地面集中式太陽能發(fā)電應(yīng)用

1、太陽能光伏發(fā)電原理

光生伏打效應(yīng)在液體和固體物質(zhì)中都會發(fā)生，但是只有固體（尤其是半導體PN結(jié)器件）在太陽光照射下的光電轉(zhuǎn)換效率較高。利用光生伏打效應(yīng)原理制成晶體硅太陽能電池，可將太陽的光能直接轉(zhuǎn)換成為電能。太陽能光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器是太陽能電池，又稱光伏電池，是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心器件。太陽能轉(zhuǎn)換成為電能的過程主要包括3個步驟：

(1)太陽能電池吸收一定能量的光子后，半導體內(nèi)產(chǎn)生電子一空穴對，稱為“光生載流子”，兩者的電極性相反，電子帶負電，空穴帶正電。

(2)電極性相反的光生載流子被半導體PN結(jié)所產(chǎn)生的靜電場分離開。

(3)光生載流電子和空穴分別被太陽能電池的正、負極收集，并在外電路中產(chǎn)生電流，從而獲得電能。

太陽能光伏發(fā)電原理如下圖所示。當光線照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量傳遞給硅原子，使電子發(fā)生躍遷，成為自由電子，在PN結(jié)兩側(cè)集聚形成電位差。當外部電路接通時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的實質(zhì)是光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。

在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總效率η由太陽能電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負載的效率等決定。目前，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率只有17%左右。因此，提高太陽能電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率、降低太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的單位功率造價，是太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的重點和難點。自太陽能電池問世以來，晶體硅作為主要材料保持著統(tǒng)治地位。目前對硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的研究，主要圍繞著加大吸能面（如采用雙面電池減小反射）、運用吸雜技術(shù)和鈍化工藝提高硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率、電池超薄型化等方面。

目前，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用于以下3個大的方面。

(1)為無電場合提供電源，主要為廣大無電地區(qū)居民生活生產(chǎn)提供電力，為微波中繼站和移動電話基站提供電源等。

(2)太陽能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草坪燈等。

(3)并網(wǎng)發(fā)電，即接入國家電網(wǎng)。我國光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)很成熟了，從2013年開始，國家出臺了一系列的光伏發(fā)電促進政策，鼓勵有條件的地區(qū)工商業(yè)和戶用、公共建筑等建設(shè)光伏發(fā)電設(shè)施。

在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總效率η由太陽能電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負載的效率等決定。目前，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率只有17%左右。因此，提高太陽能電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率、降低太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的單位功率造價，是太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的重點和難點。自太陽能電池問世以來，晶體硅作為主要材料保持著統(tǒng)治地位。目前對硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的研究，主要圍繞著加大吸能面（如采用雙面電池減小反射）、運用吸雜技術(shù)和鈍化工藝提高硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率、電池超薄型化等方面。

目前，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用于以下3個大的方面。

(1)為無電場合提供電源，主要為廣大無電地區(qū)居民生活生產(chǎn)提供電力，為微波中繼站和移動電話基站提供電源等。

(2)太陽能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草坪燈等。

(3)并網(wǎng)發(fā)電，即接入國家電網(wǎng)。我國光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)很成熟了，從2013年開始，國家出臺了一系列的光伏發(fā)電促進政策，鼓勵有條件的地區(qū)工商業(yè)和戶用、公共建筑等建設(shè)光伏發(fā)電設(shè)施。

2、太陽能發(fā)電的優(yōu)勢

通過對生物質(zhì)能、水能、風能和太陽能等幾種常見新能源的對比分析，可以清晰地看出太陽能發(fā)電具有以下獨特優(yōu)勢。

(1)光伏發(fā)電具有經(jīng)濟優(yōu)勢。

可以從兩個方面看太陽能利用的經(jīng)濟性：一是太陽能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽能時不征收任何“稅”，可以隨地取用；二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，有些太陽能的利用已具經(jīng)濟性。隨著科技的發(fā)展以及人類開發(fā)利用太陽能技術(shù)的突破，太陽能利用的經(jīng)濟性將會更加明顯。如果說20世紀是石油的世紀，那么21世紀則是可再生能源的世紀（太陽能的世紀）。

從太陽能光伏發(fā)電站建設(shè)成本來看，隨著太陽能光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用和推廣，尤其是上游晶體硅產(chǎn)業(yè)和光伏發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，建筑房頂、外墻等平臺的復合開發(fā)利用，每千瓦太陽能光伏發(fā)電的建設(shè)成本越來越低，相比其他可再生能源已具有同樣的經(jīng)濟優(yōu)勢，而且隨著國家平價的政策推行，其普及會越來會廣。

(2)太陽能是取之不盡的可再生能源。

根據(jù)計算，一年內(nèi)到達地球表面的太陽能總量折合標準煤共約1.892x10^24噸，是目前世界主要能源探明儲量的1萬倍。太陽的壽命至少尚有40億年，相對于人類歷史來說，太陽能可源源不斷供給地球的時間可以說是無限的，這就決定了開發(fā)利用太陽能將是人類解決常規(guī)能源匱乏、枯竭的最有效途徑。

(3)對環(huán)境沒有污染。

太陽能像風能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時幾乎不產(chǎn)生任何污染，加之其儲量的無限性，是人類理想的替代能源。由于傳統(tǒng)化石燃料（煤、石油和天然氣）在使用過程中排出大量的有毒有害物質(zhì)，會對水、土壤和大氣造成嚴重污染，形成溫室效應(yīng)和酸雨，嚴重危害人類的生存環(huán)境和身體健康，因此急需開發(fā)出新的比較清潔的替代能源，而太陽能作為一種比較理想的清潔能源，正受到世界各國的日益重視。

從目前各種發(fā)電方式的碳排放率(g/kW·h)來看，不計算其上游環(huán)節(jié)：煤發(fā)電為275g/kW·h,油發(fā)電為204g/kW·h,天然氣發(fā)電為181g/kW·h,風力發(fā)電為20g/kW·h,而太陽能光伏發(fā)電則接近零排放。并且，在發(fā)電過程中沒有廢渣、廢料、廢水、廢氣排出，沒有噪聲，不產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì)，不會污染環(huán)境。

光伏發(fā)電無污染

(4)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)最少。

從能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)來看，太陽能光伏發(fā)電是直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能，在所有可再生能源利用中，太陽能光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)最少、利用最直接。一般來說，在整個生態(tài)環(huán)境的能量流動中，隨著轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的增加、轉(zhuǎn)換鏈條的拉長，能量的損失將呈幾何級增加，并同時大大增加整個系統(tǒng)的建設(shè)、運行成本和不穩(wěn)定性。目前，晶體硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率實用水平為15%-20%,實驗室最高水平已達35%。

(5)最經(jīng)濟、最環(huán)保。

從資源條件尤其是土地占用來看，生物能、風能是較為苛刻的，而太陽能利用則很靈活。如果說太陽能光伏發(fā)電占用土地面積為1,風力則是太陽能的8-10倍，生物能則達到100倍。就水電而言，一個大型水壩的建成往往需要淹沒數(shù)十平方公里到上百平方公里的土地。相比而言，太陽能發(fā)電不需要占用更多的土地，屋頂、墻面都可成為太陽能光伏發(fā)電利用的場所，還可利用我國廣闊的沙漠，通過在沙漠上建造太陽能光伏發(fā)電基地，直接降低沙漠地帶直射到地表的太陽輻射，有效降低地表溫度，減小蒸發(fā)量，進而使植物的存活和生長在相當程度上成為可能，穩(wěn)固并減少沙丘，又向大自然索取了所需的清潔可再生能源。

(6)可免費使用且無須運輸。

人類可以通過專門的技術(shù)和設(shè)備將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能或電能，就地加以利用，無須運輸，為人類造福。而且人類利用太陽能這一取之不盡的能源也是免費的。雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽能輻射的不均勻，但相對于其他能源來說，太陽能對地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國家和地區(qū)解決能源問題提供了美好前景。