太阳能光伏发电-姚建曦

太阳能光伏发电技术及其应用姚建曦Email:教3楼C427室本课程目的〔1〕了解太阳能电池分类和结构；〔2〕掌握太阳能电池根本工作原理；〔3〕掌握太阳能电池组件类型，可初步进行光伏系统设计；〔4〕通过课程的学习掌握简单的太阳能电池的设计和搭建。第一章：太阳能发电概述第二章：太阳能辐射简述第三章：太阳能电池的种类及其特点第四章：太阳能发电系统的结构和设计第五章：光伏发电系统中的电子变换电路及其控制第六章：新型太阳能电池第七章：太阳能光伏发电系统的应用本课程主要内容第一章

太阳能发电简述本章主要内容太阳能利用的意义太阳能简介我国的太阳能资源光伏发电现状及开展本课程的特点根本要求新能源是二十一世纪世界经济开展中最具决定力的技术领域之一。新能源：太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源和二次能源中的氢能一次能源：以现成的形式存在于自然界中，没有经过任何转换过程的能源；二次能源：需要依靠其它能源来制取或产生的能源一、太阳能利用的意义化石能源现状在20世纪的世界能源结构中，人类利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。21世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油的可采量为39.9年，天然气的可采量为61年，煤炭的可采量为227年〔屈指可数〕中国能源资源储量情况按2000年底的统计探明经济可开发能源总储量约占世界总量的10.1%中国能源剩余可开采总储量的结构为：原煤占58.8%，原油占3.4%，天然气占1.3%，水资源占36.5%。我国能源经济可开发剩余可采储量的资源保证程度仅为129.7年。中国石油对外依存度已从2000年的31%增加到2005年的42.9%。到2021年，石油的对外依存度将到达60%，中国能源平安尤其是石油平安越来越突出。一个国家如果要保持石油供给平安为主的局面，石油净进口率绝对不应超过50%，超过50%就属于石油供给不平安，理论上应该控制在30%以内一、太阳能利用的意义一、太阳能利用的意义太阳能可以再生、不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。到21世纪50年代，全球直接利用太阳能的比例将会开展到世界能源结构中的13%到15%之间，而整个可再生能源在能源结构中的比例将会大于50%。二.太阳能简介1、太阳能资源的优点数量巨大：每年到达地球外表的太阳能辐射能约为130万亿吨标煤；(每40秒钟就有相当于210亿桶石油的能量送到地球，相当于全球一天所消耗的能量)时间长久：据推算,太阳辐射尚可维持1千亿〔1011〕年之久；清洁、平安：远比核能平安，比煤等常规能源清洁。二.太阳能简介2、太阳能资源的局限分散性：总量大，但能量密度低。北回归线附近夏季中午的太阳辐射强度最大也仅为2左右；间断性及不稳定性：受昼夜交替、季节变化及气候的影响，太阳辐射既是间断的，又是不稳定的；效率低、本钱高：太阳能利用技术理论上可行，但经济性差。三、我国的太阳能资源总体而言：我国位于北半球中纬度地区，太阳资源总体较丰富，年平均太阳辐射总量约为5.9kJ/m2·a，西藏河谷地区的太阳辐射总量高达2·a，最低的地区也达2·a〔四川盆地西部〕；地域分布规律：西部地区高于东部地区,北部地区高于南部地区，高原地区高于平原地区。中国太阳能资源分布图除贵州高原局部地区外中国所有地域均为高太阳能资源区域目前开发利用量还不到可开发量的1/1000三、我国的太阳能资源太阳能开发利用方式：太阳能光－热转换：接受和聚集太阳能使之转换为热能，然后进行利用〔太阳能热水系统、采暖、制冷、枯燥、蒸馏、温室、烹饪等〕。太阳能光－电转换：①光－电直接转化；②光－热－电转换；利用光生伏打效应太阳能光－化学转换：利用太阳能分解水制氢。尚处于研究试验阶段四、光伏发电现状及开展四、光伏发电现状及开展光伏发电历史:1839年，法国物理学家A.E.贝克勒尔(Becqurel)用两片金属浸入溶液构成伏打电池，光照时会产生额外的伏打电势－“光生伏打效应〔photovoltaiceffect〕〞1873年英国科学家WiloughB.Smith观察到了对光敏感的硒材料，并推断出在光照射下硒导电能力的增加正比于光通量。1880年CharlesFritts开发出以硒为根底的光伏电池。以后人们即把能够产生光生伏打效应的器件称为“光伏器件〞。其中，半导体P－N结器件在阳光下的光电转换效率最高，通常称这类光伏器件为“光伏电池〞〔SolarCell〕WPN++++++－－－－－+－+－hνWPN+++－－+－EiEiEph四、光伏发电现状及开展光伏发电历史:20世纪50年代初，美国贝尔实验室在为远程通信系统寻找可靠电源时，发现经过杂质处理的硅对光敏感，可产生稳定的电压。1954年贝尔实验室第一次做出了光电转换效率为6％的实用单晶硅光伏电池。1961年到1971年研究重点放在提高抗辐射能力及降低本钱方面。1972年到1976年研制出各种空间用单晶硅光伏电池。20世纪70年代中期，研制出超薄单晶硅光伏电池1976年，诺贝尔物理奖授予莫特教授－在非晶态固体中的电子过程。随后在单晶硅和多晶硅的根底上，又探索出非晶硅光伏电池四、光伏发电现状及开展光伏发电技术的现状与开展〔国外〕:自20世纪80年代以来，光伏产业一直保持以10％～15％的递增速度在开展90年代后期，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一1997年世界光伏电池组件的总产量到达200MW，其中美国80.2MW,日本48MW，欧洲47.2MW，其他国家19.2MW2001年到达390.54MW,其中欧、美、日等十大厂家生产的光伏电池和组件到达336.24MW，大约有86%的产品集中在10家大生产厂家手中，日本夏普产量到达75.02MW，居世界第一位。光伏发电系统安装现状—按装机容量

2005年世界光伏系统装机总容量达1460MW，年增长34%。太阳能电池产量由2004年1146MW上升到1656MW。四、光伏发电现状及开展2005年和2006年世界太阳电池生产厂商前16位四、光伏发电现状及开展日本2001年光伏电池及组件产量到达171MW，已稳居世界第一。占世界光伏产量的44%，日本政府的目标是年产量要到达500MW以上，50%的光伏电池及组件在国内使用，50%将在海外销售2001年美国光伏产量到达100MW,近几年来,每年都以30%产量递增2001年欧州光伏电池和组件产量增长42%,已到达86.38MW2006年世界太阳电池产量到达2500MWp光伏发电系统安装现状—按地区目前PV系统安装最多的国家主要在日本，德国、美国等欧美兴旺国家。其中，日本安装05年年度安装总容量首次低于德国，但是总保有量处于世界首位。四、光伏发电现状及开展四、光伏发电现状及开展美国：1973年，制定了政府级的阳光发电方案1988年,开始实施PVUSA方案，建立集中型光伏并网发电系统1997年,宣布百万太阳能屋顶方案太阳光伏发电预计到2021年将占美国届时发电装机增量的15%左右，累计安装量达36GW，保持美国在光伏发电技术开发、制造水平的领先地位。日本：1974年开始执行“阳光方案〞，投资5亿美元1993年“新阳光方案〞每年投资570多亿日元1997年7万光伏屋顶方案方案到2021年安装7600MWp太阳能电池欧盟：尤里卡方案德国的“百万屋顶方案〞方案到2021年到达规模为3GWp的光伏发电四、光伏发电现状及开展光伏发电技术的现状与开展〔我国〕:1958年，开始研究光伏电池,1971年首次应用于东方红二号卫星上1973年开始将光伏电池用于地面 中国的光伏产业在80年代以前尚处于雏形，光伏电池的年产量一直徘徊在10kW以下，除了作为卫星电源，在地面仅用于小功率电源系统1981年～1990年期间，中国光伏产业得到稳固，在许多领域建立了示范工程〔微波中继站、部队通信系统、水闸和石油管道的阴极保护系统、农村载波系统、小型户用系统和村庄供电系统等〕到2005年底，全国光伏发电的总容量约为7万千瓦，主要为偏远地区居民供电。除利用光伏发电为偏远地区和特殊领域(通讯、导航和交通)供电外，已开始建设屋顶并网光伏发电示范工程。光伏电池及组装厂已有十多家，年制造能力达10万千瓦以上。〔摘自“可再生能源中长期开展规划〞〕四、光伏发电现状及开展图1光伏发电系统构造图l〕固定式铅酸电池，多应用于大型光伏电站和通信系统，使用时需经常维护〔如加水〕；

2〕工业型密封电池，主要用于通讯、军事等工业光伏系统，它无需维护，也便于安装，但价格较贵，寿命较短；3〕小型密封电池，大多数为6V，12V组合电池，其使用寿命更短，但价格更贵，常用于户用光伏系统；4〕汽车、摩托车启动用电池，其价格最廉价，但寿命最短、安装麻烦，需加水和经常维护，而且有酸雾污染。四、光伏发电现状及开展蓄电池〔截止至2000年，中国还没有用于光伏系统的专用蓄电池，而是使用常规的铅酸蓄电池〕四、光伏发电现状及开展控制器类型：两点式控制器，多路顺序控制器、智能控制器、大功率跟踪充电控制器等。我国目前使用的大都是简单设计的控制器，智能型控制器仅用于通信系统和较大型的光伏电站。与国外控制器的差距：国产控制器由于器件质量、无极性的反接保护以及短路、过流而造成的器件损坏等问题容易失效；专业化生产程度低、无温度补偿、无蓄电池负荷状态控制，很少采用脉宽调节或最大功率跟踪方式的控制。控制器直流／交流逆变器由于它的功能是交直流转换，因此这个部件最重要的指标是可靠性和转换效率。目前我国在小功率逆变器上与国外处于同一水平，但在大功率逆变器上还需要进一步提高。

四、光伏发电现状及开展我国当前最大的光电市场仍然是通信领域，包括微波中继站、卫星通信地面站、卫星电视接受差转系统、程控交换机、部队通信台站等，目前的市场占有率在50％左右。2002年，国家计委启动“西部省区无电乡通电方案〞，通过光伏和小型风力发电解决西部七省区〔西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙古、陕西和四川〕700多个无电乡的用电问题，光伏用量到达15.5MWp〔小型风力发电机240KW〕。该工程大大刺激了光伏工业，国内建起了几条太阳电池的封装线，使太阳电池的年生产量迅速到达100MWp〔2002年当年产量20MWp〕。截止到2003年底，中国太阳电池的累计装机已经到达55MWp截止到2005年底，中国太阳电池组件的生产能力已经到达400MWp，当年产量到达140MWp，绝大局部太阳电池组件出口欧洲，2005年国内安装量只有5MWp，2006年，中国生产的370MWp光伏电池组件中〔位列世界第三〕，大约仅有10MWp用于国内，其余98%均出口.四、光伏发电现状及开展四、光伏发电现状及开展光伏阵列发电效率低：导致光伏发电功率密度低，难以形成高功率发电系统，真正太阳能利用率只有50％～70％。太阳能发电存在的问题电池效率四、光伏发电现状及开展系统造价本钱高：相比于火力发电和水利发电，光伏发电本钱约为后者的6～20倍。光伏发电本钱预测四、光伏发电现状及开展发电运行受气候环境因素影响大：地球外表的太阳照射受气候影响时有时无；另外，由于环境污染影响，特别是空气中颗粒物灰尘降落在光伏电池板上，从而阻挡了阳光的照射，减小了光线的射入量，进而减小了光电转换。制造单晶硅和多晶硅光伏电池需要消耗相当多的能源：从SiO2变成多晶硅和单晶硅要经过多道化学和物理工序，其间，要消耗相当多的能量，这也是生产本钱高的原因。光伏发电产业链面临的问题：单晶硅24.7%多晶硅19.8%非晶硅21.0%转换效率低世界最高效率单晶硅20.3%多晶硅14.5%非晶硅11.4%我国最高效率缺乏具有自主知识产权的核心技术高技术环节局部大局部依赖进口太阳能电池关键材料的设计、制备以及太阳能电池组件的组装方面同世界先进水平还有较大的差距。四、光伏发电现状及开展按照所用材料的不同：硅太阳能电池：光电转化效率高，本钱高，制备工艺复杂！单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅本钱价格居高不下，而要想大幅度降低其本钱是非常困难的砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池：镉：剧毒。铟、硒：稀有元素功能高分子材料制备的大阳能电池：处于研发初期、转化效率低、使用寿命短太阳能电池分类四、光伏发电现状及开展1.染料敏化太阳能电池工艺简单、性能稳定制作本钱仅为硅太阳电池的1/5～1/10寿命能到达20年以上优点：问题：B.O’Regan,M.GrätzelNature1991,353,737最大光电转换效率达11％，但只有Grätzel电池能到达电子在薄膜中传输时，很容易受到纳米粒子之间晶界的阻碍而影响其传输多孔纳米晶TiO2薄膜的外表缺陷的数目相当可观核心仍是电极材料问题微米尺度且无晶界阻碍作用的多孔薄膜

Grätzel改善敏化染料吸收范围后，光电转换效率也未得到明显提高四、光伏发电现状及开展纳米TiO2薄膜极材料ScanningelectronmicrographofthesurfaceofamesoporousanatasefilmpreparedfromahydrothermallyprocessedTiO2colloid.Theexposedsurfaceplaneshavemainly{101}orientation.Porosity:50%.Averageporesize:15nm;制备方法：溶胶凝胶法；水热反响法；溅射法；醇盐水解法；溅射沉积法；等离子喷涂法；丝网印刷法等微观结构〔孔径气孔率〕

Ref：O’ReganB.andGrätzelM.,Nature,1991,353,737T.Yokoet.al.MaterResBull39,2137(2004)K.Kajiharaet.al.J.Am.Ceram.Soc.81,2670(1998)粉末烧结法溶胶凝胶过程中参加聚合物优点：相对大的比外表积、微米尺度的孔；缺点：仍旧无法防止粒子之间的晶界位阻；到目前为止关于无晶界TiO2薄膜的制备的研究仍旧很少四、光伏发电现状及开展对关键电极材料的孔隙、界面及能带结构进行设计；材料生长的热力学和动力学研究；材料定向合成；开展电极外表和界面上能量转换过程的原位研究；研究了太阳能电池中电子、空穴传输过程。1.染料敏化太阳能电池无晶界太阳能电池电极AFM照片热处理含有聚合物单体相别离结构产生形成多孔结构加热单体聚合薄膜厚度为5μm，光电转换效率7％薄膜厚度为1μm，光电转换效率4％目前通常在10μm以上目前该种结构的薄膜尚未见报道四、光伏发电现状及开展中科院等离子体物理研究所、化学所、物理所1、其中小面积电池〔0.2cm2〕光电转换效率达8.95%2、单片电池〔40.75cm2〕光电转换效率达7.7%3、大面积〔从10cm×10cm到15cm×20cm〕电池，其光电转换效率达5%以上4.合成了一种新型的具有单碘离子输运特性的有机加成化合物固态电解质，研制的固态复合电解质纳晶染料敏化太阳能电池效率到达了5.48%四、光伏发电现状及开展德、美、日等政府具体政策与鼓励方式四、光伏发电现状及开展太阳能发电的前景和展望从长远看，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，不但要替代局部常规能源，而且将成为世界能源供给的主体。根据欧洲JRC的预测，到2030年可再生能源在总能源结构中占到30％以上，太阳能光伏发电在世界总电力的供给中到达10%以上；2040年可再生能源占总能耗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占到80％以上，太阳能发电占到60％以上，显示出重要战略地位。四、光伏发电现状及开展光伏发电装机预测/GWp2004年欧盟联合研究中心预测四、光伏发电现状及开展中国政府具体政策于2006年1月1日起施行的?中华人民共和国可再生能源法?规定：“国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统〞。?可再生能源中长期开展规划?已经公布。?中华人民共和国可再生能源