太阳能光伏发电应用技术1绪论

课程内容及要求授课内容第一章太阳能利用概述第二章太阳辐射第三章晶体硅太阳电池的基本原理第四章薄膜太阳电池第五章聚光太阳电池第六章太阳电池制造要求：1.认真听课，关闭手机等电子设备2.课后查阅相关资料，扩展知识面3.开卷考试教材：杨金焕，太阳能光伏发电应用技术（第2版），电子工业出版社第七章光伏系统部件第八章光伏系统设计第九章光伏系统的安装、调试及维护第十章光伏系统的应用第十一章光伏发电的效益分析2023/9/211

第一章绪论1.1开发利用太阳能的战略意义1.1.1化石燃料储量正面临逐渐枯竭的危机局面

随着世界人口的增长和经济的发展，对于能源供应的需求量日益增加，目前主要是靠化石燃料来提供。

然而，化石燃料的储量是有限的，全球石油可开采约45年，天然气大约61年，煤炭可开采约230年，铀大约71年。如果再考虑到现在世界石油消费量大约每年增长2%，这样每隔35年，消费量将增加一倍。目前1/5的人口消费世界上75%的能源，发达国家人均石油消费量是最贫穷的全球一半人口消费量的15倍。据世界卫生组织估计，到2060年全球人口将达100~110亿。如果到时所有人的矿物和能源消费量都达到今天发达国家的人均消费水平，则地球上35种矿物中将有1/3在40年内消耗殆尽，包括所有的石油、天然气、煤炭（假设为2万亿吨）和铀。2023/9/2121.1.1化石燃料储量正面临逐渐枯竭的危机局面化石燃料生产(消耗)的峰值存在一个高峰，高峰在什么时间？离现在还有多远？留给可再生能源技术发展的时间足够吗？！！2023/9/2131.1.1化石燃料储量正面临逐渐枯竭的危机局面

日本的预测

自天然气以下为化石燃料

化石燃料生产峰值在2020~2030之间2023/9/2141.1.1化石燃料储量正面临逐渐枯竭的危机局面世界油气资源的开采峰值对化石燃料开采峰值有决定性影响，因此我们再观察几个对油气资源开采峰值的预测。

2002，

AssociationforStudyofPeakOil(ASPO):峰值位于2010年2023/9/215Shell的预测1.1.1化石燃料储量正面临逐渐枯竭的危机局面2023/9/2161.1.1化石燃料储量正面临逐渐枯竭的危机局面2001，

BP，WorldEnergyForuminDavos:

峰值位于2010，30-40之后将消耗尽；

2000，WorldResourcesInstituteinWashington:峰值位于2019.

综合以上多种预测,化石燃料开采峰值位于本世纪20~30年代

2023/9/2171.1.1化石燃料储量正面临逐渐枯竭的危机局面我国一次能源的储量均低于世界平均值，2004年进口石油约1.1亿吨，外汇支出比前一年增加了30%~40%。

我国能源储量与世界比较2023/9/2181.1.2

保护生态环境逐渐受到人们的重视

随着全球很多地区气候变暖，自然灾害频繁发生，酸雨范围越来越广，高空臭氧层空洞扩大等现象的出现，使人们逐渐认识到治理大气环境，防止污染已经到了刻不容缓的地步。现在单是CO2全球每年排放量就超过500亿吨，并且还在不断增加。按人口平均计算，美国每年的CO2排放量为20吨/人

年，德国为12.3吨/人

年，日本为8.7吨/人

年。“京都议定书”对于工业化国家规定了减少温室气体排放量的指标。我国能源消费只占世界的8%~9%，人均排放量也不算高，但是人口众多，能源利用率不高，能源消费以燃煤为主，而且煤炭所含的硫等有害成分很高。我国SO2排放量占世界的15.1%，为世界第一；CO2排放量占世界的13.6%，列世界第二。因煤炭燃烧而排放的SO2、CO2、NOx和烟尘分别占全国相应排放量的87%、71%、67%和60%，所以备受世界关注。我国必须作出巨大努力，来改变这种状态。2023/9/2191.1.2保护生态环境逐渐受到人们的重视

2023/9/21101.1.2保护生态环境逐渐受到人们的重视2003年全球一次能源消耗结构比例世界中国煤炭%

24.71

74.0

石油%

38.47

15.2

天然气%

23.72

2.7

核能%

6.59

0.4

水电%

6.51

7.7

2023/9/21111.1.2保护生态环境逐渐受到人们的重视太阳能是取之不尽的清洁无公害新能源。安装1KW太阳能光伏发电系统，每年可以减少CO2排放量600~2300kg、NOx排放量16kg、SOx排放量9kg和微粒0.6kg。在我国太阳能每发1度电，扣除在生产太阳电池及设备的过程中所消耗的电力，可至少相当于减少CO2排放量1.14kg。2023/9/21121.1.3常规电网的局限性截止到2009年：全球还有将近13亿人口没有用上电，约占全球人口的20%，主要分布在非洲和亚洲的发展中国家。我国800万人口没有电力供应。其中相当大部分处在经济不发达的边远地区，由于居住分散，很难用常规电网解决用电问题，没有电力供应严重制约了当地经济的发展。作为不受区域限制的太阳能，是个理想的补充能源，光伏发电在这些地区大有用武之地，存在着巨大的潜在市场。2023/9/21131.2太阳能发电的特点1.2.1太阳能发电的优点太阳能取之不尽，用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类消耗的能量大6000倍。只要在美国阳光丰富的西南部沙漠地区，建立一个面积为100哩×100哩的巨型光伏电站，所发的电力可以满足全美国的用电需要。太阳能发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。太阳能随处可得，可就近供电，不必长距离输送，避免了输电线路等损失。太阳能不用燃料，运行成本很低。太阳能发电没有运动部件，不易损坏，维护简单，特别适合于无人值守情况下使用。太阳能发电不产生任何废弃物，没有污染，无噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源。太阳能发电系统建设周期短，方便灵活。而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，避免了浪费。2023/9/21141.2.2太阳能发电的缺点地面应用时有间歇性和随机性，发电量与气候条件有关，在晚上或阴雨天就不能或很少发电。能量密度较低，标准条件下，地面上接收到的太阳辐射强度为1000W/m2。大规模使用时，需要占有较大面积。目前价格仍较贵，为常规发电的2~5倍。初始投资高。2023/9/21151.2.3太阳能发电的类型太阳能光发电(光伏，PV，Photovoltaics)太阳能热发电（CSP，concentratingsolarpower）大致可分为槽式太阳能热发电塔式太阳能热发电

碟式太阳能热发电2023/9/2116

槽式太阳能热发电2023/9/2117

槽式太阳能热发电原理图2023/9/2118

塔式太阳能热发电2023/9/2119近代太阳塔热发电2023/9/2120太阳塔热发电原理2023/9/2121

碟式太阳能热发电2023/9/21221.3.1光伏发展历史1839年19岁的法国贝克勒尔做物理实验时，发现在导电液中的两种金属电极用光照射时，电流会加强，从而发现了“光生伏打效应”1877年亚当斯等在硒片上发现固体光伏效应，并制成了第一个硒光电池1883年美国发明家弗里兹描述了第一个用硒片制造的太阳电池1904年爱因斯坦发表光电效应论文1916年密立根提供了光电效应的实验证据1918年波兰科学家切克劳斯基发展了一种单晶硅生长的方法1930年郎格发表了“新的光伏电池”

同年肖特基发表“新的氧化铜光电池”1931年布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电介液，在阳光下带动电动机1932年奥杜博特等制成第一块”硫化镉”太阳电池1941年奥尔在硅上发现光伏效应1954年5月美国贝尔实验室恰宾、富勒和皮尔松宣布仅仅几个月后原来效率为4.5%的硅太阳电池已上升到6%，这是世界上第一个实用的太阳电池2023/9/21231.3.1光伏发展历史2023/9/21241.3.1光伏发展历史

美国贝尔实验室制成的第一批太阳电池2023/9/21251.3.1光伏发展历史1955年11月霍夫曼电子半导体公司宣布可提供效率为2%的商业光伏产品，每个电池14mw，价格为$25，相当于$1785/W1957年霍夫曼电子公司硅太阳电池效率达到了8%1958年霍夫曼电子公司硅太阳电池效率达到了9%1958年3月17日太阳电池首次在空间应用，装备于美国的先锋1号人造卫星，功率为0.1W，面积约100平方厘米。运行了8年1959年霍夫曼电子公司商业应用的光伏电池效率达到了10%同年8月7日发射的探险者6号人造卫星配备了1cm×2cm的太阳电池9600片1960年霍夫曼电子公司太阳电池的效率达到了14%1962年7月23日第一个商业通讯卫星发射，功率为14W1962年砷化镓太阳电池光电转换效率达到了13%1963年夏普公司生产出了实用的硅光伏组件同年，日本在灯塔上安装了一套当时世界上最大242W的光伏方阵，容量为242W1964年发射的大型气象卫星上装备了470W光伏方阵2023/9/21261.3.1光伏发展历史1965年格拉瑟提出了建造空间太阳能电站的设想1966年发射的天文观察卫星装备了1kw光伏方阵1969年薄膜硫化镉太阳电池效率达到了8%1972年法国在尼日尔乡村学校安装了一套硫化镉光伏系统。同年罗非斯基研制出紫光电池，效率达到了16%1973年德拉瓦大学建立了世界上第一个光伏与光热混合的户用屋顶系统:“太阳一号”，实现了并网运行。同年砷化镓太阳电池效率达到15%1974年日本制定了发展光伏的“阳光计划”

同年Tyco实验室应用定边喂膜法制成了宽度为1英寸、18英寸长的的硅带同年COMSAT研究所提出无反射绒面电池，硅太阳电池效率达到18%1976年多晶硅太阳电池效率达到10%1976年卡尔松等制成了第一个非晶硅太阳电池，在面积3.5平方厘米上效率为1.1%1976~1985年和1992~1995年美国NASA刘易斯研究中心项目在世界各地安装了83套不同用途的光伏系统，如为疫苗冷藏、房间照明、通讯、水泵和教室的电视等提供电力2023/9/21271.3.1光伏发展历史1977年世界光伏产量超过了500KW1978年NASA在亚利桑那州巴巴哥印第安人保留区安装了3.5KW光伏系统，为水泵和15户居民提供电力，这是世界上第一个乡村光伏系统,1985年通电网后，该系统专为社区水泵供电。同年美国建成100KW太阳能地面电站1980年单晶硅太阳电池效率达20%；砷化镓太阳电池效率达到22.5%；多晶硅太阳电池效率达到14.5%；硫化镉太阳电池效率达到9.15%。同年美国ARCOSolar公司年产量超过1MW1981年5月在沙特阿拉伯吉达安装了8KW用于海水淡化装置1982年世界太阳电池产量超过了9.3MW。同年7月在美国达拉斯机场安装了20KW光伏和140KW光热混合系统。同年12月美国安装1MW光伏电站，使用了108个双轴跟踪装置1983年功率为1KW的太阳能汽车在澳大利亚用不到20天跑完了4000km，最大时速72km/h，平均24km/h。同年ARCOSolar公司在美国加州卡利萨平原建成6MW光伏电站，占地120英亩，电力输入太平洋煤气电力公司电网，足够2000~2500户家庭使用。同年世界光伏产量超过21.3MW，销售额超过2.5亿美元2023/9/21281.3.1光伏发展历史1984年美国萨克拉门托市政公用公司管辖区(SMUD)关闭了核电站后，建成了第一个1MW光伏电站。同年英国BPSolar公司在南安普敦建成了30KW并网光伏系统1985年澳大利亚新南威尔士大学马丁•格林等研制的硅太阳电池，效率超过了20%1986年6月ARCOSolar公司推出了世界第一个“

G-400”商业薄膜动力用太阳电池组件1990年德国提出“

1000个太阳能屋顶”计划，每个屋顶安装3~5KW太阳电池1992年在南极洲安装了一套0.5kw光伏系统，配备2.4kwh蓄电池，为实验设备，照明，个人电脑，打印机和小型微波炉提供电力1995年高效聚光砷化镓太阳电池效率达到32%1996年BPSolar公司宣布碲化镉技术进入商业化生产。同年5月7日图森电力公司宣布已具备铜铟硒电池生产能力同年7月世界上第一架太阳能动力飞机穿越德国,机身上安装了3000片高效太阳电池,总面积21平方米2023/9/21291.3.1光伏发展历史1997年美国提出“百万太阳能屋顶”计划，到2010年要安装100万套同年，日本提出“新阳光计划”，提出到2010年将生产43亿W太阳电池同年，欧盟提出“百万太阳能屋顶”计划，到2010年要生产37亿W太阳电池1998年单晶硅太阳电池效率达24.7%；全球多单晶硅太阳电池产量第一次超过单晶硅太阳电池1999年日本太阳电池产量首次超过美国而居世界第一位2000年全球太阳电池产量达278MW。日本三洋公司的非晶硅/单晶硅/非晶硅双异质结太阳电池效率超过21%2001年“太阳神号”

(Helios)光伏动力飞机飞行高度超过了海拔30km，创造了新的记录2023/9/21301.3.2中国光伏的发展1958年天津十八所、中科院半导体所分别设立太阳电池研究课题。1960年天津十八所用酸洗冶金硅粉熔成多晶硅锭，制成的太阳电池雏形，效率为1%。1962年天津十八所和半导体所各自试制成P+/n型单晶硅电池，效率6-8%。1963年-1964年间，十八所和半导体所紧密交流合作，P+/n电池效率突飞猛进。10×20mm2电池效率稳定在12-13%。1968年半导体所承担空间太阳电池预先研究。十八所开展地面应用研究,曾为海岛驻军和唐古拉山无人气象站试制过10～20瓦级组件。1969年半导体所停止硅太阳电池研发。我国第一颗装备太阳电池的卫星——实践1号由天津十八所完成研制生产，卫星上装有1400多片1020mm2P型1Ω.cm电池，AMO效率10%。萌芽期（1958-1980年）2023/9/21311.3.2中国光伏的发展1971年实践1号发射升空，在整个8年的寿命期内，太阳电池功率衰降不到15%。1971年西安交通大学开始晶体硅太阳电池研究。1973年天津十八所为天津航道局装备十多只太阳电池航标灯，每只1千瓦，首次使用硅橡胶囊封构，成功地运行在高盐雾环境数年之久1973年天津十八所，长春应化所等开展以聚酰亚胺膜为衬底的硫化镕薄膜电池研究，效率最高6%。但在潮湿环境下衰降难以克服，几年后先后终止了研发。70年代中期，上海长宁电池厂开始搞太阳电池，经十多年发展壮大，后来组成上海航天局811所，先后为我国风云一号气象卫星，资源一号卫星，风云三号卫星等低轨道卫星研制生产太阳电池阵。天津十八所重点为东方红二号、东方红三号、东方红四号系列地球同步轨道卫星研制生产太阳电池阵。1975年南开大学开始进行非晶硅薄膜太阳电池的研究。1975年宁波、开封先后成立太阳电池厂，电池制造工艺模仿十八所早期生产空间电池工艺。真空蒸发Ag-Al制作电极，蒸发一氧化硅作减反射膜。光电转換效率达10%。2023/9/21321.3.2中国光伏的发展1975-1976年西安交通大学为华山气象站研制二台气象站用光伏电源1977年美籍学者方宝贤博士（波士顿学院教授）回国探亲，扶植起1971年成立的云南师范大学太阳能研究所，研发成功绒面、双面化学镀镍电极的低成本电池。1979年中国太阳能学会成立大会在西安召开。光伏专委会成立。1418所李文滋总工任首任专委会主任。1980年光伏委员会在杭州举办首届学术会议。2023/9/21331.3.2中国光伏的发展1981年首届中国光伏大会在北京举行。由中国航天学会光电专委会、中国电源学会物理电池专委会联合发起。1981年光伏专委会在云南师范大学举办首届光伏培训班。1982年高教部成立“地面太阳电池协作组”。西安交通大学、南开大学、四川大学、北京大学、浙江大学、南京工学院、北京工业大学、兰州大学、山东大学、武汉大学十所高教部直屬大学参加。进行地面用低成本晶体硅电池和非晶硅薄膜电池的研究。1982年国家科委制定“1981-1985年第六个五年计划”中首次列入光伏科技攻关项目。1982年国家科委成立“中国光电技术中心”原浙江科委昌金銘副主任首任中心主任，开始了单晶硅/多晶硅电池和光伏系统应用的研究。幼苗明（1981-2000年）2023/9/21341.3.2中国光伏的发展80年代后期开始引进太阳电池设备，丝网印刷电极取代蒸发或化学镀电极 华美光伏电子公司引进Spire公司一兆瓦生产线云南半导体厂引进加拿大1MW生产线宁波及开封购进1MW产能部分设备哈尔滨克罗拉公司购进1MW非晶硅设备1986年国家计委在农村能源“1986-1990