传感器与检测技术论文.pdf

本文由531798151贡献 d o c 文档可能在WAP端浏览体验不佳 建议您优先选择TXT 或下载源文件到本机 查看 光电传感器 光电传感器 太阳能电池板 太阳能电池板是利用光生伏特效应原理制造的 在光线作用下能够使物体产生一 定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应 基于该效应的光电器件有光电池和光 敏 二极管 三极管 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能 的装置 以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流 而以光化学效应工作的湿 式太阳能电 池则还处于萌芽阶段 太阳能电池板 So l a r p a n e l 分类 晶体硅电池板 多晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池 非晶硅电池板 薄膜太阳能电池 有机太阳能电 池 化学染料电池板 染料敏化太阳能电池 太阳能发电系统 太阳能发电系统由太阳 能电池组 太阳能控制器 蓄电池 组 组成 如输出电源为 交流 220V 或 110V 还需要 配置逆变器 各部分的作用为 一 太阳能电池板 太阳能电池板是太阳能发电系统中 的核心部分 也是太阳 太阳能电池板 能发电系统中价值最高的部分 其作用是将太阳 能转化为电能 或送往蓄电池中存储 起来 或推动负载工作 太阳能电池板的质量和成 本将直接决定整个系统的质量和成 本 二 太阳能控制器 太阳能控制器的作用是控 制整个系统的工作状态 并对蓄 太阳能控制器 电池起到过充电保护 过放电保护的作 用 在温差较大的地方 合格的控制器还应具 备温度补偿的功能 其他附加功能如光控 开关 时控开关都应当是控制器的可选项 三 蓄电池 一般为铅酸电池 一般有 12 V 和 24V 这两种 小微型系统中 蓄电池 也可用镍氢电池 镍镉电池或锂电池 其作用 是在有光照时将太阳能电池板所发出的 电能储存起来 到需要的时候再释放出来 四 逆变器 在很多场合 都需要提供 AC220V AC110V 的交流电源 由于 逆变器 太阳能 的直接输出一般都是 DC12V DC24V DC48V 为能向 AC220V 的电器提供 电能 需要将太 阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能 因此需要使用 DCAC 逆变器 在某些 场合 需要使用多种电压的负载时 也要用到 DC DC 逆变器 如将 24VDC 的电能转换 成 5VDC 的电能 注意 不是简单的降压 晶体硅太阳能电池的制作过程 晶体硅太 阳能电池 的制作过程 的制作过程 晶体硅太阳能电池 硅 是我们这个星球上储藏最 丰量的材料之一 自从 19 世纪科学家们发现了晶 体硅的半导体特性后 它几乎改变了 一切 甚至人类的思维 20 世纪末 我们的生 活中处处可见 硅 的身影和作用 晶体硅 太阳能电池是近 15 年来形成产业化最快的 生产过程大致可分为五个步骤 a 提纯过 程 b 拉棒过程 c 切片过程 d 制电池 过程 e 封装过程 太阳能电池的应用 1 太阳能电池 1971 年首次应用于我国发射的卫星上 1973 年开始将太阳能电池用 于地 面 由于受到价格和产量的限制 市场发展很缓慢 除了作为卫星电源 在地面上 太阳能电池仅 用于小功率电源系统 如航标灯 铁路信号系统等 2002 年 国家有关部 委启动了 西部省区无电乡通电计划 通过光伏和小型风力发电解 决西部七省区无电 乡的用电问题 这一项目的启动大大刺激了太阳能发电产业 国内建起了 几条太阳能电 池的封装线 使太阳能电池的年生产量迅速增加 目前太阳能电池已经开始广泛用于通 信 交通 民用产品等各个领域 光伏发电不但列 入到国家的攻关计划 而且列入国家电 力建设计划 同时也在一些重大工程项目中得到应用 2003 年底 我国太阳能电池的累 计装机达到 5 万千 目前 光伏发电已遍及我国西部各省 区 以及中部和东部的部分省 市 自治区 投入总规模已经超过 30 亿元人民币 太阳能 电池高效和低价统一始终是 国际开发的目标 太阳能发电系统的设计需要考虑如下因素 问题 1 太阳能发电系统在哪里使 用 该地日光辐射情况如何 问题 2 系统的负载功率多大 问题 3 系统的输出电压 是多少 直流还是交流 问题 4 系统每天需要工作多少小时 问题 5 如遇到没有日 光照射的阴雨天气 系统需连续供电多少天 问题 6 负载的情况 纯电阻性 电容性还 是电感性 启动电流多大 问题 7 系统需求的数量 太阳能电池的原理 太阳光照在 半导体 p n 结上 形成新的空穴 电子对 在 p n 结电场的作用下 空 穴由 n 区流向 p 区 电子由 p 区流向 n 区 接通电路后就形成电流 这就是光电效应 太阳能电池的 工作原理 一 太阳能发电方式太阳能发电有两种方式 一种是光 热 电转换方式 另 一 种是光 电直接转换方式 1 光 热 电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能 p a g e 1 发电 一般是由太阳能 集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气 再驱动汽轮机发电 前一个过程是光 热 转换过程 后一个过程是热 电转换过程 与普通的火力发电一样 太阳能热发电的 缺点是效率很低而成本很高 估计它的投资至少要比普通火电站贵 5 10 倍 一座 10 00MW 的太阳能热电站需要投资 20 25 亿美元 平均 1k W 的投资 为 2000 2500 美元 因此 目前只能小规模地应用于特殊的场合 而大规模利用在经济 上很不合算 还不能与普通的火电站或核电站相竞争 2 光 电直接转换方式该方 式是利用光电效应 将太阳辐射能直接转换成电 能 光 电转换的基本装置就是太阳能 电池 太阳能电池是一种由于光生伏特效应而 将太阳光能直接转化为电能的器件 是一 个半导体光电二极管 当太阳光照到光电二 极管上时 光电二极管就会把太阳的光能变 成电能 产生电流 当许多个电池串联或 2 并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了 太阳能电池是一 种大 有前途的新型电源 具有永久性 清洁性和灵活性三大优点 太阳能电池寿命长 只 要太阳存在 太阳能电池就可以一次投资而长期使用 与火力发电 核能发电相比 太 阳能电池不会引起环境污染 太阳能电池可以大中小并举 大到百万千瓦的中型电 站 小到只供一户用的太阳能电池组 这是其它电源无法比拟的 电池板原料 玻璃 EVA 电 池片 铝合金壳 包锡铜片 不锈钢支架 蓄电池 等 太阳能电池板新型涂层研发成功 美国伦斯勒理工学院研究人员 2008 年开发出一种新型涂层 将其覆盖在太阳能 电池 板上能使后者的阳光吸收率提高到 96 2 而普通太阳能电池板的阳光吸收率仅 为 70 左右 新涂层主要解决了两个技术难题 一是帮助太阳能电池板吸收几乎全部的太 阳光 谱 二是使太阳能电池板吸收来自更大角度的太阳光 从而提高了太阳能电池板吸 收 太阳光的效率 普通太阳能电池板通常只能吸收部分太阳光谱 而且通常只在吸收 直射的太阳光 时工作效率较高 因此很多太阳能装置都配备自动调整系统 以保证太阳 能电池板始 终与太阳保持最有利于吸收能量的角度 多元化合物太阳电池 除了常用 的单晶 多晶 非晶硅电池之外 多元化合物太阳电池指不是用单一元 素半导体材料制 成的太阳电池 现在各国研究的品种繁多 大多数尚未工业化生产 主要有以下几种 a 硫化镉太阳能电池 b 砷化镓太阳能电池 c 铜铟硒太阳能电池 新型多元带隙梯 度 Cu In Ga Se 2 薄膜太阳能电池 全球太阳能电池产业现状 据 Da t a q u e s t 的统计 资料显示 目前全世界共有 136 个国家投入普及应用太阳能 电池的热潮中 其中有 9 5 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发 积极生产 各种相关的节能新产品 1998 年 全世界生产的太阳能电池 其总的发电量达 1000 兆 瓦 1999 年达 2850 兆 瓦 2000 年 全球有将近 4600 家厂商向市场提供光电池和以 光电池为电源的产品 目前 许多国家正在制订中长期太阳能开发计划 准备在 21 世纪大规模开发太阳 能 美国能源部推出的是国家光伏计划 日本推出的是阳光计划 NREL 光伏计划是 美国国 家光伏计划的一项重要的内容 该计划在单晶硅和高级器件 薄膜光伏技术 PVMa T 光 伏组件以及系统性能和工程 光伏应用和市场开发等 5 个领域开展研究 工作 美国 还推出了太阳能路灯 计划 旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳能 供电 根据 计划 每盏路灯每年可节电 800 度 日本也正在实施太阳能 7 万套工程计 划 日本 准备普及的太阳能住宅发电系统 主要是装设在住宅屋顶上的太阳能电池发 3 电设备 家庭用剩余的电量还可以卖给电力公司 一个标准家庭可安装一部发电 3000 瓦的系统 欧洲则将研究开发太阳能电池列入著名的 尤里卡 高科技计划 推出了 1 0 万套工程计划 这些以普及应用光电池为主要内容的 太阳能工程 计划是目前 推 动太阳能光电池产业大发展的重要动力之一 日本 韩国以及欧洲地区总共 8 个国 家最近决定携手合作 在亚洲内陆及非洲沙 漠地区建设世界上规模最大的太阳能发电 站 他们的目标是将占全球陆地面积约 1 4 的沙漠地区的长时间日照资源有效地利用 起来 为 30 万用户提供 100 万千瓦的电能 计划将从 2001 年开始 花 4 年时间完 成 目前 美国和日本在世界光伏市场上占有最大的市场份额 美国拥有世界上最大 的光伏发电厂 其功率为 7MW 日本也建成了发电功率达 1MW 的光伏发电厂 全世界 总 共有 23 万座光伏发电设备 以色列 澳大利亚 新西兰居于领先地位 20 世纪 90 年 代以来 全球太阳能电池行业以每年 15 的增幅持续不断地发展 据 Da t a q u e s t 发布 的最新统计和预测报告显示 美国 日本和西欧工业发达国家在研 究开发太阳能方面的 p a g e 2 总投资 1998 年达 570 亿美元 1999 年 646 亿美元 2000 年 700 亿美元 2001 年 将达 820 亿美元 2002 年有望突破 1000 亿美元 我国太阳能电池产业现状 我国对 太阳能电池的研究开发工作高度重视 早在七五期间 非晶硅半导体的研究 工作已经列 入国家重大课题 八五和九五期间 我国把研究开发的重点放在大面积太阳 能电池等方 面 2003 年 10 月 国家发改委 科技部制定出未来 5 年太阳能资源开发 计划 发改委 光明工程 将筹资 100 亿元用于推进太阳能发电技术的应用 计划到 2 005 年全国太 阳能发电系统总装机容量达到 300 兆瓦 2002 年 国家有关部委启动了 西部省区无 电乡通电计划 通过太阳能和小型风 力发电解决西部七省区无电乡的用电问题 这一 项目的启动大大刺激了太阳能发电产 业 国内建起了几条太阳能电池的封装线 使太阳 能电池的年生产量迅速增加 我国 目前已有 10 条太阳能电池生产线 年生产能力约为 4 5MW 其中 8 条生产线是从国外 引进的 在这 8 条生产线当中 有 6 条单晶硅太阳 能电池生产线 2 条非晶硅太阳能电池 生产线 据专家预测 目前我国光伏市场需求量 为每年 5MW 2001 2010 年 年需求量 将达 10MW 从 2011 年开始 我国光伏市场年需 求量将大于 20MW 目前国内太阳能硅生产企业主要有洛阳单晶硅厂 河北宁晋单晶硅 基地和四川峨 眉半导体材料厂等厂商 其中河北宁晋单晶硅基地是世界最大的太阳能 单晶硅生产基 地 占世界太阳能单晶硅市场份额的 25 左右 在太阳能电池材料下游 市场 目前国内生产太阳能电池的企业主要有无锡尚德 南京中电 保定英利 河北晶澳 林洋新能源 苏州阿特斯 常州天合 云南天达光 伏科技 宁波太阳能电源 京瓷 天津 太阳能等公司 总计年产能在 800MW 以上 2009 年 国务院根据工信提供的报告指出 多晶硅产能过剩 实际业界人并 不认可 科技部已经表态 多晶硅产能并不过剩 太阳 能电池发展市场 当电力 煤炭 石油等不可再生能源频频告急 能源问题日益成为制约 国际社会 经济发展的瓶颈时 越来越多的国家开始实行 阳光计划 开发太阳能资源 寻求经 4 济发展的新动力 欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源 在国际光 伏 市场巨大潜力的推动下 各国的太阳能电池制造业争相投入巨资 扩大生产 以争一 席之地 全球太阳能电池产业 1994 2004 年 10 年里增长了 17 倍 太阳能电池生产 主要 分布在日本 欧洲和美国 2006 年全球太阳能电池安装规模已达 1744MW 较 200 5 年成长 19 整个市场产值已正式突破 100 亿美元大关 2007 年全球太阳能电池 产量达到 3436MW 较 2006 年增长了 56 中国对太阳能电池的研究起步于 1958 年 20 世纪 80 年代末期 国内先后引进 了多条太阳能电池生产线 使中国太阳能电池生 产能力由原来的 3 个小厂的几百 k W 一下子提升到 4 个厂的 4 5MW 这种产能一直持 续到 2002 年 产量则只有 2MW 左 右 2002 年后 欧洲市场特别是德国市场的急剧放 大和无锡尚德太阳能电力有限公 司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前 所未有的发展机遇和示范效应 目前 我国已成为全球主要的太阳能电池生产国 2007 年全国太阳能电池产量 达到 1188MW 同比增长 293 中国已经成功超越欧洲 日本为 世界太阳能电池生 产第一大国 在产业布局上 我国太阳能电池产业已经形成了一定的 集聚态势 在长 三角 环渤海 珠三角 中西部地区 已经形成了各具特色的太阳能产业 集群 中国的太阳能电池研究比国外晚了 20 年 尽管最近 10 年国家在这方面逐年 加大 了投入 但投入仍然不够 与国外差距还是很大 政府应加强政策引导和政策激励 尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题 同时可借鉴国外的成功经验 在公共设 施 政府办公楼等领域强制推广使用太阳能 充分发挥政府的示范作用 推动国内市 场 尽快起步和良性发展 太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位 不但要替代部分 常规能源 而且将成为世界能源供应的主体 预计到 2030 年 可再生 能源在总能源 结构中将占到 30 以上 而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比 也将达到 1 0 以上 到 2040 年 可再生能源将占总能耗的 50 以上 太阳能光伏发电 将占总 电力的 20 以上 到 21 世纪末 可再生能源在能源结构中将占到 80 以上 太 阳 能发电将占到 60 以上 这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能 源领域重要的战略地位 由此可以看出 太阳能电池市场前景广阔 利用太阳能电池的 离网发电系统 太阳能离网发电系统包括 1 太阳能控制器 光伏控制器和风光互补控 制器 对所 发的电能进行调节和控制 一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载 另一方 面把多余的能量送往蓄电池组储存 当所发的电不能满足负载需要时 太阳能 p a g e 3 控制器 又把蓄电池的电能送往负载 蓄电池充满电后 控制器要控