《光伏基础教程精编版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光伏基础教程精编版（303页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2020 5 4 1 光伏 器件 系统及应用byChristianaHonsberg StuartBowden 一直以来 对专业教育的普遍缺乏被认为是光伏电池得到恰当应用的一个主要障碍 光伏电子课程面向的是学生和拥有基本专业知识的个人 例如 比较熟悉电子电路知识 但现在还没有掌握光伏器件和太阳能系统领域的知识 2020 5 4 2 湖南理工职业技术学院 张存彪简介 张存彪 男 党员 1981年10月出生 工程师 光电子技术硕士 中国新能源产业协会理事 江西省高等院校光伏专业教材委员会委员 北京天裕德科技有限公司光伏教学实训设备研发工程师 太阳能电池组件工程师 长期在企业从事技术开发工作 具备丰
2、富的技术开发经验 与湖南神州光能源有限公司合作编写 太阳电池与应用技术 出版了 太阳能光伏理化基础 光伏电池制备工艺 光伏组件制备工艺 等光伏书籍 现任湖南理工职业技术学院信息工程系党总支副书记 副主任 光伏专业建设带头人 2020 5 4 3 0 1太阳能 0 2光伏发电 0 3温室效应 序言 太阳能发电的介绍 2020 5 4 4 0 1太阳能 太阳能 从某种形式上说 是地球上几乎所有能源的源头 而人类 像所有其它的动物和植物一样 因为温暖和食物而依赖于太阳 然而 人类同时还以许多不同的方式利用太阳的能量 比如 化石燃料 一种来自以前地质时代的植物材料 就被用在交通运输和发电上 本质上它就
3、是储存了无数年以前的太阳能 类似的 生物把太阳能转换成可以用来加热 运输和发电的燃料 风能 几百年来被人们用来提供机械能以及用于运输的能源 利用的是被太阳光加热的空气和地球转动产生的空气流动 如今 风力涡轮机把风 2020 5 4 5 0 1太阳能 能转换成电能 同时也用在传统用途上 甚至水电也是源之太阳能 水力发电依赖于太阳光蒸发的水蒸气 水蒸气以雨水的形式回到地球并流向水坝 光伏发电 通常简称为PV 是一种简易而优美的利用太阳能的方式 光伏器件 太阳能电池 是独特的 因为它能把入射光线直接转换成电而不会产生噪音 污染且不需要移动零部件 这使得它们很牢固 可靠以及寿命长久 需要指出的是 太阳
4、能电池跟通讯及电脑革命基于同样的原理和材料 而我们这个电子教程包括了光伏器件和系统的运行和应用 2020 5 4 6 位于澳大利亚东海岸的蒙塔古小岛 一个国家公园和野生动物保护区 太阳能 点亮了这里房子 图上左边的小太阳能电池板为灯塔提供电力 同时右边大块的电池板负责为图片里面露出一部分的房屋供电 房屋里存放着给国家公园守护者和岛上的研究者的设备 2020 5 4 7 0 2光伏发电的介绍 光伏发电是指使用太阳能电池把阳光直接转化成电的过程 今天 它正在快速地成长并成为常规化石燃料发电的越来越重要的替代品 但是 相比其它的发电技术 光伏发电还是个后起之秀 直到1950年代第一个实用的光伏器件才
5、被展示出来 1960年代 太空工业里卫星应用对有别于电网的电力供应的需求巨大地推动了光伏产业的研究和发展 当时的太阳能电池要比现在的贵上好几千倍 而且对那种有别于传统的发电方式的需求还是十年以后才出现的 但是在几个潜在的专业市场上 相对于快速发展的晶体管 太阳能电池成为了一个令人感兴趣的科学变化 2020 5 4 8 0 2光伏发电的介绍 1970年代发生的石油危机把全世界的眼光都聚焦在了对能为陆地上的人们所用的可替代能源的需求上 而这也反过来推动了光伏作为一种能为陆地上的人们所用的发电方式的研究 尽管石油危机被证明是短暂的以及对太阳能电池发展的经济支持的减少 但此时太阳能电池俨然已经进入了发
6、电技术的竞争者行列 它在偏远的电力供应地区的应用和优势迅速地被人们认识到 并推动了陆地光伏产业的发展 小尺寸的可携带的应用 2020 5 4 9 0 2光伏发电的介绍 如计算器和手表 开始被使用 并让偏远地区的电力供应受益匪浅 到了1980年代 对硅太阳能电池的研究获得了回报 电池的发电效率开始提高 1985年硅电池的效率达到了里程碑式的20 在紧接着的十年 光伏产业经历了每年15 到20 之间的稳定增长 1997年增长率达到了38 而今天 太阳能电池不再被认为只是一种提供电力和提高那些电网还没到达的偏远地区的人们生活质量的方法 2020 5 4 10 0 2光伏发电的介绍 而是还作为一种能显
7、著地减少由先进工业国家照成的环境破坏的影响的方法 不断增长的市场和光伏发电的鲜明个性意味着比以往任何时候都多的应用正在以光伏的形式被推动着 这些应用的领域从几兆瓦的发电站到无处不在的太阳能计算器 此电子教程旨在提供陆地太阳能发电的概况以向非专业人士提供基本的信息 我们希望 在使用了光伏电子教程后您能明白光伏器件和系统运作的基本原理 能够识别相应的应用 有能力承担光伏系统的设计 随着熟悉光伏概念和应用的人越来越多 我们希望能提高太阳能发电在适当应用方面的使用 2020 5 4 11 0 3温室效应 尽管因为其十足的实用性和经济性 太阳能电池在今天被所人们使用着 但是使用太阳能发电的潜在好处就是
8、光伏发电是所有发电方式中对环境最友好的一种 发电对环境的影响 特别是温室效应 是又一个促使人们研究太阳能发电的因素 接下来将给出对温室效应的简短概述 地球的温度是来自太阳的辐射跟从地球射向太空的辐射达到平衡的结果 地球大气层的存在和物质的构成强烈地影响着从地球排放出去的辐射 如果我们地球像月球一样没有大气层 那么地球表面的平均温度将下降到大约零下18 C 然而 自然形成的占大气质量百万分之270 270ppm 的二氧化碳 CO2 吸收了飞向太空的辐射 也因此保存了大气的能量 让地球保暖 大气层使地 2020 5 4 12 0 3温室效应 球平均温度保持在15 C左右 比月球的高33 C 二氧化
9、碳强烈地吸收波长在13 19微米波段的辐射 而另外一种大气气体 水蒸气 能强烈吸收波长在4 7微米波段的辐射 大多数逃逸出地球的辐射的波长集中在7 13微米波段这个 窗口 人类活动正在不断地向大气排放 人造气体 这些气体能吸收波长在7 13微米范围内的辐射 特别是二氧化碳 甲烷 臭氧 氮氧化物以及含氯氟烃 CFC S 这些气体阻碍了热能的正常逃逸并有可能使地表温度升高 现有的证据显示 到2030年 起效果的CO2水平将是现在的两倍 致使全球温度升高1到4度 这将引起风的流动模式和降雨 2020 5 4 13 0 3温室效应 量的变化 其结果可能导致大陆内部变得干旱以及地球海平面上升 排放的人造
10、气体增长的越多 当然造成的影响就越严重 大气中 二氧化碳含量的上升 蓝线 与平均温度 红线 的上升相聚在一起 2020 5 4 14 0 3温室效应 很显然 人类现在活动的规模已经达到了能够影响地球环境和它对人类的吸引力的程度了 它的副作用将是毁灭性的 在未来的几十年 那些对环境影响很小以及不排放温室气体的技术将变得越来越重要 能源领域因为其燃烧化石燃料而成为温室气体的最主要生产者 像光伏发电这种能够代替化石燃料的技术必须得到越来越多的应用 2020 5 4 15 第一章 光的特性 1 1光的基本原理 1 2黑体辐射 1 3太阳辐射 1 4地表太阳辐射 1 5太阳辐射数据 2020 5 4 1
11、6 1 1 1光的基本原理 光的特性 每秒钟地球接收到的太阳能是人类每年能量需求的好几倍 我们每天能看到的光只是从太阳发射然后进入地球的能量的一小部分而已 太阳光是电磁波的其中一种形式 而我们看到的可见光也只是我们右边显示的电磁波普的一个小子集 在电磁波普里 光被描述成有特定波长的波 光是一种波的说法首先在18世纪早期被人们接受 当时由杨 阿拉戈和菲涅耳所做的实验显示出了光的干涉 可见光 2020 5 4 17 1 1 1光的基本原理 光的特性 效应 表明光是由波构成的 到了1860年代 光被认为是电磁波普中的一部分 然而 到了18世纪后期 当人们发现实验中测量的由热体所发出的电磁波的波普不能
12、被波动方程所解释时 光是波的观点所引发的问题便开始显现出来 这个矛盾被普朗克在1900年和爱因斯坦在1905年的工作化解了 普朗克认为 光的总能量是由不可分的能量元素或能量量子所构成 而爱因斯坦在研究光电效应 当光照射在特定的金属或半导体上时会释放电子 时准确地得出了这些能量量子的值 鉴于他们在这个领域的成就 普朗克和爱因斯坦分别在1918年和1921年获得诺贝尔物理学奖 同时 基于他们的工作 人们认为光可能是由一系列的 包 或被叫做光子的能量粒子组成 2020 5 4 18 1 1 1光的基本原理 光的特性 今天 量子力学即解释了光的波动性又解释了光的粒子性 在量子力学中 像所有其它量子力学
13、粒子 如电子 质子等 一样 对光子最准确的描述就是 波包 波包被定义为一群平面波的叠合 这些平面波有可能以干涉在一个局限的空间的形式 就像一个方波是由无数的正弦波所组成一样 出现 也有可能只是简单地像一个波一样交替出现 当波包以局限在一个小空间的形式出现时 它就被看做粒子 因此 视情况的不同 一个光子有可能以波的形式或粒子的形式出现 这个概念就就叫 波粒二象性 2020 5 4 19 1 1 1光的基本原理 光的特性 右边动画描述的是不同波长的光的波包 对光的特性的完整物理学描述需要用量子力学分析 因为光是量子力学粒子 中的一种 所以被叫做光子 对光伏应用来说 较少要求这么详细的知识 因此 在
14、这里 在光的量子特性方面只给出了少量的文字描述 尽管如此 在某些情况下 幸运的是 仅仅涉及到光伏系统方面 根据这里的简单解释 2020 5 4 20 1 1 1光的基本原理 光的特性 光的行为方式可能会违背常识 常识 指的是我们自己的观察 观察量子效应不能依靠常识 因为这些效应产生的条件超出了人类的观察范围 如果需要了解更多关于光的知识 请参考 费恩曼 1985 下面列出几个入射太阳光的重要特性 这些特性在决定入射光与太阳能电池或其他器件如何作用时非常重要 这些重要的特性是 入射光的光谱容量太阳辐射的功率强度太阳光入射到太阳能电池的角度一年或一天 太阳光照射到特定表面的总能量学完这章之后 你应
15、该对以上的四个概念有所掌握 2020 5 4 21 1 1 2光的基本原理 光子的能量 一般用波长 符号为 或相对应的能量 符号为E 来描述一个光子的特性 子的能量与波长之间存在反比例关系 方程如下 E hc 其中h是普朗克常数 c表示光速 它们以及其它常用的常数的数值都显示在常数页 上面的反比例关系表示 由光子组成的光的能量越高 比如蓝光 波长就越短 能量越低 如红光 波长越长 当描述光子 电子等粒子时 共同使用的能量单位是 2020 5 4 22 1 1 2光的基本原理 光子的能量 电子伏特 eV 而不是 焦耳 J 一个电子伏特的能量相当于把一个电子的电势提高一伏所需要的功 所以 要实现电
16、子伏特与焦耳的转换 只需用电荷量q乘于1电子伏特的能量 公式如下 E J q E eV 在表达关于eV和 m方面的光子能量方程的时候 我们找到了表示能量与波长之间的关系E eV 1 24 m 2020 5 4 23 1 1 2光的基本原理 光子的能量 通过上面的公式 可求出特定波长的光子的能量大小 2020 5 4 24 1 1 3光的基本原理 光子通量 光子通量被定义为单位时间内通过单位面积的光子数量 光子通量是决定太阳能电池产生的电子数量和电流大小的重要因素 然而 单单光子通量并不足以确定太阳能电池产生的电流大小或说明光源的特性 光子通量没有包含关于入射光子的能量或波长的信息 因此 除非额外提供了光子能量方面的信息 否则功率强度 或吸收效率 就不能被确定 对于一群能量相同 单色光 且光子能量已经知道的光子来说 总的辐射功率强度 以W m2 2020 5 4 25 1 1 3光的基本原理 光子通量 为单位 可以用以下公式计算 其中 指的是光子通量 E是以单位eV计算的光子能量 上面公式的应用之一是 表明了要获得同样的辐射强度 高能量的光子 短波 所需的光子通量比低能量的光子 长波
