太阳能光伏发电技术及其相关应用

太阳能光伏发电技术及其相关应用

吴彪

身份证号码： 43048219840512****

摘要：太阳能是一种对环境没有污染的能源，具有能源总量丰富、能源分布广泛的特点。本文从太阳能的特征分析入手，从光伏发电技术所依据的基础物理定理、现有的太阳能电池研究发展分析、完整的光伏发电体系构建、光伏发电具有的劣势分析等角度对光伏发电进行了简要的解析，并对其应用场景做了简单概述。

关键词：太阳能；光伏发电；应用

引言：

经济社会的发展需要消耗巨大的能源，在工业化、信息化时代，电力是维持社会运转的主要能源之一。传统的电力供应手段以燃烧化石能源为主，但是，随着环境污染的加剧、化石能源的短缺，这种电力供应已经逐渐不能满足社会发展的需要。为了在维持社会运转的同时保护生态环境，寻找一种对生态环境污染小或者无污染且储量丰富的新型能源成为人类社会发展的新需求。太阳能作为一种天然无污染、能源储量大的新能源，成为替代传统化石能源的重要选择之一。

一、太阳能光伏发电技术简析

（一）太阳能的优势及太阳能发电技术概述

太阳能是一种辐射能，太阳能的主要辐射形式可以分为两种，第一种传播形式是光辐射，光辐射传播能量的主要形式是电磁波或光子；另外一种能量传播形式是热辐射。太阳通过核聚变反应过程产生能量，以光和热的形式向周围的空间进行能量传播，太阳在一分钟内产生的能量可达2.316×10²⁶J,如此庞大的能量在传播过程中由于各种损失，到达地球表面的仅占总能量0.00000005%。从能源的丰富度上来说，太阳能总体的储量是极为巨大的，人类可使用的能源用还有广阔的提升空间。

从宽泛的定义上来说，地球上目前存在所有能源都属于太阳能的不同形态；从狭隘的定义上来说，太阳能则仅指太阳核聚变反应所表现出来的光能和热能两种。人类利用太阳能的技术以利用太阳辐射的光和热为主，对应的发电技术有两种：一种是直接利用太阳热辐射的光热发电技术，即通过一定规模的聚光设备聚合太阳热辐射，将太阳的热量转换成水蒸汽，以水蒸汽推动汽轮机运转从而产生电能。这种发电模式将太阳热能与传统发电技术结合，具有成本小、技术成熟的优势。还有一种是直接利用太阳光的发电技术，即通过光伏组件构建一个完整的发电系统，利用光电效应发电。相较利用太阳热量发电的技术而言，光伏发电的研发成本较高，但效率也相对较好。

（二）光伏发电技术分析

1.光伏发电技术的基本原理

光伏电池是整个发电系统组件中的基础，光伏电池即的构成以硅元素为主。硅原子结构比较特殊，硅原子的原子核外共有14个电子，按照能级不同排列成三层。硅原子最外层的4个价电子直接影响硅的导电性，一般情况下，外层的价电子以共价键结合的形式使硅原子处于一种亚稳定的状态，最外层的4个价电子完全在中心原子核的控制之下，因此处于不导电状态。但若在单晶硅里加入一定量磷元素之后，因为磷的原子核第三层存在的价电子要比硅多一个，硅原子与磷原子结合时，除共价结合的电子外就会产生一个自由电子。多余的自由电子使得材料中导带电子浓度增高，这种加入其它元素导致原材料导电性发生变化的材料就是N型半导体材料。同样，若单晶硅加入一定量硼，因为硼原子核最外侧的价电子数目只有3个，两者在结合时少了一个电子就会形成空穴，空穴是带电的，这同样改变了原材料的导电性，从而制成了P型半导体。通过特定的制作方法将这两种半导体材料贴合在同一个基片上，因为两者内部的自由电子状态恰好相反，相互之间便出现电子扩散，扩散会在交界处造成一个空间电荷区，材料间电子扩散路径与电场内电子运动路径恰好相反。在这个电场的约束下，电子的漂移与材料之间电子的扩散逐步达形成一种动态均衡，从而形成P-N结。P-N结的单向导电性极强，P-N结受到光子轰击之后会使一些电子脱离原子核的控制，形成电子和空穴，构成电势差，在外部电路被接通时空穴和电子之间的电子移动便会形成电流。

2.现有的太阳能电池技术分析

光伏电池作为光伏发电技术的核心，伴随着科技的发展已经被更新改良了很多次，第一代光伏电池主要是采用硅作为原料，其原材料的成本相对较高，电能消耗相对较大。后来对其原材料进行了优化，研发了以非硅为原材料的光伏电池，其原材料成本不仅较低，而且运转期间还能大大降低电力的耗能。而现今通过最新的研发技术，已经研发了以晶体硅与薄膜电池构成的光伏电池，通过科学技术和设计理念的优化，进一步实现了光伏发电期间光电的转换效率。 硅基电池是太阳能电池中数量最多的，另外还有使用新技术的薄膜太阳电池、柔性衬底薄膜太阳电池等。这些太阳电池种类汇总，生产工艺相对比较成熟的是硅基太阳电池，同时其使用规模也是最大的，它是全球太阳能电池市场份额的主要占据者。硅基太阳能电池依据晶体构造不同可以分为单晶、多晶、非晶三种，这几种类型的太阳电池各自的优劣势都很明显。薄膜硅太阳电池的特征是比较薄的活性层沉淀或附在无活性的支撑衬底上，与传统的300μm厚硅片或硅带构成的硅太阳电池相比，薄膜硅太阳电池制作的能耗低成本低，也是很有发展前景的太阳电池之一

^[1]。

3.完整的光伏发电系统构建

太阳光能是一种易受外部环境影响的能源，天气状况、设备运行状况等都会直接影响到光伏发电的发电效率。另外，光伏电池板与太阳光线倾角保持及对太阳运动路径的追踪设计，更是直接关系到光能的获取效率。地表太阳能密度低，为了提高太阳能利用有效性，聚光光伏技术可发挥重要价值^[2]。聚光光伏技术通过一套完整的光学、运动跟踪、散热等系统构建，大大提高了太阳光能的利用率，可以极大地提高光伏发电的效率。太阳能电池只是整个发电系统中的基础组件，因此，构建高效的发电系统也是其中一个综合性的关键技术。

4.光伏发电技术存在的劣势分析

从广电转换效率上说，光伏发电的效率主要依靠光伏电池的光能转化率，以当前使用规模较大的硅基太阳能电池来说，实验转化效率与实际所表现出的转化效率还有不小的差异。首先，在提高光能利用效率上，太阳能电池高强度光能承受力、超级散热等系统的研究也还存在诸多的难点。其次，太阳辐射受气候变化、地势地形，昼夜变化等不确定因素的直接影响，存在极大的不确定性。另外，我国的光能资源分布相对不够平衡，西北内陆地区光热资源充足但技术资金稀薄，而东南地区则恰好相反。最后，太阳能光伏电池的生产需要消耗大量能源，同时造成严重的污染^[3]。光伏电池的工业生产中有一定的工艺技术要求，其在生产制备当中中形成的毒性化何物会对周围的自然环境造成污染。

二、光伏发电技术的相关应用

（一）独立光伏发电的主要应用场景

独立光伏发电是突出的优势是整个发电系统自成一体，可大可小，其应用场景相对比较广泛。大型的独立光伏发电系统可以在偏远重要地域的供电上发挥重要的作用，如偏远山村用电供电、偏远信号基站供电、偏远地区科考站供电等。小型的独立光伏发电应用场景更加广泛，在基础设施建设上大量应用独立光伏发电，可以有效的节省投入成本。如将太阳能发电技术应用在道路照明上，不仅安全、节能、环保，而且避免了电力电缆的长途铺设。另外，在独立光伏发电系统中加入交流逆变器，还建立一种以独立光伏发电技术供电为主、传统供电基础为辅的供电综合供电模式，提高清洁能源的使用率，减轻火力发电带来的大气污染，取得节能减排的环境保护效果。

（二）并网光伏发电的主要应用场景

并网光伏发电是将光伏电站产生的电能通过科学的转换，将其并入整个公用电网系统。大规模光伏发电产作为现有清洁能源发电的一个组成部分，在并入公共电网后，可以进一步优化电网的供电结构结构，在电网发生故障时，作为一个重要的备用电源，在工业生产、居民生产生活等方面发挥重要的作用。

随着国内科技的不断进步，光伏发电做为一种新型的绿色清洁型发电技术，相比传统的发电手段来说，要更加的系统和科学，其实现了将太阳能转化为电能，然后借助逆变器、光伏组件等转化成符合国内电网标准的交流电，在把其并入到公共的电网当中。现阶段，主要有以下两种并网技术，其一、有蓄电池的技术，其可调度性良好，能够按照实际的需求进行并网和退出操作，有着操作灵活的特点，还具备着充当电源的作用。其二、没有蓄电池的技术，不具备可以调度和操作的特性，因此其比较广泛应用于大型的发电系统中。

（三）光伏发电的其它应用场景

人们生态环境保护意识的加强推动了新能源汽车的发展，与此同时，对相应的电力基础设施需求也在提升。太阳能资源分布的广泛性和巨大的储量以及光伏发电技术的成熟为完善电力基础设施提供了良好的开展条件，利用聚光光伏系统发电的光伏电站在为新能源汽车供电上将发挥重要作用。此外，发展航天技术也无法脱离光伏发电技术的支持。

三、结束语

从整体上来说，太阳能光伏发电技术发展到现在，已经形成了一定的产业规模。随着技术条件变得越来越成熟，光伏发电在人们生产生活中的应用也正在变得越来越普遍。从社会发展的整体趋势和能源产业发展方向上来看，光伏发电技术的改进和光伏发电系统的优化研究，必将变成未来社会能源结构优化的一个重点。

参考文献：

[1] 方刚剑. 太阳能光伏发电技术及其应用探讨[J]. 智能城市, 2019, 5(11):2.

[2] 袁逸秀. 太阳能光伏发电技术的研究发展探讨[J]. 科学与信息化, 2018(31):2.

[3] 苏 芳. 探讨市政照明中应用太阳能光伏发电技术[J]. 山东工业技术, 2016(9):1.

通过科学技术和设计理念的优化，进一步实现了光伏发电期间光电的转换效率。