太陽能是一種可再生的、極其清潔的資源,對幾乎每個人來說都是豐富的、可利用的。今天,技術正在取得重大進展,以改善其與現(xiàn)有基礎設施的一體化,使能源部門脫碳,并為更可持續(xù)的未來奠定具體基礎。

導言

為了減緩氣候變化,必須使用?可更新的 能源,首先是太陽能。無論當前的氣候變化如何,都必須立即過渡到新的能源。太陽能不產生溫室氣體排放,現(xiàn)在比以往任何時候都更有助于應對氣候變化和空氣污染。由于太陽能是清潔的、取之不盡的和低成本的,而且其價格預計在未來會進一步下降,因此它具有各種優(yōu)勢。

另一方面,它是不連續(xù)的能源,因為它不可能在夜間或多云天產生。近年來,越來越多的家庭在屋頂和墻壁上安裝了太陽能電池板。他們通過太陽能為家用設備供電,但最近太陽能正在征服道路等其他使用領域。當然,太陽能是由太陽射線產生的,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。它有助于產生電能和熱能(參見圖1中的相關圖表)。

光電系統(tǒng)使用一個或多個面板將太陽能轉換為由太陽能電池提供動力的電能,這可能并不是最先進的組件。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,有一個逆變器,任務是把直流電轉換成交流電。太陽能也可以從熱方面加以利用。在這種情況下,能量收集是通過太陽能收集器進行的,陽光會加熱其中的液體。

圖1:電力和熱能生產的概念圖

單位表面積上的陽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,垂直于太陽射線,發(fā)光功率約為1367瓦/米。 2 是可以測量的。不幸的是,這種能量被地球的大氣層減弱,因此在一個特別明亮的日子里,地球上可以探測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。還可以測量一段時間內影響固定區(qū)域的太陽輻射。通常,這個參數(shù)以每天每平方米的瓦特小時表示(wh/m 2 /day).

圖2:1983年至2005年年均太陽能分布情況(資料來源:研究報告)

太陽能電池板產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。對于同樣數(shù)量的光,面板在寒冷的氣候中產生的能量比在溫暖的溫度下產生的要多。這是因為光電模塊在高溫下沒有那么有效。值得注意的是,太陽能電池板沒有100%的效率。目前,最好和最昂貴的型號只能覆蓋大約22%,商用硅太陽能電池板的平均效率在15%至20%之間。

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

因此,例如,一個50W的面板,測量50厘米乘80厘米,其特點是效率大約12.5%。太陽能電池板的效率取決于它的表面和質量.如果一個面板能夠把所有的光線都轉換成電能,它將是100%的效率,但是到今天為止,這樣的結果是不可能實現(xiàn)的。

基礎設施

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

配備光電系統(tǒng)的建筑物和結構具有較高的市場價值,吸引了對能源效率特別感興趣的潛在買家。對未利用空間的優(yōu)化可使許多非生產性地區(qū)轉化為太陽能生產表面,最大限度地將土地用于其他目的。電力基礎設施是復雜的配置,能夠從生產場地向最終用戶輸送電力。多年來,經過更遠距離運輸能源的過程成為電力歷史的特點,結果越來越有利。

太陽能基礎設施最重要的特點之一是能夠可靠和經濟地管理能源供求的變化。大規(guī)模光電發(fā)電的特點是用戶的能源需求持續(xù)波動,因此,即使在極端條件下,網絡也必須能夠迅速解決與電力供應和需求有關的任何問題。與風能和水力發(fā)電不同,光電能源的優(yōu)點是可以與任何類型的建筑和基礎設施相結合,而不需要額外的土地使用。

今天,最常見的太陽能集成方法是在建筑物的屋頂上安裝太陽能電池板,這確實是一個非常方便的解決辦法。最近,在建筑物正面安裝太陽能電池板越來越受歡迎,利用垂直空間來產生能量,創(chuàng)造出一種優(yōu)雅而現(xiàn)代的美感。然而,該技術允許使用各種替代領域來放置光電模塊。例如,這指的是道路、公交車站、火車站、道路或自行車道的護欄,這些護欄可與太陽能板相結合,以照亮路標、給電動車輛充電或為交通管制供電。這樣的工廠可以依靠大型太陽能結構,這些結構可以促進運輸系統(tǒng)的脫碳。

智能電網

智能電網是傳統(tǒng)電網的技術演變.它是智能的,能夠與用戶進行實時互動并適應其需求,因為它由收集和交換數(shù)據(jù)的傳感器和智能設備組成(見圖3圖表)。能源需求不斷增加,這是事實。當今,智能電網可以通過整合可再生能源和優(yōu)化能源管理來緩解這一問題。

為了管理這樣一個系統(tǒng),除了需要信息技術技術之外,還需要數(shù)字技術,并對可靠的功能進行持續(xù)監(jiān)測。在線傳感器可以實時收集供應和消費數(shù)據(jù),進行分析和控制。這樣就可以實現(xiàn)最佳功率平衡,消除與停電有關的問題。智能電網還可以使用自愈系統(tǒng)來檢測簡單的問題,并在沒有任何人為干預的情況下進行維修。

綜合通信系統(tǒng)為一個高度可靠的監(jiān)測設備、防止能源盜竊和支持徹底控制的系統(tǒng),對實時數(shù)據(jù)交換進行了順利的管理。能源供應與需求之間的負載平衡是可靠供應的關鍵,如今,系統(tǒng)可以通過快速診斷和對所有消費的實時檢查來自動實現(xiàn)這一平衡。沒有智能電網,能源供應商將難以將可再生能源納入現(xiàn)有的電網基礎設施。智能電網當然會提高能源效率,并提高消費者對其用電對環(huán)境影響的認識。它還加強了能源系統(tǒng)的安全,能夠獲得更多的自我發(fā)電。

圖3:智能電網的基本結構

結論

將太陽能納入基礎設施是實現(xiàn)清潔、高效和可持續(xù)能源未來的一個基本步驟。今后幾年,人類將需要更多的電力供應,電力應主要來自可再生能源,特別是光電能源。這樣,越來越多的人將轉向可再生能源,在不依賴國家電網的情況下發(fā)電。電力一度被視為一種個人利益,但現(xiàn)在日益被視為一項集體權利,對所有人都至關重要。