毕业设计（论文）太阳能未来发展趋势

1、南昌航空大学 nanchanghangkonguniversity 学生毕业设计（论文）题目 太阳能未来发展趋势学 院 新能源工程学院专业 光伏材料应用技术姓 名 学号 指导教师 目录摘 要3一、光伏基础概念1.光伏概念42.光伏原理43.光伏发电系统44.光伏发电的优缺点4二、各国对太阳能光伏产业的态度5三、太阳能利用技术1.太阳电池开发进展62.太阳能热利用动态73.太阳能技术研究74.太阳能利用技术的运用7四 太阳电池组件的封装工艺 1太阳电池组件的封装材料102 太阳电池组件封装工艺种类 12五 封装工艺流程1 目前的背景技术 142 新型太阳电池组件 14六、未来世界光伏发电的畅想1

2、.平民化182.宇宙太阳能发电18七、结束语19八、致谢19九、参考文献20摘要：中国光伏的崛起也极大地影响和改变了中国光伏产业的发展进程。3月23日，中国财政部颁发了太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法的通知。中国政府为推广太阳能的应用，打开国内市场创造了有利条件。为什么世界各地政府都重视、支持新能源产业。因为金融危机虽然可怕，但还有比金融危机更可怕需要全人类智慧和决心去解决的东西。金融危机说的是吃饭问题，能源危机说的是发展问题，而环境问题说的是人类在地球上是否可以生存的问题。 由于全球人口和发展中国家工业化进程加快，全球能源消耗呈现3%的速度增加，并在今后较长的时间内将有可能维持这个

3、增长速度。而目前全球已探明的一次能源的储量预计100年内将会耗尽。因此，各个国家和地区都需要积极开发利用可再生能源。太阳能作为最重要的可再生能源之一，由于其清洁、卫生、安全、资源丰富等多方面的优势，其发展越来越得到重视。关键词：光伏发展 未来趋势 太阳能一、 光伏基础概述近年来，随着光伏产业在全球各地的日益盛行，世界光伏市场取得快速发展，光伏化学品迎来了大发展时代。 美国弗若斯特沙利文咨询公司日前发表的研究报告称， 2005年全球光伏化学品市场规模仅为 1.24 亿美元，2008 年就增至 3.06 亿美元，预计未来该市场规模将继续扩大，至 2015 年，该市场规模将猛增至 28.08 亿美元

4、。 太阳能的光电应用就是将照射到硅材料上的太阳光转化为电流并存贮起来供生产、生活使用。目前，太阳能已被广泛应用于航天、公用设施、商业设施和民用住宅等领域及无电网的区域。 作为一种取之不尽的能源，太阳能被视作传统能源的新兴替代品，并成为解决未来能源危机的主要应对方案之一。1.光伏概念光伏(pv or photovoltaic)：太阳能光伏发电系统(photovoltaic power system)是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。2.光伏原理其基本工作原理是：以太阳能电池板接收太阳光并产生电能（即发电），再将产生的

5、电能储存在蓄电池里，到需要用电时再从蓄电池中取电。太阳能电池板（也叫光伏板或光伏组件）本身只能发电不能储存电能。它发出的是直流电，蓄电池进出的也是直流电。对用电器而言，这时可以直接给直流电器供电，也可经过逆变器将直流电变换为交流电给交流电器供电或直接进入电网。 3.光伏发电系统 在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直光伏发电系统流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。蓄电池组

6、的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。 4.光伏发电优缺点 光伏发电的优点主要体现在：无枯竭危险；安全可靠，无噪声，无污染排放外，绝对干净（无公害）；不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电；能源质量高；使用者从感情上容易接受；建设周期短，获取能源花费的时间短。缺点：照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。光伏发电的起源及发展。二、各国对太阳能光伏产业的态度全球太阳能发电产业发展现状及趋势在化石能源日益稀缺的背景下，各国均大力发展太阳能利用，其中日本、欧洲国家（德国）和美国等经济发达、能源消

7、耗大的国家起步较早，在技术和应用都处于领先地位。由于太阳能发电成本较传统能源高，因此需要政府给予政策扶持。从20世纪90年代末开始，欧美、日本等国家纷纷实行“阳光计划”，在太阳能发电的价格、税收、发展基金等方面给予较大优惠。同时，在政府资助下，欧洲一些高水平的研究机构也加大了太阳能能源利用的研究。欧美、日本等国家还制定了长期的能源发展战略，对太阳能的发展进行了长期规划。1997年6月美国提出“百万太阳能屋顶计划”，计划到2010年将在100万个屋顶或建筑物其他可能的部位安装太阳能系统，包括太阳能光伏发电系统、太阳能热水系统和太阳能空气集热系统。欧洲也于1997年左右也宣布了百万屋顶计划，其中，

8、在太阳能利用领域领先的德国联合政府在欧洲百万屋顶的框架下于1998年10月提出了计划在6年内安装10万套太阳能屋顶系统，总容量在300-500mv，每个屋顶约3-5kw。日本政府的计划目标是，到2010年安装500mw屋顶光伏发电系统。在各国政府的扶持下，世界太阳能电池产量快速增长，1995-2005年间，全球太阳能电池产量增长了17倍。2005年，全球太阳能电池年产量达到了1650兆瓦，累计装机发电容量超过5gw，其中，日本太阳能电池产量达到762兆瓦，增长率为27；欧洲产量增加48，达到了464兆瓦；美国增加12，达到了156兆瓦；世界其他地区增加96，达到了274兆瓦。预计，2010年全

9、球太阳能电池的年产量有望达到10400兆瓦，较2005年的年产量增长6.3倍；整个行业的销售收入有望在2005-2010年间，从130亿美元提高至450亿美元，在未来5年内增长3.5倍。同时，受益于规模经济、生产效率和工艺水平的提高，整个产业链的成本都有望下降，行业利润率有望保持在较高水平上。我国政府对太阳能产业也给予了充分的扶持。2006年1月，中华人民共和国可再生能源法正式实施，此法在资源调查与发展规划、产业指导与技术支持、推广与应用、价格管理与费用分摊、经济激励与监督措施、法律责任等方面做出了规定。随后，国家又陆续出台了可再生能源发展专项资金管理暂行办法、可再生能源建筑应用专项资金管理暂

10、行办法等支持可再生能源发展的实施细则，使国家在可再生能源领域方面的扶持政策日趋明朗化。这一系列法律、政策无疑有力的支持了我国太阳能发电产业的发展。三、太阳能利用技术 1.太阳能电池技术开发进展 太阳能电池的工作原理是，太阳光照到半导体p-n结上，形成空穴电子对，在p-n结电场的作用下，n型半导体的空穴向p型区移动，p型区中的电子向n型移动，接通电路后就形成电流。太阳能电池的发展经历了三个阶段。以硅片为基础的“第一代”太阳能电池其技术发展已到成熟，但单晶硅纯度要求在99.999%，生产成本太高使得人们不惜牺牲电池转换率为代价开发薄膜太阳能电池。第二代太阳能电池是基于薄膜材料的太阳电池。薄膜技术所

11、需材料较晶体硅太阳电池少得多，且易于实现大面电池的生产，可有效降低成本。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉以及铜铟硒薄膜电池，其中以多晶硅为材料的太阳能电池最优。太阳能光电转换率的卡诺上限是95%，远高于标准太阳能电池的理论的上限33%，表明太阳呢过电池的性能还有很大发展空间。martin green认为，第三代太阳能电池必须具有如下条件：薄膜化、转换效率高、原料丰富且无毒。目前第三代太阳能电池还处于在概念和简单的实验研究。已经提出的主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电池和热载流子太阳电池等。其中，叠层太阳能电池是太阳能电池发展的一个重要方向。2.太阳能热利用技术动态目前在我国太

12、阳能热利用应用最多的领域，就是工业建筑、民用建筑的生活热水系统。而生活热水的系统又分为集中式的和分户式的，以及由此衍生出的各种生活热水系统。在此类系统中，太阳能作为主要制热设备，替代了或部分替代了利用常规能源供热的设备，如燃气热水器和电热水器，提供建筑给排水系统所需的生活热水。类似的太阳能应用系统还有很多。如建筑的供热系统、制冷系统等等，应用太阳能的产生的热量，通过某些媒介加以储存利用，并结合常规的供热设备如锅炉，制冷设备如制冷机组等等，可以实现太阳能与多种常规设备相互结合。通过太阳能在诸多建筑中的应用，这样的系统可以满足人们的工业、民用的热利用需求，同时节约能耗，减少污染，保护环境，节约费用

13、，真正的实现了建筑的节能减排和环境的可持续发展。3.太阳能光伏技术研究太阳光能可以广泛开发，是可持续利用的环保、清洁能源，是地球存在和今后人类生存的希望。 太阳能光热转换是将太阳的辐射能转变为热能的过程。长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接受到的太阳能，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的34万倍，可谓取之不尽，用之不竭。据统计，我国太阳能年辐照总量大于502万千焦平方米。年日照时数在2200小时以上的地区约占国土面积的23以上，良好的太阳能资源为我国运用光热技术开发和利用太阳能奠定了基础。太阳能的收集和利用，目前主要光电、光热两个方面

14、，其研究和开发是全世界关注的课题，国内也投入了很大的精力。 4.太阳能利用技术的运用 美国的“光伏建筑计划”、欧洲的“百万屋顶光伏计划”、日本的“朝日计划”以及我国已开展的“光明工程”将在建筑领域掀起节能环保生态建材的开发应用热潮，极大地促进了太阳能在新型建材产品中的应用。 在发展中国家，各国也在积极发展利用太阳能。如菲律宾早在1999年，政府已批准了首个太阳能计划，在澳洲政府“海外援助计划”的协助下，在全国263个社区安装1000个太阳能系统。目前菲政府正在推行全球最大太阳能应用计划，整个计划耗资4800万美元，是目前为止世界上最庞大的太阳能计划。四 太阳电池组件的封装工艺4.1太阳电池组件

15、的封装材料组件工作寿命的长短和封装材料，封装工艺有很大的关系，它的长短是决定组件寿命的重要因素之一。在组件中它是一项易被忽视但在实用中是决不能轻视的部件。现对材料分述如下。4.1.1上盖板 上盖板覆盖在太阳电池组件的正面，构成组件的最外层，它既要透光率高，又要坚固，起到长期保护电池的作用作上盖板的材料有：钢化玻璃、聚丙烯酸类树脂、氟化乙烯丙烯、透明聚酯、聚碳酯等。目前，低铁钢化玻璃为最为普遍的上盖板材料4.1.2粘结剂主要有：室温固化硅橡胶、氟化乙烯丙烯、聚乙烯醇缩丁醛、透明双氧树酯、聚醋酸乙烯等。一般要求其：（1）在可见光范围内具有高透光性（2）具有弹性（3）具有良好的电绝缘性能。（4）能适

16、用自动化的组件封装4.1.3底板一般为钢化玻璃、铝合金、有机玻璃、tpf等。目前较多应用的是tpf复合膜，要求:（1）具有良好的耐气候性能（2）层压温度下不起任何变化（3）与粘接材料结合牢固4.1.4边框平板组件必须有边框，以保护组件和组件与方阵的连接固定。边框为粘结剂构成对组件边缘的密封。主要材料有不锈钢，铝合金，橡胶，增强塑料等。4.2 太阳电池组件封装工艺种类目前国内外的光伏组件所采用的封装技术主要有eva胶膜封装、真空玻璃封装和紫外(uv)固化封装。4.2.1 eva胶膜封装20世纪70年代末80年代初美国jpl实验室以杜邦公司的elvaxl50树脂(醋酸乙烯含量33)为原料，研制了以

17、eva为基础的太阳胶膜配方，产品于1981年上市销售。胶膜配方由eva树脂、交联剂、防老化剂和硅烷偶联剂组成，经过层压封装，eva树脂部分交联，形成具有一定透光率、粘接强度和热稳定性的胶膜。目前大部分公司出售的eva太阳胶膜产品及封装工艺均基于此项技术。20世纪90年代初，国内有关单位在国家“八五”计划的支持下，研制了eva胶膜，目前国内大部分太阳电池封装厂都使用他们的产品。当封装l2w的小组件时，则多使用环氧树脂进行液体浇铸封装。为达到隔离大气的目的，目前普遍采用两片eva胶膜将太阳电池包封，并和上层玻璃、底层tpt热压粘合为一体，构成太阳电池板。此方法简单易行，非常适合工业化生产。目前无锡

18、尚德、南京中电等大型太阳电池公司的电池封装工艺都采用此法。太阳光中能量较高、破坏性较强的紫外光是造成太阳电池组件封装材料eva胶膜老化、龟裂、变色的原因；另外eva胶膜配方自身的降解、氧化和残余的交联剂与防老化剂之间的反应也会导致eva胶膜变黄、透光率下降，影响太阳电池效率性能。目前太阳电池加工行业急需解决此技术瓶颈，或采用新的替代品。4.2.2 真空玻璃封装真空玻璃封装是将太阳电池封装在抽成真空的特制玻璃夹层中。透明平板玻璃作为基板材料，在太阳能转换装置中起到重要作用。作为太阳能转换装置组件的太阳能玻璃，必须具备以下特性：(1)对太阳光的透过率要高，吸收率和反射率要低；(2)抗风压、积雪、冰

19、雹、热应力、投掷石子等外力，有较高的机械强度；(3)对雨水和环境中的有害气体有一定的耐腐蚀性能(4)长期暴露在大气和阳光下，性能不严重退化；(5)膨胀系数必须与其它结构材料相匹配。目前，能够满足上述条件的只有低铁超白浮法玻璃和低铁超白压延玻璃。由于低铁超白浮法玻璃原片反射率较高，表面必须经过一定处理才能达到作为太阳能玻璃的要求，而低铁超白压延玻璃经钢化处理就可作为太阳能玻璃，所以，低铁超白压延玻璃是太阳能装置首选的盖板材料。因此，低铁压延法是太阳能玻璃较为理想的工艺。我国山东皇明太阳能集团2005年推出的“龙光一号”建筑一体化组件采用的就是真空玻璃的封装技术。作为实用价值极高的现代化建筑构件，

20、可广泛应用于玻璃幕墙、建筑物屋顶(相当于瓦)、门窗玻璃，制成融采光、发电于一体的光伏瓦天窗、屋顶、门窗等。真空玻璃封装的太阳电池在长时间使用过程中，玻璃与金属的结合处不可避免地会出现漏气，玻璃夹层中的真空度很难保持，致使太阳电池的转化效率降低。4.2.3 紫外(uv)固化封装uv固化封装是将uv固化胶注入到装有太阳电池的两玻璃盖片中，并放入紫外固化设备中固化。uv胶在接受紫外线辐射的过程中，经过吸收uv固化设备中的高强度紫外光，产生化学反应，胶中的光引发剂被引发，从而产生游离子基或离子，这些游离子基或离子会和预聚体或不饱和单位中的双键发生交联反应，形成单体基团，从而引发聚合、交联和接枝反应，使

21、uv胶在数秒内由液体转化为固体，这一过程就是通常所说的uv固化过程。uv固化较前两种封装方法具有许多独特的优势，主要表现在以下两方面：(1)速率快。液态材料最快可在00501s内固化，而传统的热固化工艺最快也需几秒，甚至多达数小时或几天才能固化。新工艺无疑大大提高了生产率，节省了半成品堆放的空间，更满足了大规模自动化生产的要求；同时，uv固化产品的质量也较易得到保证；此外， 由于是低温固化，因此uv固化可避免因热固化时的高温对硅太阳电池片的性能造成损伤。(2)费用低。uv固化仅需用于光敏剂的辐射能，不像传统的热固化那样需要加热基质、材料和周围空间，也无需用蒸发除去稀释用的水和有机溶剂的热量，从

22、而节省了大量能源；同时，由于uv固化材料固含量高，使得材料实际消耗量大幅度减少；此外uv固化设备投资相对较低，可节省一大笔固化设备投资，也减少了厂房占地。五 封装工艺流程5.1 目前的背景技术目前普遍采用的传统制造工艺: 太阳电池组件以tpt(复合氟塑料膜) 或玻璃板材为基板, 太阳电池正、反两面各衬以eva (乙烯醋酸乙烯共聚体) 薄膜, 封装过程中, 在真空条件下加热到一定的温度, eva发生熔化, 随温度的降低而固化, 从而将电池紧密固定; 然后在组件底板、顶板的边缘涂胶密封, 加边框等,如图5. 图51顶面玻璃; 2基板; 3太阳电池，4 eva薄膜; 5密封条; 6金属框; 7密封胶

23、该太阳电池组件制造工艺成熟, 为多数生产厂家所采用. 存在的主要问题是随着使用期限的延长eva材料发生老化、变质变色, 大大降低电池表面的受光强度, 造成电池单元的光电转换效率降低. 传统的制造技术存在着封装材料在阳光长期照射下, 发生老化而变色的问题, 从而导致电池表面的受光强度显著降低, 电池单元的光电转换效率大幅度下降, 影响产品的使用性能.5.2新型太阳电池组件要实现高光电转换效率, 方法之一是改进组件封装工艺, 避免由于封装材料的老化而导致电池表面的受光强度降低. 本新型太阳电池组件通过对包括材料、制造工艺以及相关制造设备等方面的研究, 可较好地解决这一难题.5.2.1新型太阳电池组

24、件的结构本太阳电池组件采用新的封装结构, 将太阳电池单元通过焊接的方式固定在钢化玻璃表面的金属电极上. 如图6图6:1顶面玻璃; 2底面钢化玻璃; 3太阳电池; 4连接条; 5金属层; 6密封条; 7金属框; 8密封胶图中, 在钢化玻璃基板2表面印刷金属电极5, 太阳电池3通过焊接方式固定在基板表面的金属电极5上. 在单体电池3的电极上连接有金属连接条4, 连接条4一端连着单体电池电极, 另一端连接在金属电极上, 单体电池3和金属电极5都固定在基板表面上. 在电池组件的周边设有密封条6、密封胶8和金属框7, 金属框通过密封条、密封胶, 将基板、电池组件和上盖密封固定成一整体.5.2.2新型太阳

25、电池组件的制造5.2.2.1生产工艺流程太阳电池组件生产工艺主要有九道工序构成, 分别是：玻璃切割、磨边玻璃清洗丝网印刷烧结+钢化激光焊接合片、封装组件光电性能测试单体电池测试单体电池划片与分割.通过丝网印刷系统, 在普通玻璃表面印刷具有特定图案的金属浆料, 浆料可以是银浆、铜浆或其它金属浆料;接着将玻璃送入烧结钢化专用炉, 进行金属层的烧结成型和玻璃的钢化处理; 金属层也可以采用在钢化玻璃表面真空镀膜的方法获得. 然后通过焊接系统, 将电池单元焊装在钢化玻璃表面的金属层上; 在底板、顶板边缘涂胶密封,装边框等, 经过封装和自动测试系统的检测, 最后包装成为成品.在研制生产过程中, 们采用颗粒

26、度细( 315m) 、分布集中、易分散的银粉与耐高温玻粉混合物制备银浆材料; 用此银浆在玻璃板上所印刷的电极厚度为0115 0120mm, 烧结后的抗拉强度达到170n /mm2. 为保证太阳组件的整体结构强度和使用安全性, 组件底板采用钢化玻璃. 通常的生产工艺方法如下: 将金属浆料印刷在钢化玻璃基板上, 然后进行烧结处理, 此种方式存在着钢化玻璃经过二次加热退火, 发生破损现象的问题. 我们通过研制专用金属浆料和专用炉, 将金属浆料的烧结成型和普通玻璃的钢化加工同时进行, 既简化了生产工艺, 又显著降低了生产成本, 满足了生产要求.5.2.2.2主要设备 (1) 玻璃切割机、玻璃磨边机:

27、实现白玻璃的分割、磨边; (2) 玻璃清洗系统: 实现底面玻璃、顶面玻璃的清洗和烘干; (3) 丝网印刷系统: 将金属浆料印刷在玻璃基板上; (4) 烧结、钢化系统: 将印刷有金属浆料的玻璃进行烧结和钢化加工; (5) 焊接系统: 实现单体电池互连条的焊接、电池在底面玻璃上的组装焊接; (6)合片、封装系统: 实现涂胶、顶面玻璃的压合、铝边框及接线盒的安装; (7) 光电性能检测系统: 对太阳能电池组件进行光电能的检测; (8) 单体电池检测分选系统: 对单体电池进行检测分选。5.2.2.3主要制造过程描述：(1) 玻璃切割、磨边: 对白玻璃进行分割和磨边加工; (2) 清洗: 对白玻璃进行清

28、洗;(3) 丝网印刷: 在底面玻璃表面, 按照电池组件规格要求,印刷金属浆料; (4) 烧结+钢化: 对印刷有金属浆料的玻璃进行烧结和钢化加工; (5) 焊接: 将单体电池的电极焊接上互连条; 并将电池组装焊接到经烧结钢化处理后的玻璃板上; (6) 合片、封装: 将顶面玻璃和装好电池的底面玻璃进行压合与封装; (7) 组件光电性能测试: 对成品组件进行电性能的测试; (8) 单体电池测试: 根据不同规格太阳电池组件的要求, 在对单体电池进行划片分割前, 首先进行测试分选; (9) 单体电池划片与分割: 根据不同规格太阳电池组件的要求, 对单体电池进行划片分割。5.2.3新型太阳电池组件的特点：

29、(1) 将电池单元通过焊接的方式固定在钢化玻璃表面的金属层上; (2) 太阳电池组件的连接方式采用激光焊接技术, 直接将电池单元固定在钢化玻璃的金属层上; ( 3)组件具有一定的透光性, 可将电池单元直接用于光伏建筑结构, 实现光伏发电与建筑构件功能的有机统一。5.2.4新型太阳电池组件的创新点：(1) 采用新型的太阳电池组件封装结构, 摒弃了传统的环氧树脂胶和eva薄膜固定电池单元的工艺技术, 将电池单元通过焊接的方式固定在钢化玻璃表面的金属层上.该金属层通过在普通玻璃表面丝网印刷、烧结钢化的方式获得; 也可通过直接在钢化玻璃表面镀金属膜层的方法获得. 太阳电池透过普通玻璃或经表面镀膜等特殊

30、处理的玻璃接收阳光辐射, 延长了电池组件产品的使用寿命. 玻璃的钢化处理和玻璃表面印刷金属层的烧结过程同时进行,解决了烧结金属层和玻璃钢化分别进行而导致的生产流程繁复的难题, 使得产品成本降低, 产品合格率高, 性能更稳定;(2) 太阳电池组件的连接方式采用激光焊接技术,通过激光光束直接将电池单元固定在钢化玻璃的金属层上,避免了环氧树脂、eva薄膜等封装材料老化带来的电池组件光电转换效率下降的问题; (3) 太阳电池组件封装结构采用钢化玻璃和激光焊接的方式固定电池单元的工艺技术,组件具有一定的透光性, 可根据建筑结构采光要求, 将电池单元设计成有规则的几何排列形状, 直接用于光伏建筑结构, 从而降低光伏建筑成本。六、未来世界光伏发电的畅想1. 平民化未来世界光伏发电将有“贵族化的太阳能”转变为 “平民化的太阳能”。但随着发达国家逐渐削减光伏发电补贴，同时全球开始逐渐建造光伏电站，光伏电站从2011年开始至2020年将逐渐转移到发展中国家。而薄膜电池将成为最主要的光伏应用产光伏发电的大面积普及必然是在低补贴的情况下才能够实现的。对于发展中国家，比如中国，一方面没有巨大的财力去进行补贴，另一方面，大部分地区光照良好，荒地丰富，在这种情况下，薄膜电池低转化率的缺点将最小化，而其