太陽能光伏發(fā)電

1電子部---—陳生啟

2015.3.8太陽能光伏發(fā)電技術(shù)2一、太陽能概述二、太陽能電池的基本原理三、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)本課程學習提要3一、太陽能概述

太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應過程產(chǎn)生的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強度為1367kW/m2。地球赤道的周長為40000km，從而可計算出，地球獲得的能量可達1.73×1014kW。太陽每秒鐘照射到地球上的能量相當于500萬噸標準煤。4

地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都是來源于太陽；即使是一、太陽能概述地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能。

5廣義的太陽能所包括的范圍非常大，狹義的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學的直接轉(zhuǎn)換。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。一、太陽能概述6太陽能特點太陽能利用歷史太陽能利用方式太陽能發(fā)電的方式太陽能光伏發(fā)電歷史和現(xiàn)狀太陽能光伏發(fā)電的優(yōu)缺點一、太陽能概述71.太陽的構(gòu)造太陽的結(jié)構(gòu)共分七層：（1）內(nèi)核（5）反變層（2）輻射輸能區(qū)（6）色球?qū)樱?）對流區(qū)（7）日冕（4）光球?qū)右?、太陽能概述一、太陽能特點8太陽的構(gòu)造一、太陽能概述9太陽的構(gòu)造10（1）內(nèi)核在太陽平均半徑23%（0.23R）的區(qū)域內(nèi)是太陽的內(nèi)核，其溫度約為8×106～4×107K，密度為水的80～100倍，占太陽全部質(zhì)量的40%，總體積的15%。這部分產(chǎn)生的能量占太陽產(chǎn)生總能量的90%。氫聚合時放出γ射線，當它經(jīng)過較冷區(qū)域時由于消耗能量，波長增長，變成X射線或紫外線及可見光。一、太陽能概述1.太陽的構(gòu)造11太陽X射線照片一、太陽能概述12

（2）輻射輸能區(qū)從0.23～0.7R的區(qū)域稱為“輻射輸能區(qū)”，溫度降到1.3×105K，密度下降為0.079g/cm3。（3）對流區(qū)

0.7～1.0R之間稱為“對流區(qū)”，溫度下降到5×103K，密度下降到10-8g/cm3。

一、太陽能概述1.太陽的構(gòu)造13

（4）光球?qū)犹柕耐獠渴且粋€光球?qū)?，它就是人們?nèi)庋鬯吹降奶柋砻?，其溫度?762K，厚約500km，密度為10-6g/cm3，它是由強烈電離的氣體組成，太陽能絕大部分輻射都是由此向太空發(fā)射的。光球表面有顆粒狀結(jié)構(gòu)--“米粒組織”。光球上亮的區(qū)域叫光斑，暗的黑斑叫太陽黑子，太陽黑子的活動具有平均11.2年的周期。一、太陽能概述1.太陽的構(gòu)造14一、太陽能概述15太陽黑子一、太陽能概述16一張日食的照片（太陽黑子）一、太陽能概述17

（5）反變層光球外面分布著不僅能發(fā)光，而且?guī)缀跏峭该鞯奶柎髿?，稱之為“反變層”，它是由極稀薄的氣體組成，厚約數(shù)百公里，它能吸收某些可見光的光譜輻射。一、太陽能概述1.太陽的構(gòu)造18

（6）色球?qū)印胺醋儗印钡耐饷媸翘柎髿馍蠈?，稱之為“色球?qū)印?，厚約1～1.5×104km，大部分由氫和氦組成。（7）日冕“色球?qū)印蓖馐巧烊胩盏你y白色日冕，溫度高達1百萬度，高度有時達幾十個太陽半徑。一、太陽能概述1.太陽的構(gòu)造19太陽色球照片一、太陽能概述20太陽日冕。SOHO探測器拍攝。一、太陽能概述21太陽高溫大氣一、太陽能概述22太陽日冕攝于1991年7月11日日全食時一、太陽能概述23太陽日冕4英寸折射望遠鏡攝于1998年2月一、太陽能概述24太陽日冕1998年8月11日攝于土耳其東部的Haza湖岸一、太陽能概述25

從太陽的構(gòu)造可見，太陽并不是一個溫度恒定的黑體，而是一個多層的有不同波長發(fā)射和吸收的輻射體。不過在太陽能利用中通常將它視為一個溫度為6000K，發(fā)射波長為0.3～3μm的黑體。

一、太陽能概述1.太陽的構(gòu)造26太陽常數(shù)晝夜是由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的，而季節(jié)是由于地球的自轉(zhuǎn)軸與地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道的轉(zhuǎn)軸呈23°27′的夾角而產(chǎn)生的。2.太陽輻射的特性一、太陽能概述27

由于地球以橢圓形軌道繞太陽運行，太陽與地球之間的距離不是一個常數(shù)，而且一年里每天的日地距離也不一樣。眾所周知，某一點的輻射強度與距輻射源的距離的平方成反比，這意味著地球大氣上方的太陽輻射強度會隨日地間距離不同而異。太陽常數(shù)一、太陽能概述2.太陽輻射的特性28

然而，由于日地間距離太大（平均距離為1.5×108km），所以地球大氣層外的太陽輻射強度幾乎是一個常數(shù)。因此人們就采用所謂“太陽常數(shù)”來描述地球大氣層上方的太陽輻射強度。它是指平均日地距離時，在地球大氣層上界垂直于太陽輻射的單位表面積上所接受的太陽輻射能。太陽常數(shù)一、太陽能概述2.太陽輻射的特性29

近年來通過各種先進手段測得的太陽常數(shù)的標準值為1353w/m2。一年中由于日地距離的變化所引起太陽輻射強度的變化不超過3.4%。太陽常數(shù)一、太陽能概述2.太陽輻射的特性301977年日全食一、太陽能概述311994年日全食一、太陽能概述32日偏食一、太陽能概述33到達地面的太陽輻射太陽照射到地平面上的輻射或稱“日射”由兩部分組成—直達日射和漫射日射。太陽輻射穿過大氣層而到達地面時，由于大氣中空氣分子、水蒸氣和塵埃等對太陽輻射的吸收、反射和散射，不僅使輻射強度減弱，還會改變輻射的方向和輻射的光譜分布。一、太陽能概述2.太陽輻射的特性34到達地面的太陽輻射（1）直射指直接來自太陽其輻射方向不發(fā)生改變的輻射；（2）漫射指被大氣反射和散射后方向發(fā)生了改變的太陽輻射。一、太陽能概述2.太陽輻射的特性35到達地面的太陽輻射

漫射由三部分組成：（1）太陽周圍的散射（太陽表面周圍的天空亮光），（2）地平圈散射（地平圈周圍的天空亮光或暗光），（3）其他的天空散射輻射。一、太陽能概述2.太陽輻射的特性36到達地面的太陽輻射主要受大氣層厚度的影響。大氣層越厚，對太陽輻射的吸收、反射和散射就越嚴重，到達地面的太陽輻射就越少。此外大氣的狀況和大氣的質(zhì)量對到達地面的太陽輻射也有影響。到達地面的太陽輻射一、太陽能概述2.太陽輻射的特性37不同地區(qū)太陽平均輻射強度此外地球上不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同氣象條件下到達地面的太陽輻射強度都是不相同的。一、太陽能概述2.太陽輻射的特性383.太陽能特點在海平面上的標準峰值強度為1kW/m2，地球表面某一點24小時的年平均輻射強度為0.20kW/m2，相當于有1.02×1017W的能量，人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地熱能資源除外）。一、太陽能概述393.太陽能特點一、太陽能概述403.太陽能特點從圖上可以看出，地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都是來源于太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能。一、太陽能概述41一、太陽能概述永恒性廣泛性分散性隨機性間歇性區(qū)域性清潔性3.太陽能特點423.太陽能特點優(yōu)點一次能源可再生能源資源豐富可免費使用無需運輸無任何污染缺點能流密度低強度受各種因素（季節(jié)、地點、氣候等）的影響不能維持常量一、太陽能概述433.太陽能特點雖然太陽能資源總量相當于現(xiàn)在人類所利用的能源的一萬多倍。但是太陽能的這些缺點會使它在整個綜合能源體系中的作用受到一定的限制。一、太陽能概述444.我國的太陽能資源一、太陽能概述我國幅員廣大，有著十分豐富的太陽能資源。根據(jù)中國氣象科學研究院的研究，有2/3以上國土面積，年日照在2000小時以上，年平均輻射量超過0.6GJ/cm2，各地太陽年輻射量大致在930～2330kWh/m2之間。專家統(tǒng)計，如果把全國1%的荒漠中的太陽能用于發(fā)電，就可以發(fā)出相當于2003年全年的耗電量。屆時，新疆、西藏、甘肅等廣大西部地區(qū)將成為我國新的能源基地。454.我國的太陽能資源一、太陽能概述從全國太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽輻射總量很大。464.我國的太陽能資源一、太陽能概述太陽能豐富區(qū)，在內(nèi)蒙中西部、青藏高原等地，年總輻射在150千卡/平方公分以上。太陽能較豐富區(qū)，北疆及內(nèi)蒙東部等地，年總輻射約130～150千卡/平方公分。太陽能可利用區(qū)，分布在長江下游、兩廣、貴州南部和云南及松遼平原，年總輻射量為110～130千卡/平方公分。

474.我國的太陽能資源一、太陽能概述48人類對太陽能的利用有著悠久的歷史。我國早在兩千多年前的戰(zhàn)國時期就知道利用鋼制四面鏡聚焦太陽光來點火；利用太陽能來干燥農(nóng)副產(chǎn)品。一、太陽能概述二、太陽能的利用歷史49發(fā)展到現(xiàn)代，太陽能的利用已日益廣泛，它包括太陽能的光熱利用，太陽能的光電利用和太陽能的光化學利用等。一、太陽能概述二、太陽能的利用歷史50二、太陽能的利用歷史

據(jù)記載，人類利用太陽能已有3000多年的歷史。將太陽能作為一種能源和動力加以利用，只有300多年的歷史。真正將太陽能作為“近期急需的補充能源”，“未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)”，則是近來的事。一、太陽能概述51

20世紀70年代以來，太陽能科技突飛猛進，太陽能利用日新月異。近代太陽能利用歷史可以從1615年法國工程師所羅門·德·考克斯在世界上發(fā)明第一臺太陽能驅(qū)動的發(fā)動機算起。該發(fā)明是一臺利用太陽能加熱空氣使其膨脹作功而抽水的機器。二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述52

第一階段(1900-1920)

在這一階段，世界上太陽能研究的重點仍是太陽能動力裝置，但采用的聚光方式多樣化，且開始采用平板集熱器和低沸點工質(zhì)，裝置逐漸擴大，最大輸出功率達73.64kW，實用目的比較明確，造價仍然很高。二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述53

第二階段（1920-1945）

在這20多年中，太陽能研究工作處于低潮，參加研究工作的人數(shù)和研究項目大為減少，其原因與礦物燃料的大量開發(fā)利用和發(fā)生第二次世界大戰(zhàn)（1935-1945）有關(guān)，而太陽能又不能解決當時對能源的急需，因此使太陽能研究工作逐漸受到冷落。

二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述54

第三階段（1945-1965）

在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后的20年中，一些有遠見的人士已經(jīng)注意到石油和天然氣資源正在迅速減少，呼吁人們重視這一問題，從而逐漸推動了太陽能研究工作的恢復和開展，并且成立太陽能學術(shù)組織，舉辦學術(shù)交流和展覽會，再次興起太陽能研究熱潮。二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述55

第四階段(1965-1973)

這一階段，太陽能的研究工作停滯不前，主要原因是太陽能利用技術(shù)處于成長階段，尚不成熟，并且投資大，效果不理想，難以與常規(guī)能源競爭，因而得不到公眾、企業(yè)和政府的重視和支持。二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述56

第五階段（1973-1980）1973年10月爆發(fā)中東戰(zhàn)爭，石油輸出國組織采取石油減產(chǎn)、提價等辦法，支持中東人民的斗爭，維護本國的利益。其結(jié)果是使那些依靠從中東地區(qū)大量進口廉價石油的國家，在經(jīng)濟上遭到沉重打擊。二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述57

于是，西方一些人驚呼：世界發(fā)生了“能源危機”（有的稱“石油危機”）。這次“危機”在客觀上使人們認識到：現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)必須徹底改變，應加速向未來能源結(jié)構(gòu)過渡。從而使許多國家，尤其是工業(yè)發(fā)達國家，重新加強了對太陽能及其它可再生能源技術(shù)發(fā)展的支持，在世界上再次興起了開發(fā)利用太陽能熱潮。二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述58

1973年，美國制定了政府級陽光發(fā)電計劃，太陽能研究經(jīng)費大幅度增長，并且成立太陽能開發(fā)銀行，促進太陽能產(chǎn)品的商業(yè)化。日本在1974年公布了政府制定的“陽光計劃”，其中太陽能的研究開發(fā)項目有：太陽房、工業(yè)太陽能系統(tǒng)、太陽熱發(fā)電、太陽電池生產(chǎn)系統(tǒng)、分散型和大型光伏發(fā)電系統(tǒng)等。為實施這一計劃，日本政府投入了大量人力、物力和財力。70年代初世界上出現(xiàn)的開發(fā)利用太陽能熱潮，對我國也產(chǎn)生了巨大影響。

二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述59

70年代初世界上出現(xiàn)的開發(fā)利用太陽能熱潮，對我國也產(chǎn)生了巨大影響。一些有遠見的科技人員，紛紛投身太陽能事業(yè)，積極向政府有關(guān)部門提建議，出書辦刊，介紹國際上太陽能利用動態(tài)；在農(nóng)村推廣應用太陽灶，在城市研制開發(fā)太陽熱水器，空間用的太陽電池開始在地面應用。

二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述60

1975年，在河南安陽召開“全國第一次太陽能利用工作經(jīng)驗交流大會”，進一步推動了我國太陽能事業(yè)的發(fā)展。這次會議之后，太陽能研究和推廣工作納入了我國政府計劃，獲得了專項經(jīng)費和物資支持。一些大學和科研院所，紛紛設(shè)立太陽能課題組和研究室，有的地方開始籌建太陽能研究所。當時，我國也興起了開發(fā)利用太陽能的熱潮。二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述61

這一時期，太陽能開發(fā)利用工作處于前所未有的大發(fā)展時期，具有以下特點：（1）各國加強了太陽能研究工作的計劃性，不少國家制定了近期和遠期陽光計劃。開發(fā)利用太陽能成為政府行為，支持力度大大加強。國際間的合作十分活躍，一些第三世界國家開始積極參與太陽能開發(fā)利用工作。

二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述62

（2）研究領(lǐng)域不斷擴大，研究工作日益深入，取得一批較大成果，如CPC、真空集熱管、非晶硅太陽電池、光解水制氫、太陽能熱發(fā)電等。二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述63

（3）各國制定的太陽能發(fā)展計劃，普遍存在要求過高、過急問題，對實施過程中的困難估計不足，希望在較短的時間內(nèi)取代礦物能源，實現(xiàn)大規(guī)模利用太陽能。例如，美國曾計劃在1985年建造一座小型太陽能示范衛(wèi)星電站，1995年建成一座500萬kW空間太陽能電站。事實上，這一計劃后來進行了調(diào)整，至今空間太陽能電站還未升空。

二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述64

（4）太陽熱水器、太陽電池等產(chǎn)品開始實現(xiàn)商業(yè)化，太陽能產(chǎn)業(yè)初步建立，但規(guī)模較小，經(jīng)濟效益尚不理想。二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述65

第六階段（1980-1992）

70年代興起的開發(fā)利用太陽能熱潮，進入80年代后不久開始落潮，逐漸進入低谷。世界上許多國家相繼大幅度削減太陽能研究經(jīng)費，其中美國最為突出。二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述66

導致這種現(xiàn)象的主要原因是：（1）世界石油價格大幅度回落，而太陽能產(chǎn)品價格居高不下，缺乏競爭力；（2）太陽能技術(shù)沒有重大突破，提高效率和降低成本的目標沒有實現(xiàn)，以致動搖了一些人開發(fā)利用太陽能的信心；（3）核電發(fā)展較快，對太陽能的發(fā)展起到了一定的抑制作用。二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述67

受80年代國際上太陽能低落的影響，我國太陽能研究工作也受到一定程度的削弱，有人甚至提出：太陽能利用投資大、效果差、貯能難、占地廣，認為太陽能是未來能源，主張外國研究成功后我國引進技術(shù)。雖然，持這種觀點的人是少數(shù)，但十分有害，對我國太陽能事業(yè)的發(fā)展造成不良影響。二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述68

第七階段（1992-至今）

由于大量燃燒礦物能源，造成了全球性的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，對人類的生存和發(fā)展構(gòu)成威脅。在這樣背景下，1992年聯(lián)合國在巴西召開“世界環(huán)境與發(fā)展大會”，會議通過了《里約熱內(nèi)盧環(huán)境與發(fā)展宣言》，《21世紀議程》和《聯(lián)合國氣候變化框架公約》等一系列重要文件，把環(huán)境與發(fā)展納入統(tǒng)一的框架，確立了可持續(xù)發(fā)展的模式。二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述69

這次會議之后，世界各國加強了清潔能源技術(shù)的開發(fā)，將利用太陽能與環(huán)境保護結(jié)合在一起，使太陽能利用工作走出低谷，逐漸得到加強。世界環(huán)發(fā)大會之后，我國政府對環(huán)境與發(fā)展十分重視，提出10條對策和措施，明確要“因地制宜地開發(fā)和推廣太陽能、風能、地熱能、潮汐能、生物質(zhì)能等清潔能源”，制定了《中國21世紀議程》，進一步明確了太陽能重點發(fā)展項目。二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述70

1995年國家計委、國家科委和國家經(jīng)貿(mào)委制定了《新能源和可再生能源發(fā)展綱要》（1996-2010），明確提出我國在1996-2010年新能源和可再生能源的發(fā)展目標、任務以及相應的對策和措施。這些文件的制定和實施，對進一步推動我國太陽能事業(yè)發(fā)揮了重要作用。二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述71

1996年，聯(lián)合國在津巴布韋召開“世界太陽能高峰會議”，會后發(fā)表了《哈拉雷太陽能與持續(xù)發(fā)展宣言》，會上討論了《世界太陽能10年行動計劃》（1996-2005），《國際太陽能公約》，《世界太陽能戰(zhàn)略規(guī)劃》等重要文件。這次會議進一步表明了聯(lián)合國和世界各國對開發(fā)太陽能的堅定決心，要求全球共同行動，廣泛利用太陽能。

二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述72

1992年以后，世界太陽能利用又進入一個發(fā)展期，其特點是：（1）太陽能利用與世界可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護緊密結(jié)合，全球共同行動，為實現(xiàn)世界太陽能發(fā)展戰(zhàn)略而努力；（2）太陽能發(fā)展目標明確，重點突出，措施得力，有利于克服以往忽冷忽熱、過熱過急的弊端，保證太陽能事業(yè)的長期發(fā)展；

二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述73

（3）在加大太陽能研究開發(fā)力度的同時，注意科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)，加速商業(yè)化進程，擴大太陽能利用領(lǐng)域和規(guī)模，經(jīng)濟效益逐漸提高；（4）國際太陽能領(lǐng)域的合作空前活躍，規(guī)模擴大，效果明顯。

二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述74在20世紀100年間太陽能發(fā)展道路并不平坦，一般每次高潮期后都會出現(xiàn)低潮期，處于低潮的時間大約有45年。太陽能利用的發(fā)展歷程與煤、石油、核能完全不同，人們對其認識差別大，反復多，發(fā)展時間長。二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述75

這一方面說明太陽能開發(fā)難度大，短時間內(nèi)很難實現(xiàn)大規(guī)模利用；另一方面也說明太陽能利用還受礦物能源供應，政治和戰(zhàn)爭等因素的影響，發(fā)展道路比較曲折。從總體來看，20世紀取得的太陽能科技進步仍比以往任何一個世紀都大。

二、太陽能的利用歷史一、太陽能概述76三、太陽能利用方式一、太陽