什么是光伏發電

2015年12月29日

什么是光伏發電

  光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經過串聯后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發電裝置。
  
  原理
  
  光伏發電,其基本原理就是“光伏效應”。光子照射到金屬上時,它的能量可以被金屬中某個電子全部吸收,電子吸收的能量足夠大,能克服金屬內部引力做功,離開金屬表面逃逸出來,成為光電子。
  
  白天采用高能vcz晶體發電板和太陽光互感對接和全天候24小時接收風能發電互補,通過全自動接收轉換柜接收,直接滿足所有家電用電需求。并通過國家信息產業化學物理電源產品質量監督檢驗中心檢測合格。
  
  光照使不均勻半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間產生電位差的現象。它首先是由光子(光波)轉化為電子、光能量轉化為電能量的過程;其次,是形成電壓過程。有了電壓,就像筑高了大壩,如果兩者之間連通,就會形成電流的回路。
  
  光伏發電的主要原理是半導體的光電效應。硅原子有4個電子,如果在純硅中摻入有5個電子的原子如磷原子,就成為N型半導體;若在純硅中摻入有3個電子的原子如硼原子,形成P型半導體。當P型和N型結合在一起時,接觸面就會形成電勢差,成為太陽能電池。當太陽光照射到P-N結后,空穴由N極區往P極區移動,電子由P極區向N極區移動,形成電流。
  
  多晶硅經過鑄錠、破錠、切片等程序后,制作成待加工的硅片。在硅片上摻雜和擴散微量的硼、磷等,就形成P-N結。然后采用絲網印刷,將精配好的銀漿印在硅片上做成柵線,經過燒結,同時制成背電極,并在有柵線的面涂一層防反射涂層,電池片就至此制成。電池片排列組合成電池組件,就組成了大的電路板。一般在組件四周包鋁框,正面覆蓋玻璃,反面安裝電極。有了電池組件和其他輔助設備,就可以組成發電系統。為了將直流電轉化交流電,需要安裝電流轉換器。發電后可用蓄電池存儲,也可輸入公共電網。發電系統成本中,電池組件約占50%,電流轉換器、安裝費、其他輔助部件以及其他費用占另外50%。
  
  發展歷史
  
  早在1839年,法國科學家貝克雷爾(Becqurel)就發現,光照能使半導體材料的不同部位之間產生電位差。這種現象后來被稱為“光生伏特效應”,簡稱“光伏效應”。1954年,美國科學家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成了實用的單晶硅太陽電池,誕生了將太陽光能轉換為電能的實用光伏發電技術。
  
  20世紀70年代后,隨著現代工業的發展,全球能源危機和大氣污染問題日益突出,傳統的燃料能源正在一天天減少,對環境造成的危害日益突出,同時全球約有20億人得不到正常的能源供應。這個時候,全世界都把目光投向了可再生能源,希望可再生能源能夠改變人類的能源結構,維持長遠的可持續發展,這之中太陽能以其獨有的優勢而成為人們重視的焦點。豐富的太陽輻射能是重要的能源,是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源。太陽能每秒鐘到達地面的能量高達80萬千瓦時,假如把地球表面0.1%的太陽能轉為電能,轉變率5%,每年發電量可達5.6×1012千瓦小時,相當于世界上能耗的40倍。正是由于太陽能的這些獨特優勢,20世紀80年代后,太陽能電池的種類不斷增多、應用范圍日益廣闊、市場規模也逐步擴大。
  
  20世紀90年代后,光伏發電快速發展,到2006年,世界上已經建成了10多座兆瓦級光伏發電系統,6個兆瓦級的聯網光伏電站。美國是最早制定光伏發電的發展規劃的國家。1997年又提出“百萬屋頂”計劃。日本1992年啟動了新陽光計劃,到2003年日本光伏組件生產占世界的50%,世界前10大廠商有4家在日本。而德國新可再生能源法規定了光伏發電上網電價,大大推動了光伏市場和產業發展,使德國成為繼日本之后世界光伏發電發展最快的國家。瑞士、法國、意大利、西班牙、芬蘭等國,也紛紛制定光伏發展計劃,并投巨資進行技術開發和加速工業化進程。
  
  世界光伏組件在1990年——2005年年平均增長率約15%。20世紀90年代后期,發展更加迅速,1999年光伏組件生產達到200兆瓦。商品化電池效率從10%~13%提高到13%~15%,生產規模從1~5兆瓦/年發展到5~25兆瓦/年,并正在向50兆瓦甚至100兆瓦擴大。光伏組件的生產成本降到3美元/瓦以下。
  
  2006年的光伏行業調查表明,到2010年,光伏產業的年發展速度將保持在30%以上。年銷售額將從2004年的70億美金增加到2010年的300億美金。許多老牌的光伏制造公司也從原來的虧本轉為盈利。
  
  發展現狀與趨勢
  
  2011年,全球光伏新增裝機容量約為27.5GW,較上年的18.1GW相比,漲幅高達52%,全球累計安裝量超過67GW。全球近28GW的總裝機量中,有將近20GW的系統安裝于歐洲,但增速相對放緩,其中意大利和德國市場占全球裝機增長量的55%,分別為7.6GW和7.5GW。2011年以中日印為代表的亞太地區光伏產業市場需求同比增長129%,其裝機量分別為2.2GW,1.1GW和350MW。此外,在日趨成熟的北美市場,新增安裝量約2.1GW,增幅高達84%。
  
  其中中國是全球光伏發電安裝量增長最快的國家,2011年的光伏發電安裝量比2010年增長了約5倍,2011年電池產量達到20GW,約占全球的65%。截至2011年底,中國共有電池企業約115家,總產能為36.5GW左右。其中產能1GW以上的企業共14家,占總產能的53%;在100MW和1GW之間的企業共63家,占總產能的43%;剩余的38家產能皆在100MW以內,僅占全國總產能的4%。規模、技術、成本的差異化競爭格局逐漸明晰。國內前十家組件生產商的出貨量占到電池總產量的60%。
  
  無論從世界還是從中國來看,常規能源都是很有限的,中國的一次能源儲量遠遠低于世界的平均水平,大約只有世界總儲量的10%。太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源,具有充分的清潔性、絕對的安全性、相對的廣泛性、確實的長壽命和免維護性、資源的充足性及潛在的經濟性等優點,在長期的能源戰略中具有重要地位。但是,太陽能電池板的生產卻具有高污染、高能耗的特點,在現有的條件下,生產國內自己使用的電池板還說的過去,不過大量出口等于污染中國,造福世界了,據統計,生產一塊1m×1.5m的太陽能板必須燃燒超過40公斤煤,但即使中國最沒有效率的火力發電廠也能夠用這些煤生產130千瓦時的電——這足夠讓2.2瓦的發光二極管(LED)燈泡按照每天工作12小時計算發光30年。而一塊太陽能電池板的設計壽命只有20年。
  
  在今后的十幾年中,中國光伏發電的市場將會由獨立發電系統轉向并網發電系統,包括沙漠電站和城市屋頂發電系統。中國太陽能光伏發電發展潛力巨大,配合積極穩定的政策扶持,到2030年光伏裝機容量將達1億千瓦,年發電量可達1300億千瓦時,相當于少建30多個大型煤電廠。國家未來三年將投資200億補貼光伏業,中國太陽能光伏發電又迎來了新一輪的快速增長,并吸引了更多的戰略投資者融入到這個行業中來。
  
  系統分類
  
  光伏發電系統分為獨立光伏發電系統、并網光伏發電系統及分布式光伏發電系統。
  
  1、獨立光伏發電也叫離網光伏發電。主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組成,若要為交流負載供電,還需要配置交流逆變器。獨立光伏電站包括邊遠地區的村莊供電系統,太陽能戶用電源系統,通信信號電源、陰極保護、太陽能路燈等各種帶有蓄電池的可以獨立運行的光伏發電系統。
  
  2、并網光伏發電就是太陽能組件產生的直流電經過并網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電之后直接接入公共電網?梢苑譃閹铍姵氐暮筒粠铍姵氐牟⒕W發電系統。帶有蓄電池的并網發電系統具有可調度性,可以根據需要并入或退出電網,還具有備用電源的功能,當電網因故停電時可緊急供電。帶有蓄電池的光伏并網發電系統常常安裝在居民建筑;不帶蓄電池的并網發電系統不具備可調度性和備用電源的功能,一般安裝在較大型的系統上。并網光伏發電有集中式大型并網光伏電站一般都是國家級電站,主要特點是將所發電能直接輸送到電網,由電網統一調配向用戶供電。但這種電站投資大、建設周期長、占地面積大,還沒有太大發展。而分散式小型并網光伏,特別是光伏建筑一體化光伏發電,由于投資小、建設快、占地面積小、政策支持力度大等優點,是并網光伏發電的主流。
  
  3、分布式光伏發電系統,又稱分散式發電或分布式供能,是指在用戶現場或靠近用電現場配置較小的光伏發電供電系統,以滿足特定用戶的需求,支持現存配電網的經濟運行,或者同時滿足這兩個方面的要求。
  
  分布式光伏發電系統的基本設備包括光伏電池組件、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網逆變器、交流配電柜等設備,另外還有供電系統監控裝置和環境監測裝置。其運行模式是在有太陽輻射的條件下,光伏發電系統的太陽能電池組件陣列將太陽能轉換輸出的電能,經過直流匯流箱集中送入直流配電柜,由并網逆變器逆變成交流電供給建筑自身負載,多余或不足的電力通過聯接電網來調節。
  
  系統組成
  
  光伏發電系統是由太陽能電池方陣,蓄電池組,充放電控制器,逆變器,交流配電柜,太陽跟蹤控制系統等設備組成。其部分設備的作用是:
  
  電池方陣
  
  在有光照(無論是太陽光,還是其它發光體產生的光照)情況下,電池吸收光能,電池兩端出現異號電荷的積累,即產生“光生電壓”,這就是“光生伏特效應”。在光生伏特效應的作用下,太陽能電池的兩端產生電動勢,將光能轉換成電能,是能量轉換的器件。太陽能電池一般為硅電池,分為單晶硅太陽能電池,多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。
  
  蓄電池組
  
  其作用是貯存太陽能電池方陣受光照時發出的電能并可隨時向負載供電。太陽能電池發電對所用蓄電池組的基本要求是:a.自放電率低;b.使用壽命長;c.深放電能力強;d.充電效率高;e.少維護或免維護;f.工作溫度范圍寬;g.價格低廉。
  
  控制器
  
  是能自動防止蓄電池過充電和過放電的設備。由于蓄電池的循環充放電次數及放電深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素,因此能控制蓄電池組過充電或過放電的充放電控制器是必不可少的設備。
  
  逆變器
  
  是將直流電轉換成交流電的設備。由于太陽能電池和蓄電池是直流電源,而負載是交流負載時,逆變器是必不可少的。逆變器按運行方式,可分為獨立運行逆變器和并網逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能電池發電系統,為獨立負載供電。并網逆變器用于并網運行的太陽能電池發電系統。逆變器按輸出波型可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器電路簡單,造價低,但諧波分量大,一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統。正弦波逆變器成本高,但可以適用于各種負載。
  
  跟蹤系統
  
  由于相對于某一個固定地點的太陽能光伏發電系統,一年春夏秋冬四季、每天日升日落,太陽的光照角度時時刻刻都在變化,如果太陽能電池板能夠時刻正對太陽,發電效率才會達到最佳狀態。世界上通用的太陽跟蹤控制系統都需要根據安放點的經緯度等信息計算一年中的每一天的不同時刻太陽所在的角度,將一年中每個時刻的太陽位置存儲到PLC、單片機或電腦軟件中,也就是靠計算太陽位置以實現跟蹤。采用的是電腦數據理論,需要地球經緯度地區的的數據和設定,一旦安裝,就不便移動或裝拆,每次移動完就必須重新設定數據和調整各個參數;原理、電路、技術、設備復雜,非專業人士不能夠隨便操作。把加裝了智能太陽跟蹤儀的太陽能發電系統安裝在高速行駛的汽車、火車,以及通訊應急車、特種軍用汽車、軍艦或輪船上,不論系統向何方行駛、如何調頭、拐彎,智能太陽跟蹤儀都能保證設備的要求跟蹤部位正對太陽!
  
  編輯:Harris

 


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