太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)1緒論

課程內(nèi)容及要求授課內(nèi)容第一章太陽能利用概述第二章太陽輻射第三章晶體硅太陽電池的基本原理第四章薄膜太陽電池第五章聚光太陽電池第六章太陽電池制造要求：1.認(rèn)真聽課，關(guān)閉手機(jī)等電子設(shè)備2.課后查閱相關(guān)資料，擴(kuò)展知識(shí)面3.開卷考試教材：楊金煥，太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)（第2版），電子工業(yè)出版社第七章光伏系統(tǒng)部件第八章光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)第九章光伏系統(tǒng)的安裝、調(diào)試及維護(hù)第十章光伏系統(tǒng)的應(yīng)用第十一章光伏發(fā)電的效益分析2023/9/211

第一章緒論1.1開發(fā)利用太陽能的戰(zhàn)略意義1.1.1化石燃料儲(chǔ)量正面臨逐漸枯竭的危機(jī)局面

隨著世界人口的增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)于能源供應(yīng)的需求量日益增加，目前主要是靠化石燃料來提供。

然而，化石燃料的儲(chǔ)量是有限的，全球石油可開采約45年，天然氣大約61年，煤炭可開采約230年，鈾大約71年。如果再考慮到現(xiàn)在世界石油消費(fèi)量大約每年增長2%，這樣每隔35年，消費(fèi)量將增加一倍。目前1/5的人口消費(fèi)世界上75%的能源，發(fā)達(dá)國家人均石油消費(fèi)量是最貧窮的全球一半人口消費(fèi)量的15倍。據(jù)世界衛(wèi)生組織估計(jì)，到2060年全球人口將達(dá)100~110億。如果到時(shí)所有人的礦物和能源消費(fèi)量都達(dá)到今天發(fā)達(dá)國家的人均消費(fèi)水平，則地球上35種礦物中將有1/3在40年內(nèi)消耗殆盡，包括所有的石油、天然氣、煤炭（假設(shè)為2萬億噸）和鈾。2023/9/2121.1.1化石燃料儲(chǔ)量正面臨逐漸枯竭的危機(jī)局面化石燃料生產(chǎn)(消耗)的峰值存在一個(gè)高峰，高峰在什么時(shí)間？離現(xiàn)在還有多遠(yuǎn)？留給可再生能源技術(shù)發(fā)展的時(shí)間足夠嗎？?。?023/9/2131.1.1化石燃料儲(chǔ)量正面臨逐漸枯竭的危機(jī)局面

日本的預(yù)測(cè)

自天然氣以下為化石燃料

化石燃料生產(chǎn)峰值在2020~2030之間2023/9/2141.1.1化石燃料儲(chǔ)量正面臨逐漸枯竭的危機(jī)局面世界油氣資源的開采峰值對(duì)化石燃料開采峰值有決定性影響，因此我們?cè)儆^察幾個(gè)對(duì)油氣資源開采峰值的預(yù)測(cè)。

2002，

AssociationforStudyofPeakOil(ASPO):峰值位于2010年2023/9/215Shell的預(yù)測(cè)1.1.1化石燃料儲(chǔ)量正面臨逐漸枯竭的危機(jī)局面2023/9/2161.1.1化石燃料儲(chǔ)量正面臨逐漸枯竭的危機(jī)局面2001，

BP，WorldEnergyForuminDavos:

峰值位于2010，30-40之后將消耗盡；

2000，WorldResourcesInstituteinWashington:峰值位于2019.

綜合以上多種預(yù)測(cè),化石燃料開采峰值位于本世紀(jì)20~30年代

2023/9/2171.1.1化石燃料儲(chǔ)量正面臨逐漸枯竭的危機(jī)局面我國一次能源的儲(chǔ)量均低于世界平均值，2004年進(jìn)口石油約1.1億噸，外匯支出比前一年增加了30%~40%。

我國能源儲(chǔ)量與世界比較2023/9/2181.1.2

保護(hù)生態(tài)環(huán)境逐漸受到人們的重視

隨著全球很多地區(qū)氣候變暖，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，酸雨范圍越來越廣，高空臭氧層空洞擴(kuò)大等現(xiàn)象的出現(xiàn)，使人們逐漸認(rèn)識(shí)到治理大氣環(huán)境，防止污染已經(jīng)到了刻不容緩的地步。現(xiàn)在單是CO2全球每年排放量就超過500億噸，并且還在不斷增加。按人口平均計(jì)算，美國每年的CO2排放量為20噸/人

年，德國為12.3噸/人

年，日本為8.7噸/人

年?！熬┒甲h定書”對(duì)于工業(yè)化國家規(guī)定了減少溫室氣體排放量的指標(biāo)。我國能源消費(fèi)只占世界的8%~9%，人均排放量也不算高，但是人口眾多，能源利用率不高，能源消費(fèi)以燃煤為主，而且煤炭所含的硫等有害成分很高。我國SO2排放量占世界的15.1%，為世界第一；CO2排放量占世界的13.6%，列世界第二。因煤炭燃燒而排放的SO2、CO2、NOx和煙塵分別占全國相應(yīng)排放量的87%、71%、67%和60%，所以備受世界關(guān)注。我國必須作出巨大努力，來改變這種狀態(tài)。2023/9/2191.1.2保護(hù)生態(tài)環(huán)境逐漸受到人們的重視

2023/9/21101.1.2保護(hù)生態(tài)環(huán)境逐漸受到人們的重視2003年全球一次能源消耗結(jié)構(gòu)比例世界中國煤炭%

24.71

74.0

石油%

38.47

15.2

天然氣%

23.72

2.7

核能%

6.59

0.4

水電%

6.51

7.7

2023/9/21111.1.2保護(hù)生態(tài)環(huán)境逐漸受到人們的重視太陽能是取之不盡的清潔無公害新能源。安裝1KW太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，每年可以減少CO2排放量600~2300kg、NOx排放量16kg、SOx排放量9kg和微粒0.6kg。在我國太陽能每發(fā)1度電，扣除在生產(chǎn)太陽電池及設(shè)備的過程中所消耗的電力，可至少相當(dāng)于減少CO2排放量1.14kg。2023/9/21121.1.3常規(guī)電網(wǎng)的局限性截止到2009年：全球還有將近13億人口沒有用上電，約占全球人口的20%，主要分布在非洲和亞洲的發(fā)展中國家。我國800萬人口沒有電力供應(yīng)。其中相當(dāng)大部分處在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的邊遠(yuǎn)地區(qū)，由于居住分散，很難用常規(guī)電網(wǎng)解決用電問題，沒有電力供應(yīng)嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。作為不受區(qū)域限制的太陽能，是個(gè)理想的補(bǔ)充能源，光伏發(fā)電在這些地區(qū)大有用武之地，存在著巨大的潛在市場(chǎng)。2023/9/21131.2太陽能發(fā)電的特點(diǎn)1.2.1太陽能發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)太陽能取之不盡，用之不竭，照射到地球上的太陽能要比人類消耗的能量大6000倍。只要在美國陽光豐富的西南部沙漠地區(qū)，建立一個(gè)面積為100哩×100哩的巨型光伏電站，所發(fā)的電力可以滿足全美國的用電需要。太陽能發(fā)電安全可靠，不會(huì)遭受能源危機(jī)或燃料市場(chǎng)不穩(wěn)定的沖擊。太陽能隨處可得，可就近供電，不必長距離輸送，避免了輸電線路等損失。太陽能不用燃料，運(yùn)行成本很低。太陽能發(fā)電沒有運(yùn)動(dòng)部件，不易損壞，維護(hù)簡單，特別適合于無人值守情況下使用。太陽能發(fā)電不產(chǎn)生任何廢棄物，沒有污染，無噪聲等公害，對(duì)環(huán)境無不良影響，是理想的清潔能源。太陽能發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短，方便靈活。而且可以根據(jù)負(fù)荷的增減，任意添加或減少太陽電池容量，避免了浪費(fèi)。2023/9/21141.2.2太陽能發(fā)電的缺點(diǎn)地面應(yīng)用時(shí)有間歇性和隨機(jī)性，發(fā)電量與氣候條件有關(guān)，在晚上或陰雨天就不能或很少發(fā)電。能量密度較低，標(biāo)準(zhǔn)條件下，地面上接收到的太陽輻射強(qiáng)度為1000W/m2。大規(guī)模使用時(shí)，需要占有較大面積。目前價(jià)格仍較貴，為常規(guī)發(fā)電的2~5倍。初始投資高。2023/9/21151.2.3太陽能發(fā)電的類型太陽能光發(fā)電(光伏，PV，Photovoltaics)太陽能熱發(fā)電（CSP，concentratingsolarpower）大致可分為槽式太陽能熱發(fā)電塔式太陽能熱發(fā)電

碟式太陽能熱發(fā)電2023/9/2116

槽式太陽能熱發(fā)電2023/9/2117

槽式太陽能熱發(fā)電原理圖2023/9/2118

塔式太陽能熱發(fā)電2023/9/2119近代太陽塔熱發(fā)電2023/9/2120太陽塔熱發(fā)電原理2023/9/2121

碟式太陽能熱發(fā)電2023/9/21221.3.1光伏發(fā)展歷史1839年19歲的法國貝克勒爾做物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)電液中的兩種金屬電極用光照射時(shí)，電流會(huì)加強(qiáng)，從而發(fā)現(xiàn)了“光生伏打效應(yīng)”1877年亞當(dāng)斯等在硒片上發(fā)現(xiàn)固體光伏效應(yīng)，并制成了第一個(gè)硒光電池1883年美國發(fā)明家弗里茲描述了第一個(gè)用硒片制造的太陽電池1904年愛因斯坦發(fā)表光電效應(yīng)論文1916年密立根提供了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)1918年波蘭科學(xué)家切克勞斯基發(fā)展了一種單晶硅生長的方法1930年郎格發(fā)表了“新的光伏電池”

同年肖特基發(fā)表“新的氧化銅光電池”1931年布魯諾將銅化合物和硒銀電極浸入電介液，在陽光下帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)1932年奧杜博特等制成第一塊”硫化鎘”太陽電池1941年奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)1954年5月美國貝爾實(shí)驗(yàn)室恰賓、富勒和皮爾松宣布僅僅幾個(gè)月后原來效率為4.5%的硅太陽電池已上升到6%，這是世界上第一個(gè)實(shí)用的太陽電池2023/9/21231.3.1光伏發(fā)展歷史2023/9/21241.3.1光伏發(fā)展歷史

美國貝爾實(shí)驗(yàn)室制成的第一批太陽電池2023/9/21251.3.1光伏發(fā)展歷史1955年11月霍夫曼電子半導(dǎo)體公司宣布可提供效率為2%的商業(yè)光伏產(chǎn)品，每個(gè)電池14mw，價(jià)格為$25，相當(dāng)于$1785/W1957年霍夫曼電子公司硅太陽電池效率達(dá)到了8%1958年霍夫曼電子公司硅太陽電池效率達(dá)到了9%1958年3月17日太陽電池首次在空間應(yīng)用，裝備于美國的先鋒1號(hào)人造衛(wèi)星，功率為0.1W，面積約100平方厘米。運(yùn)行了8年1959年霍夫曼電子公司商業(yè)應(yīng)用的光伏電池效率達(dá)到了10%同年8月7日發(fā)射的探險(xiǎn)者6號(hào)人造衛(wèi)星配備了1cm×2cm的太陽電池9600片1960年霍夫曼電子公司太陽電池的效率達(dá)到了14%1962年7月23日第一個(gè)商業(yè)通訊衛(wèi)星發(fā)射，功率為14W1962年砷化鎵太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了13%1963年夏普公司生產(chǎn)出了實(shí)用的硅光伏組件同年，日本在燈塔上安裝了一套當(dāng)時(shí)世界上最大242W的光伏方陣，容量為242W1964年發(fā)射的大型氣象衛(wèi)星上裝備了470W光伏方陣2023/9/21261.3.1光伏發(fā)展歷史1965年格拉瑟提出了建造空間太陽能電站的設(shè)想1966年發(fā)射的天文觀察衛(wèi)星裝備了1kw光伏方陣1969年薄膜硫化鎘太陽電池效率達(dá)到了8%1972年法國在尼日爾鄉(xiāng)村學(xué)校安裝了一套硫化鎘光伏系統(tǒng)。同年羅非斯基研制出紫光電池，效率達(dá)到了16%1973年德拉瓦大學(xué)建立了世界上第一個(gè)光伏與光熱混合的戶用屋頂系統(tǒng):“太陽一號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)運(yùn)行。同年砷化鎵太陽電池效率達(dá)到15%1974年日本制定了發(fā)展光伏的“陽光計(jì)劃”

同年Tyco實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用定邊喂膜法制成了寬度為1英寸、18英寸長的的硅帶同年COMSAT研究所提出無反射絨面電池，硅太陽電池效率達(dá)到18%1976年多晶硅太陽電池效率達(dá)到10%1976年卡爾松等制成了第一個(gè)非晶硅太陽電池，在面積3.5平方厘米上效率為1.1%1976~1985年和1992~1995年美國NASA劉易斯研究中心項(xiàng)目在世界各地安裝了83套不同用途的光伏系統(tǒng)，如為疫苗冷藏、房間照明、通訊、水泵和教室的電視等提供電力2023/9/21271.3.1光伏發(fā)展歷史1977年世界光伏產(chǎn)量超過了500KW1978年NASA在亞利桑那州巴巴哥印第安人保留區(qū)安裝了3.5KW光伏系統(tǒng)，為水泵和15戶居民提供電力，這是世界上第一個(gè)鄉(xiāng)村光伏系統(tǒng),1985年通電網(wǎng)后，該系統(tǒng)專為社區(qū)水泵供電。同年美國建成100KW太陽能地面電站1980年單晶硅太陽電池效率達(dá)20%；砷化鎵太陽電池效率達(dá)到22.5%；多晶硅太陽電池效率達(dá)到14.5%；硫化鎘太陽電池效率達(dá)到9.15%。同年美國ARCOSolar公司年產(chǎn)量超過1MW1981年5月在沙特阿拉伯吉達(dá)安裝了8KW用于海水淡化裝置1982年世界太陽電池產(chǎn)量超過了9.3MW。同年7月在美國達(dá)拉斯機(jī)場(chǎng)安裝了20KW光伏和140KW光熱混合系統(tǒng)。同年12月美國安裝1MW光伏電站，使用了108個(gè)雙軸跟蹤裝置1983年功率為1KW的太陽能汽車在澳大利亞用不到20天跑完了4000km，最大時(shí)速72km/h，平均24km/h。同年ARCOSolar公司在美國加州卡利薩平原建成6MW光伏電站，占地120英畝，電力輸入太平洋煤氣電力公司電網(wǎng)，足夠2000~2500戶家庭使用。同年世界光伏產(chǎn)量超過21.3MW，銷售額超過2.5億美元2023/9/21281.3.1光伏發(fā)展歷史1984年美國薩克拉門托市政公用公司管轄區(qū)(SMUD)關(guān)閉了核電站后，建成了第一個(gè)1MW光伏電站。同年英國BPSolar公司在南安普敦建成了30KW并網(wǎng)光伏系統(tǒng)1985年澳大利亞新南威爾士大學(xué)馬丁?格林等研制的硅太陽電池，效率超過了20%1986年6月ARCOSolar公司推出了世界第一個(gè)“

G-400”商業(yè)薄膜動(dòng)力用太陽電池組件1990年德國提出“

1000個(gè)太陽能屋頂”計(jì)劃，每個(gè)屋頂安裝3~5KW太陽電池1992年在南極洲安裝了一套0.5kw光伏系統(tǒng)，配備2.4kwh蓄電池，為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，照明，個(gè)人電腦，打印機(jī)和小型微波爐提供電力1995年高效聚光砷化鎵太陽電池效率達(dá)到32%1996年BPSolar公司宣布碲化鎘技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)。同年5月7日?qǐng)D森電力公司宣布已具備銅銦硒電池生產(chǎn)能力同年7月世界上第一架太陽能動(dòng)力飛機(jī)穿越德國,機(jī)身上安裝了3000片高效太陽電池,總面積21平方米2023/9/21291.3.1光伏發(fā)展歷史1997年美國提出“百萬太陽能屋頂”計(jì)劃，到2010年要安裝100萬套同年，日本提出“新陽光計(jì)劃”，提出到2010年將生產(chǎn)43億W太陽電池同年，歐盟提出“百萬太陽能屋頂”計(jì)劃，到2010年要生產(chǎn)37億W太陽電池1998年單晶硅太陽電池效率達(dá)24.7%；全球多單晶硅太陽電池產(chǎn)量第一次超過單晶硅太陽電池1999年日本太陽電池產(chǎn)量首次超過美國而居世界第一位2000年全球太陽電池產(chǎn)量達(dá)278MW。日本三洋公司的非晶硅/單晶硅/非晶硅雙異質(zhì)結(jié)太陽電池效率超過21%2001年“太陽神號(hào)”

(Helios)光伏動(dòng)力飛機(jī)飛行高度超過了海拔30km，創(chuàng)造了新的記錄2023/9/21301.3.2中國光伏的發(fā)展1958年天津十八所、中科院半導(dǎo)體所分別設(shè)立太陽電池研究課題。1960年天津十八所用酸洗冶金硅粉熔成多晶硅錠，制成的太陽電池雛形，效率為1%。1962年天津十八所和半導(dǎo)體所各自試制成P+/n型單晶硅電池，效率6-8%。1963年-1964年間，十八所和半導(dǎo)體所緊密交流合作，P+/n電池效率突飛猛進(jìn)。10×20mm2電池效率穩(wěn)定在12-13%。1968年半導(dǎo)體所承擔(dān)空間太陽電池預(yù)先研究。十八所開展地面應(yīng)用研究,曾為海島駐軍和唐古拉山無人氣象站試制過10～20瓦級(jí)組件。1969年半導(dǎo)體所停止硅太陽電池研發(fā)。我國第一顆裝備太陽電池的衛(wèi)星——實(shí)踐1號(hào)由天津十八所完成研制生產(chǎn)，衛(wèi)星上裝有1400多片1020mm2P型1Ω.cm電池，AMO效率10%。萌芽期（1958-1980年）2023/9/21311.3.2中國光伏的發(fā)展1971年實(shí)踐1號(hào)發(fā)射升空，在整個(gè)8年的壽命期內(nèi)，太陽電池功率衰降不到15%。1971年西安交通大學(xué)開始晶體硅太陽電池研究。1973年天津十八所為天津航道局裝備十多只太陽電池航標(biāo)燈，每只1千瓦，首次使用硅橡膠囊封構(gòu)，成功地運(yùn)行在高鹽霧環(huán)境數(shù)年之久1973年天津十八所，長春應(yīng)化所等開展以聚酰亞胺膜為襯底的硫化镕薄膜電池研究，效率最高6%。但在潮濕環(huán)境下衰降難以克服，幾年后先后終止了研發(fā)。70年代中期，上海長寧電池廠開始搞太陽電池，經(jīng)十多年發(fā)展壯大，后來組成上海航天局811所，先后為我國風(fēng)云一號(hào)氣象衛(wèi)星，資源一號(hào)衛(wèi)星，風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星等低軌道衛(wèi)星研制生產(chǎn)太陽電池陣。天津十八所重點(diǎn)為東方紅二號(hào)、東方紅三號(hào)、東方紅四號(hào)系列地球同步軌道衛(wèi)星研制生產(chǎn)太陽電池陣。1975年南開大學(xué)開始進(jìn)行非晶硅薄膜太陽電池的研究。1975年寧波、開封先后成立太陽電池廠，電池制造工藝模仿十八所早期生產(chǎn)空間電池工藝。真空蒸發(fā)Ag-Al制作電極，蒸發(fā)一氧化硅作減反射膜。光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)10%。2023/9/21321.3.2中國光伏的發(fā)展1975-1976年西安交通大學(xué)為華山氣象站研制二臺(tái)氣象站用光伏電源1977年美籍學(xué)者方寶賢博士（波士頓學(xué)院教授）回國探親，扶植起1971年成立的云南師范大學(xué)太陽能研究所，研發(fā)成功絨面、雙面化學(xué)鍍鎳電極的低成本電池。1979年中國太陽能學(xué)會(huì)成立大會(huì)在西安召開。光伏專委會(huì)成立。1418所李文滋總工任首任專委會(huì)主任。1980年光伏委員會(huì)在杭州舉辦首屆學(xué)術(shù)會(huì)議。2023/9/21331.3.2中國光伏的發(fā)展1981年首屆中國光伏大會(huì)在北京舉行。由中國航天學(xué)會(huì)光電專委會(huì)、中國電源學(xué)會(huì)物理電池專委會(huì)聯(lián)合發(fā)起。1981年光伏專委會(huì)在云南師范大學(xué)舉辦首屆光伏培訓(xùn)班。1982年高教部成立“地面太陽電池協(xié)作組”。西安交通大學(xué)、南開大學(xué)、四川大學(xué)、北京大學(xué)、浙江大學(xué)、南京工學(xué)院、北京工業(yè)大學(xué)、蘭州大學(xué)、山東大學(xué)、武漢大學(xué)十所高教部直屬大學(xué)參加。進(jìn)行地面用低成本晶體硅電池和非晶硅薄膜電池的研究。1982年國家科委制定“1981-1985年第六個(gè)五年計(jì)劃”中首次列入光伏科技攻關(guān)項(xiàng)目。1982年國家科委成立“中國光電技術(shù)中心”原浙江科委昌金銘副主任首任中心主任，開始了單晶硅/多晶硅電池和光伏系統(tǒng)應(yīng)用的研究。幼苗明（1981-2000年）2023/9/21341.3.2中國光伏的發(fā)展80年代后期開始引進(jìn)太陽電池設(shè)備，絲網(wǎng)印刷電極取代蒸發(fā)或化學(xué)鍍電極 華美光伏電子公司引進(jìn)Spire公司一兆瓦生產(chǎn)線云南半導(dǎo)體廠引進(jìn)加拿大1MW生產(chǎn)線寧波及開封購進(jìn)1MW產(chǎn)能部分設(shè)備哈爾濱克羅拉公司購進(jìn)1MW非晶硅設(shè)備1986年國家計(jì)委在農(nóng)村能源“1986-1990