应用光伏学教材Word文档下载推荐.docx

1、能源是太阳能与风能，生物质能等，相关的来源，也被认为是可再生的。太阳辐射会被转化为其他能源形式的转换过程中的几个。热转换依赖于太阳能加热冷却表面吸收。太阳能生物转化依赖于光合作用。由光电转换产生的电流作为一个量子力学过程的结果产生电力。风力发电和海洋能源转换依靠大气压力梯度和温度梯度对海洋产生电力。在这一章中，我们重点对热转换，我们首先讨论可用太阳能源，然后考虑在其三种形式两个太阳能技术：被动式太阳能，太阳能和主动。太阳能的第三种形式，太阳能发电是在下一章讨论。最后我们这个太阳能发电站的讨论一章。化石燃料中的石油天然气是当今世界的主要一次性能源据世界能源委员会统计，已探明的石油、天然气可采储量

2、，按 1992 年各国的产量计算，分别只能开采 44 年和 60 年；虽然可采储量还会有新的发现，但社会需求也有增长，特别是考虑到第三世界国家的经济发展，油气燃料可供开采的时间不会很长。在化石燃料中，尽管煤炭的储量最为丰富，但燃煤造成的严重污染使其大不可能成为世界范围的主要能源。另一方面，核聚变反应可提供清洁的能源，在海洋中蕴藏着约 42 万亿吨核聚变的主要反应物质氘；但核聚变堆研究的难度很大，估计要到下一世纪后期核聚变电站广泛出现才有可能实现商品化。因此， 在展望 21 世纪能源问题的前景时，可能不得不对油气资源面临枯竭、核聚变发电又未能商品化的一段青黄不接时期。为保证这一时期内人类有充足的

3、清洁能源供应，利用太阳能来发电是一种必然的选择 。 太阳能是最重要的可再生能源，地球上各种能源无不与之密切相关。事实上，太阳在地球的演化、生物的繁衍和人类的发展中，起了无比重要的作用，也为人类提供了取之不尽的能源。太阳内部不断进行的高温核聚变反应释放着功率约为 3. 8 1026 瓦的巨大辐射能，其中只有二十亿分之一到达至于大气高层；经过大气时，约 30% 被反射， 23% 被吸收，仅有一半（约 8 1016 瓦）的能量到达地球表面。即使如此，只要能够利用其万分之几，便可满足今日人类的全部需要。但是，由于其能量密度低，还要受昼夜、季节、气候、地点等因素的影响，在地面上利用太阳能来发电受到很大限

4、制。为了避免这些缺点，自然要考虑在空间利用太阳能发电的可能性各可行性。2010 年空间发电可望实用化 空间太阳能发电方式最初是 美国工程师 P.Glaser 首先提出的。其基本构想是在地球的外层空间或月球上建立太阳能卫星发电基地，然后通过微波将电能传输到场面的接收装置，再把微波能束转变成电能供人类使用 。这一方案的优点是在大气层外充分利用太阳能，消除了在地面上太阳能密度小而变化大的缺点，无需庞大的储能装置，既减少占地，又节约大量设备投资。可以预计，随着光电转化材料和运载等方面技术的进步，太阳能空间发电的成本将大大降低。这一设想提出后，受到了各国的重视。 1977 年 1980 年美国能源部和航

5、天航空局组织对空间太阳发电的概念进行研究，认为其实施不存在不可克服的技术困难。当时设计了一种称为“参考系”的发电系统；由 60 地太阳能面板组成，每块长 10 公里，宽 5 公里，发电 500 万千瓦，总发电量为 3 亿千瓦。用这样一颗发电卫星，便可取代美国所有的地面电站。由于该系统过于庞大，约需 3000 千亿美元的巨资投资，在当时冷战的条件下难以得到支持。随着能源问题的突出各航天技术的进步， 1995 年美国航天航空局成立研究组，重新审视这一问题，较全面地分析了空间太阳能发电的技术经济可行性，在方案上也有很大不同：采用渐进的自我发展模式，即先发射一颗投资为 100150 亿美元的 25 万

6、千瓦发电卫星，出售电力以回收投资并获取利润，然后再扩大发电卫星的规模。该研究组估计， 2010 年以后，空间发电将实用化。目前，其他一些国家和国际组织也在进行太阳能空间发电方面的工作。太阳能太阳能（Solar）一般指太阳光的辐射能量。在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量，这种能量就是太阳能。太阳内部的这种核聚变反应，可以维持几十亿至上百亿年的时间。太阳向宇宙空间发射的辐射功率为3.8x1023kW的辐射值，其中20亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为80

7、0000亿kW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧500万吨煤释放的热量。平均在大气外每平米面积每分钟接受的能量大约1367w。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。 人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期，就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能的利用有光化学反应,被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源利

8、用方式。 使用太阳电池，通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能，使用太阳能热水器，利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电，利用太阳能进行海水淡化。现在，太阳能的利用还不很普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题，但是太阳电池在为人造卫星提供能源方面得到了应用。 主要是硅光电池在吸收太阳所发射出来的光能，硅光电池主要是从沙子里提炼出来的，由贝尔实验室开发。太阳能是太阳内部或者表面的黑子连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367w/。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2

9、，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/，相当于有102000TW 的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外），虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使

10、是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。 太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。 太阳电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成PN结。 当光线照射太阳电池表面时，一

11、部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。 “硅”是我们这个星球上储藏最丰量的材料之一。自从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维，20世纪末我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳电池是近15年来形成产业化最快。生产过程大致可分为五个步骤：a、提纯过程 b、拉棒过程 c、切片过程 d、制电池过程 e、封装过程。太阳能光伏 光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产

12、生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料（例如硅）制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明，并为电网供电。 光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电力。近年，天台及建筑物表面均会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。太阳热能 现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸气和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能，方法是在设计时加入合适的装备，例如巨型的向南窗户

13、或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。 据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事。20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门德考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。在1615年1900年之间，世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率不大，工质主要是水蒸汽

14、，价格昂贵，实用价值不大，大部分为太阳能爱好者个人研究制造。20世纪的100年间，太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段。 第一阶段（19001920年） 在这一阶段，世界上太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置，但采用的聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64kW，实用目的比较明确，造价仍然很高。建造的典型装置有：1901年，在美国加州建成一台太阳能抽水装置，采用截头圆锥聚光器，功率：7.36kW；1902 1908年，在美国建造了五套双循环太阳能发动机，采用平板集热器和低沸点工质；1913年，在埃及开罗以南建成一台由5个抛物槽镜组成的太阳能水泵，每

15、个长62.5m，宽4m，总采光面积达1250m2。 第二阶段（19201945年） 在这20多年中，太阳能研究工作处于低潮，参加研究工作的人数和研究项目大为减少，其原因与矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战（19351945年）有关，而太阳能又不能解决当时对能源的急需，因此使太阳能研究工作逐渐受到冷落。 第三阶段（19451965年） 在第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少， 呼吁人们重视这一问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展，并且成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会，再次兴起太阳能研究热潮。 在这一阶段，太阳能研究工作取得一些重大进展，比较突出的有：1945年，美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，为光伏发电大规模应用奠定了基础；1955年，以色列泰伯等在第一次国