2014光伏发电课程学习资料12

1课程《太阳能电池基础与应用》学习讲义课程简介：从半导体基础理论及光伏电池的基本原理出发，首先，讲述应用最为广泛的晶体硅太阳能电池、硅系和化合物半导体薄膜太阳能电池的结构、特性、工艺特色及技术发展等，对染料敏化、有机、聚光太阳能电池等也做了简单介绍。其次，讲述了光伏发电系统的基本组成和性能，介绍了离、并网发电以及二次电池等能量存储器件。最后，叙述了光伏发电的常规应用及应用示例，同时结合太阳能电池领域的新发展，对更高效率光伏电池的新概念进行了综合的介绍与展望。本课程主要介绍了太阳能光伏发电的理论、技术和应用。教学分为7个章节，共32个学时，目的是让学生对光伏发电这种新能源方式有一个简单而全面的认识。本课程主要内容包括：太阳能的特点；太阳能电池的发展历史；太阳能光伏发电的物理化学基础知识，如光伏发电原理、电池分类、光伏发电材料的基本特征及电池特性评价等；各类不同光伏电池的材料、结构特性及其制备工艺；太阳能电池的最新发展及应用方式；光伏发电系统概述等；本课程主要根据实际应用的广泛程度，着重介绍晶体硅太阳能电池、硅系和化合物半导体薄膜太阳能电池、对有机太阳能电池也做了简单系统的介绍。本课程从光伏电池组件到发电系统，对光伏发电技术的离、并网发电及其重要组成部件做了讲述，并重点介绍了二次电池等能量储存器件。同时举实例介绍了光伏发电系统设计的一些基础参数和设计常识。本课程最后介绍了国内外光伏发电系统的主要应用实例及其发展趋势，对全球光伏发电前景进行了展望。课程参考书目（目前无固定教材，下述书籍都可作为参考教材使用，教程进度基本符合）重点推荐：太阳能电池工作原理、技术和系统应用/（澳大利亚）M.A.Green编著，狄大卫等译，上海交通大学出版社（2010）应用光伏学/(澳大利亚）S.R.Wenhanm,M.A.Green等原著，狄大卫等译，上海交通大学出版社（2008）太阳能电池基础与应用/熊绍珍，朱美芳主编，科学出版社（2009）太阳电池:材料、制备工艺及检测/TomMarkvart,LuisCastaner编著,梁骏吾等译,机械工业出版社(2009)太阳能光伏发电系统设计施工与应用/李钟实主编，人民邮电出版社（2012）请注意：根据课程进度的学习资料，仅供本课程学习参考用。2第一章太阳能和太阳能资源本章概述及学习要点：本章从能源及其分类出发，结合现代科技、生活发展现状，认识能源危机和环境污染下太阳能利用的巨大价值，了解太阳光能的特征，阐述选择光伏发电这种能源形式作为主要发展对象的理由。要点：1）了解目前全球和我国的能源分布和使用状况，提出对应措施；2）了解目前国内外绿色能源和新能源发展概况3）了解什么是太阳能4）了解太阳能中的光能5）认识太阳能的巨大价值，说明利用太阳光能的光伏发电是目前创造社会发展与能源需求平衡的最佳能源形式。概念：标准煤：标准煤亦称煤当量，具有统一的热值标准。我国规定每千克标准煤的热值为7000千卡。例如汽油为1．4714公斤标煤/公斤；标准油（油当量oilequivalent)：1吨油当量=1.4286吨标准煤参考文献：中国新能源产业“十二五”发展规划翁史烈，中国工程院院士，专题讲演第一节能源的分类能源定义：能源是指可产生各种能量(如热量、电能、光能和机械能等)或可作功的物质的统称。1按其形成和来源分类：（1）来自地球外部天体的能源(主要是太阳能)。除直接辐射外，还有煤、石油、天然气、水能、风能、生物能等源自太阳而形成的能量形式。（2）来自地球内部或地球本身蕴藏的能量，如：核能、地热能。（3）地球和其他天体相互作用而产生的能量。如潮汐能。2按开发利用状况分类：（1）常规能源，如：煤、石油、天然气、水能、生物能。（2）新能源，如：核能、地热、海洋能、太阳能、沼气、风能。3按属性分类：（1）可再生能源，如：太阳能、地热、水能、风能、生物能、海洋能。（2）非可再生能源，如：煤、石油、天然气、核能。4按转换传递过程分类：（1）一次能源，直接来自自然界的能源，及天然能源。如：煤、石油、天然气、水能、风能、核能、海洋能、生物能。（2）二次能源，由一次能源加工转换而成的能源产品，如：沼气、汽油、柴油、焦炭、煤气、蒸汽、火电、水电、核电、太阳能发电、潮汐发电、波浪发电等。5其他:例如按照使用时获得能量的方式，可分为化石能源（煤、石油、天然气）和非化石能源等等。3第二节能源危机和环境污染一世界能源存储概况世界能源储量分布是不平衡的。石油储量最多地区是中东，占56.8%；天然气和煤炭储量最多是欧洲，各占54.6%和45%。亚洲大洋洲除煤炭稍多（占18%）以外，石油、天然气都只有5%左右。根据《BP世界能源统计报告2004》报告，目前非再生能源已探明的存量状况为：石油：资源的储量为10195亿桶，可供开采43年，高成本油田可供人类开采240年；天然气：埋藏量为144万亿立方米，可开采63年，高成本气田可供开采452年；煤炭：埋藏量10316亿吨，可开采231年；铀：已探明储量436万吨，可供72年使用(海水中的铀可供使用1万年，利用钚为燃料的增值核反应堆可使用100万年)；利用热核反应，海水中的锂能源可开采年限为1600万年(DT反应)，而利用重水的DD反应，则开采年限为60亿年。虽然探明的可开采量逐年递增，但相比生产和消费量的增长趋势其前景仍然堪忧。可以看出，人类必须要改变依赖传统化石能源的消费习惯。世界能源储量最多是太阳能，在再生能源中占99.44％，而水能、风能、地热能、生物能等不到1％。在非再生能源中，利用海水中的氘资源产生的人造太阳能（聚变核能）几乎占100％，煤炭、石油、天然气、裂变核燃料加起来也不足千万分之一。所以，人类使用的能源归根到底要依靠太阳能，太阳能是人类永恒发展的能源保证。二我国能源特点（种类丰富，储存量普通，人均储存量低，消耗量大，利用效率低）我国能源种类丰富，世界各国有的能量资源我国都有。我国煤炭资源（探明储量）和水力资源均居世界第一位；石油资源占世界第十一位；天然气资源占世界第十四位；太阳能资源居世界第二位；潮汐、地热、风力和核燃料资源都很丰富。但人均占有量很少，只有世界平均水平的一半。我国太阳能和风能资源丰富，有很大利用潜力。我国是全球最大的煤炭生产国和消费国，全球最大的水电生产国。2009年中国的一次能源生产总量为28.0亿吨标准煤，其中煤炭占77.5%、石油9.4%、天然气3.8%，其他(水电、核电、风电)占9.3%。2009年中国的一次能源消费总量为30.5亿吨标准煤，其中，煤炭70.0%、石油17.8%、天然气3.9%、水电、核电7.5%，其他非化石能源(风电、太阳能和生物质能)0.8%，2009年~2010年开始，我国能源消费成为世界第一，占全球总消费20%以上，美国19%以上，俄罗斯6%左右。2011年我国能源消费总量34.78亿吨标准煤。未来20年，我国能源消费增速将保持年均4.5%，煤炭累计需求826亿吨，石油120亿吨，天然气5.8万亿立方米，需求高峰期将在2030-2035年间到来。中国能源消费结构与世界能源消费结构相比存在较大的调整空间。在一次能源消费中，石油在中国的消费比重为17.8%，世界平均水平为34.8%，中国比世界平均水平低17个百分点；天然气中国消费比重为3.9%，低于世界平均水平(23.8%)20个百分点左右，而中国的煤炭消费比重高达70.0%，高于世界平均水平(29.4%)40多个百分点。目前中国的总体能源利用效率为33％左右，比发达国家低约10个百分点。三能源与环保能源消耗对生态环境的影响日益突出，化石燃料的使用是CO2等温室气体增加的主要来源。科学观测表明，地球大气中CO2的浓度已从工业革命前的280ppmv上升到了目前的379ppmv；全球平均气温也在近百年内升高了0.74℃，特别是近30年来升温明显。从中国情况看，能源结构长期以煤炭为主，煤炭生产使用中产生的SO2、粉尘、CO2等是大气污染和温室气体的主要来源。气候变化对能源发展影响加大，低碳和无碳能源成为新热点。4中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，在一次能源消费构成中，煤炭的份额比世界平均值高41个百分点。调整能源消费结构的目的就是为了降低碳排放、实现低碳发展。按单位热当量燃料燃烧后排放的二氧化碳计算,煤炭是石油的1.3倍,天然气的1.7倍,核电、水电和其他可再生能源低排放或者零排放。替代煤炭和石油的清洁能源增长迅速，煤炭和石油在一次能源总需求中的份额将进一步下降，天然气、核能和可再生能源的份额将不断提高。预计在2030年前，石油、天然气和煤炭等化石能源仍将是世界的主流能源。各国把核能、水能、风能、太阳能、生物质能等低碳和无碳能源作为今后发展的重点。典型非碳能源有：太阳能；生物质能；风能；氢气；潮汐能；地热能；核聚变能利用技术，水力发电也可计入。四我国近期能源政策“十二五”以来，中国能源结构调整重点围绕非化石能源比重增加和碳减排两个目标展开，我国在哥本哈根大会上提出的目标：一是到2020年,非化石能源占一次能源消费的比重达到15%左右；二是到2020年单位GDP二氧化碳排放强度比2005年下降40%~45%。到2015年,煤炭在一次能源消费中的比重将从2009年的70%从上下降到63%左右,天然气、水电与核能以及其他非化石能源(主要是风能、太阳能和生物质能)的电力消费比重将从目前的3.9%、7.5%和0.8%上升到8.3%、9%和2.6%)。2015年一次性能源供应能力按照43亿吨标准煤安排，其中非化石能源生产能力为4.7亿吨标准煤。核电规模达到3900万千瓦以上，水电装机规模至少达到2.7亿千瓦以上，风电须达到1亿千瓦以上，太阳能发电装机容量达到500万千瓦，2012年重新规划后太阳能发电装机容量调整到2100万千瓦以上。2014年计划新规全国装机容量12GW，上半年在建项目约3.7GW，国内光伏装机目标逐渐上调，表明以国外市场为主的光伏市场将逐步转向国内。第三节太阳和太阳能一什么是太阳能太阳不断地进行核聚变反应，内部温度高达2×107K，表面6000K，其能量通过辐射的方式到达地球，其辐射强度及频谱相当于温度为6000K的黑体辐射。所产生的能量约相当于3.75×1023千瓦的功率，其中约22亿分之一能到达地球的大气高层，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于500万吨标煤。太阳辐射的波长范围很宽，可从数纳米到数千纳米。太阳辐射穿过地球大气层时，由于吸收和散射，只有波长较长的辐射才能到达大气低层；大部分较短的辐射波在电离层即被氮、氧等吸收，大部分紫外线被臭氧吸收，还有很多太阳辐射能被大气中的水蒸气吸收。因此，到达地面的太阳辐射中，98%的辐射波长为0.3～3微米，最后约8.5×1013kW到达地球表面，每年地球表面的太阳辐射能约81万亿千瓦时，相当于全世界发电量的几十万倍。我国太阳能资源丰富，太阳能在三分之二的国土上的年辐射量超过60万焦耳／平方厘米，每年地表吸收的太阳能大约相当于17万亿吨标准煤的能量，开发利用前景广阔。太阳能既是一次能源，也是可再生能源，其优点是（1）普遍；（2）无害；（3）巨大；（4）长久；缺点也显而易见：（1）分散性；能流密度很低，例如北回归线附近即使夏季晴朗时，垂直面正午太阳辐射的强度也只有1000W/平方米。若按全年日夜平均，则只有200W左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1/5左右；（2）不稳定性；（3）低效率高成本。二光伏发电常用太阳能相关参数51）太阳常数：在平均日地距离时，在地球大气层的上界，在垂直于太阳光线的平面上，单位时间内，在单位面积上所获得的太阳总辐射能的数值，1367±7W/m22）大气质量AM(airmass)：指太阳光束穿过大气层的光学路径，表示了太阳光线通过大气层的路程对到达地球表面的太阳辐射的影响。是太阳入射角（入射光同地面垂直方向的夹角）。入射角越大，AM越大，光达到地面所经过的路程就越长，大气中各种吸收对入射光的影响就越大。因此AM不同代表了入射光的频谱分布不一样，对于对光波长非常敏感的光伏电池来说是非常重要的