太陽(yáng)能是一種可再生的、極其清潔的資源,對(duì)幾乎每個(gè)人來(lái)說(shuō)都是豐富的、可利用的。今天,技術(shù)正在取得重大進(jìn)展,以改善其與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的一體化,使能源部門(mén)脫碳,并為更可持續(xù)的未來(lái)奠定具體基礎(chǔ)。

導(dǎo)言

為了減緩氣候變化,必須使用?可更新的 能源,首先是太陽(yáng)能。無(wú)論當(dāng)前的氣候變化如何,都必須立即過(guò)渡到新的能源。太陽(yáng)能不產(chǎn)生溫室氣體排放,現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更有助于應(yīng)對(duì)氣候變化和空氣污染。由于太陽(yáng)能是清潔的、取之不盡的和低成本的,而且其價(jià)格預(yù)計(jì)在未來(lái)會(huì)進(jìn)一步下降,因此它具有各種優(yōu)勢(shì)。

另一方面,它是不連續(xù)的能源,因?yàn)樗豢赡茉谝归g或多云天產(chǎn)生。近年來(lái),越來(lái)越多的家庭在屋頂和墻壁上安裝了太陽(yáng)能電池板。他們通過(guò)太陽(yáng)能為家用設(shè)備供電,但最近太陽(yáng)能正在征服道路等其他使用領(lǐng)域。當(dāng)然,太陽(yáng)能是由太陽(yáng)射線(xiàn)產(chǎn)生的,是一種清潔的、取之不盡的能源,這意味著它可以在不消極影響環(huán)境的情況下使用。它有助于產(chǎn)生電能和熱能(參見(jiàn)圖1中的相關(guān)圖表)。

光電系統(tǒng)使用一個(gè)或多個(gè)面板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為由太陽(yáng)能電池提供動(dòng)力的電能,這可能并不是最先進(jìn)的組件。光電電池可以串聯(lián)或平行連接,以增加系統(tǒng)的功率。在面板的下游,有一個(gè)逆變器,任務(wù)是把直流電轉(zhuǎn)換成交流電。太陽(yáng)能也可以從熱方面加以利用。在這種情況下,能量收集是通過(guò)太陽(yáng)能收集器進(jìn)行的,陽(yáng)光會(huì)加熱其中的液體。

圖1:電力和熱能生產(chǎn)的概念圖

單位表面積上的陽(yáng)光照射量一般以每平方米瓦特表示(W/M) 2 )或千瓦/平方米(千瓦/米 2 )。地球大氣層外和一平方米的表面,垂直于太陽(yáng)射線(xiàn),發(fā)光功率約為1367瓦/米。 2 是可以測(cè)量的。不幸的是,這種能量被地球的大氣層減弱,因此在一個(gè)特別明亮的日子里,地球上可以探測(cè)到的最大功率大約為1000瓦/米。 2 ,這種濃度隨地球緯度的變化而變化(參見(jiàn)圖2中的地圖)。然而,使用特殊透鏡或鏡面系統(tǒng)可以多次放大入射輻射。還可以測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)影響固定區(qū)域的太陽(yáng)輻射。通常,這個(gè)參數(shù)以每天每平方米的瓦特小時(shí)表示(wh/m 2 /day).

圖2:1983年至2005年年均太陽(yáng)能分布情況(資料來(lái)源:研究報(bào)告)

太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的能量取決于各種參數(shù),如方向、緯度、季節(jié)、大氣條件、云層、溫度和空氣污染。對(duì)于同樣數(shù)量的光,面板在寒冷的氣候中產(chǎn)生的能量比在溫暖的溫度下產(chǎn)生的要多。這是因?yàn)楣怆娔K在高溫下沒(méi)有那么有效。值得注意的是,太陽(yáng)能電池板沒(méi)有100%的效率。目前,最好和最昂貴的型號(hào)只能覆蓋大約22%,商用硅太陽(yáng)能電池板的平均效率在15%至20%之間。

這意味著,每1000瓦特的陽(yáng)光擊中一個(gè)面板,大約150-200瓦被轉(zhuǎn)換成電能。由于所有的太陽(yáng)能電池板效率都很低,并且有各種各樣的太陽(yáng)能電池板,所以了解它們的效率也許是很有趣的。一個(gè)簡(jiǎn)單的方程可以用來(lái)計(jì)算太陽(yáng)能電池板的近似效率,百分比:

因此,例如,一個(gè)50W的面板,測(cè)量50厘米乘80厘米,其特點(diǎn)是效率大約12.5%。太陽(yáng)能電池板的效率取決于它的表面和質(zhì)量.如果一個(gè)面板能夠把所有的光線(xiàn)都轉(zhuǎn)換成電能,它將是100%的效率,但是到今天為止,這樣的結(jié)果是不可能實(shí)現(xiàn)的。

基礎(chǔ)設(shè)施

近年來(lái),太陽(yáng)能日益融入日常生活,越來(lái)越多的基礎(chǔ)設(shè)施適合于有效管理。光電能源不同于其他形式的清潔能源,可以與任何類(lèi)型和規(guī)模的建筑和基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合,而不需要額外的土地使用,因此使太陽(yáng)能發(fā)電成為用戶(hù)的一個(gè)非常有利的特點(diǎn)。利用太陽(yáng)生產(chǎn)能源可以大大減少對(duì)化石燃料的依賴(lài),降低相關(guān)成本,改善地球上的條件。

配備光電系統(tǒng)的建筑物和結(jié)構(gòu)具有較高的市場(chǎng)價(jià)值,吸引了對(duì)能源效率特別感興趣的潛在買(mǎi)家。對(duì)未利用空間的優(yōu)化可使許多非生產(chǎn)性地區(qū)轉(zhuǎn)化為太陽(yáng)能生產(chǎn)表面,最大限度地將土地用于其他目的。電力基礎(chǔ)設(shè)施是復(fù)雜的配置,能夠從生產(chǎn)場(chǎng)地向最終用戶(hù)輸送電力。多年來(lái),經(jīng)過(guò)更遠(yuǎn)距離運(yùn)輸能源的過(guò)程成為電力歷史的特點(diǎn),結(jié)果越來(lái)越有利。

太陽(yáng)能基礎(chǔ)設(shè)施最重要的特點(diǎn)之一是能夠可靠和經(jīng)濟(jì)地管理能源供求的變化。大規(guī)模光電發(fā)電的特點(diǎn)是用戶(hù)的能源需求持續(xù)波動(dòng),因此,即使在極端條件下,網(wǎng)絡(luò)也必須能夠迅速解決與電力供應(yīng)和需求有關(guān)的任何問(wèn)題。與風(fēng)能和水力發(fā)電不同,光電能源的優(yōu)點(diǎn)是可以與任何類(lèi)型的建筑和基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合,而不需要額外的土地使用。

今天,最常見(jiàn)的太陽(yáng)能集成方法是在建筑物的屋頂上安裝太陽(yáng)能電池板,這確實(shí)是一個(gè)非常方便的解決辦法。最近,在建筑物正面安裝太陽(yáng)能電池板越來(lái)越受歡迎,利用垂直空間來(lái)產(chǎn)生能量,創(chuàng)造出一種優(yōu)雅而現(xiàn)代的美感。然而,該技術(shù)允許使用各種替代領(lǐng)域來(lái)放置光電模塊。例如,這指的是道路、公交車(chē)站、火車(chē)站、道路或自行車(chē)道的護(hù)欄,這些護(hù)欄可與太陽(yáng)能板相結(jié)合,以照亮路標(biāo)、給電動(dòng)車(chē)輛充電或?yàn)榻煌ü苤乒╇?。這樣的工廠(chǎng)可以依靠大型太陽(yáng)能結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)運(yùn)輸系統(tǒng)的脫碳。

智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)是傳統(tǒng)電網(wǎng)的技術(shù)演變.它是智能的,能夠與用戶(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)并適應(yīng)其需求,因?yàn)樗墒占徒粨Q數(shù)據(jù)的傳感器和智能設(shè)備組成(見(jiàn)圖3圖表)。能源需求不斷增加,這是事實(shí)。當(dāng)今,智能電網(wǎng)可以通過(guò)整合可再生能源和優(yōu)化能源管理來(lái)緩解這一問(wèn)題。

為了管理這樣一個(gè)系統(tǒng),除了需要信息技術(shù)技術(shù)之外,還需要數(shù)字技術(shù),并對(duì)可靠的功能進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。在線(xiàn)傳感器可以實(shí)時(shí)收集供應(yīng)和消費(fèi)數(shù)據(jù),進(jìn)行分析和控制。這樣就可以實(shí)現(xiàn)最佳功率平衡,消除與停電有關(guān)的問(wèn)題。智能電網(wǎng)還可以使用自愈系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題,并在沒(méi)有任何人為干預(yù)的情況下進(jìn)行維修。

綜合通信系統(tǒng)為一個(gè)高度可靠的監(jiān)測(cè)設(shè)備、防止能源盜竊和支持徹底控制的系統(tǒng),對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換進(jìn)行了順利的管理。能源供應(yīng)與需求之間的負(fù)載平衡是可靠供應(yīng)的關(guān)鍵,如今,系統(tǒng)可以通過(guò)快速診斷和對(duì)所有消費(fèi)的實(shí)時(shí)檢查來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)這一平衡。沒(méi)有智能電網(wǎng),能源供應(yīng)商將難以將可再生能源納入現(xiàn)有的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。智能電網(wǎng)當(dāng)然會(huì)提高能源效率,并提高消費(fèi)者對(duì)其用電對(duì)環(huán)境影響的認(rèn)識(shí)。它還加強(qiáng)了能源系統(tǒng)的安全,能夠獲得更多的自我發(fā)電。

圖3:智能電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

結(jié)論

將太陽(yáng)能納入基礎(chǔ)設(shè)施是實(shí)現(xiàn)清潔、高效和可持續(xù)能源未來(lái)的一個(gè)基本步驟。今后幾年,人類(lèi)將需要更多的電力供應(yīng),電力應(yīng)主要來(lái)自可再生能源,特別是光電能源。這樣,越來(lái)越多的人將轉(zhuǎn)向可再生能源,在不依賴(lài)國(guó)家電網(wǎng)的情況下發(fā)電。電力一度被視為一種個(gè)人利益,但現(xiàn)在日益被視為一項(xiàng)集體權(quán)利,對(duì)所有人都至關(guān)重要。