光伏能源是如何运作的？

可再生能源的兴起与太阳能的利用密不可分，但你知道太阳能光伏发电的工作原理以及它是如何输送到你家的吗？

太阳，这颗占据我们天空的炽热球体，几乎所有人类文化都围绕它运转，过去如此，现在如此，将来亦如此（字面意义和引申意义皆是如此）。这种文化和宗教上的崇敬，非但没有被日益失去神秘感的人类所摒弃，反而正被科学地利用，转化为能源。事实上，这颗拥有46亿年历史的恒星——与其他恒星相比，它还很年轻——对地球上的生命至关重要（我们认为目前无需赘述原因），而且对其他生命也同样重要。清洁、可持续和取之不尽的能源生产：太阳能光伏发电因此，短短几十年间，我们在能源方面就从背对太阳生活，转变为正经历一场光伏热潮，开始利用太阳的潜力发电。但你有没有想过光伏太阳能是如何工作的呢？今天我们就来为你解惑；涂好防晒霜，让我们开始吧。

或许首先也是最必要的是澄清什么是光伏太阳能。这种能源是通过将太阳辐射转化为电能而获得的，其原理是所谓的光电效应。光电效应的基本原理是，当电磁辐射照射到材料上时，材料（在本例中是位于光伏面板表面的光伏电池）会发射电子（这些电子随后会转化为电能）。这些光伏电池由多层半导体材料（硅或其他材料）构成，表面覆盖着一层玻璃薄膜，该薄膜允许太阳辐射穿过并最大限度地减少能量损失，尽管目前最先进的装置的最高效率也只有20%。这样，剩余的太阳光线就会被“捕获”在光伏板内部，这是由于在光伏板内部产生的电场造成的。该电场通过电路传输到整个电力系统。

我们已经拥有了珍贵的太阳光，其强度将决定——在我们装置的容量限制内——我们能够产生的能量，而这些能量借助科学的“魔力”被捕获在我们的电路中。现在是时候将它们转化为我们可以真正使用的电能了。

当“被捕获”的光子释放电子时，它们会在光伏板的电路中产生越来越多的电流。光伏板无法利用所有产生的电子，因此会将它们导回所谓的负极板，以便它们在后续阶段重新参与到发电过程中。这样，这个循环过程就产生了我们所知的直流电，直流电被储存在电池中，随后通过我们解释中的第二个主要角色——电压逆变器——的工作，转换成交流电（也就是我们家用的电）。

这些逆变器至关重要，因为没有它们，我们就无法利用光伏太阳能。这些设备的工作原理是通过将直流电转换为交流电，使光伏太阳能的电流与我们家中插座的电流相匹配。之所以需要进行电流转换，是因为直流电顾名思义，提供的是单向的稳定电流，而交流电的功率和方向则不断变化。逆变器正是通过这种方式将恒定的直流电转换为交流电，以便我们将其用于家庭用途，因为将家用电器的电压与交流电匹配要容易得多。

好的，为了继续解释，我们需要了解一下现有的光伏装置类型。基本上，我们可以将它们分为两大类：

并网光伏系统

离网光伏系统

让我们来看看它们在操作上的差异，以及确保它们正常使用还有哪些其他因素在起作用。

并网太阳能光伏系统

无论是自用型装置（我们在私人住宅中安装的装置，用于为自己提供“免费”能源）还是发电厂（大型装置，用于产生光伏太阳能并将其分配给不同的消费者），这些类型的装置都与大型电网互联；允许电网接收剩余电力（自用型装置）和发电量（发电厂）。

正是在这一点上，我们必须区分家庭式和中央式安装，这主要是因为确保其正确运行涉及许多因素。

在家庭用电系统中，交流电会先输送到电池，然后由电池供家用电器使用或储存起来以备后用。剩余的电能则会通过公共电网输送给其他用户使用。

在光伏发电厂中，这个过程要复杂得多，因为一旦发电，就必须将其输送到电网，然后开始一段非常有趣的消费之旅。

因此，产生的电力经过逆变器后，必须经过整个过程中的一个关键环节：变压配电中心。该装置会提升电压，提高效率并减少能量损耗，以便将电力输送到电网，最终由电网将电力输送到用电点。

当电力到达用电点时，它会经过变电站降低电压，以便可以使用。

离网太阳能光伏系统

第二类光伏装置最为少见，但在农业等领域以及偏远或交通不便的地区却十分常见。这类装置主要在所谓的“能源岛”中运行，以满足独立设施的能源需求。由于无需连接到主电网，这类光伏装置运行更为简便，无需额外的开关设备，可作为照明、农田灌溉系统或柴油发电机等其他发电系统的辅助电源。

为了实现这一点，回到能量已经通过太阳能电池板并安全存储在电池中这一点，这些装置还需要另一个使其运行方式不同的额外元件：稳压器。该元件的主要功能是保护电池免受过载或可能出现的低效或不负责任的储能使用。这样，受到良好保护的电池就可以将能量输送到独立的电网（线路和家庭/农业/工业设施），供电网使用。就是这么简单。

太阳能光伏发电：可持续且经济实惠

直到最近，关于光伏发电的争论，如同其他可再生能源发电方式一样，一直十分激烈。笼罩在“光伏天空”上的阴云，不过是对光伏发电作为能源可行性的质疑。任何技术在初期阶段都面临着成本超支的问题，但经过数年的发展，光伏发电凭借其技术的成熟和安装成本的持续下降，最终克服了这一难题。

因此，就在两年前，太阳能光伏发电史上出现了一个里程碑式的事件：国际能源署（IEA）世界能源理事会发布了《2020年世界能源展望》年度报告，其中指出太阳能不仅具有竞争力且高效，而且是“史上最便宜的电力”——但这还远远不够。关键在于太阳能发电项目的资本成本，这使得太阳能发电的成本低于每兆瓦时20美元。正因如此，融资机构才会乐于为新建太阳能项目提供资金，因为其盈利能力极高。

如今，光伏发电容量已达到1000吉瓦的心理障碍这要归功于2021年的出色表现，当年全球电网新增装机容量168吉瓦。这一点已得到证实：欧洲太阳能电力协会的全球太阳能市场展望报告还指出，这已是光伏产业连续第九年打破年度装机量纪录。预计这一趋势将在2022年重演，届时太阳能发电装机量将首次突破200吉瓦。