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太阳能光伏发电技术及其相关应用

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

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进行能量传播,太阳在一分钟内产生的能量可达2.316×10J,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。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

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