光伏对人类的贡献

毕业设计（论文）题目：光伏对人类的贡献专业：新能源技术及应用2016年02月27日星期六2摘要传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源,中国能资源丰富，太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。关键词：光伏应用；新能源；太阳能；可持续3AbstractThetraditionalfuelenergyistoreducedaybyday,thedamagetotheenvironmentisbecomingincreasinglyconspicuous,theworldand2billioncan'tgetaproperenergysupply.Thistime,alltheworldfocusedonrenewableenergy,hoperenewableenergycanchangethehumanenergystructure,maintainlong-termsustainabledevelopment.Amongthesolarenergywithitsuniqueadvantagesandbecomethefocusofpeople'sattentionto.Richsolarradiationisanimportantenergy,ismine,inexhaustible,nopollution,cheap,humanbeingscanfreeuseofenergy,Chinacanrichresources,andthepotentialofsolarenergyresourcesdevelopmentandutilizationareverywide.Keywords:thepv-techapplication;Newenergy;Solarenergy;sustainable4目录摘要................................................................................................................2Abstract....................................................................................................................3第1章绪论.......................................................41．1太阳能的利用途径.........................................41．2太阳能的特点.............................................51．3太阳能电池...............................................61．4太阳能电池的应用领域.....................................7第2章太阳能电池的工作原理.......................................82．1半导体原理...............................................82．2光生伏特效应............................................15第3章太阳能的应用..............................................193．1太阳能热水器............................................193．2太阳能与建筑一体化......................................21第4章展望与总结..............................................^................................................23致谢..............................................................25参考文献..........................................................265第1章绪论太阳对人类的重要影响可以追溯到人类历史的起源。这是人类发展史中的一个普通的和重要的阶段。美洲的阿药持克人和更早的人，祟拜过太阳；大洋洲人，欧洲掐洛伊人，中国人和古代埃及人都崇拜过太阳；事实上，所有伟大的早期农业文化，都经历了不同形式对太阳的崇拜。当人类开始利用土地，并受益于太阳时，就开始祟拜太阳了。如今人们开始重视太阳对人类的影响并利用其以改善我们的生存环境。1．1太阳能的利用途径太阳辐射能实际上是地球上最主要的能量源泉。自然界中的燃料能、风能、水能等皆来源于太阳能。人类直接利用太阳能、已有上千年的历史。而利用的主要途径主要有以下几种：(1)光热转换它是靠吸收太阳辐射的光能直接转换为热能的。这种途径虽然古老，但发展的最成熟、普及性最广、工业化程度很高。光热转换提供的热能一般温度都较低，小于或等于100℃。较高一些的也只有几百摄氏度。显然，它的能源品位较低，适合于直接利用。(2)光电转换将太阳辐射的光能根据“光电转换”原理把光能变成电能再加以利用，常称“光伏转换”。这是近几十年才发明和发展起来的。由于电能的位品相当高，所以它的应用领域最宽、范围最广、工业化程度最高、发展最快且前景十分乐观。(3)光化学转换通过光化学作用转换成电能或制氢。它也是利用太阳能的一个途径。二三十年前有不少人对此作了许多研究。近来报道不多。目前仍处于研究、开发阶段。(4)光生物转换通过光合作用收集与储存太阳能。近来在这方面的研究有所增加，人们期盼出现突破性的进展。1．2太阳能的特点随着社会的发展和人类文明进步，太阳能将会扮演愈来愈重要的角色；之所以如此，是因为它有许多独到之处。太阳辐射能与常规能源及核能相比有下列几个特点：（1）太阳能的广泛性6太阳辐射到处皆是，就地可用，无需运输或输送。可算是取之不尽、用之不竭的巨大的源，这对于山区、沙漠、海岛等落后的偏僻边远地区更显示出它的优越性，用户只要一次投资建造好太阳能系统之后，平时的维持费用远比其它任何能源都小得多。（2）太阳能的清洁性矿物燃料在燃烧时会放出大量的各种气体，核燃料工作时要排出放射性废料，它们都会使环境受到污染。利用太阳能可以大大减少环境污染，因此称太阳能为清洁能源。（3）太阳能的分散性太阳辐射尽管遍及全球，但每单位面积上的入射功率却很小，也就是说它虽然是一个巨大能源，同时其单位能量密度小又是一个“贫矿”。因此要得到较多的能量，就必须要庞大的受光面积。对于大的太阳能系统要涉及到设备的材料、结构、占用土地等问题。（4）太阳能的间歇性太阳能高度角一日及一年内在不断变化，且与地面的纬度有关，即使没有气象的变化，太阳辐射的变化也相当大。就一地而论，一天24小时内太阳辐照度变化很大，再加上气象变化如阴雨天日照更少，因此太阳能的可用量是很不稳定的．也就是说随机性性很大。当利用太阳能发电时，一般配备相当容量的储能设备，如蓄电池组等，这不仅增加设备及维持费用，而且也限制了功率的规模和降低了整个系统的效率。’（5）太阳能的地区性辐射到地球表面的太阳能，随地点不同而有所变化，它不仅与当地的地理纬度有关，还与当地的大气透明度（污染、混浊等)和气象变化等诸多因素有关。（6）太阳能的永久性太阳辐射已经进行了几十亿年，据估计太阳的寿命大约仍有5×109年，因此相对而言可以认为它是—个永久性能源。总的来说，利用太阳能有其巨大的优点，但也有严重的缺点，因此在考虑太阳能利用时、不仅废从技长方面考虑，还应从经济、环境保护、生态、居民福利特别是国家建设的整体方针来全面考虑研究。1．3太阳能电池太阳能电池是一种利用光电转换效应把光能转变为电能的器件，也称光伏器件。一般来说，这种效应是指吸收光能，产生电动势的现象。太阳能光伏发电系统包括太7阳能电池/组件、蓄电池、控制器和逆变器。其中又以太阳能电池/组件最为重要，图1．1、图1．2是太阳能电池的外形和结构示意图。图1．1太阳能电池图1．2太阳能电池结构示意图1.4太阳能电池的应用领域太阳能电池最早应用于空间，至今宇宙飞船和人造卫星等空间飞行器的电力，仍然主要依靠太阳能光伏发电系统来供给。20世纪70年代以后，太阳能电池在地面得到了广泛应用，目前已遍及景观照明、城市亮化、铁路交通、水利气象、邮电通信、广播电视、军事国防和并网调峰等各领域。随着太阳能电池新材料领域科学技术的发展和太阳能电池更先进的生产工艺技术的发展，一方面晶体硅太阳能电池的效率将更高、成本将更低，另一方面性能稳定、转换效率高、成本低的薄膜太阳能电池等将被8研制开发成功并投入商品化生产。图1．3各类太阳能电池产品9第2章太阳能电池的工作原理太阳电池的原理，是光电转换效应。一般来说，这种效应是指吸收光能，产生电动势的现象。不仅是固体，在液体、气体中也常常可以观察到。但是从产生能量观点来看，光电转换效应，有效的只是固体，特别是半导体。因此这里以半导体为例说明太阳电池的工作原理。2．1半导体原理理论上讲，无论是固体、液体还是气体都有一定的将光转换为电的能力，但转换能力的差别极其大，可能差几个、几十个或几百个数量级。在固体中，尤其在半导体内，其光电转换的效率相当高。人们把太阳辐射光直接转换为电能的器件称为太阳电池。太阳电池是一固态半导体器件。它完全依靠内部的固体结构实现光转换为电的，没有任河活动部件。1．能级从《物理学》中我们知道原子的结构是以壳层形式按—定规律分布的。原子的中心是一个带正电荷的核，核外存在着一系列不连续的、由电子运动轨道构成的壳层．电子只能在壳层里绕核转动。在稳定状态．每个壳层里运动的电子具有—定的能量状态。所以一个壳层相当于一个能量等级，称为能级。一个能极亦表示电子的一种运动状态。所以能态、状态和能级的含义相同。原子中电子的运动状态(能级)由四个量子数来确定；分别是主量子数n、副(角)量子数l、磁量子数m和自旋量子数ms。2．能带固体中原子的能级结构和孤立原子的不同，形成所谓“能带”。能带的形成是固体中原子相互影响的结果。从量子力学的观点来看，原子中电子本无确定的轨道；之所以使用轨道一词，实际上是指电子出现几率较大之处。所谓内层轨道是指在原子核附近电子出现几率较大之处，而外层轨道则指在原子核外围电子出现几率较大之处。10图2．1锗原子的电子壳层示意图电子在原子中的运动状态是由n、l、m、ms，决定的，并且可以用能级来描绘电子所可能的运动状态。例如，锗原子中电子的分布情况可以用1s2，2s2，2p6，3s2，3p6，3d10，4s2，4p2来描述。如图2．1所示，最内的电子壳层(n＝1、l＝0)有2个电子；第二个电子壳层有两个分层(n＝2；l＝0，1)，分别有2个和6个电子；依次类推。能级如图2．2所示，对于不同的电子壳层，能级之间的能量差值较大，而相应于同一电子壳层的不同分层．能级之间的能量差值较小。在锗原子中．第一、第二和第三电子壳层是填满的；与原子核距离较近，结合也较牢固，称为内(层)电子。而第四电子壳层是未填满的，距离原子核较远，结合也最弱。未填满电子的最外壳层中的电子数决定这一元素的化学性质；这些电子称为价电子。价电子所处的基态能级叫做价级。价电子经激发后，可以跃迁到价级以上的空能级中去。这些空能级称做激发能级(相应于激发层轨道)。为简单起见，在图2．2中价级只画一条横线来表示。图中最