天气这么热太阳能发电不得起飞喽啊?喽啊个头……

就说这高温天气把人逼疯到什么程度了。有人甚至动了买太阳能的心思,来给自己家空调供电。

HN 上也是呼声一片,“我们需要大量太阳能板”还成为了全民热议话题,讨论度达到了 809。

这种天气下,英国 7 月一天的太阳能发电量就达到了 66.9 吉瓦时,能满足全国 8.6% 的需求,德国那边据说还达到了太阳能发电量单日新高。难道说,极端高温还真能“百害而有一利”?

BUT,非常抱歉,你可能想多了。太阳能发电,其实也怕高温!

太高温,光伏发电效率下降了

这事儿还得从太阳能发电的设备说起。太阳能发电的原理,本质上是利用光照射半导体产生的光伏效应(光生伏特效应),将光能直接转变为电能。

具体来说,就是通过将太阳光照射到 P 型半导体和 N 型半导体接触形成的 PN 结上,PN 结吸收光子的能量后,激发电子和空穴(向相反方向移动),从而出现异号电荷积累形成正负两极,产生电压。从这个角度来看,更多的光能确实能产生更多的电能。

BUT,高温不等于更多的光能(即使没有太阳光,环境温度也可能非常高)。不仅如此,它还会严重影响半导体的工作效率。受自身性质影响,半导体的温度稳定性极差,必须保持在 20℃~30℃范围内才能正常工作,高温散热不及时的话,直接就烧坏断路了。

除此之外,高温还会产生热斑效应和 PID 效应等影响。

热斑效应,指串联支路中部分组件因某些原因被“遮蔽”,不仅无法产生电量,还会被当做负载消耗其他支路产生的能量。一旦出现高温天,局部温度过高的情况就会被加剧,强化热斑效应,直接导致组件电池板老化、损坏的情况。毕竟作为暴露在外界的“一大块板子”,光伏电池板不可避免会被污染,如出现鸟屎等。放在平时,鸟屎也就是损伤一个小电阻,但高温一出现,就会加剧它带来的影响,极易出现烧坏组件的情况。

除此之外,PID 效应(电势诱导衰减)也会随着高温潮湿的环境加剧。

由于高温天气往往也伴随着潮湿,因此空气中的大量水蒸气,会通过封边硅胶或背板进入组件内部,从而导致组件内部大量电荷聚集在电池片表面,造成性能严重下降。

综合来看,太阳能发电的最佳温度在 25℃,温度太高反而影响发电。而且,高温或许还对新能源发电有更严重的影响。

比如一些核电站最近都在降低发电,因为排出的冷却水温度太高,会对海洋生物造成威胁。例如在去年年底,英国的托内斯核电站就不得不紧急关闭,因为较高的海水温度导致大量水母泛滥,以至于直接堵塞了他们的冷却水出口。

同样在这些年,美国加州、日本、菲律宾和以色列的一些海水降温核电站,也因为采取海水冷却的方式,导致大量水母繁殖而无法继续运行。

那么,高温会导致太阳能工作效率下降的话,通过热能这种方式可不可行呢?

还有哪些利用太阳的发电方式?

众所周知,我国是一个可以把黑人老哥都热到中暑的高温大国。这么好的热能资源,咱们当然得利用起来。所以除了太阳能光伏发电外,我国还有很多利用太阳能的新型发电方式。

比如常被拿来做比较的光热发电。

在我国敦煌就建有全亚洲装机容量最大、全球单机聚光面积最大的熔盐塔式光热电站。今年 6 月,它的发电量超过了 3379 万 kWh,单次连续不间断发电 262 小时,晴天平均日发电量超过 185 万 kWh。

与上述提到的光伏发电不同,它不需要昂贵的硅晶光电转换工艺,原理上其实类似于传统的火力发电。

简单来说,就是用一面面大镜子来聚集太阳光,通过换热装置“烧开水”产生蒸汽,然后推动汽轮机发电。因为原理相近,它甚至可以直接接入传统发电厂。其最大的好处就是没有太阳光时,还能继续发电。通过储能系统,光热电站可以先将有太阳时的热能收集起来,在光线不足时再调用。这就避免了光伏发电中,一没太阳就停摆的问题,还能根据下游用电需求来调峰。

与此同时,光热电站所用导热工质是循环使用的,几乎不产生排放。更为关键的是,上述我们提到光伏发电易受高温影响的主要原因在太阳能电池板上,而光热发电并不使用这一部件。所以,应对极端高温气候,光热发电或许会更有优势?

但光热发电同样有劣势,那就是对光照、占地面积要求更高,不是一种适合小型化的技术路线。比如敦煌光热电站的镜场总面积达到了 140 多万平方米。一直以来,它的建设成本也居高不下,可达到光伏发电的 4-5 倍。

而除了陆地上,在水面上也能利用太阳能发电,还能顺便解决太阳能电池板高温的问题。这就是浮动式水面光伏发电。

简单理解,就是让太阳能发电板漂浮在水上,水作为高热容物质,能为光伏板散热提供有利条件。而且这种发电厂,可以直接建在城市郊区的湖泊水面上。比如在我国德州丁庄镇,就建有世界单体容量最大的漂浮式光伏电站,总装机容量为 320 兆瓦。

属实是“躺着就能发电”了。

One More Thing

那么,格局再打开些,把太阳能板发射到太空可以吗?毕竟地球上能接收到的太阳能量,不仅已经被大气层反射散射过,各地区的空气质量也会影响太阳能发电的效率。在太空中,太阳能板理论上还能做到 24 小时持续工作,不存在夜晚的影响。于是在 20 世纪 70 年代左右,就有人提出了天基太阳能(Space-based solar power)的发电方法。

嗯,就是将卫星发射到太空中,在太空中收集太阳的能量传回地面。它需要在卫星上搭载光伏电池,将太阳能转换成电能,再通过天线发射微波的方式,将电能传输到地面接收站。

国内外都有过这方面的研究计划。2008 年,日本提出要把空间太阳能作为国家目标,还制定了相应的商业化路线图;2014 年,国内西安电子科技大学也提出了 OMEGA(球形膜能量收集阵列)计划。然而,受限于发射成本,天基太阳能研究并没有火起来。直到这几年,随着发射成本的降低,NASA 也开始重新考虑“天基太阳能”这一技术的前景。

据 SpaceNews 消息,NASA 已经与一些技术机构就这件事进行了讨论,计划将结果在今年 9 月的国际宇航大会(IAC)上展示。不过,早在 2012 年,马斯克就吐槽过这是个“蠢到没边儿”的事情。

你感觉这种发电方法可行吗?

参考链接:

[1]https://www.cnbc.com/2022/07/26/surging-temperatures-are-good-for-solar-panels-right-the-answer-is-its-complicated.html

[2]https://fortune.com/2022/07/19/europe-solar-panels-lose-efficiency-in-high-temperatures/

[3]https://caseyhandmer.wordpress.com/2022/07/22/were-going-to-need-a-lot-of-solar-panels/

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Space-based_solar_power

[5]https://news.ycombinator.com/item?id=32197012

[6]http://ex.chinadaily.com.cn/exchange/partners/77/rss/channel/cn/columns/8hk2q2/stories/WS62a92f05a3101c3ee7ada95b.html

[7]https://www.reddit.com/r/space/comments/r0yeu6/elon_musk_called_spacebased_solar_power_the/

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