光伏毕业论文

1、学生毕业设计（论文）题目 太阳能发电 学 院 光伏工程学院专业光伏材料加工与应用技术 班 级08光伏（1）班 姓名 陈祥红 学号 2085110114 指导教师 赖国胜 完成日期 2010年9月 目录摘 要：11光伏产业发展前景11.1发展新能源是人类社会发展的必然趋势11.2太阳能行业发展现状21.3光伏产业未来路向何方32太阳能发电原理42.1太阳能电源系统42.2 控制器52.3 DC-AC逆变器53太阳能发电系统的效率53.1 发电-建筑照明一体化53.2 绿色照明光源研究64我国太阳能发电的优势和难点64.1 我国太阳能发电的优势64.2 我国太阳能发电的难点75太阳能发电面临的困难

2、和解决措施76结论7致 谢8参考文献9江西渝州科技职业学院毕业设计（论文）论太阳能发电摘 要：本文讲述了太阳能发电系统的结构和工作原理。太阳能发电系统在广大无电地区或供电严重不足地区应用，可有效地解决居民照明及生活用电的困难。文中提出充分利用太阳能，研究开发推广节能型的绿色光源，是实现建筑绿色照明，实施国家"绿色照明工程"的重要措施。关键词：太阳能 发电 绿色 照明一体化 太阳能发电是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。太阳能电池组件(Solarcells)是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置，在广大的无电力网地区，该装置可以方便地实现为用户照明及生活

3、供电，一些发达国家还可与区域电网并网实现互补。目前从民用的角度，在国外技术研究趋于成熟且初具产业化的是"光伏-建筑(照明)一体化"技术，而国内主要研究生产适用于无电地区家庭照明用的小型太阳能发电系统。1 光伏产业发展前景1.1 发展新能源是人类社会发展的必然趋势 目前人类的能源消费结构中，石油、煤炭、天然气、铀等矿物资源，占到了人类能源供给量的80%以上。世界目前的日原油消耗量约为8500万桶，并仍以每年1%的速度在增长。按现在的消耗量，到2010年，全球将消耗掉从经济成本和技术角度考虑都较容易开发的全部石油储量的一半。尽管地质勘探技术在不断的进步，但所探明的新的石油储量明

4、显减少，现有石油消费量同新勘探到的石油量的比例是41。美国石油业协会估计，地球上尚未开采的原油储藏量已不足两万亿桶，可供人类开采时间不超过60年，而且随着易开采部分的开采殆尽，开采的成本将越来越高。天然气储备估计在131800-152900兆立方米，将在57-65年内枯竭。煤的储量约为5600亿吨，可以供应约160年。铀的年开采量目前为每年6万吨，可维持70年左右。如果矿石资源一旦短缺，而新的能源体系又没有完全建立，将有可能造成全球性的能源危机，从而导致全球性的经济危机。 传统的初级能源除了不可再生所造成的有限性外，另一个弊端就是使用后对环境的污染性。石油和煤燃烧后所产生的二氧化碳、二氧化硫等

5、气体的大量直接排放所造成的温室效应、臭氧层空洞、酸雨等问题，如再不加以控制就会对人类的生存环境造成灾难性的后果。 面对资源枯竭，环境恶化所造成的能源危机，人类已经意识到它的严重性，许多国家开始从节约能源，保护环境入手试图解决能源危机，但却无法改变现有矿物资源的储量有限性及使用后对环境的污染性这两个不争的事实，而只能在一定程度上对危机进行缓解。解决能源危机的根本途径也是最终途径就是寻找一种可再生的清洁型新能源。 未来将被广泛使用的新能源中，首先在能源总量上必须能满足人类对能源的整体需求水平。其次，将完全替代传统能源的新能源会遍布人类生活的每一个角落。从目前的发展态势看，太阳能、风能及核能(聚变)

6、将成为未来人类社会的主流能源，与后两者相比，除了以大规模电站形式的应用外，太阳能更易于应用于人们的日常生活，前景和市场更为广阔。石油、煤炭等矿物资源都是地球数亿年来对太阳能的储存所形成，跨过这些媒介直接应用太阳能将是人类生产力的一次飞跃。太阳能凭借其分布的广泛性，资源清洁性、能源可再生性以及技术发展的充分性，必将在未来替代传统能源。1.2 太阳能行业发展现状随着原油价格的不断上涨以及环境气候问题的倍受关注，各国政府尤其是发达国家日益重视太阳能行业的发展，在政策的大力支持下，光伏产业赢来了行业发展的高峰期。最近10年太阳电池及组件生产的年平均增长率达到33%，最近5年的年平均增长率达到43%，2

7、006年世界太阳电池产量达到2500MW，累计发货量达到8500MW。 从需求方面看，目前全球光伏市场增长最快的分别为德国、日本和美国。其中德国2006年新增总量达1153MW，超过全球增长总额的40%，日本和美国分别达到286.6MW及140MW。从供给方面看，日本、德国分居前两位，其中SHARP的产量达434MW，占全球生产总量的17.4%。值得关注的是中国2006年太阳电池的产量达到369.5MW，紧随日本和德国之后，位居世界第三大光伏电池生产国。由于光伏发电目前的发电成本仍是传统能源发电成倍的8倍左右，完全依靠市场驱动的话，光伏产业将举步维艰，所以政策扶植成为当前推动光伏市场的增长的主

8、要动力。以德国为例，1990年，德国议会批准了电力购买法，并启动1000屋顶计划，德国光伏产业开始起步。2000年，德国议会通过了可再生能源法，并于2004年进行了修订，施行购电补偿法，根据不同的太阳能发电形式，政府给予为期20年，0.45-0.62欧元/度的补贴，每年递减5-6.5%。购电补偿法的推出成为德国光伏市场增长的催化剂，在推出后的短短几年之内，德国光伏市场迅速发展，一举超过日本成为世界最大的光伏市场，行业的景气也催生了Q-Cells，Solarworld等一批世界级的光伏企业。 在光伏产品中，晶体硅太阳能电池是太阳能电池的主流，与半导体工业用电子级晶体硅相比，太阳能级多晶硅的纯度要

9、求较低，为99.9999%，而前者需要的纯度达到99.999999%。1998年之前，太阳能电池用硅主要来自于半导体工业的纯度达不到要求的废料及加工中产生的边角料。98年之后，由于太阳能光伏产业飞速发展，半导体废料难以满足需求，多晶硅供应商才开始利用过剩产能向太阳能电池生产商提供太阳能级多晶硅。太阳能电池产业用硅量逐年扩大，至2005年太阳能产业开始与微电子产业在硅材料的消耗上首次平分秋色(太阳能的使用达到了48%)。光伏市场对于多晶硅产业的发展已经具有举足轻重的作用，光伏产业的原料来源逐步从使用等外品多晶硅、直拉单晶硅头尾料开始大量采用SoG(太阳能电池级)硅。 当光伏产业以连续五年超过40

10、%的速度向前发展时，突然扩张的市场需求使上游原材料多晶硅的供给出现了空前的紧缺，多晶硅价格一路上扬，从2003年的$24/k上涨到目前现货价格超过$300/kg，高企的原料价格成为环绕在下游生产商心头挥之不去的梦魇。 多晶硅的价格上涨主要原因除了由于光伏产业的超预期增长，使下游需求急速增加外，多晶硅的产能扩张困难，不能马上弥补需求缺口也是重要因素。由于满足太阳能电池生产需要的高纯度硅生产的核心技术掌握在西方发达国家少数几家企业手中，加之高纯度硅料也可用于军事工业，从而使引进此项核心技术非常困难。同时，从投资角度来看，一个1000吨左右的多晶硅生产线，就如同一个中型的现代石化公司，不仅工程设计复

11、杂，耗电量高(年产千吨多晶硅的生产线需要的供电装机容量为9.8万千瓦，年总用电量为2.5亿千瓦时)，而且在国内的总投资更是高达10亿元，而1000吨/年目前也是全球公认的高纯度硅料生产的最小经济规模。更为重要的是，进入这产业最重要的门槛并不是资本，而是技术。在多晶硅价格出现供给缺口后，几大厂商纷纷推出了自己的扩产计划，市场也预计多晶硅的供给瓶颈将在08年随着新增产量的陆续投产而彻底消失。但实际情况却是，随着多晶硅价格的不断上涨，在目前多晶硅毛利率接近80%的情况下，上游原料供给商纷纷放慢扩产步伐，试图使价格在高位运行的时间尽量延长。而且多晶硅的生产从建成到达产也需要一个相对较长的时间，所以“拥

12、硅为王”成为当前光伏产业最显著的特点，整个光伏产业的利润构成已形成一个倒金字塔结构，利润率由上至下逐渐减少。1.3 光伏产业未来路向何方随着原油价格突破百元大关，美国、澳大利亚等发达国家在巴厘岛路线图上签字，发展以太阳能为主的新能源产业从而从根本上解决困扰人类的能源、环境及气候问题已经在全球范围内达成共识，可以说对于太阳能行业的前景我们不须质疑，也许中间会有曲折，但方向不会改变。新能源对传统能源的取代是一个必然的趋势，也是一个漫长的过程，谁也无法预测这个取代的过程将持续多久，在哪个时刻达到一个由量变向质变的转化。 对于光伏行业来说，最终促使它代替传统能源的因素一定是在价格上具备了竞争优势，而要

13、实现这一点，从目前看只能通过两种途径。一是通过国家补贴，这种途径是国家从可持续发展的长远角度出发，通过强制性政策对产业进行扶植，德国和西班牙就是最好的例子。但在世界上大部分国家，传统的能源及资源消耗型产业在国民经济中仍占大量比重，对经济的推动作用也不可忽视，如果要通过降低经济的发展速度来限制这些行业从而推动新能源的发展显然是不切实际的，这也是为什么新能源行业在发达国家发展的最迅速的原因。 还有一种途径就是技术进步所带来的成本下降。多晶硅价格的高企就迫使各生产商绞尽脑汁来提高原材料的利用率，如不断提高的硅片切割技术，使硅片的厚度不断降低，并有效控制了切割过程中的原料磨损；同时通过降低硅料废品率及

14、废旧品的回收利用等措施大幅提高原材料的使用效率。 提到技术进步就不得不提一下薄膜太阳能电池，与晶体硅太阳能电池相比，薄膜太阳能电池具有弱光应用性强及形状可塑性强等特点，晶体硅价格的上涨无形中推动了薄膜太阳能电池的发展，目前薄膜太阳能电池已占到世界光伏市场份额的10%左右，伴随着多晶硅价格的走高，薄膜太阳能电池的发展有望进一步加速。当然薄膜电池也存在自身的不足，如硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染。砷化镓(GaAs)III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的

15、光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池，但是GaAs材料的价格不菲，也在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。铜铟硒薄膜电池(简称CIS)适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅相当，但铟和硒都是比较稀有的元素，如果产能扩张，其价格必将重蹈多晶硅的覆辙。 综上所述，新材料和新技术的进步是未来光伏产业最主要的发展动力，对各大光伏生产厂商而言，都意味着机遇与风险并存。具有稳定原材料供给，适用于大规模生产是新技术的必要条件。其次转换率的不断提高则意味着新型太阳能电池相对于传统能源将具有更强的竞争力。多晶硅价格的暴涨使光伏组件的价格出现了回升的势头，但随

16、着多晶硅供应瓶颈的解决及化合物薄膜电池技术的不断发展，光伏发电成本不断降低是必然的趋势，多晶硅价格的变动也许只是成本降低这个大旋律中一个并不那么和谐的小插曲。 国家持续稳定的政策支持则是光伏产业向前发展最有力的保障，我们应该看到，目前世界光伏产业的市场主要集中在欧洲，而美国、中国这两个能源消耗大国的市场还尚未启动，随着各种扶持政策的相继出台，这两个全球最大市场的启动将把光伏产业的发展推向新的高度。随着BIPV(光伏建筑一体化)等技术的发展，太阳能电池将通过与建筑物、交通工具、通信工具的不断结合进入人们日常生活的每一个角落，也许在不久的将来我们会看到光伏行业会像曾经的IT产业一样，成为人们生活中

17、不可分割的一部分。2 太阳能发电原理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。2.1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。(1)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

18、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。(2)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，

19、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。2.2 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。2.3 DC-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。

20、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。3 太阳能发电系统的效率在太阳能发电系统中，系统的总效率ese由电池组件的PV转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等组成。但相对于太阳能电池技术来讲，要比控制器、逆变器及照明负载等其它单元的技术及生产水平要成熟得多，而且目前系统的转换率只有17%左右。因此提高电池组件的转换率，降低单位功率造价是太阳能发电产业化的重点和难点。太阳能电池问世以来，晶体硅作为主角材料保持着统治地位。目前对硅电池转换率的研究，主要围绕着加大吸能面，如双面电池，减小反射；

21、运用吸杂技术减小半导体材料的复合；电池超薄型化；改进理论，建立新模型；聚光电池等。几种太阳能电池的转换效率见表1。 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max(%)单晶硅24.4单晶硅24.4多晶硅18.6多晶硅18.6GaAs(单结)25.7GaAs(单结)25.7a-si(单结)13a-si(单结)13表1几种太阳能电池的转换效率充分利用太阳能是绿色照明的重要内容之一。而真正意义上的绿色照明至少还包括：照明系统的高效率，高稳定性，高效节能的绿色光源等。3.1 发电-建筑照明一体化目前成功地把太阳能组件和建筑构件加以整合，如太阳能屋面(顶)、墙壁及门窗等，实现了

22、"光伏-建筑照明一体化(BIPV)"。1997年6月，美国宣布了以总统命名的"太阳能百万屋顶计划"，在2010年以前为100万座住宅实施太阳能发电系统。日本"新阳光计划"已在2000年以前将光伏建筑组件装机成本降到170210日元/W，太阳能电池年产量达10MW，电池成本降到2530日元/W。1999年5月14日，德国仅用一年两个月建成了全球首座零排放太阳能电池组件厂，完全用可再生能源提供电力，生产中不排放CO2。工厂的南墙面为约10m高的PV阵列玻璃幕墙，包括屋顶PV组件，整个工厂建筑装有575m2的太阳能电池组件，仅此可为该建筑提

23、供三分之一以上的电能，其墙面和屋顶PV组件造型、色彩、建筑风格与建筑物的结合，与周围的自然环境的整合达到了十分完美的协调。该建筑另有约45kW容量，由以自然状态的菜子油作燃料的热电厂提供，经设计燃烧菜子油时产生的CO2与油菜生长所需的CO2基本平衡，是一座真正意义上的零排放工厂。BIPV还注重建筑装饰艺术方面的研究，在捷克由德国WIP公司和捷克合作，建成了世界第一面彩色PV幕墙。印度西孟加拉邦为一无电岛117家村民安装了12.5kW的BIPV。国内常州天合铝板幕墙制造有限公司研制成功一种"太阳房"，把发电、节能、环保、增值融于一房，成功地把光电技术与建筑技术结合起来，称为太

24、阳能建筑系统(SPBS)，SPBS已于2000年9月20日通过专家论证。近日在上海浦东建成了国内首座太阳能-照明一体化的公厕，所有用电由屋顶太阳能电池提供。这将有力地推动太阳能建筑节能产业化与市场化的进程。3.2 绿色照明光源研究绿色照明系统优化设计，要求低能耗下获得高的光效输出，并延长灯的使用寿命。因此DC-AC逆变器设计，应获得合理的灯丝预热时间和激励灯管的电压和电流波形。目前处在研究开发中的太阳能照明光源激励方式有四种典型电路：自激推挽振荡电路，通过灯丝串联启辉器预热启动。该光源系统的主要参数是：输入电压DC12V，输出光效495Lm/支，灯管额定效率9W，有效寿命3200h,连续开启次

25、数1000次。自激推挽振荡(简单式)电路，该光源系统的主要参数是：输入电压DC12V，灯管功率9W，输出光效315Lm/支，连续启动次数1500次。自激单管振荡电路，灯丝串联继电器预热启动方式。自激单管振荡(简单式)电路等方式的高效节能绿色光源。4 我国太阳能发电的优势和难点4.1 我国太阳能发电的优势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

26、。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。4.2 我国太阳能发电的难点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,

27、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)目前,太阳能电池的光电转换效率比较低,比如小尺寸(1cm2)多晶硅太阳能电池的光电转换效率为19.8%,而大尺寸(1000cm2)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。(

28、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。5 太阳能发电面临的困难和解决措施对于光伏发电来说,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:（1）是加快

29、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。（2）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。（3）是研究光伏发电的并网技术,减少光伏电能对电网的冲击。（4）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。6 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

30、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