第二章 太阳能

1、University of Science and Technology Beijing 1 北京科技大学热能工程系 Thermal Energy Engineering Department, University of Science and Technology Beijing University of Science and Technology Beijing 2 University of Science and Technology Beijing 3 特点：能量密度低并高度分散；资源丰富可再生；清洁环保； 部分能源具有间歇性和随机性；利用技术难度大。 基本含义：以新技术和新材

2、料为基础，使传统的可再生资源得到现代化 开发利用，用取之不尽、周而复始的可再生能源来不断取代资源有 限、对环境有污染的化石能源。包括：太阳能、风能、生物质能、 海洋能、地热能和氢能等。（1981年肯尼亚联合国会议） 2.1.1 新能源与可再生能源 1998年世界能源消费构成 世界能源存量及可开采年限 石油1427亿吨40年 天然气155.8E4亿立方米61年 煤炭9844.5亿吨204年 数据来源：BP Statistical Review of World Energy, 6 2003 University of Science and Technology Beijing 4 我国能源存量

3、、剩余可开采存量结构 及可开采年限 石油1427亿吨（3.4%）20年 天然气155.8E4亿立方米（1.3% ）49年 煤炭9844.5亿吨（58.8%）115年 水能 36.5%- 世界能源人均占有量状况 世界人均占有量我国占比例 石油26 吨11% 天然气-4% 煤炭208 吨70% 2.1.1 新能源与可再生能源 l新能源和可再生能源是人类社会未来能源的基石，使化石能源的 替代能源。 l新能源和可再生能源清洁环保，是与地球的生态环境相和谐的。 l新能源和可再生能源是不发达国家约20亿无电人口能源供应的现 实能源。 意义： University of Science and Techno

4、logy Beijing 5 2.1.2 太阳和太阳能 太阳结构：光球层、色球层、日冕层 University of Science and Technology Beijing 6 2.1.2 太阳和太阳能 太阳结构：光球层、色球层、日冕层 太 阳 辐 射 总 能 量 3.751026 W 太阳的能量： 到达地球173104 亿KW，1/22亿 大气吸收23% 反射30%到地球47%，81104亿KW 到达陆地17104亿KW 全世界一年内消耗的能源总量的3.5万多倍 被植物吸收的仅 占0.015% 被用为燃料和食物的仅 占0.002% University of Science and T

5、echnology Beijing 7 直接利用太阳能 光合作用 空气、地表吸热 煤炭 食物中的化学能 空气变热形成风 水蒸气形成雨雪 University of Science and Technology Beijing 8 2.1.2 太阳和太阳能 太阳能是人类能源的宝库太阳能是人类能源的宝库 University of Science and Technology Beijing 9 第一阶段：1615-1900年，1615年的第一台太阳能抽水泵，价格昂贵 第二阶段：1901-1920年，世界将太阳能作为研究的重点，主攻太阳能动 力装置，最大输出功率74 KW 第三阶段：1921-19

6、45年，太阳能开发的低潮，化石燃料大规模应用 第四阶段：1946-1965年，太阳能基础理论和材料的研究 第五阶段：1966-1973年，低潮，投资大，技术不成熟 第六阶段：1973-1980年，中东战争爆发，石油价格上涨，太阳能研究列 入各国发展计划 第七阶段：1981-1991年，潮落，石油价格回落，500KW电站20多座 第八阶段：1992-至今，化石能源的环境危害，光伏发电高度发展。 2.1.2 太阳和太阳能 太阳能利用的历史： University of Science and Technology Beijing 10 光热利用：平板式集热器，真空管式集热器，聚焦型集热器 太阳能发

7、电：光-热-电转换，光-电转换 光化作用：将光能转化为化学能，例如将水分解制氢 光生物利用：光能转化为生物质能，速生植物、油料作物、巨型海藻等。 2.1.2 太阳和太阳能 太阳能利用方式： University of Science and Technology Beijing 11 2.1.3 太阳辐射度及特点 描述太阳能的常用单位： l辐射通量：太阳以辐射形式发射出的功率，亦称辐射功率，单位W l辐照度：投射到单位面积上的辐射通量，单位W/m2 l曝辐射量：从单位面积上接收到的辐射能，单位J/m2 l太阳常数：在地球大气外面正对着太阳的 1 m2面积上，每分钟接受 的太阳的能量，1367

8、W 影响地球表面太阳辐射能的因素： l太阳高度：入射角 l大气质量：把太阳垂直照射地面时，光线所穿过的大气路径，为1大气质量 l大气透明度: 与天空的云量、灰尘杂质 l地理纬度： l日照时间： l海拔高度： University of Science and Technology Beijing 12 2.1.4 我国太阳能的分布 我国太阳能资源带的年曝辐射量 资源带号资源带分类年曝辐射量 /(MJ/m2) （红）资源丰富带6700 （黄）资源较丰富5400-6700 （褐）资源一般带4200-5400 （绿）资源缺乏带0K b) T0K时的本征半导体时的本征半导体 2.10.2 2.10.2

9、 太阳能电池太阳能电池 能带能带：在一个孤立的原子在一个孤立的原子 中，电子只能在一些特定的中，电子只能在一些特定的 轨道上运动，不同轨道的电轨道上运动，不同轨道的电 子能量不同。所以原子中的子能量不同。所以原子中的 电子只能容许取一些特定的电子只能容许取一些特定的 值，每个能量称为一个能级。值，每个能量称为一个能级。 晶体中原子有规则排列，各晶体中原子有规则排列，各 原子的相同能级相互作用，原子的相同能级相互作用， 变成了能量变成了能量略有差别略有差别的能级的能级， 看上去像一条带子叫做看上去像一条带子叫做能带。能带。 原子的外层电子在晶体中处于较高的能带，内层电子处在原子的外层电子在晶体中

10、处于较高的能带，内层电子处在 低能带中，能带中的电子不围绕各自的原子核做闭合轨道运动，低能带中，能带中的电子不围绕各自的原子核做闭合轨道运动， 而是为各原子共有，在而是为各原子共有，在整个整个晶体中运动。晶体中运动。 概念介绍概念介绍 价带价带：晶体中完全被电子占据的能带叫满带，也叫价带。：晶体中完全被电子占据的能带叫满带，也叫价带。 导带导带：没有被电子占满的能带叫空带或导带。：没有被电子占满的能带叫空带或导带。 能隙能隙：导带和价带之间的空隙，也叫禁带。：导带和价带之间的空隙，也叫禁带。 University of Science and Technology Beijing 61 2.1

11、0.2 2.10.2 太阳能电池太阳能电池 载流子载流子：运载电流的粒子。导体中载流子是自由电子，半导体中的载流子一运载电流的粒子。导体中载流子是自由电子，半导体中的载流子一 种是带负电的电子，一种是带正电的空穴。种是带负电的电子，一种是带正电的空穴。 空穴空穴：半导体中的一种载流子。半导体中的一种载流子。 施主施主：凡凡掺掺入纯净半导体中的某种杂入纯净半导体中的某种杂质质的作用是提供导电电子的，叫施主杂的作用是提供导电电子的，叫施主杂 质，也叫施主。例如，对硅而言，磷、砷、锑等。质，也叫施主。例如，对硅而言，磷、砷、锑等。 受主受主：凡凡掺掺入纯净半导体中的某种杂入纯净半导体中的某种杂质质的

12、作用是接受电子的，或称提供空穴的作用是接受电子的，或称提供空穴 的，叫受主杂质，也叫受主。例如，对硅而言，硼、镓、铝等。的，叫受主杂质，也叫受主。例如，对硅而言，硼、镓、铝等。 University of Science and Technology Beijing 62 2.10.2 太阳能电池太阳能电池 2. 太阳能电池的工作原理、特性及制造方法太阳能电池的工作原理、特性及制造方法 制造方法：制造方法：电池都是由电池都是由 P 型半导体和型半导体和 N 型型 半导体相接触形成半导体相接触形成 P-N 结而成的。结而成的。P型区上的型区上的 接点为正极，接点为正极，N型区上的接点为负极。在硅

13、片型区上的接点为负极。在硅片 底下加金属底板形成下电极（正极）；在硅底下加金属底板形成下电极（正极）；在硅 片上部设有栅格形线网，并用金属连接形成片上部设有栅格形线网，并用金属连接形成 上电极（负极）。栅线接触是为了降低上电极（负极）。栅线接触是为了降低N型区型区 的串联电阻。的串联电阻。 硅太阳电池单体在最佳负荷状态的工作电压约为硅太阳电池单体在最佳负荷状态的工作电压约为0.4-0.5V。 通常太阳能电池由多个单元电池串并联，并配有蓄电池和保护电路。通常太阳能电池由多个单元电池串并联，并配有蓄电池和保护电路。 3. 太阳能电池的影响因素：太阳能电池的影响因素：温度越高越不利；大气中的粒子，如

14、电子温度越高越不利；大气中的粒子，如电子 流、质子流、流、质子流、 射线和射线和X X射线引起电性能衰减。射线引起电性能衰减。 University of Science and Technology Beijing 63 2.10.2 2.10.2 太阳能电池太阳能电池 4.4.太阳能电池的制造方法太阳能电池的制造方法 单晶硅太阳能电池的一般制造方法单晶硅太阳能电池的一般制造方法 硅片的选择硅片的选择: : 考虑硅材料的导电性能，考虑硅材料的导电性能， 电阻率、晶向等。电阻率、晶向等。 硅片表面准备硅片表面准备：切好的硅片脏且不平，切好的硅片脏且不平， 表面要经过浓硫酸化学清洗，酸性或碱表面

15、要经过浓硫酸化学清洗，酸性或碱 性溶液腐蚀，王水等溶液再性溶液腐蚀，王水等溶液再化学化学清洗。清洗。 在用高纯度去离子水冲洗在用高纯度去离子水冲洗 扩散制结扩散制结：p-np-n结石单晶硅太阳能电池结石单晶硅太阳能电池 的核心，有热扩散、离子注入、外延、的核心，有热扩散、离子注入、外延、 激光和高频电注入等。激光和高频电注入等。 常用热扩散法。常用热扩散法。 太阳光太阳光 P 接点接点 N接点接点 负负 荷荷 N型硅片型硅片 P型硅片型硅片 硅太阳电池基本结构硅太阳电池基本结构 University of Science and Technology Beijing 64 2.10.2 2.1

16、0.2 太阳能电池太阳能电池 4.4.太阳能电池的制造方法太阳能电池的制造方法 单晶硅太阳能电池的一般制造方法单晶硅太阳能电池的一般制造方法 扩散制结扩散制结：热扩散法热扩散法 氮化硼（原料）氮化硼（原料） N N2 2保护保护 通入氧气通入氧气 30 min 30 min 生成三氧化二硼生成三氧化二硼950-1000 950-1000 0 0C C 下与硅反应，下与硅反应，15-30 min 15-30 min 硼硅玻璃沉积于硅表面硼硅玻璃沉积于硅表面 BackBack University of Science and Technology Beijing 65 制作上下电极制作上下电极：

17、方法主要有真空蒸镀、化学镀镍、铝浆印刷烧结。：方法主要有真空蒸镀、化学镀镍、铝浆印刷烧结。 腐蚀周边腐蚀周边: :扩散过程中，硅片的四周表面也有扩散层扩散过程中，硅片的四周表面也有扩散层 。 蒸镀减反射膜蒸镀减反射膜：减少硅表面对光的反射，蒸镀二氧化硅、二氧化钛等。：减少硅表面对光的反射，蒸镀二氧化硅、二氧化钛等。 检验测试检验测试：测试项目，伏：测试项目，伏- -安特性曲线，断路电流、开路电压、最大安特性曲线，断路电流、开路电压、最大 输出功率、串联电阻等。输出功率、串联电阻等。 电池组件的封装电池组件的封装：上下两侧为乙烯：上下两侧为乙烯- -醋酸乙烯酯膜，最上层为钢化白醋酸乙烯酯膜，最上

18、层为钢化白 玻璃，背面为聚氟乙烯复合膜。玻璃，背面为聚氟乙烯复合膜。 2.10.2 2.10.2 太阳能电池太阳能电池 5.5.太阳能电池的制造方法太阳能电池的制造方法 单晶硅太阳能电池的一般制造方法单晶硅太阳能电池的一般制造方法 除去背结除去背结：高温扩散时背面也形成了：高温扩散时背面也形成了p-n结。有化学腐蚀法、磨片法、结。有化学腐蚀法、磨片法、 蒸铝铝浆烧结法等蒸铝铝浆烧结法等 University of Science and Technology Beijing 66 2.10.2 2.10.2 太阳能电池太阳能电池 5.5.太阳能电池的评价指标太阳能电池的评价指标 填充因子填充因

19、子FFFF: : 评价太阳能电池的输出特性评价太阳能电池的输出特性 scoc mpmp IU IU FF U Ump mp- -最大 最大负载电压，负载电压， I Imp mp- -最大 最大负载电流负载电流， U Uoc oc- -开路电压， 开路电压， I Isc sc- -短路电流 短路电流 太阳能电池光电转化效率太阳能电池光电转化效率 : : 太阳能电池的最大输出功率与照射到电池上的太阳能电池的最大输出功率与照射到电池上的 入射光的功率之比。入射光的功率之比。 它与太阳能电池的结构、结特性、材料性质、电池工作温度、放射性粒子辐它与太阳能电池的结构、结特性、材料性质、电池工作温度、放射性

20、粒子辐 射损坏和环境变化有关。射损坏和环境变化有关。 硅太阳能电池的理论效率上限为硅太阳能电池的理论效率上限为33%,目前实际单晶硅太阳能电池转目前实际单晶硅太阳能电池转 换效率一般为换效率一般为 12%-20%，高效单晶硅太阳能电池的转换效率为，高效单晶硅太阳能电池的转换效率为 18%-20%。 太阳能电池的光谱响应太阳能电池的光谱响应 : : 太阳能电池在入射光中每一种波长的光能的作用下，所太阳能电池在入射光中每一种波长的光能的作用下，所 收集到的光电流与相对于入射到电池表面的该波长光子数之比，也叫光灵敏度。收集到的光电流与相对于入射到电池表面的该波长光子数之比，也叫光灵敏度。 Unive

21、rsity of Science and Technology Beijing 67 2.10.3 2.10.3 太阳能电池方阵太阳能电池方阵 1.1.太阳能电池方阵的设计安装太阳能电池方阵的设计安装 平板式平板式: :简单的把太阳能电池串并联起来简单的把太阳能电池串并联起来 。 聚光式聚光式: : 加平面反射镜加平面反射镜, ,抛物镜等装置来聚光抛物镜等装置来聚光, ,提高入射光谱辐射度。提高入射光谱辐射度。 需要装设向日跟踪装置，有了转动部件，可靠性下降。需要装设向日跟踪装置，有了转动部件，可靠性下降。 安装：安装： 接收角接收角 = 使用地的纬度使用地的纬度+ 50，一年调整两次接收角，

22、一年调整两次接收角 春分 春分=使用地纬度 使用地纬度-11.450 秋分 秋分=使用地纬度 使用地纬度+11.450 这样接收损耗可以控制在这样接收损耗可以控制在2%以内以内 University of Science and Technology Beijing 68 2.10.3 2.10.3 太阳能电池方阵太阳能电池方阵 2.2.太阳能电池方阵使用与维护太阳能电池方阵使用与维护 采光面采光面:保持清洁干净。保持清洁干净。 入射角入射角:按季节变化调整向日倾角和方位角。按季节变化调整向日倾角和方位角。 安装在附近无高建筑物处所。安装在附近无高建筑物处所。 安装使用时轻拿轻放，避免划痕等。

23、安装使用时轻拿轻放，避免划痕等。 随时监测太阳能电池方阵的光电参数。随时监测太阳能电池方阵的光电参数。 注意雷击等自然灾害。注意雷击等自然灾害。 University of Science and Technology Beijing 69 University of Science and Technology Beijing 70 2.10.4 2.10.4 联网太阳能光伏发电系统联网太阳能光伏发电系统 将太阳能光伏发电系统与常规电网相联，共同承担供电任务。将太阳能光伏发电系统与常规电网相联，共同承担供电任务。 联网发电的优点：联网发电的优点： 1. 1. 清洁干净、可再生，无温室气体和污

24、染物排放，符合可持续发展的清洁干净、可再生，无温室气体和污染物排放，符合可持续发展的 战略。战略。 2. 2. 电能汇入电网，以电网为储能装置，可以比独立光伏发电系统减少电能汇入电网，以电网为储能装置，可以比独立光伏发电系统减少 投资投资35%-45%35%-45%。 3.3.分布式建设，能就地分散发电供电，进入和退出电网灵活，调节电分布式建设，能就地分散发电供电，进入和退出电网灵活，调节电 力系统的负荷平衡，降低线路损耗。力系统的负荷平衡，降低线路损耗。 4. 4. 可起到调峰作用。可起到调峰作用。 University of Science and Technology Beijing 7

25、1 太阳能资源量远远大于人类对能源的总需求量，但是太阳能的特殊性有影响它太阳能资源量远远大于人类对能源的总需求量，但是太阳能的特殊性有影响它 的利用，大多数能源发展前景的研究报告均指出，太阳能应该发挥重大作的利用，大多数能源发展前景的研究报告均指出，太阳能应该发挥重大作 用，但什么时候能发挥着一作用还难以确定。用，但什么时候能发挥着一作用还难以确定。 三种发展方式三种发展方式： 1. 1. 未来太阳能发展的集中式方式未来太阳能发展的集中式方式 把地球宏观地看作是一个大的能源体系。太阳能在地球表面不同点的分布是不相同的，把地球宏观地看作是一个大的能源体系。太阳能在地球表面不同点的分布是不相同的， 通过高效远距离输送能量，显然可以解决太阳能分布不均的问题。通过高效远距离输送能量，显然可以解决太阳能分布不均的问题。-源于超导材料的源于超导材料的 发展发展 还有人提出采用地球同步轨道光伏空间电站向地面矩形天线发射微波能。还有人提出采用地球同步轨道光伏空间电站向地面矩形天线发射微波能。 2. 2. 未来太阳能发展的分散式方式未来太阳能发展的分散式方式 许多发展中国家也在努力扭转人口从农村向大城市流动的趋势。在这些许多发展中国家也在努力扭转人口从农村向大城市流动的趋势。在这些 国家建立国家建立 分散