太阳能电池加热效率研究及小型太阳能电池供电热水器系统设计开题报告

1、山西大学本科毕业论文（设计）开题报告姓 名温兴超学 号所在专业论文（设计）题目太阳能电池加热效率研究及小型太阳能电池供电热水器系统设计选题的目的和意义： 随着经济的发展，化石能源不断较少，环境污染越来越严重，太阳能普遍，巨大，清洁无污染而且长久储量大的特点也越来越受到国内外的亲睐，但太阳能的分散性，不稳定性和效率低和成本高：太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高的特征成为世界的研究方向和课题。而研究高效率的太阳能电池板就具有重要的意义和研究价值，现在太阳能电热水器已经进入千家万户，课题的研究有利于清洁能源的利用为人类服务，

2、并且太阳能热水器是不易损坏，寿命至少在十年以上，甚至有到二十年的，因为基本热源为免费的太阳能，所以使用它十分符合经济成本效益。太阳能电池加热效率及太阳能供电热水器系统技术上的创新具有重要的意义。1.国内外研究现状： 我国地处北半球欧亚大陆的东部，土地辽阔，幅员广大。.我国的国上跨度从南至北，自西向东距离都在5000Km以上， 总面积达的960万平方方公里， 占全世界陆地总面源的7%，居世界第三位，在我国广阔富饶的土地上有着十分丰富的太阳能。太阳能的应用用包括大阳能发电和太阳能热利用，太阳能发电又分为光伏发电，光化学发电，光感应的发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能电池这种半导体器件吸收太阳光

3、辐射能，使之转化成电能的直接发电形式光伏发电形式，光伏发电是当今太阳能发电的主流。中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，中国把研究开发的重点放在大面积太阳能电池等方面。根据半导体设备暨材料协会(SEMI)的统计，2011年中国国内新增光伏装机容量2.7GW，占到2011年全球新增光伏装机容量的10%左右。水利水电规划总院的数据显示，截至到2012年底，中国光伏发电容量已经达到了7982.68MW，超越美国占据第三，但是最重要的还是集中在西部地区。中国19个省共核准了484个大型并网光伏发电项目，核准容量是11543.9

4、MW；中国15个主要省已累计建成233个大型并网光伏发电项目，总的建设容量为4193.6MW，2012年兴建98个。其中青海、宁夏、甘肃3省的建设容量和市场份额都占据了半壁江山。为了解决这种光伏发电集中的情况，从2012年12月开始了分布式光伏发电示范项目的一个技术评审，到2013年5月，中国26个省市共上报了140个示范区，每一个示范区项目不是一个独立项目，可能涵盖了若干个市、县或者是镇，它的总容量是16529.6MW。根据OFweek行业研究中心的最新数据显示，2013年上半年中国新增光伏装机2.8GW，其中1.3GW为大型光伏电站。截至2013年上半年，中国光伏发电累计建设容量已经达到1

5、0.77GW，其中大型光伏电站5.49GW，分布式光伏发电系统5.28GW。目前，国务院审议通过了可再生能源中长期发展规划，明确太阳能发电是可再生能源发展的重要组成部分，当前和今后一段时间要加快开发利用。按照国家规划，到2020年将达到1.8GW，到2050年将达到600GW（百万千瓦）。按照中国电力科学院的预测，到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%。与此同时，中国已经形成了多家世界级的光伏产品生产企业，并分别在美国、香港上市。从已上市企业的市值看，世界十大光伏企业中，中国有保利协鑫、茂迪（台湾）、天合光能、无锡尚德四家，分别位居第二、五、

6、七、八。德国、美国、日本三个国家是主要的利用太阳能的国家，集中了太阳能电池生产商，也是产品主要的需求国。西班牙则发展迅速。德国太阳能装机容量在2007年达到1328MW，占世界新增容量的47%。是目前全球最大的太阳能发电市场，而西班牙是增长最快的市场之一，2007年新增太阳能光伏发电装机容量640MW，同比增长480%，成为全球新的第二大市场。美国市场新增220MW，同比增长57%，只有日本在政府取消了一定的政策补贴后增速下降了22%，综上，全球太阳能电池呈迅猛式的发展。全球太阳能电池呈迅猛式的发展。 太阳能电池优缺点主要体现在成本、转化率、生产工艺、技术等方面，导致电池转换效率提高的原因主要

7、来自于以下几个方面： (1) 材料质量的改善，显著的提高了光生载流子在电池体内的扩散长度和收集效率； (2) 电池表面绒面和减反射膜的形成有效地提高了太阳光在电池体内的吸收； (3) 铝背场(BSF)的形成有效地减少了电池背面的表面复合速率； (4) 磷吸杂、铝吸杂和体内的氢钝化有效地提高了多晶硅材料的质量； (5) 二氧化硅和氮化硅对发射(emitter)结的表面进行了有效的钝化，从而减少了电池前表面的复合速率； (6) 选择性扩散，即金属电极下的发射结浓度远远大于其余发射结的浓度，从而有效地抑制了电极区的复合速率，并提高了电池在短波处的光谱响应2.国内外研究方向： 作为太阳能电池的材料，I

8、II-V族化合物及CIS等系由稀有元素所制备，尽管以它们制成的太阳能电池转换效率很高，但从材料来源看，这类太阳能电池将来不可能占据主导地位。而另两类电池纳米晶太阳能电池和聚合物修饰电极太阳能电地存在的问题，它们的研究刚刚起步，技术不是很成熟，转换效率还比较低，这两类电池还处于探索阶段，短时间内不可能替代应系太阳能电池。因此，从转换效率和材料的来源角度讲，今后发展的重点仍是硅太阳能电池特别是多晶硅和非晶硅薄膜电池。由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本，将最终取代单晶硅电池，成为市场的主导产品。提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素，对于目前的硅系太阳能

9、电池，要想再进一步提高转换效率是比较困难的。因此，今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来，现有的高转换效率的太阳能电池是在高质量的硅片上制成的，这是制造硅太阳能电池最费钱的部分。因此，在如何保证转换效率仍较高的情况下来降低衬底的成本就显得尤为重要。也是今后太阳能电池发展急需解决的问题。近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶硅薄膜太阳能电池的基片，以达到降低成本的目的，效果还是比较现想的。 提高电池的开路电压能提高电池的转换效率，而具有背面场的电池，开路电压、短路电流和填充因子都可得到提高。这些新工艺、新技术已在高效电池中得到应用，并取得了好的效果。当前，研发新的工艺、

10、新的技术和新的器件结构，研发向工业生产的转移问题、降低电池和组件的成本问题是现在的研究方向： (1) 发射极钝化及背面局部扩散太阳能电池（） (2) 埋栅太阳能电池（） (3) 高效背表面反射器太阳能电池（） (4) 高效背表面场和背表面反射器大阳能电池（） (5) 高效低阻硅太阳能电池（） (6) 各类新型薄膜太阳能电池的研究开发如非晶硅薄膜太阳能电池3.太阳能电池及加热效率进展情况： 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

11、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。 光伏发电的工作原理光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无

12、噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。目前，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统

13、和计算器辅助电源等。国产晶体硅电池效率在10至13左右，国外同类产品效率约18至23。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件。目前，光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场合提供电源，主要为广大无电地区居民生活生产提供电力，还有微波中继电源、通讯电源等，另外，还包括一些移动电源和备用电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草坪灯等；三是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施。我国并网发电还未起步，不过，2008年北京奥运会部分用电将会由太阳能发电和风力发电提供。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：（1）单晶硅太阳能电池

14、单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。（2）多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12左右(2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展

15、。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。（3）非晶硅太阳能电池 非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。（4）多元化合物太阳电池 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

16、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)Se2薄膜太阳能电池)Cu(In,Ga)Se2是一种性能优良太阳光吸收材料，具有梯度能带间隙（导带与价带之间的能级差）多元的半导体材料，可以扩大太阳能吸收光谱范围，进而提高光电转化效率。以它为基础可以设计出光电转换效率比硅薄膜太阳能电池明显提高的薄膜太阳能电池。可以达到的光电转化率为18，而且，此类薄膜太阳能电池到目前为止，未发现有光辐射引致性能衰退效应（SWE），其光电转化效率比目前商用的薄膜太阳能电池板提高约5075%，在薄膜太阳能电池中属于世界的最高水平的光电转化效率。4.我国太阳能电池发展的主要问题及解决办法： 由于

17、国外市场特别是德国市场需求的刺激。我国太阳能电池厂家发展迅速，估计今年全国数十家企业新上的或扩产的太阳能电池生产线的产能目标将超过600MW，而实际产量也将达到300MW以上。但在“形势一片大好”的背后存在着不少潜在的问题。(1)硅原材料 太阳能电池用硅原材料缺乏已成为国际性的一大问题，对我国的影响尤为严重，国际上长期供货合同的均价以上涨了25%，而在我国，由于畸形发展，上涨的幅度远不止25%，一般向国外生产厂家直接订货合同价格为40-60美元/kg；同通过中间商的硅材料价格2005年一路飙升，一年之间已从25美元/kg上升到超过200美元/kg，最近已达220美元/kg。以目前国际市场太阳能

18、电池销售价4.0-4.2美元/W计算，如此昂贵的硅材料价格已使太阳能电池生产厂无利润可言，更为严重的是现在已有一些新上电池生产线、即使高价也买不到货，处于半停产状态，尽管洛阳中硅、四川峨眉等公司计划扩产，特别是洛阳中硅已决定新建年产1000吨多晶硅的生产线项目，但上这样的大项目风险不小，不仅投资很大，而且从年产300吨试验生产线扩展到年产1000吨生产线，技术上将会遇到不少问题。由于太阳能电池用多晶硅材料用量猛增，已带动了整个电子信息产业的硅材料上涨，影响到其他硅电子元器件的材料成本。有资料表明，目前我国对多晶硅的需求量为3800吨，其中光伏产业需求2691吨，而我国多晶硅的产量只有60吨，即

19、使全部供应光伏产业，也仅占市场需求的2.6%。我国硅原材料非常丰富，是石英砂矿（制备晶体硅的原材料）的出产大国，在海南岛等地拥有大量的矿产资源，在世界硅产量中我国就占了1/3，这是我国大力发展太阳能电池的有利资源条件。但是我国的提纯技术较为落后，提纯成本很高，价格贵。我认为，我们一定要重视多晶硅规模生产技术的自主研发，努力增大科技投入的，不能依赖于从国外买进技术，必须要靠科研人员和企业的自主研发创新，扭转现在的被动局面，为将来的发展作好技术储备。(2)市场 目前我国的太阳能电池产品主要是外销，太阳能电池和组件有95%以上销往国外，国内市场份额很小，太阳能电池成了典型的两端在外的行业：技术、原材

20、料在外，销售和市场在外，而加工制造在内，这导致高额利润由国外厂商赚，国内花费大量劳力、能源、资源、仅取得低额利润。值得注意的是，现在我国能源紧缺，消耗紧缺的能源制取可再生的能源产品，源源不断地输送到国外获得微薄收益，不符合国家的根本利益。最近几年国内太阳能电池市场一直处于停滞不前的状态，在国外，发展太阳能光电产业主要是依靠大量安装屋顶并网系统，早在两年前已占全世界太阳能电池总用量的60%以上，现在估计已超过70%，而我国只有深圳、上海和北京有些零星的并网屋顶系统，如果没有大中型城市和东南沿海经济发达地区大量推广屋顶并网系统，即使实施西部地区村通电工程也难以使我国的太阳能电池市场获得持久快速发展

21、。如果国内市场没有发展起来，一旦国外市场受阻，而众多的太阳能电池生产厂商将面临十分困难的局面。因此，太阳能电池要想获得长足的发展，必须要打开国内市场，这还依赖于政府的扶持。(3)技术进步 近年来我国太阳能电池产业发展很快，但技术进步并不显著，主流的晶体硅太阳能电池的技术进步几乎全依赖于先进的进口设备，很少有属自主创新的核心技术；除少数企业外，产品总体质量不如日、欧、美等发达国家。在目前的科技体制下，科研院所要想开展具有原创性的太阳能电池研究有很多困难，因此，包括生产设备制造在内的总体技术水平始终与发达国家有一定的差距。我认为要解决技术进步的问题，关键是需要有一大批拔尖的技术人才，而我国现有的情

22、况是：大学比较注重一些新型太阳能电池的研究，缺乏对常规太阳能电池生产工艺的研发，而一些有关科技院所已改制或面临改制，无力投入大量资金建立太阳能电池生产线进行工艺技术的研究与开发。由于光伏产业发展较快，能适应生产第一线的技术人员奇缺，一些企业往往通过猎头公司相互挖人，这也对行业的发展带来了不利影响。要想促进太阳能电池的长足发展，这些问题必须解决。(4)国家和各级政府的扶植政策 太阳能发电虽然有诸多优点，毕竟太阳能电池制造成本较高，发电成本远高于不计环保成本的燃煤火力发电成本；经核算高于每点成本少则六倍，多则十倍。在现今市场经济为主体的社会条件下，政府必须有相应的扶植政策。日本、美国、欧盟都有发展

23、光伏产业的扶持政策，就连印度这样的第三世界国家也有自己的扶持政策。最典型的是德国，由于政策落实，加上公众认同，近两年发展极快，2005年安装量达837MW，占世界总安装量的57%，我国去年2月28日全国人大通过了可再生能源法，今年四月国家发改委又出台了可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法，具体落实施行还会遇到诸多困难，需要电力部门和各级地方政府给予大力支持。(5)其他 公众的认识和支持也是推广太阳能发电技术的一个重要问题，目前我国对这的科普宣传做得很不够，示范工程也很少，与集中供电的火力发电相比，对独立光伏系统需要增加蓄电池等贮能设备，对并网发电系统还要增加并网逆变器等辅助设备，使用较复杂

24、，因此没有公众的支持也是难以发展的。另外，国外大多数住宅多为单层或双层建筑，而目前我国大中城市则多为高层或多层建筑，这度实施太阳能建筑一体化，安装太阳能光伏屋顶系统向用户供电，也将带来了一定的困难。5. 参考文献：1 曾忠,利李松柏,江绍明.小型极轴太阳能发电追踪控制器的研制J.硅谷.2009,08期2 刘爽,朱凯,董宸.基于PLC一维极轴自动控制的对日跟踪系统J.工业控制计算机.2010,01期3 王海鹏,郑成聪,徐丹等.太阳自动跟踪装置设计与制作J.科学技术与工程.2010,19期4 梁龙学,李军伟,张文发等.一种新颖的太阳自动跟踪装置J.甘肃科技纵横.2010,05期5 刘四洋,伍春生,

25、彭燕昌等.主动式双轴太阳跟踪控制器J.可再生能源.2007,06期6 陈维,李戬洪.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究J.能源工程.2003,03期7 刘学东,邵理堂,孟春站等.双轴转动的太阳自动跟踪装置研究和设计J.能源工程.2010,03期8 梁勇,梁维铭.太阳能电池的方位跟踪方案比较与设计J.能源研究与利用.2008,02期9 李明滨,李宜蔓等.一种单驱双动型视日轨迹控制系统的设计J.机械设计与制造.2012,11期10 朱凯,刘爽.极轴式太阳能跟踪机构J.太阳能.2010,03期11 张松松,姜素兰,刘元盛.基于MC9S12XS128的太阳跟踪器设计A.2011年全国电子信息技术与 应用学术会议论文集C.2011 山西大学本科毕业论文（设计）开题报告主要研究内容： 研究太阳能电池在不同季节、不同时