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光伏發(fā)電
將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿募夹g
光伏發(fā)電（Photovoltaic power generation）是一種通過太陽能電池半導體材料將光轉(zhuǎn)化為電能的技術。光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由太陽能電池板、光伏逆變器、蓄電池組、控制器等組成。太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，通過光伏逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能，再通過電池組儲存電能或直接供電，控制器則控制整個系統(tǒng)的運行。因此，光伏發(fā)電設備具備了精練的優(yōu)勢， 也能夠長期使用，安裝時也更加快速簡便。從理論上講，在各種場合中都能夠使用光伏發(fā)電技術，其無處不在。
基本信息
中文名
光伏發(fā)電
英文名
Photovoltaic power generation
別名
太陽能發(fā)電
運用領域
任何需要電源的場合
原理
利用太陽能電池半導體材料的光伏效應，將陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)
功能
將太陽能轉(zhuǎn)化為電能
組成部分
太陽能電池板、支架、逆變器、電纜、電池、控制器等
應用學科
電氣工程
原理
光伏發(fā)電（Photovoltaic power generation）是一種利用太陽能將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的技術。光伏發(fā)電原理基于光伏效應，即光子能夠擊穿物質(zhì)表面的電子，將其激發(fā)出來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，它由兩層半導體材料構成。其中一層為p型半導體，具有較多的空穴；另一層為n型半導體，具有較多的自由電子。在光照下，光子被吸收并釋放出一個電子和一個空穴。由于半導體中的電場作用，電子和空穴被分離到p-n結的兩側，從而形成電勢差和電流。這個過程稱為內(nèi)部光電效應，可以將太陽能轉(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，同時也可以采用多級接合技術、光學濃縮技術等措施來提高光吸收效率和電子的收集效率。
發(fā)展過程
早期發(fā)展
光伏發(fā)電的早期發(fā)展可以追溯到1839年，當時法國物理學家貝克雷爾（Becquerel）發(fā)現(xiàn)光照能讓導電液中的兩種金屬電級的電流得到強化，產(chǎn)生光生伏特效應，即將光能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏特效應”，簡稱“光伏效應”。1954年，美國貝爾研究所的PEARSON等3位科學家成功開發(fā)出單晶硅太陽能電池，從此太陽能發(fā)電技術得到了實際應用。20世紀70年代，發(fā)達國家開始了太陽能發(fā)電技術的國家級計劃，日本的“Sunshine計劃”尤其引人注目。20世紀80年代后期，太陽能電池種類的增多和應用范圍的擴大，使得光伏發(fā)電技術在20世紀90年代得到了迅速發(fā)展。德國在1990年率先提出并實施“一千屋頂計劃”，美國于1997年宣布實施“百萬太陽能屋頂計劃”，1999年1月，德國又開始實施“十萬屋頂計劃”，2000年光伏發(fā)電裝機容量已經(jīng)超過40MW。2010年，全球光伏總裝機容量首次突破4千萬千瓦。2013年，全球光伏新增裝機量達到37.6千兆瓦，其中23千兆瓦為屋頂太陽能光伏發(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，國際能源署旗下的光伏電力系統(tǒng)項目研究小組（IEA-PVPS）發(fā)布的報告指出，2014年全球光伏發(fā)電新增裝機容量達38.7千兆瓦，累計裝機容量至少達177千兆瓦。
現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
光伏發(fā)電是一種清潔、可再生、無污染的能源。進入21世紀的今天，太陽能光伏發(fā)電這種新興的產(chǎn)業(yè)開始向民用領域滲透，最明顯的是在民用建筑設 計、施工中的應用，在船舶、交通樞紐等運輸業(yè)中也有應用。一項德國全球變化咨詢委員會的研究指出，為了實現(xiàn)全球可持續(xù)能源發(fā)展，可再生能源在2050年的替代比例應該從2020年的20%增長到50%。日本太陽光發(fā)電協(xié)會的數(shù)據(jù)顯示，每平方米的太陽光能達到1千瓦，如果100%轉(zhuǎn)換成可消費的能源，1小時的太陽光能就足以滿足全球一年的能源需求。隨著技術的發(fā)展和研究，光伏電池的效率不斷提高，將在2030年達到了約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。同時未來的光伏發(fā)電應用范圍將會擴大。除了傳統(tǒng)的大型光伏電站，光伏發(fā)電還可以應用于分布式發(fā)電、戶用光伏等領域。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?？傊柲苁乔鍧嵖稍偕茉吹拇?，在國際上受到充分重視。雖然太陽能光伏發(fā)電技術已有應用和研究成果，但仍有廣泛的發(fā)展空間。除了有效利用當前技術外，還需要進一步研究光電轉(zhuǎn)換效率、降低光伏材料成本以及建設光伏電站。這樣才能更好地利用太陽能資源，替代化石能源，成為社會發(fā)展的新能源保障。
系統(tǒng)發(fā)電方式
獨立光伏發(fā)電
獨立光伏發(fā)電也稱為離網(wǎng)光伏發(fā)電，是指利用太陽能光伏電池板和蓄電池組相結合的方式，獨立地向設備或負載供電，不依賴于電網(wǎng)的電力供應方式。這種發(fā)電方式可以有效利用陽光資源，實現(xiàn)對清潔能源的利用，并為偏遠地區(qū)提供電力供應。近年來，隨著光伏技術的不斷進步和價格的降低，獨立光伏發(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，是指將太陽能電池板轉(zhuǎn)換的直流電通過逆變器轉(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)，同時在用電高峰期使用電網(wǎng)的電力供應，實現(xiàn)了太陽能發(fā)電和電網(wǎng)互相補充的目標，同時減少了對傳統(tǒng)能源的依賴。當太陽能電池陣列無法滿足負載需求時，公共電網(wǎng)會提供電力.而當陣列產(chǎn)生的電能超過負載時，多余的電能則會饋回電網(wǎng)。為實現(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)標準。因此，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)能調(diào)峰并降低負載缺電率。
集中式光伏發(fā)電
集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)可將太陽能直接 連入電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一進行供電配置，屬于單向交換類型。集中式大中型并網(wǎng)光伏電站主要特點是容量大、并網(wǎng)電壓等級高，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，將直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，再接入到當?shù)氐挠秒娤到y(tǒng)中，實現(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位置，分散供電和分散接受電力，從而降低能源的浪費和損失。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)通常包括太陽能電池板、逆變器、電池、控制器和監(jiān)測裝置等組成部分。其中太陽能電池板主要負責將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電，逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，同時通過電池和控制器將多余的電能儲存起來，以備不時之需；監(jiān)測裝置可以實時監(jiān)測系統(tǒng)的電量、電壓、電流等參數(shù)，并進行遠程控制和管理。
結構組成
光伏發(fā)電系統(tǒng)通常由太陽能電池板、支架、逆變器、電纜、電池、控制器等組成部分構成。
太陽能電池板
太陽能電池板是將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電的核心部分，通常由多個太陽能電池組成，每個太陽能電池由硅、磷、硼等半導體材料制成，呈藍色或黑色。當太陽光照射到太陽能電池板上時，太陽能電池板將太陽光轉(zhuǎn)化為直流電。
逆變器
逆變器是將太陽能電池板產(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)化為符合國家標準的交流電，并將交流電輸入到電網(wǎng)或者用電負載中。逆變器通常具有光控、功率控制、故障保護等多種功能。
控制器
控制器是管理光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，它可以對太陽能電池板和電池的充放電過程進行控制，對逆變器的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電能的合理分配和利用。
蓄電池組
支架
支架是太陽能電池板的支撐架構，通常由鋁合金、不銹鋼等材料制成，具有抗風、抗震、抗腐蝕等特點。支架的安裝位置通常是建筑物的屋頂、墻面、停車場等，需要具備良好的承重能力和穩(wěn)定性。
電纜
光伏系統(tǒng)中通過電線電纜進行電力傳輸、信號傳輸及遠程監(jiān)控設備的連接即通過光伏電纜進行連接，通常由銅或鋁制成，具有良好的導電性能和耐高溫性能。電纜需要按照電氣規(guī)范進行安裝，以確保電氣安全和可靠性。
優(yōu)缺點
優(yōu)點
清潔環(huán)保
光伏發(fā)電不需要燃料，不會產(chǎn)生任何污染物和溫室氣體，無污染排放，因此是一種環(huán)保的能源。
可再生性
太陽能是一種無限可再生的能源，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力與太陽光照的時間、地點和季節(jié)等因素有關，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，沒有機械部件，因此比其他能源設備更可靠。
低噪音
光伏發(fā)電不需要機械部件，不會產(chǎn)生噪音，因此是一種低噪音的能源。
缺點
能量密度低
太陽能的能量密度相對較低，因此需要大面積的光伏電池組來產(chǎn)生足夠的電能，占地面積相對較大。
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、雨天等氣象會降低光伏發(fā)電的效率，這可能會對電力供應造成一定影響。
能量存儲難度較大
由于天氣條件不穩(wěn)定，光伏發(fā)電需要一定的能量存儲設備來保證供電的連續(xù)性，但能量存儲技術目前仍有一定的局限性，這也是光伏發(fā)電需要解決的一個問題。
成本較高
光伏發(fā)電的成本較高，主要是因為光伏電池的制造和安裝成本較高，雖然隨著技術的發(fā)展，成本已經(jīng)有所下降，但仍然比傳統(tǒng)能源發(fā)電設備高。
應用領域
光伏發(fā)電是一種以太陽能為動力，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的技術。其應用領域較為廣泛，包括但不限于以下幾個方面。
屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)
屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)是指將太陽能電池板安裝在建筑物的屋頂上，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能供建筑物使用。這種應用領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，減少對傳統(tǒng)能源的依賴。
公共設施與市政項目
公共設施和市政項目包括公共建筑、道路照明、交通信號等，這些項目通常需要大量的電能支持，而光伏發(fā)電系統(tǒng)可以為這些項目提供可靠的電力供應。在一些地區(qū)，政府還推出了一些鼓勵政策，以促進公共設施和市政項目的光伏發(fā)電應用。
農(nóng)業(yè)領域
光伏發(fā)電系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領域的應用較為廣泛，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，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)應用
離網(wǎng)應用是指將光伏發(fā)電系統(tǒng)應用于一些偏遠地區(qū)或無法接入電網(wǎng)的地方。這種應用領域適用于一些山區(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，提高生產(chǎn)和生活的水平。
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