【精选】浅析太阳能发电的应用和前景

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1、1浅 析 太 阳 能 光 伏 发 电 系 统 及 应 用 前 景华 北 电 力 大 学 电 气 0713 班 蒋 智 宇摘 要 ： 本 文 阐 述 了 太 阳 能 发 电 的 原 理 、 发 电 的 方 式 、 发 电 系 统 的 组 成 及应 用 ， 分 析 了 太 阳 能 发 电 的 研 究 现 状 和 广 阔 的 发 展 前 景 。关 键 词 ： 太 阳 能 发 电 、 原 理 、 应 用 、 前 景一 、 引 言随 着 全 球 经 济 的 快 速 发 展 、 人 类 的 进 步 ， 人 们 对 能 源 提 出 了 越 来 越 高 的要 求 ， 开 发 新 的 能 源 已 经 成 为 当

2、 前 人 类 面 临 的 迫 切 课 题 。 因 为 火 电 需 要 燃 烧 煤 、 石 油 等 化 石 燃 料 ， 一 方 面 化 石 燃 料 蕴 藏 量 有 限 ，正 面 临 着 枯 竭 的 危 险 。 另 一 方 面 燃 烧 燃 料 将 排 出 CO2 和 硫 的 氧 化 物 ， 会 导致 温 室 效 应 和 酸 雨 ， 恶 化 地 球 环 境 。 水 电 要 淹 没 大 量 土 地 ， 有 可 能 导 致 生态 环 境 破 坏 ， 而 且 大 型 水 库 一 旦 溃 崩 ， 后 果 将 不 堪 设 想 ， 另 外 ， 一 些 国 家的 水 力 资 源 也 是 有 限 的 ， 而 且 还

3、 要 受 季 节 的 影 响 。 核 电 在 正 常 情 况 下 固 然 是干 净 的 ， 但 万 一 发 生 核 泄 漏 ， 后 果 同 样 是 可 怕 的 。上 述 问 题 都 迫 使 人 们 去 寻 找 新 的 能 源 。 新 能 源 要 同 时 符 合 两 个 条 件 ： 一是 蕴 藏 丰 富 ， 不 会 枯 竭 ； 二 是 安 全 、 干 净 ， 不 会 威 胁 人 类 和 破 坏 环 境 。 目 前找 到 的 新 能 源 有 ： 太 阳 能 ， 风 能 ， 燃 料 电 池 。照 射 在 地 球 上 的 太 阳 ， 能 量 非 常 巨 大 ， 太 阳 能 照 射 在 地 球 上 大

4、约 40分 钟 ， 便 足 以 供 全 球 人 类 一 年 能 量 的 消 费 。 可 以 说 ， 太 阳 能 是 真 正 取 之 不 尽 、用 之 不 竭 的 能 源 。 而 且 太 阳 能 发 电 绝 对 干 净 ， 不 产 生 公 害 。 所 以 太 阳 能 发电 是 应 用 广 泛 ， 前 景 光 明 的 理 想 能 源 。二 、 太 阳 能 发 电 的 原 理太 阳 能 发 电 是 利 用 太 阳 能 和 半 导 体 材 料 的 电 子 学 特 性 实 现 发 电 的 。1、 太 阳 能 发 电 的 原 理 （ 光 伏 发 电 ） ： 太 阳 光 照 在 半 导 体 p-n 结 上

5、， 形 成新 的 空 穴 电 子 对 ， 在 p-n 结 电 场 的 作 用 下 ， 空 穴 由 n 区 流 向 p 区 ， 电 子 由p 区 流 向 n 区 ， 接 通 电 路 后 就 形 成 电 流 。 这 就 是 光 电 效 应 太 阳 能 电 池 的 工 作原 理 。 （ 如 图 1： ）2图 12、 太 阳 能 发 电 两 种 方 式 ： 一 种 是 光 热 电 转 换 方 式 ， 另 一 种 是 光 电直 接 转 换 方 式 。 a、 光 热 电 转 换 方 式 ： 通 过 利 用 太 阳 辐 射 产 生 的 热 能 发 电 ， 一 般 是 由 太阳 能 集 热 器 将 所 吸 收

6、 的 热 能 转 换 成 工 质 的 蒸 气 ， 再 驱 动 汽 轮 机 发 电 。 前 一 个过 程 是 光 热 转 换 过 程 ； 后 一 个 过 程 是 热 电 转 换 过 程 ， 与 普 通 的 火 力 发电 一 样 .太 阳 能 热 发 电 的 缺 点 是 效 率 很 低 而 成 本 很 高 ， 估 计 它 的 投 资 至 少 要比 普 通 火 电 站 贵 5 10 倍 .一 座 1000MW 的 太 阳 能 热 电 站 需 要 投 资 20 25亿 美 元 ， 平 均 1kW 的 投 资 为 2000 2500 美 元 。 因 此 ， 目 前 只 能 小 规 模 地 应用 于 特

7、殊 的 场 合 ， 而 大 规 模 利 用 在 经 济 上 很 不 合 算 ， 还 不 能 与 普 通 的 火 电 站或 核 电 站 相 竞 争 。 b、 光 电 直 接 转 换 方 式 （ 光 伏 发 电 ） ： 利 用 光 电 效 应 ， 将 太 阳 辐 射 能 直 接转 换 成 电 能 。 光 电 转 换 的 基 本 装 置 就 是 太 阳 能 电 池 。 太 阳 能 电 池 是 一 种 由于 光 生 伏 特 效 应 而 将 太 阳 光 能 直 接 转 化 为 电 能 的 器 件 ， 是 一 个 半 导 体 光 电 二极 管 ， 当 太 阳 光 照 到 光 电 二 极 管 上 时 ， 光

8、 电 二 极 管 就 会 把 太 阳 的 光 能 变 成 电能 （ 如 图 2） ， 这 种 方 式 容 易 实 现 ， 且 成 本 较 低 ， 已 被 广 泛 应 用 。图 2 能 产 生 光 伏 效 应 的 材 料 ： 单 晶 硅 ， 多 晶 硅 ， 非 晶 硅 ， 砷 化 镓 ， 硒 铟 铜 等 。P 型 晶 体 硅 经 过 掺 杂 磷 可 得 N 型 硅 ， 形 成 P N 结 。 晶体硅为基本的电池材料。以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶硅太阳电池，铸造多晶硅太阳能电池，非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高；非晶硅太阳电池则具

9、有生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较快；铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定的转换的效率，而且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池处在研发阶段。硅系列太阳能电池中，单晶硅和多晶硅电池继续占据光伏市场的主导地位，单晶硅和多晶硅的比例已超过 80%。太 阳 能 电 池 生 产 过 程 大 致 可 分 为 五 个 步 骤 ： a、 提 纯 过 程 b、 拉 棒 过 程 c、 切 片 过 程 d、 制 电 池 过 程 e、 封 装 过 程 。3、 太 阳 能 发 电 的 过 程 ：现 以 晶 体 为 例 描 述 光 发 电 过 程 。 当 光 线 照 射 太 阳 能 电 池 表 面

10、时 ， 一 部3分 光 子 被 硅 材 料 吸 收 ； 光 子 的 能 量 传 递 给 了 硅 原 子 ， 使 电 子 发 生 了 越 迁 ， 自由 电 子 在 P N 结 两 侧 集 聚 形 成 了 电 位 差 ， 当 外 部 接 通 电 路 时 ， 在 该 电 压 的作 用 下 ， 将 会 有 电 流 流 过 外 部 电 路 产 生 一 定 的 输 出 功 率 。 当 许 多 个 电 池 串联 或 并 联 起 来 就 可 以 形 成 有 较 大 输 出 功 率 的 太 阳 能 电 池 方 阵 。三 、 太 阳 能 发 电 系 统 1、 太 阳 能 发 电 系 统 的 组 成 ： 太 阳 能

11、 发 电 系 统 主 要 由 太 阳 电 池 板 、 充 电 控 制器 、 逆 变 器 和 蓄 电 池 构 成 。 （ 如 图 3） 下 面 对 各 部 分 的 功 能 做 一 个 简 单 的 介绍 ： 图 3太 阳 能 电 池 板 ： 作 用 是 将 太 阳 辐 射 能 直 接 转 换 成 直 流 电 ， 供 负 载 使 用 或存 贮 于 蓄 电 池 内 备 用 。 一 般 根 据 用 户 需 要 ， 将 若 干 太 阳 电 池 板 按 一 定 方 式 连接 ， 组 成 太 阳 能 电 池 方 阵 ， 再 配 上 适 当 的 支 架 及 接 线 盒 组 成 。充 电 控 制 器 ： 充 电

12、控 制 器 主 要 由 专 用 处 理 器 CPU、 电 子 元 器 件 、 显 示 器 、开 关 功 率 管 等 组 成 。 在 太 阳 发 电 系 统 中 ， 充 电 控 制 器 的 基 本 作 用 是 为 蓄 电 池提 供 最 佳 的 充 电 电 流 和 电 压 ， 快 速 、 平 稳 、 高 效 的 为 蓄 电 池 充 电 ， 并 在 充 电过 程 中 减 少 损 耗 、 尽 量 延 长 蓄 电 池 的 使 用 寿 命 ； 同 时 保 护 蓄 电 池 ， 避 免 过 充电 和 过 放 电 现 象 的 发 生 。 同 时 记 录 并 显 示 系 统 各 种 重 要 数 据 ， 如 充 电

13、 电 流 、电 压 等 。 控 制 器 的 性 能 不 好 时 ， 对 蓄 电 池 的 使 用 寿 命 影 响 很 大 ， 并 最 终 影 响系 统 的 可 靠 性 。逆 变 器 ： 作 用 就 是 将 太 阳 能 电 池 方 阵 和 蓄 电 池 提 供 的 直 流 电 逆 变 成 交 流电 ， 供 给 交 流 负 载 使 用 和 并 入 电 网 。 效 率 是 选 择 逆 变 器 的 重 要 标 准 之 一 ， 效率 越 高 ， 意 味 着 在 将 光 电 组 件 产 生 的 直 流 电 转 换 成 交 流 电 的 过 程 中 产 生 的 电量 损 耗 就 越 少 。 逆 变 器 的 质 量

14、 决 定 了 发 电 系 统 的 效 益 ， 它 是 太 阳 能 发 电 系 统的 核 心 。蓄 电 池 组 ： 作 用 是 将 太 阳 电 池 方 阵 发 出 直 流 电 贮 能 起 来 , 供 负 载 使 用 。在 光 伏 发 电 系 统 中 , 蓄 电 池 处 于 浮 充 放 电 状 态 。 白 天 太 阳 能 电 池 方 阵 给 蓄 电池 充 电 ,同 时 方 阵 还 给 负 载 用 电 ,晚 上 负 载 用 电 全 部 由 蓄 电 池 供 给 。 因 此 , 要求 蓄 电 池 的 自 放 电 要 小 , 而 且 充 电 效 率 要 高 , 同 时 还 要 考 虑 价 格 和 使 用

15、是 否方 便 等 因 素 。2、 太 阳 能 发 电 系 统 运 行 方 式 ： 太 阳 能 发 电 系 统 有 直 流 供 电 、 交 流 供 电 、交 直 流 供 电 、离 网 运 行 、 并 网 运 行 、 风 光 互 补 运 行 几 种 运 行 方 式 （ 如 图 4）4图 4直 流 供 电 系 统 ： 太 阳 能 发 电 控 制 器 对 发 出 的 电 能 进 行 调 节 控 制 后 ， 直 接送 给 直 流 负 载 ， 多 余 部 分 送 蓄 电 池 储 存 。交 流 供 电 系 统 ： 太 阳 能 发 电 控 制 器 对 发 出 的 电 能 进 行 调 节 控 制 后 ， 经 过

16、逆 变 器 后 送 往 交 流 负 载 ， 多 余 的 能 量 送 往 蓄 电 池 组 储 存 。离 网 发 电 系 统 ： 太 阳 能 发 电 控 制 器 (光 伏 控 制 器 和 风 光 互 补 控 制 器 )对 所发 的 电 能 进 行 调 节 和 控 制 ， 一 方 面 把 调 整 后 的 能 量 送 往 直 流 负 载 或 经 过 逆 变器 送 往 交 流 负 载 ， 另 一 方 面 把 多 余 的 能 量 送 往 蓄 电 池 组 储 存 ， 当 所 发 的 电 不能 满 足 负 载 需 要 时 ， 控 制 器 又 把 蓄 电 池 的 电 能 送 往 负 载 。 （ 图 4 中 的 直 流 供电 、 交 直 流 供 电 、 风 光 互 补 发 电 都 属 于 离 网 发 电 系 统 ）并 网 发 电 系 统 ： 将 太 阳 能 发 电 产 生 的 电 能 不 经 过 蓄 电 池 储 能 ， 通 过 并 网逆 变 器 直 接 馈 入 电 网 的 发 电 系 统 。 因 为 直