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太陽能光伏設備的能效怎么樣?

2022-02-25

為何在可再生能源發電量的增長中,太陽能光伏發電占如此領先的地位?

一個明顯的原因是太陽光照在我們所有人身上,因此它的能量被大量廣泛應用。這使發電量更接近耗電量,將電力輸送到離網點,這點對于減少配電損耗特別有用。

另一個明顯的原因是有大量的太陽能。計算地球從太陽接收多少能量有許多細微差別,一條經驗法則是,晴天時在海平面為平均每平方米1kW,或當考慮日/夜周期、入射角、季節性等因素,平均為每天每平方米6kWh。

太陽能電池利用光電效應將入射光以光子流的形式轉化為電能。光子被摻雜的硅等半導體材料吸收,它們的能量將電子從其分子或原子軌道激發出來。然后,這些電子可自由地將多余的能量耗散為熱量并返回其軌道,或者傳播到電極并成為電流的一部分,以抵消其在電極上產生的電勢差。

與所有能量轉換過程一樣,并非所有輸入到太陽能電池的能量都以首選的電能形式輸出。實際上,多年來,單晶硅太陽能電池的能效一直徘徊在20%至25%之間。

許多太陽能光伏設備基于各種形式的晶體硅或硅、碲化鎘或硒化銅銦鎵的薄膜,其轉換效率在20%至30%。電池內置在模塊中,安裝人員可使用這些模塊為基本單元,構建太陽能光伏發電系統。

光伏轉換把入射到地球每平方米表面上千瓦的太陽能轉換為200 W至300 W的電能。當然,這是在理想條件下。但是可能會因以下原因轉換效率會降低:雨、雪和灰塵沉積在電池表面、半導體材料的老化的影響,以及由于如植被的生長或新建筑物的建造等環境變化而增加的被遮擋的陰影。

因此,現實是,盡管太陽能是免費的,但利用太陽能產生有用的電能,需要仔細優化采集、存儲和終轉換為電能的每個階段。提高能效的大機會之一是逆變器的設計,它將太陽能電池陣列 (或其電池存儲) 的直流輸出轉換為交流電流,以便直接使用或通過電網傳輸。

逆變器改變直流輸入電流的極性,使其接近交流輸出。開關頻率越高,轉換效率越高。簡單的開關可產生方波輸出,可以驅動電阻負載,但具有諧波,它會損壞由純正弦波AC供電的更復雜的電子設備。因此,逆變器設計成為一個平衡的關鍵,一方面增加開關頻率以提高能效、工作電壓和發電量,另一方面將平滑方波所用的輔助元器件的成本降至低。


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