光伏发电（将光能直接转变为电能的技术）
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更新时间：2023-05-20
光伏发电
将光能直接转变为电能的技术
光伏发电（Photovoltaic power generation）是一种通过太阳能电池半导体材料将光转化为电能的技术。光伏发电系统一般由太阳能电池板、光伏逆变器、蓄电池组、控制器等组成。太阳能电池板将太阳能转化为直流电能，通过光伏逆变器将直流电能转化为交流电能，再通过电池组储存电能或直接供电，控制器则控制整个系统的运行。因此，光伏发电设备具备了精练的优势， 也能够长期使用，安装时也更加快速简便。从理论上讲，在各种场合中都能够使用光伏发电技术，其无处不在。
基本信息
中文名
光伏发电
英文名
Photovoltaic power generation
别名
太阳能发电
运用领域
任何需要电源的场合
原理
利用太阳能电池半导体材料的光伏效应，将阳光辐射能直接转换电能的一种新型发电系统
功能
将太阳能转化为电能
组成部分
太阳能电池板、支架、逆变器、电缆、电池、控制器等
应用学科
电气工程
原理
光伏发电（Photovoltaic power generation）是一种利用太阳能将光能直接转换成电能的技术。光伏发电原理基于光伏效应，即光子能够击穿物质表面的电子，将其激发出来形成自由电子和空穴，从而产生电流。光伏电池是光伏发电的核心部件，它由两层半导体材料构成。其中一层为p型半导体，具有较多的空穴；另一层为n型半导体，具有较多的自由电子。在光照下，光子被吸收并释放出一个电子和一个空穴。由于半导体中的电场作用，电子和空穴被分离到p-n结的两侧，从而形成电势差和电流。这个过程称为内部光电效应，可以将太阳能转换成电能。为了提高光伏电池的发电效率，常采用多晶硅、单晶硅、非晶硅等不同的材料制造光伏电池，同时也可以采用多级接合技术、光学浓缩技术等措施来提高光吸收效率和电子的收集效率。
发展过程
早期发展
光伏发电的早期发展可以追溯到1839年，当时法国物理学家贝克雷尔（Becquerel）发现光照能让导电液中的两种金属电级的电流得到强化，产生光生伏特效应，即将光能转化为电能的现象。这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。1954年，美国贝尔研究所的PEARSON等3位科学家成功开发出单晶硅太阳能电池，从此太阳能发电技术得到了实际应用。20世纪70年代，发达国家开始了太阳能发电技术的国家级计划，日本的“Sunshine计划”尤其引人注目。20世纪80年代后期，太阳能电池种类的增多和应用范围的扩大，使得光伏发电技术在20世纪90年代得到了迅速发展。德国在1990年率先提出并实施“一千屋顶计划”，美国于1997年宣布实施“百万太阳能屋顶计划”，1999年1月，德国又开始实施“十万屋顶计划”，2000年光伏发电装机容量已经超过40MW。2010年，全球光伏总装机容量首次突破4千万千瓦。2013年，全球光伏新增装机量达到37.6千兆瓦，其中23千兆瓦为屋顶太阳能光伏发电系统，15.4千兆瓦为公用事业规模的光伏电站。2015年，国际能源署旗下的光伏电力系统项目研究小组（IEA-PVPS）发布的报告指出，2014年全球光伏发电新增装机容量达38.7千兆瓦，累计装机容量至少达177千兆瓦。
现状与发展趋势
光伏发电是一种清洁、可再生、无污染的能源。进入21世纪的今天，太阳能光伏发电这种新兴的产业开始向民用领域渗透，最明显的是在民用建筑设 计、施工中的应用，在船舶、交通枢纽等运输业中也有应用。一项德国全球变化咨询委员会的研究指出，为了实现全球可持续能源发展，可再生能源在2050年的替代比例应该从2020年的20%增长到50%。日本太阳光发电协会的数据显示，每平方米的太阳光能达到1千瓦，如果100%转换成可消费的能源，1小时的太阳光能就足以满足全球一年的能源需求。随着技术的发展和研究，光伏电池的效率不断提高，将在2030年达到了约30%～50%的效率，高效的光伏电池可以减少光伏电站的占地面积和成本，提高发电效率和减低发电成本。同时未来的光伏发电应用范围将会扩大。除了传统的大型光伏电站，光伏发电还可以应用于分布式发电、户用光伏等领域。分布式光伏可以将光伏电站接入到社区、工业区等地，提供更加灵活的能源供应。总之，太阳能是清洁可再生能源的代表，在国际上受到充分重视。虽然太阳能光伏发电技术已有应用和研究成果，但仍有广泛的发展空间。除了有效利用当前技术外，还需要进一步研究光电转换效率、降低光伏材料成本以及建设光伏电站。这样才能更好地利用太阳能资源，替代化石能源，成为社会发展的新能源保障。
系统发电方式
独立光伏发电
独立光伏发电也称为离网光伏发电，是指利用太阳能光伏电池板和蓄电池组相结合的方式，独立地向设备或负载供电，不依赖于电网的电力供应方式。这种发电方式可以有效利用阳光资源，实现对清洁能源的利用，并为偏远地区提供电力供应。近年来，随着光伏技术的不断进步和价格的降低，独立光伏发电逐渐成为一种可行的替代能源方案。
并网光伏发电
并网光伏发电，是指将太阳能电池板转换的直流电通过逆变器转换为交流电，然后接入电网供电。这种发电方式可以将发电的多余电能送回电网，同时在用电高峰期使用电网的电力供应，实现了太阳能发电和电网互相补充的目标，同时减少了对传统能源的依赖。当太阳能电池阵列无法满足负载需求时，公共电网会提供电力.而当阵列产生的电能超过负载时，多余的电能则会馈回电网。为实现这一行为，需要并网逆变器以保证电能输出符合电网标准。因此，并网光伏发电系统能调峰并降低负载缺电率。
集中式光伏发电
集中式光伏发电系统可将太阳能直接 连入电网，由电网统一进行供电配置，属于单向交换类型。集中式大中型并网光伏电站主要特点是容量大、并网电压等级高，将所发电能 直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。由于其规模较大，通常需要建造在宽阔的空地上，例如沙漠、荒野等地。集中式光伏发电站的建设需要大量的资金和土地资源，但是由于其规模大，因此可以获得较高的发电效率和成本效益。
分布式光伏发电
分布式光伏发电是指将光伏发电系统分散在用户用电侧，将直流电通过逆变器转换为交流电，再接入到当地的用电系统中，实现自给自足或者并网供电的方式。分布式光伏发电是将太阳能电池板的发电系统分散部署在建筑物和地面的各个位置，分散供电和分散接受电力，从而降低能源的浪费和损失。分布式光伏发电系统通常包括太阳能电池板、逆变器、电池、控制器和监测装置等组成部分。其中太阳能电池板主要负责将太阳能转换为直流电，逆变器将直流电转换为交流电，同时通过电池和控制器将多余的电能储存起来，以备不时之需；监测装置可以实时监测系统的电量、电压、电流等参数，并进行远程控制和管理。
结构组成
光伏发电系统通常由太阳能电池板、支架、逆变器、电缆、电池、控制器等组成部分构成。
太阳能电池板
太阳能电池板是将太阳能转化为直流电的核心部分，通常由多个太阳能电池组成，每个太阳能电池由硅、磷、硼等半导体材料制成，呈蓝色或黑色。当太阳光照射到太阳能电池板上时，太阳能电池板将太阳光转化为直流电。
逆变器
逆变器是将太阳能电池板产生的直流电转化为交流电的装置，它可以将直流电转化为符合国家标准的交流电，并将交流电输入到电网或者用电负载中。逆变器通常具有光控、功率控制、故障保护等多种功能。
控制器
控制器是管理光伏发电系统的核心部分，它可以对太阳能电池板和电池的充放电过程进行控制，对逆变器的运行状态进行监测和调节，实现电能的合理分配和利用。
蓄电池组
支架
支架是太阳能电池板的支撑架构，通常由铝合金、不锈钢等材料制成，具有抗风、抗震、抗腐蚀等特点。支架的安装位置通常是建筑物的屋顶、墙面、停车场等，需要具备良好的承重能力和稳定性。
电缆
优缺点
优点
清洁环保
光伏发电不需要燃料，不会产生任何污染物和温室气体，无污染排放，因此是一种环保的能源。
可再生性
太阳能是一种无限可再生的能源，光伏发电系统的发电能力与太阳光照的时间、地点和季节等因素有关，但总体而言，它是一种可再生的能源。
可靠性高
光伏发电系统不需要燃料，没有机械部件，因此比其他能源设备更可靠。
低噪音
光伏发电不需要机械部件，不会产生噪音，因此是一种低噪音的能源。
缺点
能量密度低
太阳能的能量密度相对较低，因此需要大面积的光伏电池组来产生足够的电能，占地面积相对较大。
易受外界条件影响
光伏发电的发电能力易受到季节、昼夜、天气等条件的影响，如冬天、夜晚、阴天、雨天等气象会降低光伏发电的效率，这可能会对电力供应造成一定影响。
能量存储难度较大
由于天气条件不稳定，光伏发电需要一定的能量存储设备来保证供电的连续性，但能量存储技术目前仍有一定的局限性，这也是光伏发电需要解决的一个问题。
成本较高
光伏发电的成本较高，主要是因为光伏电池的制造和安装成本较高，虽然随着技术的发展，成本已经有所下降，但仍然比传统能源发电设备高。
应用领域
光伏发电是一种以太阳能为动力，将太阳辐射能直接转换为电能的技术。其应用领域较为广泛，包括但不限于以下几个方面。
屋顶光伏发电系统
屋顶光伏发电系统是指将太阳能电池板安装在建筑物的屋顶上，将太阳能转化为电能供建筑物使用。这种应用领域适用于各种建筑物，如住宅、商业建筑、工业厂房等，有利于降低能源成本，减少对传统能源的依赖。
公共设施与市政项目
公共设施和市政项目包括公共建筑、道路照明、交通信号等，这些项目通常需要大量的电能支持，而光伏发电系统可以为这些项目提供可靠的电力供应。在一些地区，政府还推出了一些鼓励政策，以促进公共设施和市政项目的光伏发电应用。
农业领域
光伏发电系统在农业领域的应用较为广泛，可以为农村地区提供电力，满足农业生产和生活的需求。同时，光伏发电系统还可以为农业温室、养殖等提供电力支持，减少农业生产的能源成本，提高农业生产的效率。
离网应用
离网应用是指将光伏发电系统应用于一些偏远地区或无法接入电网的地方。这种应用领域适用于一些山区、荒漠、海岛等地区，可以为这些地区提供可靠的电力供应，提高生产和生活的水平。
