近日，據(jù)國網(wǎng)青海省電力公司數(shù)據(jù)，截至2020年底，青海電網(wǎng)總裝機(jī)規(guī)模達(dá)到4030萬千瓦，其中新能源裝機(jī)2445萬千瓦，占比超過全網(wǎng)總裝機(jī)規(guī)模的60%，達(dá)到60.7%，光伏超過水電成為省內(nèi)第一大電源。與此同時(shí)，隨著新能源裝機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大，青海電網(wǎng)清潔能源裝機(jī)規(guī)模已達(dá)到3638萬千瓦，占比超九成。

青海地處青藏高原腹地，被譽(yù)為“三江之源”“中華水塔”，其境內(nèi)水力、風(fēng)、光等清潔能源資源蘊(yùn)藏豐富，是國家清潔能源的示范省。光伏作為重要的電能來源，正是借助于地理上太陽光照十分充足的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行開展。今天我們就聊聊光伏發(fā)電。

發(fā)展歷史

1839年，法國科學(xué)家貝雷爾就在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了太陽光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差，而這種現(xiàn)象也被成為“光生伏打效應(yīng)”簡稱為“光伏效應(yīng)”。直到了1954年，美國科學(xué)家才首次制成了單晶硅太陽電池，并誕生了將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)。

20世紀(jì)后半葉，伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益突出，太陽能等清潔能源的利用成為關(guān)注的焦點(diǎn)，光伏發(fā)電也得到快速的發(fā)展。

到了21世紀(jì)初，全球光伏新增機(jī)容量大幅增加，中國成為全球光伏發(fā)電安裝量增長最快的國家，總發(fā)電量也持續(xù)創(chuàng)下新高。隨著國家的政策補(bǔ)貼和發(fā)電技術(shù)的更新進(jìn)步，光伏發(fā)電的成本也在逐步地下降。今后，光伏發(fā)電將會(huì)由獨(dú)立走向網(wǎng)電系統(tǒng)，在我國發(fā)電系統(tǒng)中占據(jù)更加重要位置。

光伏發(fā)電原理

中學(xué)物理中我們就接觸過“光電效應(yīng)”知識(shí)，光伏發(fā)電原理就是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。光子照射到金屬上時(shí)，它的能量可以被金屬中某個(gè)電子全部吸收，電子吸收的能量足夠大，能克服金屬內(nèi)部引力做功，離開金屬表面逃逸出來，成為光電子。

光伏發(fā)電裝置的主要構(gòu)造是由太陽能電池組件，控制器和逆變器三大部分組成。太陽電池單體是最小的光電轉(zhuǎn)化單位，將其進(jìn)行串并聯(lián)封裝后就形成太陽能組件。

晶體半導(dǎo)體是構(gòu)成太陽能電池的基本材料，也正是利用半導(dǎo)體中的PN結(jié)進(jìn)行光伏效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)發(fā)電的。在具有晶體結(jié)構(gòu)的純凈半導(dǎo)體中，用得最多就是硅和鍺。

在半導(dǎo)體硅和鍺中摻入少量磷就成為P結(jié)，磷原子外層有五個(gè)電子，共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)只需四個(gè)價(jià)電子，因此多余的一個(gè)電子很容易掙脫原子核束縛成為自由電子。在半導(dǎo)體硅和鍺中摻入少量硼就成為N結(jié)，硼原子只有三個(gè)價(jià)電子，再形成共價(jià)鍵時(shí)因缺少一個(gè)電子而空出一個(gè)空位。當(dāng)采用不同的摻雜工藝，通過擴(kuò)散作用將P結(jié)和N結(jié)集中在同一基片上時(shí)，在它們的交界區(qū)就形成了PN結(jié)。

當(dāng)太陽光照射PN結(jié)時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的電子就獲得能量成為自由電子，從而產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)，在電池所建立的電場(chǎng)作用下，電子會(huì)移動(dòng)到N區(qū)，而空穴會(huì)移動(dòng)到P區(qū)，于是在PN結(jié)的兩邊附近就形成了正負(fù)電荷的積累，從而產(chǎn)生了與電池相反方向的伏打電動(dòng)勢(shì)，即光生電壓。由此產(chǎn)生的電能都會(huì)通過蓄電池儲(chǔ)存起來并隨時(shí)供電。

太陽能電池發(fā)出的是直流電，所以當(dāng)負(fù)載要交流電時(shí)就必須經(jīng)由逆變器的處理轉(zhuǎn)化成交流電?？刂破鞑考怯糜趯?duì)太陽能電池運(yùn)行指示和充放電的控制。此外，電池電路中還需要串聯(lián)一個(gè)二極管，也稱防反沖二極管，利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢员苊庠陉幱晏旎鹁€路短路時(shí)蓄電池通過太陽能電池放電。

利弊全觀

在全球能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的大背景下，如何利用可持續(xù)和清潔的能源成為各國重要的課題，關(guān)系未來。光伏發(fā)電具有充分的清潔性和安全性，而利用太陽能作為“原料”，太陽能可再生能力超強(qiáng)，取之不盡。此外，普及性較強(qiáng)，不受資源地區(qū)等條件的限制。

但是光伏發(fā)電所需要的太陽能電池重要組件的生產(chǎn)是高耗能的，過程中還會(huì)產(chǎn)生一定的污染。而且太陽光照射能量密度低，需要較大的面積才能收集更多的太陽能。

盡管光伏發(fā)電存在著以上不足，但是相比于常規(guī)性的發(fā)電原料，無論是在能源的可持續(xù)性和清潔度上都是很大的優(yōu)勢(shì)，隨著光伏發(fā)電技術(shù)和應(yīng)用水平的不斷提高，它將成為解決能源與環(huán)境問題的主要途徑。