太阳能是一种可再生且极其清洁的资源，储量丰富，几乎人人都能获得。如今，技术正在取得巨大进步，以改善太阳能与现有基础设施的整合，实现能源行业的脱碳，并为更加可持续的未来奠定坚实基础。
为了减缓气候变化，必须使用可再生能源，首当其冲的就是太阳能。无论气候变化如何，都必须立即向新能源过渡。太阳能不会产生温室气体排放，而且现在比以往任何时候都更有助于应对气候变化和空气污染。太阳能具有清洁、取之不尽、用之不竭、成本低廉等多种优势，而且其成本预计未来会进一步下降。
另一方面，太阳能是一种不连续的能源，因为它无法在夜间或阴天产生。近年来，越来越多的家庭在屋顶和墙壁上安装了太阳能电池板，它们通过阳光为家用电器供电，与此同时，太阳能也正在征服其他使用领域。当然，太阳能是由太阳光线产生的，是一种清洁的、取之不尽的能源，这意味着使用太阳能不会对环境造成负面影响，并且它既能产生电能，也能产生热能(参见图1中的相关图表)。
光伏系统使用一个或多个面板将太阳能转换为由太阳能电池驱动的电能，而太阳能电池可能不是最先进的组件。光伏电池可以串联或并联连接以增加系统的功率。面板的下游是逆变器，负责将直流电转换为交流电。太阳能也可以从热能方面利用，在这种情况下，能量收集是通过太阳能集热器进行的，阳光会加热其中的液体。
图1：电能和热能生产的概念图
照射到单位面积上的太阳光量通常以瓦特每平方米(W/m2)或千瓦每平方米(kW/m2)表示。在地球大气层之外，在垂直于太阳光线的一平方米表面上，可以测量到大约1367W/m2的光功率。遗憾的是，这种功率会被地球大气层衰减，因此在十分阳光明媚的一天，地球上可检测到的最大功率约为1000W/m2，这一数据随地球纬度的不同而变化(见图2中的地图)。不过，通过使用特殊的透镜或反射镜系统，可以将入射辐射放大数倍。还可以测量在一段时间内影响固定区域的太阳辐射。通常，此参数以瓦时每平方米每天(Wh/m2/day)表示。
图2：1983年至2005年年均太阳能分布(来源：researchgate.net)
太阳能电池板产生的能量取决于各种参数，例如方向、纬度、季节、大气条件、云量、温度和空气污染。对于相同数量的光照，电池板在较冷的气候下产生的能量比在温暖的温度下产生的能量更多，这是因为光伏模块在高温下效率较低。值得注意的是，太阳能电池板的效率并非100%。目前，最好和最昂贵的型号也只能达到约22%，而商用硅太阳能电池板的平均效率在15%至20%之间。
这意味着每1000瓦的阳光照射到太阳能电池板上，大约有150-200瓦的阳光会转化为电能。由于所有太阳能电池板的效率都很低，而且型号繁多，因此了解它们的效率可能很有趣。可以使用一个简单的公式来计算太阳能电池板的近似效率(以百分比表示)：
例如，一块50厘米x80厘米的50W太阳能电池板的效率约为12.5%。太阳能电池板的效率取决于其表面和质量。如果一块太阳能电池板能够将照射到它上面的所有光都转化为电能，那么它的效率就是100%，但目前为止，但目前还不可能达到这样的效果。
近年来，太阳能越来越多地融入日常生活，越来越多的基础设施适合有效使用太阳能。与其他形式的清洁能源不同，光伏能源可以融入任何类型和规模的建筑物和基础设施，而无需额外使用土地，因此太阳能发电对用户来说非常有利。利用太阳能可以大大减少对化石燃料的依赖，降低相关成本并改善地球环境。
配备光伏系统的建筑物和结构具有更高的市场价值，吸引了对能源效率特别感兴趣的潜在买家。通过优化闲置空间，可以将大量非生产性区域转化为太阳能生产面，从而最大限度地利用土地用于其他目的。电力基础设施是将电力从生产地点传输到终端用户的复杂结构，多年来，在电力发展史上，能源传输距离越来越远，效果也越来越好。
太阳能基础设施最重要的特点之一是能够可靠且经济地管理能源供需的变化。大规模光伏的特点是用户的能源需求不断波动，因此网络必须能够迅速解决与电力供需相关的所有问题，即使在极端条件下也是如此。与风能和水力发电不同，光伏能源的优势在于可以集成到任何类型的建筑物和基础设施中，而无需额外使用土地。
如今，最常见的太阳能集成方法是在建筑物屋顶安装太阳能电池板，这确实是一种非常方便的解决方案。最近，在建筑物外墙上安装太阳能电池板变得越来越流行，这种做法既能利用垂直空间发电，又能营造出优雅的现代美感。然而，该技术允许使用各种替代区域来放置光伏模块。例如，公路护栏、公交车站、火车站候车亭、公路或自行车道沿线的护栏，可以与太阳能电池板集成以照亮标志、为电动汽车充电或为交通管制提供电力。这类设备可以依靠大型太阳能结构，为交通系统的脱碳做出贡献。
智能电网是传统电网的技术演进。它由传感器和智能设备组成，能够收集和交换数据(见图3示意图)，具有智能性，能够与用户互动并实时适应用户需求。能源需求不断增长是不争的事实，如今，智能电网可以通过整合可再生能源和优化能源管理来缓解这一问题。
要管理这样一个系统，除了物联网技术外，还需要数字技术，以及可持续监控的可靠功能。线路传感器可以实时收集供应和消耗得数据，以供分析和控制，这样就能实现最佳的电力平衡，消除与停电有关的问题。智能电网还可以使用自我修复系统来检测简单问题并进行维修，而无需任何人工干预。
集成通信可顺畅地管理实时数据交换，从而形成高度可靠的系统，用于监控设备、防止能源盗窃和支持全面控制。能源供需之间的负载平衡对于可靠供应至关重要，如今，系统可以通过快速诊断和实时检查所有消耗自动实现负载平衡。如果没有智能电网，能源供应商将很难将可再生能源整合到现有的电网基础设施中。智能电网无疑可以提高能源效率，并提高消费者对其电力消费对环境影响的认识，它还可以提高能源系统的安全性，能够获取更多的自发电电力。
图3：智能电网的基本结构
将太阳能整合到基础设施中是迈向清洁、高效和可持续能源未来的重要一步。未来几年，人类将需要更多的电力供应，而这些电力应主要来自可再生能源，尤其是光伏能源。这样，越来越多的人将转向可再生能源，在不依赖国家电网的情况下生产电力。电力曾经被认为是个人的财产，但现在越来越多地被认为是一项集体权利，是所有人的基本权利。
(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Solar Energy and Infrastructure，由Ricardo Xie编译。)
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