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太阳能光伏

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生產中的太阳能光伏电池
位于柏林郊区的太阳能装置
“光伏树”在奥地利施蒂利亞州

太陽光電系統,也稱為光生伏特,简称光伏Photovoltaics;字源“photo-”光,“voltaics”伏特),是指利用光伏半导体材料的光生伏打效应而将太阳能转化为直流电能的设施。光伏设施的核心是太阳能电池板。目前,用来发电的半导体材料主要有:单晶硅多晶硅非晶硅碲化镉等。由于近年来各国都在积极推动可再生能源的应用,光伏产业的发展十分迅速[1]

截至2010年,太阳能光伏在全世界上百个国家投入使用。虽然其发电容量仍只占人类用电总量的很小一部分,不过,从2004年开始,接入电网的光伏发电量以年均60%的速度增长。到2009年,总发电容量已经达到21GW[2],是当前发展速度最快的能源。据估计,没有联入电网的光伏系统,目前的容量也约有3至4GW[2]

光伏系统可以大规模安装在地表上成为光伏电站,也可以置于建筑物的房顶或外墙上,形成光伏建筑一体化

太阳能电池问世以来,使用材料、技术上的不断进步,以及制造产业的发展成熟,都驱使光伏系统的价格变得更加便宜[3]。不仅如此,许多国家投入大量研发经费推进光伏的转换效率,给与制造企业财政补贴。更重要的,上网电价补贴政策以及可再生能源比例标准等政策极大地促进了光伏在各国的广泛应用。

原理[编辑]

光生伏打效应(英语:Photovoltaic effect),簡稱為光伏效應,是指受光线或其他電磁輻射照射的半导体或半导体与金属组合的部位间产生電壓與電流的现象。最早于1839年由法国物理学家亞歷山大·愛德蒙·貝克勒爾发现[4][5]

光伏组件由許多光伏電池互連组合而成,其效率描述了多少阳光被转化为电能。例如,一块效率为20%的面板在1000瓦的日照下,每小时它将产生200瓦时的电能。光伏组件的朝向会影响发电效率。[6]

應用[编辑]

1954年,贝尔实验室制成效率为6%的光伏电池;自1958年起,光伏效应以光伏电池的形式在空间卫星的供能领域首次得到应用。时至今日,小至自动停车计费器的供能、屋顶太阳能板,大至面积广阔的太阳能发电中心,其在发电领域的应用已经遍及全球。薄膜太阳能电池英语Thin film solar cell是先进的第三代太阳能电池英语Third generation solar cell。它们以较低的成本生产高效率的转换。

系统[编辑]

太阳能交流发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成;太阳能直流发电系统则不包括逆变器。[7]

局限[编辑]

  • 生產過程

  太陽能板的原材料和電腦芯片原材料一樣。大量生產過程中需要大量能源,有毒有害化學物質。化學物質主要靠工廠所在地法律法規管控。某些太陽能工廠已經安裝太陽能系統,用太陽能系統產生的清潔能源生產太陽能板。

  • 對電網的影響

  截至2017年12月,澳洲東部昆士蘭州有超過31%居民擁有屋頂太陽能系統,平均安裝功率超過3.5千瓦(世界第一)。但是高太陽能系統普及率也給電網電壓帶來問題。居民區中午用電量低,主要以出售電力給電力公司為主。傳統電網並沒有考慮雙向電力輸送。在居民區電力大額傳輸回電網的時候,電壓會逐步抬高,而且可能超過電器設備可承受範圍[8]。科學研究已經有方法解決這種問題,但是都有各種成本考慮,例如,在中壓電網額外增加電壓控制裝置。

對於其他國家或地區的啟示:沒有系統性的分析和規劃,單一鼓勵促進太陽能在居民區的普及會帶來新的風險。更好的方式之一是,通過稅收或其他鼓勵措施,促進工業和商業用戶的太陽能系統安裝。因為工商業用戶主要用電高峰經常在白天,太陽能系統在日照白天發電,補充工商業用電,降低工商業對電網的壓力。

  • 對能源投資和電費管理的影響

  現實生活中的問題經常複雜多變,原因錯綜複雜。對於能源投資和電費管理也是同樣的道理,沒有適合每個方案的萬用靈丹。太陽能系統投資也許是很好的選擇,如果:當地陽光充足,電價較高而且持續漲價,政府通過財政或金融方式大力支持,電力可賣回給電力公司 (澳洲和德國)。投資回報經常是能源投資的主要考量。但是系統性的檢查,評估和分析,也許會發現,在目前市場條件下,一套綜合性的方案是最合適的。例如,通過房屋建築能效提高[9],既有设备运行的改善[10],和太阳能系统投资[11] ,可能會提供業主最好的投資回報[12]

發展[编辑]

全球太陽能光伏發電統計 [13]
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
裝置量(MW) 639 871 1,252 1,746 2,809 4,245 5,714 8,230 14,855 22,938
發電量(GWh) 1,177 1,463 1,831 2,329 3,054 4,249 5,818 7,864 12,721 21,092
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
裝置量(MW) 39,455 71,251 100,677 137,260 178,090 226,907 302,782 399,613
發電量(GWh) 33,829 65,211 100,925 139,044 197,671 260,005 328,182 442,618
佔全球發電量比 0.16% 0.29% 0.44% 0.59% 0.83% 1.07% 1.32% 1.73%
全球太陽能光伏裝置量百萬瓦(MW)前十國
國家 2017[14] 2018[15] 2019[16]
 中华人民共和国 130,632 175,018 205,072
 日本 48,600 55,500 61,840
 德國 42,394 45,930 48,960
 美國 41,131 49,692 60,540
 義大利 19,692 20,120 20,900
 印度 19,047 26,869 34,831
 英国 12,791 13,108 13,398
 法國 8,195 9,483 10,562
 澳大利亚 6,413 9,763 15,928
 韩国 5,602 7,862 10,505

內部連結[编辑]

外部链接[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ German PV market. [2011-07-07]. (原始内容存档于2010-01-02). 
  2. ^ 2.0 2.1 REN21. Renewables 2010 Global Status Report页面存档备份,存于互联网档案馆) p. 19.
  3. ^ Richard M. Swanson. Photovoltaics Power Up, Science, Vol. 324, 15 May 2009, p. 891.
  4. ^ Edmond Becquerel - "Mémoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires", le 29 juillet 1939 Sur le site gallica.bnf.fr, consulté en mars 2016(法文)
  5. ^ Photovoltaic Effect页面存档备份,存于互联网档案馆). Mrsolar.com. Retrieved on 2010-12-12.
  6. ^ 科普:了解光伏组件效率的基本原理. 2020-11-24 [2022-10-13]. 
  7. ^ 太阳能电池板的功率计算、发电效率及使用寿命. OFweek. [2022-10-13]. 
  8. ^ W. Miller, A. L. Liu, Z. Amin, and A. Wagner, "Power quality and rooftop-PV households: an examination of measured data at point of customer connection," Sustainability, https://eprints.qut.edu.au/117688/页面存档备份,存于互联网档案馆), http://www.mdpi.com/2071-1050/10/4/1224页面存档备份,存于互联网档案馆) (Open Access), p. 29, 2018.
  9. ^ L. Liu, W. Miller, and G. Ledwich, "Community centre improvement to reduce air conditioning peak demand," 7th International Conference on Energy and Environment of Residential Buildings, pp. 279-288. doi: 10.4225/50/58107ce163e0c Available: http://eprints.qut.edu.au/101161/页面存档备份,存于互联网档案馆
  10. ^ L. Liu, G. Ledwich, and W. Miller, "Demand side management with stepped model predictive control," presented at the Australasian Universities Power Engineering Conference, The University of Queensland, Brisbane, Qld, Australia, 2016. Available: http://eprints.qut.edu.au/99914/页面存档备份,存于互联网档案馆
  11. ^ L. Liu, W. Miller, and G. Ledwich. (2017) Solutions for reducing facilities electricity costs. Australian Ageing Agenda. 39-40. Available: https://www.australianageingagenda.com.au/2017/10/27/solutions-reducing-facility-electricity-costs/页面存档备份,存于互联网档案馆
  12. ^ W. Miller, A. L. Liu, Z. Amin, and M. Gray, "Involving Occupants in Net Zero Energy Solar Housing Retrofits: an Australian Sub-tropical Case Study," Solar Energy. doi: https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.10.008 Available: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X17308733, https://eprints.qut.edu.au/114591/页面存档备份,存于互联网档案馆
  13. ^ BP: Statistical Review of World Energy 2018页面存档备份,存于互联网档案馆
  14. ^ International Renewable Energy Agency: Renewable Capacity Statistics 2018 PDF页面存档备份,存于互联网档案馆
  15. ^ International Renewable Energy Agency: Renewable Capacity Statistics 2019 PDF页面存档备份,存于互联网档案馆
  16. ^ International Renewable Energy Agency: Renewable Capacity Statistics 2020 PDF页面存档备份,存于互联网档案馆