第一讲 太阳能基本知识与应用

电子信息工程学院2012年2月太阳能基本知识与应用南京南站全球最大太阳能屋顶“发电”主要内容一、能源与社会二、太阳能光伏发展优势三、中国必须发展太阳能的理由四、太阳能电池的基本知识五、世界太阳能发电发展现状和未来展望六、中国太阳能发电发展现状和未来展望新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的技术领域之一。新能源：太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源和二次能源中的氢能。一次能源：以现成的形式存在于自然界中，没有经过任何转换过程的能源；二次能源：需要依靠其他能源来制取或产生的能源.太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源。在新世纪中，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。而光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点，在我国西部广袤严寒、地形多样和居住分散的现实条件下，有着非常独特的作用。太阳的光除了照亮世界使植物通过光合作用把太阳光转变为各种养分，供人们食用产生纤维质供人们做衣服生长木材给我们建筑房屋以外万物生长靠太阳太阳的光还可以通过太阳能电池转变为电本课程主要就太阳能特点，太阳能电池的原理，设计制备与利用等方面作简单介绍，使大家对这一课题有一个初步了解。一、能源与社会人类迄今已有400万年的历史，在这期间，人类从学会使用火开始，经过石器、铁器时代，直到近代工业化革命明使人类文明到达了一个，各种技术发前所未有的高度。同时，人类消耗的能源也日益增长，其中煤、石油等是今天主要的能源来源。今天，能源更是人类社会赖以生存和发展的物质基础，在国民经济中具有特别重要的战略地位。能源相当于城市的血液，它驱动着城市的运转。现代化程度越高的城市对能源的依赖越强，因为能源在维系以下重要功能：照明交通餐饮供暖降温自动化管理系统******当能源主要依靠燃烧化石燃料（煤炭、石油、天然气）而获取时，能源消耗越高，越会影响人类社会的可持续发展。经济的发展人口的增加社会生活水平的提搞促使世界能源消费水平持续增长2、由于化石燃料不可再生，资源终将枯竭。本世纪初关于世界能源储存数据调查显示：1、因为大量燃烧化石燃料会带来多种环境问题（尤其是环境污染、生态破坏导致气候变化问题）在过去的100年中全球平均气温上升0.3—0.6℃，海平面平均上升10—25CM。（温室效应）预计，若人类不采取减措施，全球气温每10年将升高0.2℃，到2100年全球平均气温将升高13.5℃。石油可采量为40年左右天然气60年左右煤炭230年左右促使寻求新能源取而代之（预测，本世纪50年代，直接利用太阳能的比例将发展到世界能源结构中的13-15％）二、太阳能光伏发展优势风能：由于在地球上的日照不平均所以造成冷热温度对流而生成风,而风力亦可发电，所以在美国，风力发电也归太阳能源的一种。此外太阳能的应用又可分为热能的“太阳能的热水器”及光直接转换电的“太阳能电池”。①不占用城市昂贵的地皮（多建于沙漠）②可代替传统的墙面和屋顶材料③当地发电当地用，就地取用，无需输电设备④若和电网相连，可将剩余电力输给电网⑤在电网供电处于高峰期发电，消减城市用电负荷⑥属于绿色能源，不污染环境光伏发电的优越性（客观）光伏发电的优越性（主观）●各国可再生能源法的颁布、快速发展的光伏屋顶计划、各种减免税政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格，为光伏市场的发展提供了良好的基础●众多国家政府都加大对光伏课题的研究，积极培养光伏的专业人才满足市场需求，促进光伏科学技术的发展和产业的发展。为光伏更好的发展提供有力的保障。●太阳能是化石能源的主要替代能源之一（可持续）。●太阳能是人类可利用的最直接的清洁能源之一（环保）。为了人类的发展，为了我们共同的家园，没有任何一个国家有理由拒绝太阳能的发展。我们都看到了在并不遥远的未来，更令人敬畏的力量。阳光是人类最原始的能源，即使我们能通过现代科技将它捕捉、利用，它也没有改变的最初特质：清洁、纯净，公平的洒满全球，超越国界、种族的藩篱。相信在共同努力下，它能成为我们与未来沟通的另一种语言----施正荣.三、中国必须发展太阳能的理由与国外相比，我国能源系统更不具备可持续发展特●能源枯竭的威胁可能来的更早。人口多，人均资源占有量仅及世界的一半，石油和天然气资源仅占世界人均量的17.1％和13.2％；加之能源利用技术的落后，效率低下，能耗高，枯竭速度可能会比国外更加迅速，能源匮乏的威胁可能来的更早。●能源供需缺口将越来越大。2020年全国需求量27亿吨TOE，尚缺4.8亿吨标准煤；2050年一次需求量达到40亿吨标煤，缺口达10亿吨标煤，缺口25%以上。●过度依赖煤炭，环境影响更加严重。煤几乎满足了我国一次能源需求的70%，66%的城市大气颗粒物的含量和22%的城市的二氧化硫含量均超过国家空气质量二级标准，在冬季这些污染物的浓度更大，通常为夏季的2倍，环境专家估计，大气中90%的二氧化硫和70%的烟尘来自于燃烧。●煤废料的处理仍是问题。煤炭开发利用过程中产生的大量的腐蚀性水、煤泥、灰渣和飞灰等，已构成对工农业生产和生态环境的危害，成为制约所在地区可持续发展的一个制约因素。三、太阳能电池的基本知识什么是太阳能光伏发电？太阳能电池（solarcell）,又称光电池、光生伏打电池。是将光能直接转化成电能的一种半导体器件。先主要有硅、硫化镉、砷化钾太阳能电池。日本SANYOSOLAR什么是太阳能光伏发电？单晶硅电池组件24V屋顶光伏发电系统太阳能草坪灯高速路太阳能监控器太阳能电池发电原理图太阳能发电的组成部分及其作用太阳能电池组太阳能控制器太阳能发电系统蓄电池（组）逆变器（若输出电源为交流220V或110V）太阳能直流供电系统太阳能交流供电系统1.太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。2.太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。3.蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。4.逆变器：在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。1、太阳能光伏发电的主要优点：(1)结构简单．体积小且轻。(2)易安装，易运输，建设周期短。(3)容易启动,维护简单,随时使用,保证供应。(4)清洁，安全，无噪声。(5)可靠件高，寿命长。(6)太阳能无处不有，应用范围广。(7)降价速度快，能量偿还时间有可能缩短。(1)能量分散，占地面积大。(2)间歇性大。除了昼夜这种周期变化外，太阳能光伏发电还常常受云层变化的影响。小功率光伏发电系统可用蓄电池补充，大功率光伏电站的控制运行比常规火电厂、水电站、核电厂要复杂。(3)地域性强。2、太阳能光伏发电的主要缺点：1.美国光伏发电的“百万屋顶计划”美国总统克林顿在1997年6月21日宣布了太阳能“百万屋顶计划”，准备在2010年以前，在100万座建筑物上安装太阳能系统，主要是太阳能光伏发电系统和太阳能热利用系统。目前，太阳能“百万屋顶计划”已在美国某些地区大力发展开来，由于美国政府在政策上给予了更多的倾斜，使得光伏发电的价格大为下降，在加利福尼亚地区现已降到每瓦不足3美元。五、世界太阳能发电发展现状和未来展望洛杉矶计划2020年实现100%光伏供电•2011年4月，洛杉矶市政府将对太阳能电池板商进行招标，以确定市政大厅和当地的戴维斯音乐大厅所需太阳能电池供应。•政府也将对下属公共建筑如唐人街等地方，进行光伏安装工程，以进一步推广光伏电力的应用。••洛杉矶市长表示，我们希望到2020年整个洛杉矶城的电力都由太阳能提供。他表示，不光是市政，每个人都应该做到，我们希望在2020年全市的电力供应都来自可再生能源。市长鼓励不仅在公共部门提高对可再生能源的依赖，各个社会阶层也要有所增加。•目前，洛杉矶全市共实现了17MW的太阳能发电。公共建筑安装光伏是为了更广泛的实现加州减少碳排放目的一项举措标。加州是全球第12大碳排放城市。••为了解决这个问题，减少全州范围内温室气体排放量加州政府建立了一个完整的方案——2006年全球变暖解决法令。该法令由加州空气资源委员会（CARB）迫使加州建立市场机制和准则，目的是到2020年，将加州的温室气体排放量拉回到1990年以前水平。2.日本“阳光计划”第一阶段是第一次石油危机后，日本通产省于1974年制定了发展太阳能为主的可再生能源代替石油技术研发中长期规划，即有名的“阳光计划”第二阶段1988-1994年，要求售价再讲20%，以便广泛应用于通信，路灯等小型电源。第三阶段是1993年制定的“阳光计划”仍把光伏发电作为重点项目。最后把光伏产业作为国策来抓，从长远发展，坚持不懈，通过政府优惠政策加速发展。日拟斥资4000亿日元补贴太阳能安装项目•日本计划于4月追加1万亿日元的预算，并采取措施加强能源效率以缓解震后能源短缺问题。•同时透露贸易部会拨款1000亿日元用于延长生态积分计划，这一计划旨在鼓励消费者购买更多高效节能的商品。•日本政府可能还会投资多达4000亿日元用于补贴太阳能系统的安装项目。3.德国的“10万屋顶发电计划”•2000年德国首先颁布可再生能源法，2003年又公布可再生能源促进法，由此引发了德国光伏发展的新一轮高峰，于当年圆满完成“10万屋顶发电计划”。•德国政府在推广光伏发电发面采取了一系列措施，主要是银行贷款和上网电价补贴等，目前德国光伏产业已经成为一个非常活跃的经济产业，2004年德国的光伏安装总量首次超过日本，走在世界前列。•2011年第12个星期，德国的光伏发电总量首次超过核能发电总量。••光伏发电总量是17GW，而核电是15GW。根据德国环境部公布的数据显示，2010年德国光伏发电量为12亿千瓦时，占电力消费的2%。•德国能源工会（AGGEB）公布的数据侧显示2010年德国核电总量为140亿千瓦时，占电力消费中的10.9%，可再生能源占9.4%。•德国核电反对者的呼声：核电站和火力发电最终必将终结！•德国巴伐利亚州核电废除+气候保护联合会评论到：我们可以通过更好的节约能源和改善能源获取方式，比如扩大可再生能源的规模，使得核电和火力发电最终关闭掉。发电集团曾经在1993年预言德国在相当长的一段时间内太阳能，风能，水力发电的比重不会超过4%，但是今天这三者所代表的可再生能源已经占到了电力消费的20%。这个比例到2020年甚至可能达到50%。巴伐利亚的核电反对者表示，德国的主要城市和区域的电力消费应该在2030年完全由可再生能源提供。（1）世界光伏产业将继续以高增长速率发展。多年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域之一，预测今后10a光伏组件的生产将以20%~30%甚至更高的递增速度发展。光伏发电的未来前景已补愈来愈多的国家政府和金融界（如世界银行）所认识。（2）许多发达国家和地区纷纷制定光伏发展规划，如到2010年，美国计划累计安装4.6GW(含百万屋顶计划)；欧盟计划累计安装6.7GW(可再生能源白皮书),其中3.7GW安装在欧洲内部,3GW出口;日本计划累计安装5GW(NEDO日本新阳光计划);预计其它发展中国家1.8GW(估计约10%),预计世界总累计安装18GW.到下世纪中页,光伏发电成为人类的基础能源之一。六、中国太阳能发电发展现状和未来展望中国光伏发展历史1958年开始研制1959年具有实用价值的太阳电池开始诞生1