光伏专业毕业论文.pdf

学生毕业设计（论文）学生毕业设计（论文） 题题目目太阳能光伏发电研究太阳能光伏发电研究 学学院院光伏工程学院光伏工程学院 专专业业光伏材料加工与应用技术光伏材料加工与应用技术 班班级级08 光伏（光伏（1）班）班 姓姓名名李艳龙李艳龙 学学号号2085110139 指导教师指导教师赖国胜赖国胜 完成日期完成日期2010 年 9 月 摘要 本文概述了目前全球能源现状,表明了太阳能发电的重要性和前景,详细介绍了各 种太阳能发电方式和它们的优点,并对这几种发电方式作了参数对比。 同时指出太阳能 发电面临的困难和解决措施,以及我国太阳能发电的有利条件和难点,对未来我国太阳 能发电进行了展望。 关键词:太阳能 ，发电方式 ，规模化 目录 1. 太阳能发电的类型及其优点 1 1.1 太阳能热发电 1 1.1.1 塔式太阳能热发电系统 1 1.1.2 槽式太阳能热发电系统 1 1.1.3 碟式太阳能热发电系统 1 1.2 太阳能光发电 2 1.2.1 太阳能发电系统 2 1.2.1.1 太阳能电源系统 2 1.2.1.2 控制器 2 1.2.1.3DC-AC 逆变器3 1.2 .2 太阳电池3 2. 太阳能发电面临的困难和解决措施4 3. 我国太阳能发电的优势和难点4 结论 6 致谢 7 参考文献 8 人类社会已进入21世纪,在新千年开始之际,热门正面临着一系列重大的挑战,全球 经济发展,人口迅速增加,需要提供更多的食物、住房和原料,因而对能源的需求量也不 断增加。在过去20年中,全世界能源消耗量增加了40%,其中85%以上使用的是矿物燃 料。这些矿物燃料燃烧时要产生大量温室气体,全球单是CO2排放量每年就超过500亿 吨,而且还在不断扩大。 形成的酸雨造成土壤退化,危害动植物。全球气候变暖可能会产 生灾难性后果,必须采取坚决措施,减少温室气体的排放。因此,治理环境污染,已成为当 务之急。同时,矿物燃料的储藏量是有限的,按目前探明的储藏与开发速度的比例计算, 地球上可再开采的能源,石油为40年,天然气约为60年,煤炭为200年。 如不采取有效措施, 到本世纪中叶,人类必将面临矿物燃料枯竭的严重局面。 为了减少大气污染、保护人类生态环境、保证能源的长期稳定供应,必须实施可持 续发展战略,逐步改变现有的能源结构,大力开发利用新能源。这已成为各国的共识。 在新能源中,公认技术含量最高、最有发展前途的是太阳能发电。下面就这两大类 太阳能发电方式逐一介绍。 1 太阳能发电的类型及其优点 太阳能发电可分为太阳能热发电和太阳能光发电两大类。 1.1 太阳能热发电 聚光式系统的集热部分由聚光器、跟踪定位器、吸收器构成,不同的技术常在此部 分有所区别;传输部分由管道和介质构成,介质常是空气或水;储热部分用来保证发电的 连续性,介质多为熔盐。聚光式系统可分为塔式太阳能热发电系统、槽式太阳能热发电 系统以及碟式太阳能热发电系统。 1.1.1 塔式太阳能热发电系统 塔式太阳能热发电系统也称为集中式太阳能热发电系统。它利用定日镜将太阳光 聚焦在中心吸热塔的吸热器上,在那里将聚焦的辐射能转变成热能,然后将热能传递给 热力循环的工质,再驱动热机做功发电。 1.1.2 槽式太阳能热发电系统 槽式太阳能热发电系统是利用槽式抛物面反射镜聚光的太阳能热发电系统的简 称。该聚光镜面从几何上看是将抛物线平移而形成的槽式抛物面,它将太阳光聚在一条 线上,在这条焦线上安装有管状集热器,以吸收聚焦后的太阳辐射能,并常常将众多的槽 式抛物面串并联成聚光集热器阵列。该系统中机热油回路和动力蒸汽回路分离开来, 经过一系列换热器来交换热量。当太阳能供应不足时,利用一个辅助加热器将油回路中 的导热油加热,从而实现系统的稳定连续运行。 1.1.3 碟式太阳能热发电系统 碟式太阳能热发电系统借助双轴跟踪,利用旋转抛物面反射镜,将入射的太阳辐射 进行点聚集,聚光点的温度一般为5001000,吸热器洗手这部分辐射能并将其转换成 热能,加热工质以驱动热机(如燃气轮机、斯特林发动机或其他类型透平等),从而将热能 转换成电能。该方式的优点是:转化效率最高;可模块化;可以混合发电。 三种聚光式系统数据对比 电站规模聚光点温度介质温度发电效率 塔式发电系统1-100MW1000-1500高于 35015%-23% 槽式发电系统1-100MW400左右不超过 35013%左右 蝶式发电系统1-10MW500-100085030%左右 除了上述几种聚光式太阳能热发电方式以外,太阳池发电、太阳能塔热气流发电等 新领域的研究也有进展。 1.2 太阳能光发电 太阳能光发电是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式。它包括光 伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能级半导体电 子器件有效地吸收太阳光辐射能,并使之转变成电能的直接发电方式,是的那股劲太阳 光发电的主流。 1.2.1 太阳能发电系统 太阳能发电系统主要包括：太阳能电池组件(阵列)、控制器、蓄电池、逆变器、用户 即照明负载等组成。其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为 控制保护系统，负载为系统终端。 1.2.1.1 太阳能电源系统 太阳能电池与蓄电池组成系统的电源单元，因此蓄电池性能直接影响着系统工作 特性。 电池单元： 由于技术和材料原因，单一电池的发电量是十分有限的，实用中的太阳能电池是 单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件(阵列)。单一电池是一只硅晶体 二极管，根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类 型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料 吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。同于P-N结势垒区存在着较 强的内建静电场，因而能在光照下形成电流密度J，短路电流Isc，开路电压Uoc。 若在 内建电场的两侧面引出电极并接上负载，理论上讲由P-N结、连接电路和负载形成的 回路，就有“光生电流“流过，太阳能电池组件就实现了对负载的功率P输出。 理论研究表明，太阳能电池组件的峰值功率Pk，由当地的太阳平均辐射强度与末 端的用电负荷(需电量)决定。 电能储存单元： 太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存，蓄电池的特性影响着系统的工作效 率和特性。蓄电池技术是十分成熟的，但其容量要受到末端需电量，日照时间(发电时 间)的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的连续无日照时间决定。 1.2.1.2控制器 控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得 最高效率。而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即PWM控制方式，使整个系统始终 运行于最大功率点Pm附近区域。放电控制主要是指当电池缺电、系统故障，如电池开 路或接反时切断开关。目前日立公司研制出了既能跟踪调控点Pm，又能跟踪太阳移动 参数的“向日葵“式控制器，将固定电池组件的效率提高了50%左右。 1.2.1.3DC-AC逆变器 逆变器按激励方式，可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要功能是将蓄 电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、 升压等， 得到与照明负载频率f， 额定电压UN等匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。 1.2 .2 太阳电池 目前世界上应用最广泛的太阳电池是单晶体硅太阳电池、多晶硅太阳能电池、薄 膜太阳能电池等。 单晶硅电池 单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的加工处理工艺基础上的。它的转 换效率最高,技术也最为成熟。 在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅 太阳能电池,其效率为17%。硅电池进展的重要原因之一是表面钝化技术的提高。此外, 倒金字塔技术、双层减反射膜技术以及陷光理论的完善也是高晶硅电池发展的主要原 因。 多晶硅电池 多晶硅电池与单晶硅比较,由于所使用的硅远比单晶硅少,其成本远低于单晶硅电 池,具有独特的优势。 但是由于它存在着晶粒界面和晶格错位的明显缺陷,造成多晶硅电 池光电转换率一直无法突破20%的关口,低于单晶硅电池。薄膜太阳能电池 薄膜太阳能电池发电是另一种光伏发电方式。由于受到原材料、加工工艺和制造 过程的制约,若要再大幅度地降低单晶硅太阳电池成本是非常困难的。作为单晶硅电池 的替代产品,现在发展了薄膜太阳电池。目前薄膜电池主要有硅基薄膜太阳电池、化合 物半导体薄膜电池、燃料敏化TiO2太阳电池等。 实验室典型电池商品薄膜电池 各种太阳能电池 max(%) 各种太阳能电池(%) 单晶硅24.4多晶硅16.6 多晶硅18.6铜铟镓硒18.8 GaAs(单结)25.7碲化镉16.0 a-si(单结)13铜铟硒14.1 太阳能光伏发电系统的主要优点是:可以有效利用建筑物屋顶和幕墙,无需占用土 地资源;可原地发电,原地使用,减少电力输送的线路损耗;各种彩色光伏组件可取代和节 约外饰材料(如玻璃幕墙等)在白天用电高峰期供电,从而舒缓高峰电力需求;配备蓄电 池后,还能满足安全用电设施的不断电要求;太阳能发电板阵列直接吸收太阳能,降低墙 面及屋顶的温升,减轻建筑空调负荷。 2 太阳能发电面临的困难和解决措施 前面介绍了几种太阳能热发电技术,除碟式发电系统外,都属于大规模发电系统,只 有做成几十到几百兆瓦级的发电站,成本才可能降下来。太阳能塔热气流发电和太阳池 发电占地面积大,利用效率不高,仅仅在1%左右。因此太阳能塔热气流发电应放在土地 广阔、人口稀少的沙漠地区使用;而太阳池发电应适合放在日照条件好、盐资源比较丰 富的地区使用。 总体来看,槽式发电系统技术上最为成熟,且其跟踪机构比较简单易于实 现,总体成本最低。太阳能热发电系统要实现的是低成本的投资和技术上的高可靠性运 行。这要求未来在技术上要进行新型集热材料的研究和开发,快速提高跟踪机构的技术 并降低其实现成本。 同时发电产业要努力实现规模化,建立大规模的并网系统,既节约成 本,又保证系统平稳安全运行。 对于光伏发电来说,总体来看,该产业尚处于起步阶段,主要是由于太阳能发电初期 投资大,控制成本高,而太阳能转化效率比较低,且容易受天气等多种因素影响。根据目 前光伏发电发展状况和其技术难点,未来的光伏发电研究需要重视以下几个方面:一是 加快太阳能原材料晶体硅生产技术的研究和新型替代材料的开发,降低材料成本并提 高其转化效率;二是提高系统控制技术,如达到光伏电池阵列的最优化排列组合、 实现太 阳光最大功率跟踪等;三是研究光伏发电的并网技术,减少光伏电能对电网的冲击;四是 研究光伏发电与其他可再生能源发电技术的结合应用,保证供电持续性。 3 我国太阳能发电的优势和难点 发展太阳能发电的需求主要来自满足农村和边远地区的生产与生活用电和21世纪 中持续发展我国电力事业两个方面。在太阳能发电上我国具有得天独厚的有利条件: 1丰富的太阳能资源。我国总面积2/3以上的地区年平均日照时数在2000h以上, 年平均日辐射量在4000MJ/m2以上,要优于欧洲和日本,与美国相近。 如此丰富的太阳能 资源可以节省太阳能电池的用量,有利于太阳能发电在较低成本下加以推广。 2我国太阳能电池的生产能力超过日本、美国和欧洲,居世界第一位,2007年我国 太阳能电池的产量约为1180兆瓦。2007年在全球太阳能生产企业16强中,我国占据了6 席。 3逆变技术是太阳能发电的关键技术之一,由于在大功率开关器件开发和逆变技 术的应用等方面,我国已取得长足进步,生产出适用于光伏并网、高效率、高可靠性、低 污染、低成本的逆变器成为可能。 但为了太阳能发电产业的快速发展,必须解决以下几个问题: 1我国生产太阳能电池的原材料主要依靠进口,而绝大多数太阳能电池和切片用 于出口,这种不利于产业发展的加工业局面必须尽快扭转。 2太阳能发电的成本在每千瓦小时3元以上,远远高于目前居民电网用店家的每千 瓦小时0.5元。这也是发展太阳能发电的不利一面。 3前,太阳能电池的光电转换效率比较低,比如小尺寸(1 cm2)多晶硅太阳能电池的 光电转换效率为19.8%,而大尺寸(1000 cm2)多晶硅太阳能电池的光电转换效率为12%, 为了降低太阳能发电的成本必须提高太阳能电池的光电转换效率。 4我国的太阳能发电产业起步于独立型太阳能发电设备(10kW以下),主要用于解 决太阳能资源丰富而又无电的边远地区的居民用电。 而更大容量(MW级)的并网型太阳 能发电设备的投产是降低成本的途径之一。 5截止到2005年,我国的风力发电总装机容量为1500MW左右,是太阳能发电总装 机容量的20倍,到2020年规划总装机容量为30000MW,也是规划太阳能发电总装机容量 的15倍。 但两者特点各异。 夏季日照足风速低,冬季日照弱风速强;同样白天日照强时风 小,夜晚无光照时风大。太阳能发电与风力发电并网是提高电能质量和降低成本的另一 途径。 结论 该毕业设计从选题到最终的完成，运用到了大学三年所学到的很多知识。通过完 成这次毕业设计，首先让我熟悉了我们以前所学的知识，把比较分散的知识集中化， 对我们以前所学的各科知识进一步的熟练、巩固与提高。同时也锻炼我们在数控编程 等方面的实际能力。也使我能够系统的集中的复习、总结了这二年多所学的许多学科 的知识。让自己在专业方面有很大的提升。 课题意义： 人类社会已进入21世纪,在新千年开始之际,热门正面临着一系列重大的挑战, 全球经济发展,人口迅速增加,需要提供更多的食物、住房和原料,因而对能源的需求量 也不断增加。在过去20年中,全世界能源消耗量增加了40%,其中85%以上使用的是矿物 燃料。这些矿物燃料燃烧时要产生大量温室气体,全球单是CO2排放量每年就超过500 亿吨,而且还在不断扩大。 形成的酸雨造成土壤退化,危害动植物。全球气候变暖可能会 产生灾难性后果,必须采取坚决措施,减少温室气体的排放。因此,治理环境污染,已成为 当务之急。 同时,矿物燃料的储藏量是有限的,按目前探明的储藏与开发速度的比例计算, 地球上可再开采的能源,石油为40年,天然气约为60年,煤炭为200年。 如不采取有效措施, 到本世纪中叶,人类必将面临矿物燃料枯竭的严重局面。 为了减少大气污染、保护人类生态环境、保证能源的长期稳定供应,必须实施可持 续发展战略,逐步改变现有的能源结构,大力开发利用新能源。这已成为各国的共识。 我国环境污染最为突出的是大气污染.1986年全国煤炭消耗量达8.62亿吨，其中约 90%用于直接燃烧。全国每年烧煤排放的颗粒物达2200万吨，二氧化硫达1300万吨， 分别占总排放量的80%和90%。华北12个城市，大气中的颗粒物平均浓度为纽约的20 倍，为世界卫生组织确定的允许浓度的9.6倍。目前，我国已出现了三个酸雨地带。 我 国农村每年要烧掉1.8亿吨薪柴，这就导致大量森林被砍伐，森林的破坏又造成气候恶 化，水土流失。目前世界森林覆盖率达20%，而我国只有13%。由于环境污染，每年 我国的经济损失360亿元。 由于生态环境破坏造成的损失达500亿元。 未来的生活需要 一种环保型的能源。太阳能可以担任这一角色，它零排放的优越星将成为人类生活的 主流。 光伏材料加工与应用技术的应用前途无限光明。 致谢 经过一个月的忙碌和工作，本文是在李一龙院长，赖国胜，曹志伟等光伏院老师 精心指导和大力支持下完成的。 院里老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、 兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。我渊博的 知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我