太阳能发电00002.docx
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太阳能发电00002
太阳能发电
一、太阳能发电有两大类型：
一类是太阳光发电（亦称太阳能光发电），另一类是太阳热发电（亦称太阳能热发电）。
1、太阳能光发电是将太阳能直接转变成电能的一种发电方式。
它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电四种形式，在光化学发电中有电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池。
2、太阳能热发电是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能，它有两种转化方式。
一种是将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的温差发电，真空器件中的热电子和热电离子发电，碱金属热电转换，以及磁流体发电等。
另一种方式是将太阳热能通过热机（如汽轮机）带动发电机发电，与常规热力发电类似，只不过是其热能不是来自燃料，而是来自太阳能。
二、理想能源
照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，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。
所以太阳能发电被誉为是理想的能源。
从太阳能获得电力，需通过太阳电池进行光电变换来实现。
它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：
①无枯竭危险；②绝对干净（无公害）；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。
不足之处是：
①照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。
但总的说来，瑕不掩瑜，作为新能源，太阳能具有极大优点，因此受到世界各国的重视。
要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低其成本，二是要实现太阳能发电同的电网联网。
太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种。
单晶硅太阳电池变换效率最高，已达20%以上，但价格也最贵。
非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。
一旦它的大面积组件光电变换效率达到10%，每瓦发电设备价格降到1－2美元时，便足以同其他的发电方式竞争。
估计本世纪末便可达到这一水平。
当然，特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多，如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳电池，光电变换效率可达36%，快赶上了燃煤发电的效率。
但由于它太贵，只能限于在卫星上使用。
三、结构原理
太阳能发电是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。
太阳能电池组件（Solarcells）是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置，在广大的无电力网地区，该装置可以方便地实现为用户照明及生活供电，一些发达国家还可与区域电网并网实现互补。
目前从民用的角度，在国外技术研究趋于成熟且初具产业化的是"光伏--建筑（照明）一体化"技术，而国内主要研究生产适用于无电地区家庭照明用的小型太阳能发电系统。
太阳能发电系统主要包括：
太阳能电池组件（阵列）、控制器、蓄电池、逆变器、用户即照明负载等组成。
其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。
太阳能电池与蓄电池组成系统的电源单元，因此蓄电池性能直接影响着系统工作特性。
1、电池单元
由于技术和材料原因，单一电池的发电量是十分有限的，实用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件（阵列）。
单一电池是一只硅晶体二极管，根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。
同于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，因而能在光照下形成电流密度J，短路电流Isc，开路电压Uoc。
若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载，理论上讲由P-N结、连接电路和负载形成的回路，就有"光生电流"流过，太阳能电池组件就实现了对负载的功率P输出。
理论研究表明，太阳能电池组件的峰值功率Pk，由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷（需电量）决定。
2、储存单元
太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存，蓄电池的特性影响着系统的工作效率和特性。
蓄电池技术是十分成熟的，但其容量要受到末端需电量，日照时间（发电时间）的影响。
因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的连续无日照时间决定。
3、控制器
控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。
而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即PWM控制方式，使整个系统始终运行于最大功率点Pm附近区域。
放电控制主要是指当电池缺电、系统故障，如电池开路或接反时切断开关。
目前日立公司研制出了既能跟踪调控点Pm，又能跟踪太阳移动参数的"向日葵"式控制器，将固定电池组件的效率提高了50%左右。
4、逆变器
逆变器按激励方式，可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。
主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。
通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率f，额定电压UN等匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。
5、发电系统反充二极管
太阳能光伏发电系统的防反充二极管又称阻塞二极管，在太阳电池组件中其作用是避免由于太阳电池方阵在阴雨和夜晚不发电或出现短路故障时，擂电池组通过太阳电池方阵放电。
防反充二极管串联在太阳电池方阵电路中，起单向导通作用。
因此它必须保证回路中有最大电流，而且要承受最大反向电压的冲击。
一般可选用合适的整流二极管作为防反充二极管。
一块板的话可以不用任何二极管，因为控制器本来就可防反冲。
板子串联的话，需要安装旁路二极管，如果是并联的话就要装个防反冲二极管，防止板子直接冲电。
防反充二极管只是保护作用，不会影响发电效果。
四、效率
在太阳能发电系统中，系统的总效率ηese由电池组件的PV转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等组成。
但相对于太阳能电池技术来讲，要比控制器、逆变器及照明负载等其它单元的技术及生产水平要成熟得多，而且系统的转换率只有17%左右。
因此提高电池组件的转换率，降低单位功率造价是太阳能发电产业化的重点和难点。
太阳能电池问世以来，晶体硅作为主角材料保持着统治地位。
对硅电池转换率的研究，主要围绕着加大吸能面，如双面电池，减小反射；运用吸杂技术减小半导体材料的复合；电池超薄型化；改进理论，建立新模型；聚光电池等。
充分利用太阳能是绿色照明的重要内容之一。
而真正意义上的绿色照明至少还包括：
照明系统的高效率，高稳定性，高效节能的绿色光源等。
设计
成功地把太阳能组件和建筑构件加以整合，如太阳能屋面（顶）、墙壁及门窗等，实现了"光伏--建筑照明一体化（BIPV）"。
1997年6月，美国宣布了以总统命名的"太阳能百万屋顶计划"，在2010年以前为100万座住宅实施太阳能发电系统。
日本"新阳光计划"已在2000年以前将光伏建筑组件装机成本降到170～210日元/W，太阳能电池年产量达10MW，电池成本降到25～30日元/W。
1999年5月14日，德国仅用一年两个月建成了全球首座零排放太阳能电池组件厂，完全用可再生能源提供电力，生产中不排放CO2。
工厂的南墙面为约10m高的PV阵列玻璃幕墙，包括屋顶PV组件，整个工厂建筑装有575m2的太阳能电池组件，仅此可为该建筑提供三分之一以上的电能，其墙面和屋顶PV组件造型、色彩、建筑风格与建筑物的结合，与周围的自然环境的整合达到了十分完美的协调。
该建筑另有约45kW容量，由以自然状态的菜子油作燃料的热电厂提供，经设计燃烧菜子油时产生的CO2与油菜生长所需的CO2基本平衡，是一座真正意义上的零排放工厂。
BIPV还注重建筑装饰艺术方面的研究，在捷克由德国WIP公司和捷克合作，建成了世界第一面彩色PV幕墙。
印度西孟加拉邦为一无电岛117家村民安装了12.5kW的BIPV。
国内常州天合铝板幕墙制造有限公司研制成功一种"太阳房"，把发电、节能、环保、增值融于一房，成功地把光电技术与建筑技术结合起来，称为太阳能建筑系统（SPBS），SPBS已于2000年9月20日通过专家论证。
上海浦东建成了国内首座太阳能--照明一体化的公厕，所有用电由屋顶太阳能电池提供。
这将有力地推动太阳能建筑节能产业化与市场化的进程。
研究
绿色照明系统优化设计，要求低能耗下获得高的光效输出，并延长灯的使用寿命。
因此DC-AC逆变器设计，应获得合理的灯丝预热时间和激励灯管的电压和电流波形。
处在研究开发中的太阳能照明光源激励方式有四种典型电路：
①自激推挽振荡电路，通过灯丝串联启辉器预热启动。
该光源系统的主要参数是：
输入电压DC=12V，输出光效>495Lm/支，灯管额定效率9W，有效寿命3200h，连续开启次数>1000次。
②自激推挽振荡（简单式）电路，该光源系统的主要参数是：
输入电压DC=12V，灯管功率9W，输出光效315Lm/支，连续启动次数>1500次。
③自激单管振荡电路，灯丝串联继电器预热启动方式。
④自激单管振荡（简单式）电路等方式的高效节能绿色光源。
五、优缺点
相比其他的能源利用技术，太阳能发电有其无可比拟的优势，主要表现在：
太阳能资源没有枯竭危险，且资源分布广泛，受地域限制小；
太阳能电池主要的材料--硅，原料丰富；无机械转动部件，没有噪声，稳定性好；
维护保养简单，维护费用低；系统为组件，可在任何地方快速安装无污染，完全干净（蓄电池除外）。
同时，太阳能发电也有其不足之处：
太阳能照射的能量分布密度小，约100W/m2；年发电时数较低，平均1300h；不能连续发电，受季节、昼夜以及阴晴等气象状况影响大；精准预测系统发电量比较困难；光伏系统的造价还比较高，系统成本40000～60000元/kW。
六、现状
[1]太阳能发电主要分为太阳能光伏发电和太阳能热能发电两种，2011年全球新增太阳能发电装机容量约2800万千瓦。
累计装机容量达6900万千瓦，当年全球太阳能产值为930亿美元。
欧盟在太阳能发电方面居于领先地位，但美国和中国的发展势头迅猛。
今年3月美国太阳能产业协会和GTM市场调研公司共同发布的报告预计，到2016年美国占全球太阳能板市场的份额将由2011年7%提升至15%。
届时，美国与中国可能将成为全球两大领先的太阳能市场。
太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。
光伏发电系统主要由太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器组成，其中太阳能电池是光伏发电系统的关键部分，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。
太阳能电池主要分为晶体硅电池和薄膜电池两类，前者包括单晶硅电池、多晶硅电池两种，后者主要包括非晶体硅太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池和碲化镉太阳能电池。
单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高可达23%，在太阳能电池中光电转换效率最高，但其制造成本高。
单晶硅太阳能电池的使用寿命一般可达15年，最高可达25年。
多晶硅太阳能电池的光电转换效率为14%到16%，其制作成本低于单晶硅太阳能电池，因此得到大量发展，但多晶硅太阳能电池的使用寿命要比单晶硅太阳能电池要短。
提高太阳能发电竞争力的途径，就是要提高其光电转换效率，降低生产成本。
因此，硅太阳能电池的研发主要围绕以下两个方面进行：
一是提高太阳光辐照能转化为电能的光电转换效率；二是大幅度降低单瓦成本。
2010年美国能源部启动了“太阳计划”，旨在降低太阳能发电的均化成本，计划到2020年在没有补贴的前提下将其降为每千瓦50到60美元。
就公用事业电站项目的太阳能发电而言，其安装成本必须降至每瓦1美元，其中太阳能电池模块的成本为每瓦0.5美元，并入常规电网的成本为每瓦0.1美元，软性成本（包括安装、许可证的获取和其他成本等）为每瓦0.4美元。
据美国SunRun发布的一份报告显示，地方审批流程这一项就使每户住宅的光伏安装成本增加2500多美元，降低这类软性成本也有利于提高太阳能的竞争优势，而“太阳计划”的目标之一就是致力于降低软性成本以降低模块成本。
由于产能过剩、全球经济不景气，以及工程和制造技术的创新，硅太阳能模块的售价自2008年第2季度以来大幅降低：
从原来的每瓦4美元降为每瓦1美元。
随着未来技术创新步伐的加快，其售价将会降为每瓦0.8美元，2020年将降为每瓦0.5美元。
相比之下，软性成本的降幅不大。
薄膜太阳能电池是用硅、硫化镉、砷化镓等薄膜为基体材料的太阳能电池。
薄膜太阳能电池可以使用质轻、价低的基底材料（如玻璃、塑料、陶瓷等）来制造，形成可产生电压的薄膜厚度不到1微米，便于运输和安装。
然而，沉淀在异质基底上的薄膜会产生一些缺陷，因此现有的碲化镉和铜铟镓硒太阳能电池的规模化量产转换效率只有12%到14%，而其理论上限可达29%。
如果在生产过程中能够减少碲化镉的缺陷，将会增加电池的寿命，并提高其转化效率。
这就需要研究缺陷产生的原因，以及减少缺陷和控制质量的途径。
太阳能电池界面也很关键，需要大量的研发投入。
此外，也需要设计一套在线监测和控制系统，以改进生产质量控制，并将之作为一种长期性措施。
目前，碲化镉薄膜太阳能板的成本最低（大约为每瓦0.7美元）。
未来20到25年，所有新型太阳能发电技术都将受惠于财政贴息政策，因此光伏发电技术必将有相当大的发展空间，这将增强该项技术的市场竞争力。
如果能够将光电转化率从17%提高到20%，太阳能电板的成本和某些软性成本将会大幅度降低，这将会给未来的市场带来变革性的重大影响，其影响可以与将多晶硅太阳能电池的光电转化效率提高到18%以上相媲美。
高效多结太阳能电池技术也非常引人注目。
高效多结太阳能电池是指针对太阳光谱，在不同的波段选取不同带宽的半导体材料做成多个太阳能子电池，最后将这些子电池串联形成多结太阳能电池。
太阳能光伏发电技术竞争异常激烈，从经济性的角度考虑，任何一项技术只有在商业化规模上能将太阳电池板的成本降为每瓦0.5美元，才有实际应用价值。
太阳热能发电是利用集热器将太阳辐射能转换为热能，并通过热力循环过程进行发电，其均化成本可以降为每千瓦时50到60美元。
太阳热能发电系统有三类：
抛物槽式聚焦系统、塔式聚焦系统和碟式系统，转换效率大约为30%到35%。
聚焦式太阳能热发电系统的传热工质主要是水、水蒸汽和熔盐等，这些传热工质在接收器内可以加热到摄氏450度然后用于发电。
此外，该发电方式的储热系统可以将热能暂时储存数小时，以备用电高峰时之需。
抛物槽式聚焦系统是利用抛物柱面槽式发射镜将阳光聚集到管形的接收器上，并将管内传热工质加热，在热换气器内产生蒸汽，推动常规汽轮机发电。
塔式太阳能热发电系统是利用一组独立跟踪太阳的定日镜，将阳光聚集到一个固定塔顶部的接收器上以产生高温。
为了实现均化成本为每千瓦时50到60美元的目标，必须提高热机的效率。
这需要将传热工质的温度加热到摄氏600度，需要研制性能更好的抛物柱面太阳能反射镜和发电塔。
此外，也需要研发太阳能聚热器使用的低成本、耐高温新型材料。
如果能将太阳聚热器内传热工质的温度加热到摄氏600度以上，太阳热能发电将能与天然气混合循环发电技术相媲美。
另一个有潜力的途径是将太阳能光伏发电和热能发电有机地结合起来。
可将聚光太阳辐射中的可见光谱过滤出来用于光伏发电，其余光谱用于热能发电；此外，由于太阳热能发电极少能完全利用聚光太阳辐射，这也为光伏发电和太阳能聚热器的有机整合提供了可能性。
利用太阳热能发电需要及时准确预测太阳辐射量的变化情况，以适应计划配电的需要。
同时还需要开发相应的电力储能技术，以克服太阳能发电波动性所带来的诸多不便。
七、前景
太阳能发电有更加激动人心的计划。
一是日本提出的创世纪计划。
准备利用地面上沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全球供电。
据测算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太阳能发电供给全球能源，占地也不过为65.11万平方公里、186.79万平方公里、829.19万平方公里。
829.19万平方公里才占全部海洋面积2.3%或全部沙漠的51.4%，甚至才是撒哈拉沙漠的91.5%。
因此这一方案是有可能实现的。
另一是天上发电方案。
早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满太阳电池，这样便可提供500万千瓦电力。
但这需要解决向地面无线输电问题。
现已提出用微波束、激光束等各种方案。
目前虽已用模型飞机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电，但离真正实用还有漫长的路程。
随着中国技术的发展，在2006年，中国有三家企业进入了全球前十名，标志着中国将成为全球新能源科技的中心之一，世界上太阳能光伏的广泛应用，导致了目前缺乏的是原材料的供应和价格的上涨，我们需要将技术推广的同时，必须采用新的技术，以便大幅度降低成本，为这一新能源的长远发展提供原动力！
太阳能的使用主要分为几个方面：
家庭用小型太阳能电站、大型并网电站、建筑一体化光伏玻璃幕墙、太阳能路灯、风光互补路灯、风光互补供电系统等，风光互补系统。
世界目前已有近200家公司生产太阳能电池，但生产设备厂主要在日企之手。
韩国三星、LG都表示了积极参与的愿望，中国海峡两岸同样十分热心。
据报道，中国台湾2008年结晶硅太阳能电池生产能力达2．2GW，以后将以每年1Gw生产能力扩大，当年并开始生产薄膜太阳能电池，今年将大力增强，台湾期待向欧洲“太阳能电池大国”看齐。
2010年各国及地区有1GW以上生产计划的太阳能电池厂商有日本Sharp，德国Q—Cells，Scho~Solar，拐5威RWESolar，中国SuntechPower等5家公司，其余7家500MW以上生产能力的公司。
世界太阳能电池市场高歌猛进，一片大好，但百年不遇的金融风暴带来的经济危机，同样是压在太阳能电池市场头上的一片乌云，主要企业如德国Q—Cells的业绩应声下调，预年今年世界太阳电地市场也会因需求疲软、石油价格下降而竞争力反提升等不利因素而下挫。
但与此同时，人们也看到美国．奥巴马上台后即将施行GreenNewDeal政策，包括其内的绿色能源计划可有1500亿美元的补助资金，日本也将推行补助金制度来继续普及太阳能电池的应用。
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