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都2020年了太阳能发电咋还没普及?先看看光是怎么变成电的

来自:北京科学中心 


看到下面的这个图,很多人都能说出这是太阳能发电装置,但是太阳能发电的原理以及迟迟未普及的原因,你也能逐一道来吗?今天我们来一探究竟。



太阳能发电系统光伏阵列 来源|网络


太阳能如何发电?


太阳能发电是将来自地球外部天体的能源(主要是太阳能)转化为人类可利用的电能的过程。太阳能发电主要包括:光热发电与光伏发电两种形式。


对于光热发电,因为太阳能热水器的普及,大家可能会比较熟悉。太阳能光热发电过程可总结为:光—热—电的转换过程。


利用大量反射镜或者透射镜将太阳光聚集并加热工质(媒介物质),随后高温工质经过热交换系统,将水加热为高温高压蒸汽,最后高参数蒸汽进入汽轮发电机组中做功并输出电力。


因其发电过程要求充足的直射光线和充足的水源,因此在光热系统建设对地势与建设区域自然资源的要求也相对苛刻。不过,其发电稳定性与可持续性的优势,却是光伏发电所不具有的。



来源|东方电气评论


相比于光热发电,光伏发电对自然资源要求不高,加之其可以更加充分利用太阳辐射总量,且对地形兼容性较好,因此具有相当大的优势,是太阳光利用的主要途径。


光伏发电系统主要由逆变器(将直流电转变为交流电)、太阳能电池(将光能转化为电能)、控制器(控制充放电)、蓄电池(储蓄或提供电能)四个部分组成。


其中,太阳能电池(光伏阵列)是光伏发电系统的关键部分,其质量和成本直接决定整个发电系统的质量和成本。




来源|上海电气技术


常见的太阳能电池有哪些?


自1954年太阳能电池发明至今,太阳能电池种类逐渐丰富,且结构多样,转换效率明显提高。按照生产材料不同,市场上的太阳能电池可分为3个类型:晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池和光电化学太阳能电池。


晶硅太阳能电池起步最早,市场占有率最高。晶硅太阳能电池基于半导体P-N结,接受太阳光照射产生“光伏效应”,直接将光能转化为电能。


P-N结是指P型半导体和N型半导体结合时,两者交界处附近的区域。P-N结的特性由半导体中的载流子特性决定。


P型半导体中存在大量可以移动的空穴载流子而N型半导体中几乎没有空穴,因为浓度差而导致空穴由P区扩散至N区。


同样,N型半导体中存在大量自由电子载流子而P型半导体则几乎没有,二者存在的自由电子浓度差,导致电子由N区扩散至P区。


空穴和电子在N区与P区的交界附近相遇并复合,导致在界面附近有一段距离缺少载流子,即形成了一个空间电荷区。


P型半导体一边的空间电荷是负离子, N型半导体一边的空间电荷是正离子,正负离子在交界附近产生一个内电场。这个电场阻止载流子进一步扩散,却迫使部分载流子沿与扩散运动相反的方向漂移。


当漂移与扩散达到平衡状态,便形成了一个阻挡层。该阻挡层就是P-N结。



P-N结的形成 来源|中国中学教学百科全书·物理卷


当太阳光照在太阳能电池的P-N结上,半导体材料对光子本征吸收产生光生空穴电子对,并在内电场作用下,光生电子向N端移动,光生空穴向P端移动。随着光生电子在N区边界积累,光生空穴在P区积累,P区与N区之间形成电势差。


当PN两端连接成回路后,电路中便产生了一个由N端指向P端的电流。光照产生的空穴电子对越多,电势差越大,电流越强。



来源|各种太阳能发电技术研究综述


与晶硅太阳能电池相比,薄膜太阳能电池与光化学太阳能电池起步较晚,市场接受程度不及晶硅太阳能电池。


薄膜太阳能电池是用半导体薄膜作为基板制造的太阳能电池,能耗较少,可产生电压的薄膜厚度仅需数微米,适合光伏建筑一体化。


目前市场上的薄膜太阳能电池主要包括硅基、碲化镉和铜铟镓硒薄膜太阳能电池三种类型,发电原理与晶硅太阳能电池相似。


常见的光电化学太阳能电池有染料敏化纳米晶太阳能电池。染料敏化纳米晶太阳能电池由光阳极、染料敏化剂、对电极和氧化还原电解质组成,原理源于人类对植物光合作用的模仿,利用染料敏化剂优异的吸光性能将太阳能转化为电能。


此外,钙钛矿太阳能电池和量子阱半导体太阳能电池作为后起之秀,前景较好。


钙钛矿太阳能电池的发电原理和结构均与染料敏化电池类似,以钙钛矿(CH3NH3PbX3(X=Br,I))为光吸收层,钙钛矿层两端界面分别和N型半导体、P型半导体接触形成P-I-N结构(或者N-I-P反型结构)。


量子阱半导体太阳能电池是研制高效率Ⅲ-Ⅴ族复合物半导体太阳能电池的有效途径,亦是提升叠层电池转换效率的手段。科学家通过调节电池中量子阱半导体太阳能电池中不同元素的含量,以获得更高的光电转换效率。



卫星上的太阳能发电设备 来源|网络


随着太阳能电池的蓬勃发展,航空事业也得到推进。较于普通太阳能电池,应用于空间站的太阳能电池具有长期持续发电、效率高、零排放、能承受各种冲击的优势。


目前我国空间站用太阳能光伏电池主要以经济性好,工作稳定的晶硅太阳能电池为主。


与此同时,单结砷化镓太阳电池与多结级联砷化镓太阳电池也在空间站得到应用,发展也较为迅速,但由于不同成分组成的太阳能电池有着不同的优缺点,因此各个类型的太阳能电池在空间中的岗位也不尽相同。


为啥太阳能发电没有普及?


介绍到这里,或许大家会很疑惑:太阳能研制已逾百年,且得到如此多的成果,那么为啥都到了2020年了太阳能发电还没大规模应用于民用发电呢?


原因主要分为两类:环境因素、成本因素。就环境而言,太阳能发电要求有足够的直射光照以及光照时长,因此太阳能发电受气候制约比较大。不是所有的地区都适合安装太阳能发电设备,而且不是任何季节都适合使用太阳能发电。


就成本而言,光伏发电的太阳能电池单件的发电效率极低,故而要增大效率,必须提高采光面积,显然这不仅导致发电建设成本非常高,而且若其作为民用发电,电费昂贵,性价比不高。


如要降低太阳能发电成本,可以从光伏发电全过程的每一步进行技术改进。但是尽管每一步都有成本下降的余地,面临的挑战依旧很多,材料、设备、电池、电池组件、兆瓦级光伏电站等各项技术都未完全成熟。


因此,太阳能发电的普及还有赖于技术创新,以得到效率高、成本低、易于制造的太阳能电池。

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