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因?yàn)榛痣娦枰紵骸⑹偷然剂?,一方面化石燃料蘊(yùn)藏量有限,正面臨著枯竭的危險(xiǎn)。另一方面燃燒燃料將排出 CO2和硫的氧化物,會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)和酸雨,惡化地球環(huán)境。水電要淹沒(méi)大量土地,有可能導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞,而且大型水庫(kù)一旦潰崩,后果將不堪設(shè)想,另外,一些國(guó)家的水力資源也是有限的,而且還要受季節(jié)的影響。核電在正常情況下固然是干凈的,但萬(wàn)一發(fā)生核泄漏,后果同樣是可怕的。
上述問(wèn)題都迫使人們?nèi)ふ倚碌哪茉?。新能源要同時(shí)符合兩個(gè)條件:一是蘊(yùn)藏豐富,不會(huì)枯竭;二是安全、干凈,不會(huì)威脅人類(lèi)和破壞環(huán)境。目前找到的新能源有:太陽(yáng)能,風(fēng)能,燃料電池。
照射在地球上的太陽(yáng),能量非常巨大,太陽(yáng)能照射在地球上大約 40 分鐘,便足以供全球人類(lèi)一年能量的消費(fèi)??梢哉f(shuō),太陽(yáng)能是真正取之不盡、用之不竭的能源。而且太陽(yáng)能發(fā)電絕對(duì)干凈,不產(chǎn)生公害。所以 太陽(yáng)能發(fā)電是應(yīng)用廣泛,前景光明的 理想能源。
二、太陽(yáng)能發(fā)電的原理
太陽(yáng)能發(fā)電是利用太陽(yáng)能和半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性實(shí)現(xiàn)發(fā)電的。
1、太陽(yáng)能發(fā)電的原理(光伏發(fā)電): 太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體 p-n 結(jié)上,形成新的空穴電子對(duì),在p-n 結(jié)電場(chǎng)的作用下,空穴由 n 區(qū)流向 p 區(qū),電子由 p 區(qū)流向 n 區(qū),接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理。
2、太陽(yáng)能發(fā)電兩種方式: 一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式,另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。
a、光—熱—電轉(zhuǎn)換方式: 通過(guò)利用太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電,一般是由太陽(yáng)能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣,再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。前一個(gè)過(guò)程是光 —熱轉(zhuǎn)換過(guò)程;后一個(gè)過(guò)程是熱—電轉(zhuǎn)換過(guò)程,與普通的火力發(fā)電一樣.太陽(yáng)能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高,估計(jì)它的投資至少要比普通火電站貴5~10倍.一座1000MW的太陽(yáng)能熱電站需要投資20~25億美元,平均1kW的投資為2000~2500美元。因此,目前只能小規(guī)模地應(yīng)用于特殊的場(chǎng)合,而大規(guī)模利用在經(jīng)濟(jì)上很不合算,還不能與普通的火電站或核電站相競(jìng)爭(zhēng)。
b、光—電直接轉(zhuǎn)換方式(光伏發(fā)電): 利用光電效應(yīng),將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能。光 —電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件,是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管,當(dāng)太陽(yáng)光照到光電二極管上時(shí),光電二極管就會(huì)把太陽(yáng)的光能變成電能,這種方式容易實(shí)現(xiàn),且成本較低,已被廣泛應(yīng)用。
能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料: 單晶硅,多晶硅,非晶硅,砷化鎵,硒銦銅等。P型晶體硅經(jīng)過(guò)摻雜磷可得N型硅,形成P-N結(jié)。晶體硅 為基本的電池材料。以晶體硅材料制備的太陽(yáng)能電池主要包括:?jiǎn)尉Ч杼?yáng)電池,鑄造多晶硅太陽(yáng)能電池,非晶硅太陽(yáng)能電池和薄膜晶體硅電池。單晶硅電池具有電池轉(zhuǎn)換效率高,穩(wěn)定性好,但是成本較高;非晶硅太陽(yáng)電池則具有生產(chǎn)效率高,成本低廉,但是轉(zhuǎn)換效率較低,而且效率衰減得比較快;鑄造多晶硅太陽(yáng)能電池則具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換的效率,而且性能價(jià)格比最高;薄膜晶體硅太陽(yáng)能電池處在研發(fā)階段。硅系列太陽(yáng)能電池中,單晶硅和多晶硅電池繼續(xù)占據(jù)光伏市場(chǎng)的主導(dǎo)地位,單晶硅和多晶硅的比例已超過(guò) 80% 。
太陽(yáng)能電池板生產(chǎn)過(guò)程大致可分為五個(gè)步驟: a、提純過(guò)程 b、拉棒過(guò)程 c、切片過(guò)程 d、制電池過(guò)程 e、封裝過(guò)程。
3、太陽(yáng)能發(fā)電的過(guò)程:
現(xiàn)以晶體為例描述光發(fā)電過(guò)程?!‘?dāng)光線(xiàn)照射太陽(yáng)能電池表面時(shí),一部分光子被硅材料吸收;光子的能量傳遞給了硅原子,使電子發(fā)生了越遷,自由電子在 P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差,當(dāng)外部接通電路時(shí),在該電壓的作用下,將會(huì)有電流流過(guò)外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。 當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)就可以形成有較大輸出功率的太陽(yáng)能電池方陣。
三、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)
1、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的組成: 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池構(gòu)成。 下面對(duì)各部分的功能做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹:
太陽(yáng)能電池板: 作用是將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成直流電,供負(fù)載使用或存貯于蓄電池內(nèi)備用。一般根據(jù)用戶(hù)需要,將若干太陽(yáng)電池板按一定方式連接,組成太陽(yáng)能電池方陣,再配上適當(dāng)?shù)闹Ъ芗敖泳€(xiàn)盒組成。 充電控制器: 充電控制器主要由專(zhuān)用處理器 CPU、電子元器件、顯示器、開(kāi)關(guān)功率 管等組成。在太陽(yáng)發(fā)電系統(tǒng)中,充電控制器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓,快速、平穩(wěn)、高效的為蓄電池充電,并在充電過(guò)程中減少損耗、盡量延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命;同時(shí)保護(hù)蓄電池,避免過(guò)充電和過(guò)放電現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)記錄并顯示系統(tǒng)各種重要數(shù)據(jù),如充電電流、電壓等??刂破鞯男阅懿缓脮r(shí),對(duì)蓄電池的使用壽命影響很大,并最終影響系統(tǒng)的可靠性。
逆變器: 作用就是將太陽(yáng)能電池方陣和蓄電池提供的直流電逆變成交流電,供給交流負(fù)載使用和并入電網(wǎng)。效率是選擇逆變器的重要標(biāo)準(zhǔn)之一,效率越高,意味著在將光電組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電的過(guò)程中產(chǎn)生的電量損耗就越少。逆變器的質(zhì)量決定了發(fā)電系統(tǒng)的效益,它是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的核心。
蓄電池組: 作用是將太陽(yáng)電池方陣發(fā)出直流電貯能起來(lái) , 供負(fù)載使用。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中 , 蓄電池處于浮充放電狀態(tài)。白天太陽(yáng)能電池方陣給蓄電池充電, 同時(shí)方陣還給負(fù)載用電 , 晚上負(fù)載用電全部由蓄電池供給。因此 , 要求蓄電池的自放電要小 , 而且充電效率要高 , 同時(shí)還要考慮價(jià)格和使用是否方便等因素。
2、 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行方式: 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)有直流供電、交流供電、交直流供電、
離網(wǎng)運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行、風(fēng)光互補(bǔ)運(yùn)行幾種運(yùn)行方式
直流供電系統(tǒng): 太陽(yáng)能發(fā)電控制器對(duì)發(fā)出的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)控制后,直接送給直流負(fù)載,多余部分送蓄電池儲(chǔ)存。
交流供電系統(tǒng): 太陽(yáng)能發(fā)電控制器對(duì)發(fā)出的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)控制后,經(jīng)過(guò)逆變器后送往交流負(fù)載,多余的能量送往蓄電池組儲(chǔ)存。
離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng): 太陽(yáng)能發(fā)電控制器 ( 光伏控制器和風(fēng)光互補(bǔ)控制器) 對(duì)所發(fā)的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制,一方面把調(diào)整后的能量送往直流負(fù)載或經(jīng)過(guò)逆變器送往交流負(fù)載,另一方面把多余的能量送往蓄電池組儲(chǔ)存,當(dāng)所發(fā)的電不能滿(mǎn)足負(fù)載需要時(shí),控制器又把蓄電池的電能送往負(fù)載。( 直流供電、交直流供電、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電都屬于離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng))
并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng): 將太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)生的電能不經(jīng)過(guò)蓄電池儲(chǔ)能,通過(guò)并網(wǎng)逆變器直接饋入電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)。因?yàn)橹苯訉㈦娔茌斎腚娋W(wǎng),免除配置蓄電池,省掉了蓄電池儲(chǔ)能和釋放的過(guò)程,可以充分利用太陽(yáng)能發(fā)出的電力,減小能量損耗,降低系統(tǒng)成本。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)能夠并行使用市電和太陽(yáng)能發(fā)電作為本地交流負(fù)載的電源,降低整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載缺電率。同時(shí),并網(wǎng)系統(tǒng)可以對(duì)公用電網(wǎng)起到調(diào)峰作用。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是太陽(yáng)能發(fā)電的發(fā)展方向,代表了 21 世紀(jì)最具吸引力的能源利用技術(shù)。
四、太陽(yáng)能發(fā)電的特點(diǎn):
1、優(yōu)點(diǎn):
① 太陽(yáng)能是永久性能源,無(wú)枯竭危險(xiǎn);
② 太陽(yáng)能是清潔能源,絕對(duì)干凈環(huán)保,沒(méi)有公害,用戶(hù)感情上容易接受;
③ 太陽(yáng)能發(fā)電運(yùn)用靈活,不受資源分布和地域的限制,可在用電處就近發(fā)電;
④ 太陽(yáng)能電池壽命長(zhǎng),可以一次投資長(zhǎng)期使用,太陽(yáng)能電池可以大中小并舉,大到百萬(wàn)千瓦的中型電站,小到只供一戶(hù)用的太陽(yáng)能電池組;
⑤ 太陽(yáng)能發(fā)電可靠性高,能源質(zhì)量高;
⑥ 獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。
2、缺點(diǎn):
① 照射的能量分布密度小,需要占用巨大面積;
② 獲得的能源受四季、晝夜及陰晴等氣象條件的影響。
五、太陽(yáng)能發(fā)電的應(yīng)用和發(fā)展前景
1、太陽(yáng)能發(fā)電的應(yīng)用:
隨著太陽(yáng)能電池的種類(lèi)不斷增多、應(yīng)用范圍日益廣闊、市場(chǎng)規(guī)模逐步擴(kuò)大。早期, 太陽(yáng)能的使用主要用于軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域。目前,太陽(yáng)能已進(jìn)入工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、 通信、家用電器以及公用設(shè)施等部門(mén)。太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用分為幾個(gè)方面:家庭用小型太陽(yáng)能光伏電站、大型并網(wǎng)電站、建筑一體化光伏玻璃幕墻、太陽(yáng)能路燈、風(fēng)光互補(bǔ)路燈、風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)等,例如:太陽(yáng)能庭院燈;太陽(yáng)能發(fā)電用戶(hù)系統(tǒng);特別是村寨供電的獨(dú)立系統(tǒng),可以在邊遠(yuǎn)地區(qū)、高山、沙漠、海島和農(nóng)村使用,以節(jié)省造價(jià)昂貴的輸電線(xiàn)路 ;還有光伏水泵(飲水或灌溉);通信電源;石油輸油管道陰極保護(hù);光纜通信站電源;海水淡化系統(tǒng);城鎮(zhèn)中路標(biāo);高速公路路標(biāo)等。
2、太陽(yáng)能發(fā)電的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景
a、 國(guó)外太陽(yáng)能光伏發(fā)電現(xiàn)狀及 前景:
目前全世界共有 136 個(gè)國(guó)家投入普及應(yīng)用太陽(yáng)能電池的熱潮中 , 其中有 95 個(gè)國(guó)家正在大規(guī)模地進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電及太陽(yáng)能電池的研制開(kāi)發(fā) , 積極生產(chǎn)各種相關(guān)的節(jié)能新產(chǎn)品,已有近 200 家公司生產(chǎn)太陽(yáng)能電池, 1998 年 , 全世界生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池 , 其總的發(fā)電量達(dá) 1000 兆瓦 ,1999 年達(dá) 2850 兆瓦。 2000 年 , 全球已有近 4600 家廠(chǎng)商向市場(chǎng)提供光電池和以光電池為電源的產(chǎn)品。全世界太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)量平均每年增長(zhǎng)近 40% 。生產(chǎn)規(guī)模從 1 ~ 5 兆瓦 / 年發(fā)展到 5 ~ 25 兆瓦 / 年,并正在向 50 兆瓦甚至 100 兆瓦擴(kuò)大。
本世紀(jì)以來(lái),一些發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制定了發(fā)展包括太陽(yáng)能電池在內(nèi)的可再生能源計(jì)劃。太陽(yáng)能電池的研究和生產(chǎn)在歐洲、美洲、亞洲大規(guī)模鋪開(kāi)。印度處于領(lǐng)先地位,累計(jì)裝機(jī)容量約 40 兆瓦。美國(guó)和日本爭(zhēng)相出臺(tái)太陽(yáng)能技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃,2010 年,美國(guó)計(jì)劃累積安裝 4600 兆瓦 ( 含百萬(wàn)屋頂計(jì)劃 ); 日本計(jì)劃累計(jì)安裝 5000 兆瓦 (NEDO 日本新陽(yáng)光計(jì)劃 ) 。最近的光伏行業(yè)調(diào)查表明,到 2010 年,光伏產(chǎn)業(yè)的年發(fā)展速度仍保持在 30% 以上。派克研究公司預(yù)測(cè),光伏發(fā)電將在 2010 年底帶來(lái) 120 億瓦的產(chǎn)能,完全超過(guò)派克研究公司預(yù)計(jì)的 2010 年 101 億瓦的需求。
在太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)方面,各國(guó)都有新的發(fā)明和設(shè)想,例如:
美國(guó)德州儀器公司和 SCE 公司開(kāi)發(fā)出一種新的太陽(yáng)電池,每一單元是直徑不到1 毫米的小珠,分布在柔軟的鋁箔上,在大約 50 平方厘米的面積上分布有 1 , 700 個(gè)小單元。它特點(diǎn)是,雖然變換效率只有 8 %— 10% ,但價(jià)格便宜、鋁箔底襯柔軟結(jié)實(shí),可隨意折疊且經(jīng)久耐用,掛在向陽(yáng)處便可發(fā)電,使用方便。成本低,每瓦發(fā)電能力的設(shè)備只要 15 至 2 美元,每發(fā)一度電的費(fèi)用為 14 美分左右,完全可以同普通電廠(chǎng)產(chǎn)生的電力競(jìng)爭(zhēng)。將這種電池掛在向陽(yáng)的屋頂、墻壁上,每年就可獲得一二千度的電力。
日本提出的創(chuàng)世紀(jì)計(jì)劃:準(zhǔn)備利用地面上沙漠和海洋面積進(jìn)行發(fā)電,并通過(guò)超導(dǎo)電纜將全球太陽(yáng)能發(fā)電站聯(lián)成統(tǒng)一電網(wǎng)以便向全球供電。據(jù)測(cè)算,到 2000 年、2050 年、 2100 年,即使全用太陽(yáng)能發(fā)電供給全球能源,占地也不過(guò)為 65.11 萬(wàn)平方公里、 186.79 萬(wàn)平方公里、 829.19 萬(wàn)平方公里。 829.19 萬(wàn)平方公里才占全部海洋面積 2.3%或全部沙漠的 51.4 %,這一方案是有可能實(shí)現(xiàn)的。
美國(guó)宇航局和能源部提出設(shè)想:在空間建設(shè)太陽(yáng)能發(fā)電站,準(zhǔn)備在同步軌道上放一個(gè)長(zhǎng) 10 公里、寬5 公里的大平板,上面布滿(mǎn)太陽(yáng)電池,這樣便可提供 500 萬(wàn)千瓦電力。但這需要解決向地面無(wú)線(xiàn)輸電問(wèn)題。但離真正實(shí)用還有漫長(zhǎng)的路程。
b、國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展前景:
中國(guó)的太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)已具備相當(dāng)?shù)囊?guī)模,技術(shù)條件已趨于成熟,太陽(yáng)能利用將是中國(guó)能源變革最可行的解決方案。
我國(guó)早在七五期間 , 非晶硅半導(dǎo)體的研究工作已經(jīng)列入國(guó)家重大課題; 八五和九五期間 , 我國(guó)把研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)放在大面積太陽(yáng)能電池等方面。 2003 年 10 月,國(guó)家 5 年太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)計(jì)劃,籌資100 億元用于推進(jìn)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用,2005 年全國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)總裝機(jī)容量達(dá)到了 300 兆瓦。
2002年,國(guó)家啟動(dòng)了 "西部省區(qū)無(wú)電鄉(xiāng)通電計(jì)劃 " ,通過(guò)了太陽(yáng)能和小型風(fēng)力發(fā)電解決西部七省區(qū)無(wú)電鄉(xiāng)的用電問(wèn)題。
20世紀(jì) 90年代,國(guó)內(nèi)光伏市場(chǎng)平穩(wěn)發(fā)展,年增長(zhǎng)速度在 20% 左右;進(jìn)入 21世紀(jì),國(guó)內(nèi)光伏市場(chǎng)呈現(xiàn)加速發(fā)展趨勢(shì), 2001 ~ 2003 年平均增長(zhǎng)速度都在 30%以上。按照我國(guó)制訂的《新能源和可再生能源發(fā)展規(guī)劃》規(guī)劃,中國(guó) 2003~ 2009 年在農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)中每年安裝 70 兆瓦光伏系統(tǒng), 2010~ 2020 年將普及推廣應(yīng)用,年平均安裝 100兆瓦。
目前,中國(guó)已經(jīng)是國(guó)際光伏發(fā)電應(yīng)用產(chǎn)品生產(chǎn)基地。已有 10 條太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線(xiàn), 年生產(chǎn)能力約為 4.5MW ,專(zhuān)家預(yù)測(cè),從 2011 年開(kāi)始 , 我國(guó)光伏市場(chǎng)年需求量將大于 20MW 。
在今后的十幾年中,太陽(yáng)電池的市場(chǎng)走向?qū)l(fā)生很大的改變, 2010 年以前中國(guó)太陽(yáng)電池多數(shù)是用于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng),從2011 年到 2020 年,中國(guó)光伏發(fā)電的市場(chǎng)主流將會(huì)由獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),包括沙漠電站和城市屋頂發(fā)電系統(tǒng)。
六、小結(jié)
太陽(yáng)能光伏發(fā)電的發(fā)展?jié)摿薮?。是最具可持續(xù)發(fā)展的可再生能源技術(shù)之一。
目前我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)雖已日趨成熟,要使太陽(yáng)能發(fā)電被真正利用,為這一新能源的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供原動(dòng)力,還必須提高以下幾個(gè)方面:
1、加大生產(chǎn)規(guī)模、提高技術(shù)水平、提高產(chǎn)品質(zhì)量;
2、提高太陽(yáng)能光電變換效率、降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本;
3、真正實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電與現(xiàn)有電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。
大力發(fā)展新能源和可再生能源是我國(guó)未來(lái)的能源發(fā)展戰(zhàn)略要求。由于世界能源的日趨緊張和光伏技術(shù)的不斷發(fā)展,最大限度地開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能將是人類(lèi)新能源利用方面的科技發(fā)展方向。只有依靠更加先進(jìn)的科技,才 可能為人類(lèi)未來(lái)大規(guī)模地利用太陽(yáng)能開(kāi)辟?gòu)V闊的前景。
本文標(biāo)簽: 光伏發(fā)電 太陽(yáng)能電池板 光伏電站
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