太阳能电池解读

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1、太阳能飞机 专业：光学工程 姓名： 学号：,给点阳光就灿烂系列,Outline,其,其,石油,煤,天然气,其他,世界,中国和世界的能源结构,太阳能电池发展背景,能源枯竭 石油：42年，天然气：67年，煤：200年 。 环境污染 每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成 全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重 影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。,中华人民共和国 国家发展和改革委员会 中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书,中华人民共和国 国家发展和改革委员会 中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书,CxHy + O2 H2O + CO2 + SO2 +

2、NOx,太阳能电池发展背景,资源丰富 40分钟照射地球辐射的能量全球人类一年的能量需求,太阳能电池发展背景,洁净能源 与 石 油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”，也不会造成环境污染,使用方便 同水能、风能等新能源相比，不受地域的限制，利用成本低。,太阳能的优点,1893年 法国科学家贝克勒尔发现“光生伏特效应”，即“光伏效应”。 1930年 肖特基提出Cu2O势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。 1941年 奥尔在硅上发现光伏效应。 1941年，奥尔在硅上发现光伏效应。 1954年5月 恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实

3、用的单晶太阳能电池，效率为6%。 同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳能电池。,太阳能电池发展历史,1958年 太阳能电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。 1959年 第一个多晶硅太阳能电池问世，效率达5%。 1975年 非晶硅太阳能电池问世。 1980年 单晶硅太阳能电池效率达20%，砷化镓电池达22.5%，多晶硅电池达14.5%，硫化镉电池达9.15%。 1998年 单晶硅光伏电池效率达25%。荷兰政府提出“荷兰百万个太阳光伏屋顶计划”，到2020年完成。,太阳能电池发展历史,太阳能电池是由电性质不同的n型半导体和p型半导体连接合

4、成，一边是p区,一边是 n 区，在两个相互接触的界面附近形成一个结叫p - n结，结区内形成内建电场，成为电荷运动的势垒。,太阳能电池基本原理,当太阳光入射到太阳电池表面上后,所吸收得能量大于禁带宽度，在p-n结中产生电子-空穴对，在p-n结内建电场作用下，空穴向p区移动，电子向n区移动，从而在p区形成空穴积累，在n区形成电子积累。若电路闭合，形成电流。,太阳能电池基本原理,太阳能电池应用,太阳能电池的应用,（10KW光伏发电组）,建筑设施,太阳能屋顶发电装置,太阳能电池的应用,太阳能与民用建筑的结合,太阳能电池的应用,太阳能服饰,太阳能电池的应用,太阳能与风能发电系统,太阳能电池的应用,太阳

5、能自行车,太阳能电池的应用,太阳能电车,太阳能电池的应用,太阳能电车,太阳能车站,太阳能电池的应用,太阳能飞机,太阳能电池的应用,太阳能发电厂,太阳能电池的应用,太阳能在偏远地区的运用,太阳能电池的应用,太阳能在沙漠地区的运用,太阳能电池的应用,太阳能电池的应用,交通设施 交通/铁路信号灯 交通警示/标志灯 高空障碍灯,太阳能电池的应用,通信方面 光缆维护站 小型通信机 信号发射塔,太阳能电池的应用,航空航天 卫星供电电池 航天飞机供电 探测器电池,太阳能电池的应用,太阳能电池的应用,家电方面 手提灯 节能灯 充电器,太阳能电池的应用,太阳能电池,硅太阳能电池,单晶化合物太阳能电池,多晶化合物

6、太阳能电池,非晶硅太阳能电池,结晶系太阳能电池,单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池,无机化合物太阳能电池,有机化合物太阳能电池,太阳能电池的分类 （按基体材料分 ）,第一代：单晶硅和多晶硅两种 单晶硅电池转换效率最高，但生产成本高。 第二代：薄膜太阳能电池 基于薄膜技术基础之上，主要采用非晶硅及氧化物等为材料。效率比第一代低，但生产成本最低。 第三代：化合物薄膜太阳能电池（铜铟硒（CIS）等及薄膜Si系太阳能电池。 转化效率高，低成本，存在潜在庞大的经济效应。,太阳能电池的分类,太阳能飞机的亮相，引爆人类对未来飞行的清洁能源的想象。从上世纪七八十年代，随着成本合理的太阳能电池“太阳能”飞机概念

7、出现。几十年的发展，太阳能飞机飞过天空、实现了载人飞行和夜间飞行，但稳定的“永久飞行”之道还面临黑夜的挑战。,太阳能飞机发展史,“太阳挑战者号”： 首架可载人的太阳能飞机,由美国在20世纪80年代初研制成功，它是一架单座太阳能飞机，翼展14.3米，翼载荷为60帕，机翼和水平尾翼的表面共贴有16128片硅电池，在理想阳光的照射下能输出3000瓦以上的功率。有效载重和速度非常低，无法完成夜间飞行。,太阳能飞机发展史,“西风号”： 需人力推送升空,为了军事应用，以及地球观察和通信目的，英国凯奈蒂克国防技术公司研制了“同温层”太阳能驱动无人飞机，最大飞行高度可以达到40000米。它依靠太阳能电池提供动

8、力，可持续飞行3个月之久，对目标实施长时间的高密度监控。 “西风”号是为高空飞行设计的，机身脆弱，动力小，因此完全不能依靠自身动力起飞，寻找一种稳定可靠的发射方式。“西风”新的型号增强了电池性能来提高能量供给并改进了机身设计以降低阻力。,太阳能飞机发展史,“太阳神号”： 最著名的太阳能无人机,历史上最著名的一架太阳能飞机是由美国国家航天局和美国航空环境公司为了执行大气研究任务联合研制的“太阳神号”无人机，耗资1500万美元。太阳神号飞机用碳纤维合成物制造，部分起落架为越野自行车的车轮，整架飞机仅重590千克，机身长2.4米，翼展达到75.3米，上翼面安装有62000块SunPower双面硅太阳

9、能电池板，能将接收到的19%的太阳能转换成电能，夏日正午时最高功率可以达到35千瓦。在“太阳神号”上，它还携带有液氢染料电池作为太阳能电池的补充，用于为夜间飞行提供能量，在携带的液氢耗尽之前，它可以在同温层连续飞行两周。,太阳能飞机发展史,“Solong”无人机： 首次实现夜间飞行 美国AC推进公司研制的SoLong无人机利用锂离子膝上计算机电池存储能量，首次实现了利用太阳能飞行两个完整夜晚的里程碑。这架飞机没有任务适用性，这架飞机还需要在夏天白天时间较长的无云天气和适宜气候条件下使用。SoLong无人机在飞行过程中获得的能量不稳定，所以，有时候必须滑翔或者滑移。,太阳能飞机发展史,“天空使者

10、号”： 手动发射仅飞行5个小时 实际上是一款太阳能驱动火星研究飞行器。由于拥有小而轻质的结构，“天空使者号”可以装载一些高技术设备。数字传感器可以测量高度和空速，这使飞机能够在诸如海岸或者峡谷之类的目标上空飞行。携带的电荷耦合照相机（CCD）可拍摄地面图像。当飞机自动驾驶出现故障时，科学家还可以通过一个地面控制站监控和给飞行中的飞机发送指令，但这一个飞行器只是停留在“飞行5小时”的研究阶段。,“翱翔者”号： 中国第一架太阳能飞机 中国第一架太阳能飞机，该机是中国历史上有记载的首架具原创自主知识产权的太阳能飞行器。 “翱翔者”号上翼面和水平尾翼能够利用的面积，都用交互布阵法铺设和连接单晶硅太阳能

11、电池薄片。这些太阳能电池薄片极易碎裂，因此上翼表面与太阳能电池之间设有GPPS薄膜的缓冲层。采用一组特制的镍氢电池组储存太阳能电池获得的电能，并作为中间交换器来为配有减速装置的低速螺旋桨推进器提供电力,驾驶一架永续动能的飞机环球旅行，或许怎么看都是一件难以想象的天方夜谭，但“阳光动力”项目的联合发起人贝特兰德皮卡德（Bertrand Piccard）与安德烈博尔施伯格（Andr Borschberg）偏向虎山行。两人能对该项目一拍即合，皆源于对清洁能源的喜好和探险与创新的精神。 1999年3月1日，皮卡德和布赖恩琼斯从瑞士厄堡（Chteau dOex）出发，驾驶“百年灵轨道飞行器3 号”热气球

12、（Breitling Orbiter 3）进行首次不间断环球飞行。他们最终在埃及着陆，历时19天21小时47分钟，飞行距离为45755公里。 皮卡德随后耗费7年时间设计打造太阳能飞机，成为人类史上第一架连续飞行超过24小时的太阳能飞机。 2004年，他与洛桑联邦理工学院合作共同宣布启动一项计划，研发一种名为“阳光动力”的太阳能驱动、远程、单人滑翔机。希望通过这次环球飞行传递这样一个信息：清洁科技及可再生能源完全能如何挑战极限，替代制造污染的其他能源。,太阳能飞机发展史,自2010年4月7日首飞成功后，第一架“阳光动力”号又完成了昼夜飞行，2012年5月首次完成瑞士至比利时的跨国飞行。,太阳能飞

13、机电力系统,太阳能电力系统设计中，太阳电池+锂电池组合比较普遍。,太阳能飞机电力系统,太阳电池： 成组串联的太阳电池输出的高压直流电输送到汇流条，汇流条经过功率控制装置向电机螺旋桨系统供电，最大功率点跟踪器（MPPT）用于对太阳电池进行优化控制。 蓄电池的作用为： 1、起飞前充满电，在起飞/爬升阶段提供额外电功率。 2、飞行中充电，存储富余电能，用于飞机夜间飞行。 3、作为备用应急电源。,太阳能飞机电力系统,太阳能电动飞机是以太阳辐射作为推进能源的飞机，动力装置一般由太阳能电池组、直流电动机、减速器、螺旋桨和控制装置组成。 为了能铺设众多的太阳能电池来获得足够飞行能量，太阳能飞机的机翼面积都比

14、较大。目前世界上最引人注目的有人太阳能电动飞机项目是美国太阳能飞行公司（Solar Flight Inc.）的“寻日器（Sunseeker）”系列和瑞士的“阳光动力（Solar Impulse）”，这两种太阳能飞机均使用了各种先进技术，技术水平和飞机性能都达到了新的高度。,太阳能电动飞机,“寻日器” “寻日器”的飞行方式类似于阶梯渐进式。首先，使用太阳能电池和蓄电池爬升至2000米高度，之后仅依靠太阳能便能保持平飞，此时电机可以关闭并使用太阳电池为蓄电池充电，不到2小时蓄电池充满电后飞机可以向另一个2000米高度爬升。在夏季通过这种方式飞机可以上升到6212米高度，中午时分飞机平飞可以到达45

15、小时。遇到云层时，使用蓄电池电能可驱动飞机爬升到云层之上，这样就能避开恶劣天气，在气流平稳、太阳光充足的高空飞行。,太阳能电动飞机,2010年6到7月，“寻日器”飞机进行了横跨欧洲飞行，展现了飞机的良好使用性能，标志着有人驾驶太阳能电动飞机向实用化又迈进了一步。 “寻日器”DUO是“寻日器”的延伸型号，是世界第一款双座有人驾驶太阳能电动飞机，2009年开始研制，2013年12月实现首飞，2014年5月首次完成载客飞行。目前“寻日器”DUO飞机正在进行一系列飞行实验，预期将实现连续飞行12小时。,“阳光动力”号飞机共有两架，分别为用于验证昼夜连续飞行技术的单座型技术验证机“阳光动力”1号和双座型

16、创纪录飞行飞机“阳光动力”2号。 “阳光动力”1号于2009年年中完成制造并进行首次地面高速滑跑试验；2010年实现首飞并完成了昼夜连续飞行26小时等飞行验证试验；2012年年中实现了横跨欧洲和非洲总航程6000千米的飞行；2013年中，实现分段横跨美国大陆的飞行。,太阳能电动飞机,“阳光动力”1号的飞行是昼夜连续式的。锂聚合物电池作为电能存储装置，昼间飞行时将太阳能电池阵列的富余电能储存起来，夜间飞行时为电机供电。由于蓄电池存储的电能有限，还采用了电能转化成势能的方式，即白天利用富余电能推动飞机爬升到较高高度，夜间飞行时，逐步降低飞行高度，将势能转化成动能，使飞机保持空中飞行。,太阳能电动飞机,太阳能电动飞机,“阳光动力”号机翼上装有1.2万对太阳能电池板。白天飞行时，可将多余的太阳能电力储备到高性能蓄电池中供夜间飞行使用。其翼展63.4米，与空客340型飞机相当，而重量只有1600公斤，仅相当于一辆普通小汽车。飞机用