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太阳能节能减排
太阳能光伏发电与节能减排
摘要:
当今时代,太阳能逐渐成为人们可信赖并且能够依靠的重要能源,它具有一些其它能源无可比拟的优势。
人们对它的关注度与日俱增,并且依靠先进的科学技术将其应用与生产与生活的各个领域。
本文就太阳能光伏发电这一重要技术做出简单的研究与探讨,从工作原理、实际应用、对节能减排的重大意义等方面一一对其做出分析与评价。
关键词:
太阳能光伏发电原理与构成应用节能减排
能源在发展中的重要地位不言而喻,在科技飞速发展、资源日益紧缺的今天,全世界的科学家都把目光集中到储量巨大、清洁的新型能源上,而太阳能就是其中的佼佼者。
人类对太阳能的利用早已兴起,近年来光伏发电这一技术又出现了长足的进步。
如何有效收集并且利用太阳的无穷能量,怎样将其变为我们最需要的能量形式?
对于这些问题我们已经有了答案。
首先简单介绍一下太阳能光伏发电工作原理和系统组成。
1.光伏发电原理
光伏发电,其基本原理就是“光伏效应”。
光子照射到金属上时,它的能量可以被金属中某个电子全部吸收,电子吸收的能量足够大,能克服金属内部引力做功,离开金属表面逃逸出来,成为光电子。
而当太阳光照射在太阳能电池上时,电池吸收光能,产生光电子—空穴对。
在电池内建电场的作用下,光电子与空穴被分离,出现异电荷的积累,即产生“光生电压”,这就是“光生伏特效应”,简称“光伏效应”。
太阳能转换为电能的工作原理可概括为3个过程:
①太阳能电池吸收一定能量的光子后,半导体内产生电子-空穴对,产生“光生载流子”,两者的电性相反,电子带负电,空穴带正电;②电极相反凡人光生载流子被半导体p-n结所产生的静电场分离开;③光生载流子电子和空穴分别被太阳能电池的正、负极所收集,并在外电路中产生电流,从而获得电能。
2.太阳能电池发电系统
太阳能电池发电系统又称太阳能光伏发电系统。
地面太阳能光伏发电系统的运行方式,主要可分为离网运行和联网运行两大类。
未与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为离网型太阳能光伏发电系统(又称独立性太阳能光伏发电系统);与公共电网相联接的太阳能光伏发电系统统称为联网型太阳能光伏发电系统。
不论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳能电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成,其中:
离网型太阳能光伏发电系统根据用电负载的特点,可分为直流系统、交流系统和交直流混合系统等几种。
其主要区别是系统中是否带有逆变器。
一般来说,离网型太阳能光伏发电系统主要的由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成;联网型太阳能光伏发电系统可分为集中式大型联网光伏系统和分散式小型联网光伏系统两大类型。
其中住宅型光伏系统由于建设容易、投资不大、称为主流。
典型住宅联网型光伏系统主要由太阳能电池方阵、联网逆变器和控制器三大部分构成。
下面以离网型太阳能发电系统为例具体介绍各部分的组成结构:
1.太阳能电池方阵
太阳能电池单体是光电转换的最小单元,尺寸一般是2cm*2cm到15cm*15cm不等。
太阳能电池单体的工作电压为0.45~0.5V,工作电流为20—25mA/cm*㎝,一般不能单独作为电源使用。
将太阳能电池进行串并联并封装后,就可成为太阳能电池组件,一般功率为几瓦、几十瓦、甚至是100—300瓦,是可以单独做为电源使用的最小单元。
太阳能电池组件在经过串并联并装在支架上,就可以构成了太阳能电池方阵,可以满足负载所需要的输出功率。
2.防反充二极管
又称阻塞二极管。
其作用是避免由于太阳能电池方阵在阴雨天和夜晚不发电时或出现短路故障时,蓄电池通过太阳能电池方阵发电。
3.蓄电池组
其作用是储存太阳能电池方阵受光照时所发出的电能并随时向负载供电。
4.控制器
是光伏发电系统的核心部件之一。
一般具备如下功能:
①信号检测②蓄电池最优充电控制③蓄电池充电管理④设备保护⑤故障诊断定位⑥运行状态指示
5.逆变器
逆变器是将直流电换成交流电的设备。
由于太阳能电池方阵和蓄电池组发出的是直流电,当负载是交流负载时,逆变器是不可缺少的。
要求①能输出一个电压稳定的交流电。
②能输出一个频率稳定的交流电。
③输出的电压及其频率在一定范围内可以调节。
④具有一定的过载能力。
⑤输出电压波形含谐波成分尽量小。
⑥具有短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护功能和报警功能。
⑦起动平稳,启动电流小,运行稳定可靠。
⑧环流损失小,逆变效率高。
⑨具有快速的动态响应。
光伏发电技术的的出现与日益完善,极大地提高了人类对太阳能的利用效率,使其能够在多个方面为人类服务,为生产生活提供便利。
太阳能电池较早在日常生活中的应用是1980年在计算器上的使用。
这主要有两个原因:
第一是半导体集成电路IC、LSI的发展,使得电子产品消耗的点亮大幅度下降,在室内灯光下,太阳能电池也能产生电力,可以充分地使计算器等电子产品正常工作;另一个原因是电子产品工作所必需的电压能从一个基片上得到,这样一种新的集成型非晶硅(a-Si)太阳能电池可以便宜地制造。
太阳能电池计算器实用化后,从手表开始,逐渐推广到各种电子产品的应用。
下面介绍下太阳能电池在日常生活中的几个应用。
一、太阳能手表
为减少手表中电池的更换,同时考虑到保护环境,在太阳能电池基础上实现了对充电电池进行充电的太阳能手表,如图所示。
由于手表在黑暗的地方也必须工作,所以设计了由充电电池提供电力,太阳能电池再对充电电池进行充电的方法。
用保护二极管防止电流流向太阳能电池,用重点控制电路防止充电电池充电过度。
为了提高充电电池电池寿命也可以采用电动双叠层电容代替充电电池。
太阳能电池所提供的电流是与亮度成正比的。
在荧光灯及雨天时,由于亮度小,几乎不能充电。
实质性的充电只有在太阳能电池受到太阳光照射时才能进行。
因此,太阳能手表是以可以用太阳能进行充电为前提进行设计的。
由于手表的消费能力随着IC的进步明显地减少,因此一般设计成在某种程度上(通常是数月以上)即使有持续不充电的日子,手表也可以照常进行工作。
二、太阳能热水器
太阳能热水器把太阳光能转化为热能,将水从低温度加热到高温度,以满足人们在生活、生产中的热水使用。
太阳能热水器是由集热管、储水箱及相关附件组成,把太阳能转换成热能主要依靠集热管。
集热器受阳光照射面温度高,集热管背阳面温度低,而管内水便产生温差反应,利用热水上浮冷水下沉的原理,使水产生微循环而达到所需热水。
太阳辐射透过玻璃盖板,被集热板吸收后沿肋片和管壁传递到吸热管内的水。
吸热管内的水吸热后温度升高,比重减小而上升,形成一个向上的动力,构成一个热虹吸系统。
随着热水的不断上移并储存在储水箱上部,同时通过下循环管不断补充温度较低的水,如此循环往复,最终整箱水都升高至一定的温度。
三、太阳能灯
太阳能灯是由太阳能电池板转换为电能。
在白天,即使是在阴天,这个太阳能发电机(太阳能板)收集,存储需要的能量。
因此,太阳产生能量,是用来生产电力。
太阳能作为一种“取之不尽,用之不竭”的安全、环保新能源越来越受到重视。
左图为实物图,右图为其工作电路图。
太阳能灯,可广泛用于草地、广场、公园等场合的点缀装饰,属于灯具技术领域。
其主要采用灯罩连接底托,电池板置于电池盒上内置于灯罩内,电池盒安装在底托上,发光二极管安装在电池板上,太阳能电池板采用导线连接可充蓄电池及控制电路。
实用新型结构一体性、简单、紧凑,合理;无外接电源线,使用安装方便,外形美观;由于采用发光二极管置于底托内,发光后整个灯体都被照亮,光感效果更佳;所有电器元件内置,具有很好的实用性。
太阳能电池在生活中的其他应用还有汽车电瓶充电器、一般充电器、交通上的自发光障碍物指示灯、道路路标、方向指示标等,应用可谓极其广泛。
综上所述,太阳能的光伏发电技术已经有了较为成熟的技术和非常广泛的应用,并且不难看出其与我国目前所倡导的节能减排有十分密切的联系。
节能减排有广义和狭义之分,广义而言是指节约物质资源和能量资源,减少废弃物和环境有害物(包括三废和噪声等)排放;狭义而言,是指节约能源和减少环境有害物排放。
针对于伴随我国目前经济快速发展而产生的高耗能、高污染行业过快增长的严峻形势,依靠科技,加快技术开发和推广是解决这一问题的有效途径。
包括光伏发电在内的太阳能的一系列有效利用形式,一定能够在全世界的节能减排过程中发挥其重大的作用。
经济、资源、环保是困扰现代社会发展的三大问题,简称为3E(EconomyEnvironmentEnergy),然而,随着工业化的推进和人口的增长,我们常用的各种资源出现了不同程度的危机,按照现在的发展趋势,石油、天然气和铀矿的可采时间不过60年,煤炭大约只有200多年。
世人的目光纷纷投向了新能源,太阳能便以其独一无二的优势引起了人们的关注:
它可谓取之不尽、用之不竭。
照射在地球上的太阳能非常巨大,大约40分钟照射在地球上的太阳能,便足以供全球人类一年能量的消费;太阳能发电绝对干净,不产生公害,无污染。
所以太阳能被誉为是理想的能源,洁净、可再生,是传统化石能源最为重要的替代品。
太阳能获得电力同以往其他电源发电原理完全不同,具有以下特点:
①无枯竭危险;②绝对干净(无公害);③不受资源分布地域的限制;④可在用电处就近发电;⑤能源质量高;⑥使用者从感情上容易接受;⑦获取能源花费的时间短。
当然也有不足之处:
①照射的能量分布密度小,即要占用巨大面积;②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关;③储存困难,效率不够高;④目前费用较高。
但总的说来,瑕不掩瑜,作为新能源,太阳能具有极大优点。
二氧化碳是造成全球变暖的祸首,引发了一系列环境问题,为此,我国签署《京东议定书》,并根据联合国报告减少20%的碳排放。
太阳能光伏发电能够实现近乎为零的碳排放量,能够有效控制我国在生产生活中的二氧化碳排放。
通过对比不同的发电设备,在大规模生产中,多晶硅太阳能电池EPT(能源开发投资的回收时间)只需2到3年,非晶硅则更短,能够很快实现净能源产出并且获利。
由于太阳能发电的诸多优点,世界各国都在该方向投入了大量人力物力进行科学研究,并有许多卓有成就的建设项目。
如德国阿尔斯坦地区的12兆瓦光伏电站,美国光伏发电的“百万屋顶计划”,日本的“阳光计划”,世界上最大的太阳能光电厂:
西班牙OlmedillaPhotovoltaicPark电厂等等。
我国拥有世界上丰富的太阳能资源,尤其以中西部地区(西藏、青海、新疆等地)日照时间长,辐射强度高,是理想的光伏发电地区,我国也在大力投资建设许多相关项目。
羊八井的光伏电站,香港的北京路环保大厦,保定电谷锦江国际酒店等,都很好地应用了光伏发电技术。
我国的无锡尚德、常州天合、保定英利等企业的光伏设备制造均处于世界领先行列,其中尚德公司CEO施正荣为我国光伏产业做出了巨大贡献,先后荣获美国《时代》周刊“环保英雄”、“2007绿色国家年度人物奖”和“可以拯救地球的50人”等多项荣誉称号。
凡此种种,都有力的论证了太阳能光伏发电技术在节能减排道路上的巨大潜质。
如今,在国家政策的积极支持下,太阳能发电的高速发展和大容量应用的时代即将到来。
相信在提高太阳能电池发电效率,降低成本,研发更加成熟与稳定的应用技术之后,太阳能光伏发电技术能够更有效地解决能源枯竭、污染严重的环境问题,为世人造福,创造更加清洁纯净的地球环境!
参考文献:
《太阳能光伏电池及应用》
《太阳能光伏发电实用技术(第二版)》主编:
王长贵王斯成
张晓东,杜云贵,郑永刚.核能及新能源发电技术.中国电力出版社,2008
沈辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术.化学工业出版社,2005
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石璟丽,都志杰,任东明.中国无电地区可再生能源电力建设,2009
节能减排_XX百科
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太阳能发电_XX百科
XX百科_施正荣
联合国报告:
中印减排20%,发达国家减排80%
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