詳細紹介
一、原理紹介
光伏発電の主要な原理は半導体の光電効果です。光子が金属に照射されると、そのエネルギーは金属内のある電子によって完全に吸収されます。電子が吸収するエネルギーが十分に大きい場合、金属内部の引力を克服して仕事をし、金属表面から逃げ出し、光電子になります。シリコン原子は4つの外殻電子を持ち、純粋なシリコンに5つの外殻電子を持つ原子（リン原子など）をドーピングするとN型半導体になります。純粋なシリコンに3つの外殻電子を持つ原子（ホウ素原子など）をドーピングするとP型半導体が形成されます。P型とN型が結合すると、接触面に電位差が形成され、太陽電池になります。太陽光がP-N接合に照射されると、電流はP型からN型に流れ、電流が形成されます。
光電効果とは、光が不均一な半導体または半導体と金属の結合部位の間に電位差を生じさせる現象です。これはまず光子（光波）が電子に変換され、光エネルギーが電気エネルギーに変換される過程であり、次に電圧が形成される過程です。
多結晶シリコンは鋳造、破砕、切断などのプロセスを経て、加工待ちのシリコンウエハーが作られます。シリコンウエハーに微量のホウ素やリンをドーピングし、P-N接合を形成します。その後、シルクスクリーン印刷を使用して、精密に調整された銀ペーストをシリコンウエハーに印刷してグリッド線を作成し、焼結を経て背面電極を作成し、グリッド線のある面に反射防止コーティングを施すことで、電池片が完成します。電池片を組み合わせて電池モジュールを構成し、大きな回路基板を形成します。一般的に、モジュールの周囲はアルミフレームで囲まれ、表面はガラスで覆われ、背面には電極が取り付けられます。電池モジュールと他の補助機器があれば、発電システムを構成できます。直流電を交流電に変換するためには、電流変換器を設置する必要があります。発電後は、素電池に蓄電することも、公共電網に入力することもできます。発電システムのコストの中で、電池モジュールは約50%を占め、電流変換器、設置費、他の補助部品およびその他の費用が残りの50%を占めます。
二、関連の利点
世界的に見ても中国的に見ても、従来のエネルギーは非常に限られています。中国の一次エネルギーの埋蔵量は世界の平均水準を大きく下回り、世界の総埋蔵量の約10%しかありません。太陽エネルギーは人類が尽きることなく利用できる再生可能エネルギーであり、十分な清浄性、絶対的な安全性、相対的な広範性、確実な長寿命とメンテナンスフリー性、資源の豊富さおよび潜在的な経済性などの利点を持ち、長期的なエネルギー戦略において重要な地位を占めています。
一般的な火力発電システムと比較して、光伏発電の利点は主に次のように表れます：
①枯渇の危険がない;
②安全で信頼性が高く、騒音がなく、汚染排出がなく、絶対にクリーン（無公害）;
③資源の分布地域に制限されず、建物の屋根の利点を利用できる; 例えば、電気のない地域や地形が複雑な地域;
④燃料を消費せず、送電線を設置せずにその場で発電供給できる;
⑤エネルギーの質が高い;
⑥使用者が感情的に受け入れやすい;
⑦建設期間が短く、エネルギーを得るのにかかる時間が短い。
三、変換率
単結晶シリコン
大規模生産の変換率：19.8--21%；大多数は17.5%です。効率を30%以上に引き上げる技術的突破の可能性は小さいです。
多結晶シリコン
大規模生産の変換率：18--18.5%；大多数は16%です。単結晶シリコンと同様に、材料の物理的特性の制限により、30%以上の変換率を達成する可能性は小さいです。
ガリウム砒素
ガリウム砒素太陽電池の変換率は比較的高く、約23%です。しかし、価格が高く、航空宇宙などの重要な場所で多く使用されます。基本的にスケール化された産業化の実用的価値はありません。
薄膜
薄膜光伏電池は軽量、薄型、柔軟性が良いなどの利点があり、応用範囲は非常に広く、特に光伏建築一体化に適しています。薄膜電池モジュールの効率が結晶シリコン電池とほぼ同じであれば、そのコストパフォーマンスは比類のないものになります。柔軟な基板上で製造された薄膜電池は、巻き取りや折りたたみが可能で、衝撃に強く、軽量で、弱光性能が良いなどの利点があり、将来的な応用の展望はさらに広がるでしょう。
アモルファスシリコンの変換率は約9%です。アモルファスシリコンの変換率はさらに高くなる可能性があります。
効率の低下
結晶シリコン光伏モジュールは設置後、50--100日間直射日光にさらされると、効率が約2--3%低下し、その後の低下幅は大幅に減少し、毎年0.5--0.8%の安定した低下が見られ、20年で約20%低下します。単結晶モジュールの低下は多結晶モジュールよりも少ないです。アモルファス光を使用したモジュールの低下は結晶シリコンよりも低いです。
したがって、変換率を向上させ、1ワットあたりのコストを下げることは、光伏の将来の発展における2つの主要なテーマとなります。どの方法であっても、大規模な応用が変換率を30%に引き上げ、コストが1キロワットあたり5000元以下（水力発電と同等）にできれば、人類は核融合発電の研究が成功する前に、最も広範で最もクリーンで最も安価なほぼ無限の信頼できる新エネルギーを得ることができるでしょう。
四、システム分類
独立光伏発電
独立光伏発電はオフグリッド光伏発電とも呼ばれます。主に太陽光発電モジュール、コントローラー、蓄電池で構成され、交流負荷に電力を供給するには交流インバーターを配置する必要があります。独立光伏発電所には、遠隔地の村の電力供給システム、太陽光家庭用電源システム、通信信号電源、陰極保護、太陽光街灯など、蓄電池を備えた独立運転可能な光伏発電システムが含まれます。
系統連系光伏発電
系統連系光伏発電は、太陽光モジュールが生成する直流電を系統連系インバーターで市電網の要求に合った交流電に変換し、直接公共電網に接続することを指します。蓄電池を備えたものと備えていないものの系統連系発電システムに分けることができます。
蓄電池を備えた系統連携型発電システムは、調整可能であり、必要に応じて電力網に接続または切断できる機能を持ち、電力網が停電した場合には緊急電源として機能します。蓄電池を備えた大規模系統連携型発電システムは、一般的に住宅建物に設置されます。蓄電池を備えていない系統連携型発電システムは、調整可能性やバックアップ電源の機能を持たず、一般的には大規模なシステムに設置されます。
系統連携型太陽光発電には、集中型の大規模系統連携型太陽光発電所があり、これは一般的に国家レベルの発電所です。主な特徴は、発電した電力を直接電力網に送電し、電力網が統一的にユーザーに供給することです。しかし、このような発電所は投資が大きく、建設期間が長く、占有面積も広いため、あまり発展していません。一方、分散型の小型系統連携型太陽光発電、特に太陽光建築一体化型発電は、投資が少なく、建設が早く、占有面積が小さく、政策の支援が強いなどの利点があるため、系統連携型太陽光発電の主流となっています。
分散型太陽光発電
分散型太陽光発電システムは、ユーザーの現場または電力使用現場の近くに小型の太陽光発電供給システムを配置し、特定のユーザーのニーズを満たし、既存の配電網の経済的運用を支援することを指します。また、これらの両方の要件を同時に満たすことも可能です。
分散型太陽光発電システムの基本設備には、太陽光電池モジュール、太陽光アレイ架台、直流集電箱、直流配電盤、系統連携型インバータ、交流配電盤などの設備が含まれます。さらに、電力供給システムの監視装置や環境監視装置もあります。その運転モードは、太陽放射がある条件下で、太陽光発電システムの太陽電池モジュールアレイが太陽エネルギーを電力に変換し、直流集電箱を通じて直流配電盤に集中送電され、系統連携型インバータによって交流電に変換され、建物の負荷に供給されます。余剰または不足の電力は、接続された電力網を通じて調整されます。
五、構成要素
太陽光発電システムは、太陽電池アレイ、蓄電池群、充放電コントローラー、インバータ、交流配電盤、太陽追尾制御システムなどの設備で構成されています。これらの設備の一部の役割は次のとおりです。
電池アレイ
光照射（太陽光または他の光源からの光）下で、電池は光エネルギーを吸収し、電池の両端に異なる符号の電荷が蓄積され、すなわち「光生電圧」が生成されます。これが「光生伏特効果」です。光生伏特効果の作用により、太陽電池の両端に起電力が発生し、光エネルギーを電力に変換します。これはエネルギー変換のデバイスであり、太陽電池は一般的にシリコン電池で、単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、非晶質シリコン太陽電池の3種類に分かれます。
蓄電池群
その役割は、太陽電池アレイが光照射を受けたときに発生する電力を蓄え、いつでも負荷に供給できることです。太陽電池発電に使用される蓄電池群の基本要件は次のとおりです：a 自放電率が低い；b 使用寿命が長い；c 深放電能力が強い；d 充電効率が高い；e メンテナンスが少ないまたは不要；f 動作温度範囲が広い；g 価格が安い。
コントローラー
これは、蓄電池の過充電と過放電を自動的に防止する装置です。蓄電池の循環充放電回数と放電深度は、蓄電池の使用寿命を決定する重要な要素であるため、蓄電池群の過充電または過放電を制御できる充放電コントローラーは必須の設備です。
インバータ
これは直流電を交流電に変換する装置です。太陽電池と蓄電池は直流電源ですが、負荷は交流負荷であるため、インバータは必須です。インバータは運転方式に応じて、独立運転インバータと系統連携インバータに分けられます。
独立運転インバータは、独立運転の太陽電池発電システムに使用され、独立負荷に電力を供給します。系統連携インバータは、系統連携運転の太陽電池発電システムに使用されます。
インバータは出力波形に応じて、方形波インバータと正弦波インバータに分けられます。方形波インバータは回路が簡単でコストが低いですが、ハーモニック成分が大きいため、一般的には数百ワット以下でハーモニックに対する要求が高くないシステムに使用されます。正弦波インバータはコストが高いですが、さまざまな負荷に適用できます。
追尾システム
特定の固定地点に対する太陽光発電システムは、春夏秋冬の四季や毎日の昇降に伴い、太陽の光照射角度が常に変化します。もし太陽電池パネルが常に太陽に正対していれば、発電効率は最適な状態に達します。
世界中で一般的に使用される太陽追尾制御システムは、設置地点の緯度と経度などの情報に基づいて、年間の各日ごとの異なる時刻における太陽の角度を計算する必要があります。年間の各時刻の太陽の位置をPLC、マイコン、またはコンピュータソフトウェアに保存し、太陽の位置を計算して追尾を実現します。これはコンピュータデータ理論を使用し、地球の緯度と経度のデータと設定が必要です。一度設置すると、移動や取り外しが困難で、移動後は必ずデータを再設定し、各パラメータを調整する必要があります。原理、回路、技術、設備が複雑で、専門家でない人は簡単に操作できません。スマート太陽追尾装置を搭載した太陽光発電システムを高速で走行する自動車、列車、通信緊急車両、特種軍用車両、軍艦や船舶に設置すると、システムがどの方向に進んでも、どのように方向転換しても、スマート太陽追尾装置は装置の要求に応じて太陽に正対することを保証します。
六、発電コスト
過去5年間で、太陽光発電のコストは3分の1に減少し、南米などの国々では太陽光発電が小売電力料金と同等になり、さらにはそれを下回ることもあります。今後、太陽光発電のコストはさらに顕著になるでしょう。次に、火力発電は非常に高い環境管理コストをもたらします。20回目のパリ気候サミットは、各国が積極的に炭素取引市場の価格設定メカニズムを開始するよう導くものであり、これにより高エネルギー消費企業にかかるコストの増加は明らかです。したがって、この観点から見ると、石炭発電のコストは太陽光発電よりも高くなるでしょう。
投資コストは8元/ワット以下に低下し、電力コストは0.6-0.9元/キロワット時に低下します。
七、応用分野
1、ユーザーの太陽光電源；（1）小型電源10-100Wで、遠隔地の無電地区（高原、島、牧場、国境警備所など）での軍民生活用電力（照明、テレビ、ラジオなど）に使用されます；（2）3-5KW家庭屋根系統連携発電システム；（3）太陽光ポンプ：無電地区の深井戸飲料水や灌漑を解決します。
2、交通分野：航標灯、交通/鉄道信号灯、交通警告/標識灯、宇翔街灯、高空障害灯、高速道路/鉄道無線電話、無人管理の道班供電など。
3、通信分野：太陽光発電の無人管理マイクロ波中継所、光ファイバー保守所、放送/通信/呼び出し電源システム; 農村のキャリア電話光伏システム、小型通信機、兵士GPS供電など。
4、石油、海洋、気象分野：石油パイプラインと貯水池のゲートの陰極保護太陽光発電システム、石油掘削プラットフォームの生活および緊急電源、海洋検査機器、気象/水文観測機器など。
5、家庭用照明電源：庭園灯、街灯、ハンドライト、キャンプ灯、登山灯、釣り灯、ブラックライト、ゴム採取灯、省エネ灯など。
6、光伏発電所：10KW-50MWの独立光伏発電所、風光（バイオマス）ハイブリッド発電所、さまざまな大型駐車場充電所など。
7、太陽光建築は太陽光発電と建材を組み合わせ、将来の大型建築物が電力自給を実現することを目指す、未来の大きな発展方向の一つです。
8、その他の分野には：（1）自動車関連：太陽光自動車/電気自動車、バッテリー充電設備、自動車エアコン、換気扇、冷飲箱など;（2）太陽光水素製造と燃料電池の再生発電システム;（3）海水淡水化設備の供電;（4）衛星、宇宙船、宇宙太陽光発電所など。
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