,控制器和逆变器三大部分组成。太阳电池单体是最小的光电转化单位,将其进行串并联封装后就形成太阳能组件。

晶体半导体是构成太阳能电池的基本材料,也正是利用半导体中的PN结进行光伏效应而实现发电的。在具有晶体结构的纯净半导体中,用得最多就是硅和锗。

在半导体硅和锗中掺入少量磷就成为P结,磷原子外层有五个电子,共价键结构只需四个价电子,因此多余的一个电子很容易挣脱原子核束缚成为自由电子。在半导体硅和锗中掺入少量硼就成为N结,硼原子只有三个价电子,再形成共价键时因缺少一个电子而空出一个空位。当采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用将P结和N结集中在同一基片上时,在它们的交界区就形成了PN结。

当太阳光照射PN结时,半导体内的电子就获得能量成为自由电子,从而产生了电子-空穴对,在电池所建立的电场作用下,电子会移动到N区,而空穴会移动到P区,于是在PN结的两边附近就形成了正负电荷的积累,从而产生了与电池相反方向的伏打电动势,即光生电压。由此产生的电能都会通过蓄电池储存起来并随时供电。

太阳能电池发出的是直流电,所以当负载要交流电时就必须经由逆变器的处理转化成交流电。控制器部件是用于对太阳能电池运行指示和充放电的控制。此外,电池电路中还需要串联一个二极管,也称防反冲二极管,利用二极管的单向导电性可以避免在阴雨天火线路短路时蓄电池通过太阳能电池放电。

利弊全观

在全球能源危机和环境保护的大背景下,如何利用可持续和清洁的能源成为各国重要的课题,关系未来。光伏发电具有充分的清洁性和安全性,而利用太阳能作为“原料”,太阳能可再生能力超强,取之不尽。此外,普及性较强,不受资源地区等条件的限制。

但是光伏发电所需要的太阳能电池重要组件的生产是高耗能的,过程中还会产生一定的污染。而且太阳光照射能量密度低,需要较大的面积才能收集更多的太阳能。

尽管光伏发电存在着以上不足,但是相比于常规性的发电原料,无论是在能源的可持续性和清洁度上都是很大的优势,随着光伏发电技术和应用水平的不断提高,它将成为解决能源与环境问题的主要途径。


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