太阳能光伏发电技术与光热转换技术资料Word格式.docx
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使我在掌握了太阳能的知识及应用的同时，提高了自己的思维能力和创新精神。
关键词：
光伏发电；
光热转换；
太阳能电池板；
太阳能集热器；
Abstract
Intoday'
ssociety，coal,oilandothernaturalresourcesexploitationofchemicalconstantly,maketheseaftermillionsofyearstomillionsofyearstoformthemineralchemistrynaturalenergyconsumed.Thesechemicalenergyisnotinexhaustible,sobeinthesemineralsbeforecompletingtheenergyconsumption,humanshavetofindnewsourcesofenergytoreplacetheoldchemicalenergytocontinuetosupporthumanproductionandlifeneed.
Asphotovoltaicpowergenerationofmainequipment,solarbatteryinrecentyearsobtainedverybigdevelopmentandprogress,andatthesametimethesolar-thermalconversiontechnologiessuchassolarenergywaterheatersandalsowidelyused.Thetwointheworkingprinciple,materialsandapplicationandsoonvariousaspectseachhaveanadvantage.Thisarticlethroughmoresolarphotovoltaicpowergenerationtechnologyandsolar-thermalconversiontechnology,solarphotovoltaicpowergenerationtosolarenergytechnologyandsolar-thermalconversiontechnologycomparedandlearning.Tograspthebasicknowledgeandapplicationofsolarenergyhasahugerole.
Thispaperanalyzesthesolarcellpowergeneration,andphotovoltaicpowergenerationtechnologyprincipleofprinciple,andtothesolar-thermaltechnologyprinciple,theprincipleofwarmthconversiontechnologyisdiscussed.Finallybytheexampleanalysis,suchassolarenergylamp,solarwaterheater,etc,tosolarphotovoltaicpowergenerationtechnologyandsolar-thermalconversiontechnologyhavefurtherknowledgeandunderstanding.Infurtherunderstandingandtheunderstanding,onthebasisofthedevelopmentofsolarenergyfutureprospects,themasteroftheknowledgeofthesolarenergyandapplication,andinprovemythinkingabilityandcreativespirit.
Keywords：
Photovoltaicpowergeneration;
Solar-thermalconversion;
Solarpanels;
Solarenergycollector.
引言1
第一章太阳能光伏发电原理与技术2
1.1太阳能光伏发电原理2
1.2太阳能光伏发电技术3
1.2.1太阳能光伏发电技术概述3
1.2.2太阳能电池片4
第二章太阳能光热转换原理与技术6
2.1太阳能光热转换的原理6
2.2太阳能光热转换的技术6
2.2.1太阳能光热技术概述7
2.2.2太阳能集热器7
2.2.3太阳能光热利用方式分类7
第三章太阳能光电和光热技术典型应用分析9
3.1太阳能光伏技术典型应用分析9
3.1.1太阳能灯9
3.1.2太阳能光伏发电系统11
3.2太阳能光热技术典型应用分析12
3.2.1太阳能热水器12
3.1.2太阳能光热发电系统15
第四章太阳能光伏发电技术与光热转换技术的比较18
4.1光伏发电技术与光热转换技术的共同点18
4.2光伏发电技术与光热转换技术的不同点18
4.2.1对所用能源的转换方式的比较18
4.2.2光伏与光热转换效率比较19
4.3光伏发电技术与光热转换技术的对比分析19
4.4光伏发电技术与光热转换技术所需装置比较20
4.5光伏发电技术与光热转换技术的发展现状比较21
4.5.1太阳能光伏技术发展现状21
4.5.2太阳能光热技术发展现状23
结论25
参考文献27
谢辞29
引言
当今社会，人类对煤矿，石油等天然资源不断开采，导致这些经过上万年才能形成的天然能源出现了供应不足的现象。
对矿石能源的利用虽然给人类的生活带来了质的改变，但获益的同时也污染了我们赖以生存的地球家园。
面对能源问题，要想彻底进行解决就必须要找到可以替代的新能源。
而在所有的新型能源中，太阳能的优越性尤为突出。
太阳能作为新型能源中的重要角色，对解决当前环境污染以及资源枯竭问题具有非常重大的意义。
太阳能资源具有无污染、可再生、储量巨大等优点，可以供人类世世代代循环使用。
在19世纪中期，科学家们曾经估算过，每年由太阳辐射到地球上的太阳能总能量约为17.8亿千瓦时。
太阳能这种新型清洁能源的出现，为人类的能源问题带来了新的希望。
最近几年，太阳能技术应用范围愈加广泛，由于其环保能源的称号，太阳能资源越来越受到人们的青睐。
目前世界上太阳能利用的主要途径为太阳能光热转换和光电转换。
其应用主要分为两个方向：
一是太阳能光伏发电技术，二是太阳能光热转换技术。
太阳能光伏技术最先应用于航天航空领域，将收集的太阳能转换为电能，以用于维持卫星的用电需要。
随着太阳能照明设备的普遍使用及太阳能光伏电站在各地的建立，太阳能光伏技术的应用范围会变得越来越广泛。
而太阳能光热转换技术的应用方向也有很多，例如太阳能热水器、太阳灶及太阳能热电站（包括槽式太阳能电站，塔式太阳能电站）等，这同样体现了太阳能光热转换技术在科学发展中的重要地位。
国际上对太阳能的研究主要是集中在利用太阳能光热或者光电转换技术实现高效的发电效率的问题上。
最近几年，在光伏发电设备方面的研究上，科学工作者们实现了很大的技术发展飞跃。
本论文，将对太阳能光伏发电技术与光热转换技术的进行分析比较，来说明太阳能应用在各个技术领域中的重要性。
第一章太阳能光伏发电原理与技术
1.1太阳能光伏发电原理
太阳能光伏系统的主要原理是利用半导体界面发生的光生伏特效应，来达到将太阳光能直接转化为电能的目的。
早在1839年，法国物理教授贝克雷尔就通过实验证明，光照能使一些半导体材料的不同部位产生电位差，后来人们将此现象命名为“光生伏特效应”，也就是“光伏效应”。
随着人类科技的不断发展，1954年，美国的科学家恰宾和皮尔松在美国著名的贝尔实验室里制成了世界上第一块单晶硅太阳能电池，太阳电池能量转换的理论基础是PN结的光生伏特效应。
进行光能向电能的转换主要是靠PN结完成的。
在一块半导体中，掺入施主杂质，即在硅中掺入少量的三价元素就可形成P型半导体，掺入少量的三价元素后会在半导体内部形成带正电的空穴，所以P型半导体一般带正电。
而在导体的另一端掺入少量的五价元素，即可形成N型半导体，由于在掺入少量的五价元素后，在半导体内部会形成带负电的自由电子，所以N型半导体一般带负电。
将P型半导体和N型半导体拼合在一起后，在二者交界处便会形成可以进行光伏效应的PN结，如图1.1（a）所示。
形成的PN结后，只要其受到阳光或灯光的照射，就能够将光能转换成电能，使电流从一方流向另一方。
PN结进行转换依赖的能源是可见光，照射到PN结的光线越强，可以转换出的电能就越多。
将多个PN结组合在一起，便形成了太阳能电池。
太阳能电池的结构同晶体管大致相同，是由半导体硅制成的。
我们需要指出的是，太阳能光伏转换技术使用的太阳能电池所用材料并不是纯净的硅单质，虽然材料中硅的含量较高，但其中同样含有一些其它的合金，需要经过特殊的提纯处理才能进行使用。
太阳能电池内进行光伏反应时，半导体硅内部电荷分布状态发生改变产生光伏效应。
当电荷状态发生改变后，将会产生电动势和电流。
半导体硅的光伏效应的具体变化过程如下：
当有阳光照射在半导体硅的PN结上时，部分光子会被半导体硅所吸收，光子的能量转移给了半导体硅原子，此时电子脱离束缚，发生跃迁。
由于反应中形成了新的电子-空穴对，因此在PN结的两侧就形成了电位差，这就是通常所说的光生电压。
电路接通以后，因为有PN结电场，半导体P区产生的是空穴，而N区产生的是光生电子，光生电子为多子的一种，所以它将会被势垒阻挡而导致不能过节，只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对扩散到结电场附近时能在内建电场作用下能够漂移过结，如图1.1（b）所示。
光生电子转移到N区，光生空穴转移到P区，在这种作用下，内建电场将电子空穴对分离。
最后，N区附近光生电子积累，在P区附近光生空穴积累。
它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。
此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差。
因为有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反，导致光生空穴由n区流向p区，光生电子由p区流向n区，所以电路中会有电流的存在。
（a）（b）
图1.1（a）形成P-N结前载流子的扩散过程（b）空间电荷区和内建电场
1.2太阳能光伏发电技术
1.2.1太阳能光伏发电技术概述
光伏发电技术是利用太阳能电池片将太阳能直接转换为电能的新生技术。
由于太阳能的覆盖范围极广，故利用光伏技术进行发电不受地域限制。
此外，光伏系统还具有无噪声、安全可靠、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电，供电建设周期短的优点。
在太阳能光电技术中，能够将太阳辐射出来的能量转换为电能的核心器件是太阳能电池板，因此它被一部分科学家称为太阳能量转换系统的心脏。
光伏发电系统主要部件有太阳能电池板，控制器，逆变器三大部分组成。
使用太阳能电池可以完成太阳能光能向电能的转换，如果将太阳能电池串联封装，并安装功率控制器，就能形成大面积的太阳能电池光伏发电设备。
光伏发电设备没有机械部件，且设备操作简易。
光伏发电技术的产品主要用于三大方面：
一是为无电场合提供电源；
二是应用于各类太阳能电子产品，如太阳能充电器、太阳能灯等；
三是用于太阳能光伏并网或离网发电。
1.2.2太阳能电池片
光伏发电技术从本质上方面考虑，可以被分为薄膜光伏和晶体光伏两种。
单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池都属于晶体光伏技术。
除了单晶硅，多晶硅外，能产生光伏效应的材料还有很多种，例如非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。
但是在目前来看，产生光伏效应的元器件主要还是单晶硅或者多晶硅，其中很大的一个影响因素就是半导体硅的造价比较低廉。
薄膜光伏材料则是通过将一层超薄光伏材料沉积在基片上制成的。
比较常见的薄膜光伏材料是使用非晶硅制成。
除了非晶硅以外，也可以使用其他的材料，例如硒化铟铜、二硒化镓、碲化镉等进行太阳能电池的制作。
表1-1太阳能电池片材料对比
类型项目
单晶硅
多晶硅
非晶硅
转换效率
12-17%
10-15%
6-8%
使用寿命
15-20年
5~10年
平均价格
昂贵
较贵
较便宜
稳定性
好
差（会衰减）
颜色
黑色
深蓝
棕
主要优点
转换效率高、工作稳定，体积小。
工作稳定，成本低。
使用广泛。
造价低，弱光性好，多数用于计算器，电子表等
主要缺点
成本高
转换效率较低
转换效率低，会衰减。
相同功率的面比晶体硅大一倍以上
为了更好的将太阳能应用于市场，商品化的太阳能电池主要有以下几种类型：
单晶硅太阳能电池板、多晶硅太阳能电池板以及非晶硅太阳能电池板。
在实验室中测得的转换数据是：
多晶硅太阳能电池的效率大约是在16%-17%，单晶硅太阳能电池板的转换效率大约为18%-20%。
在相同光照条件下,在这三种太阳能电池板中，单晶硅太阳能电池板的转换效率是最高的。
虽然多晶硅太阳能电池的转换效率低些，但由于多晶硅太阳能电池的成本较低，相较单晶硅太阳能电池，其具有较强的竞争能力。
现在来对三种电池片用表格的形式进行一下对比（见表1-1）。
太阳能转换效率的差异是因为使用的原料是不一样的。
单晶硅太阳能电池片是由从圆柱形单晶硅上切割下来的单晶制成，由于其制造工艺是过于复杂，价格昂贵。
而多晶硅太阳能电池片则是使用从熔化及再结晶硅的晶面上切割下来的微细晶片制成，这虽然使多晶硅太阳能电池片的生产成本降低，但其的入射光转换率同样受到影响。
第二章太阳能光热转换原理与技术
2.1太阳能光热转换的原理
太阳能光热转换在太阳能的应用上扮演着很重要的角色，能够为我们的日常生活提供了很大方便。
依靠太阳能光热转换原理，可以将热辐射能转换为我们所需要的其它形式的能量。
光热转换的基本工作原理是：
使用特制的太阳能采光面，将照射到采光面上的太阳辐射能尽可能的采集和吸收，再将收集到的辐射能用于加热水或空气等物质。
太阳能光热转换原理可分为直接转换利用和间接转换利用两种形式。
直接使用太阳能进行加热后的工质属于直接利用。
光能被转换为热能后，再将其转化为电能的方法属于间接利用。
在未来，我们将利用太阳能光热转换原理进行发电，完成光—热—电的转换，来满足人们对电能的需求。
太阳能光热发电的原理是使用大规模阵列抛物或碟形镜面来收集太阳能，再利用太阳能集热器将收集的热能转换为吸热工质的内能，加热后的工质将产生蒸汽，可用于驱动气轮机的运转，最后带动发电机进行发电，前一转换过程为光—热转换，后面的转换过程属于热—电转换。
为了尽量解决太阳能分散的这一缺陷，将辐射能转化为热能这一步骤就变得至关重要，因此集热器就成了太阳能光热转换装置的核心部分。
太阳能发电被分为太阳能聚热发电（CSP）和太阳能光伏发电（PV）两种，生活中运用较多的为太阳能聚热发电，其在当今世界太阳能规模发电中使用率可以达到92.7%，相比之下，太阳能光伏发电才接近于7%。
从太阳能规模发电使用率可以看出，太阳能光热转换在太阳能工程中占有着非常重要的地位。
如果从热力学原理角度出发来看这个问题，太阳能光热发电站的原理与热力发电厂的原理是相同的。
太阳能聚热发电按照其聚热方式不同，分为槽式线聚焦系统、塔式聚焦系统、反射菲涅尔聚焦系统以及碟式聚焦系统四种形式。
这些技术的发展中，槽式太阳能聚热发电最具竞争力，其被证明是可以与一次性能源相竞争的可再生能源技术。
2.2太阳能光热转换的技术
太阳能可以被视为一种取之不尽，用之不竭的永久性的清洁能源，太阳每秒钟辐射到地球上的总能量约等于五百万吨标准煤所散发出的热量。
利用太阳可实现直接发电，这将成为解决能源问题的有效方式之一。
现在已经有很多太阳能热发电项目投入运行，太阳能热发电技术在未来必会拥有十分广阔的发展前景。
2.2.1太阳能光热技术概述
太阳能光热技术的定义是将太阳辐射能转化为热能的利用技术。
按照最终转换产物的不同，太阳能光热技术可被分为光热转换和光热电转换两种形式。
二者原理大致相似，都是利用集热器将太阳光的热能收集起来，再将收集到的能量用于转换。
目前，太阳能光热转换技术的各项应用中适用范围最广的就是太阳能热水器和太阳能热发电两大技术。
太阳能热水器的原理主要是通过汇聚，收集太阳光产生热能（现在使用最多最常见的太阳能收集装置，主要为真空管集热器、平板型集热器、聚焦集热器），再将热能用于加热水，使水温升高，达到使用要求。
2.2.2太阳能集热器
太阳能光热转换的关键在于高效地收集太阳能，主要包括：
选择性表面技术，受光面的光学设计，集热体的热结构设计与分析及装置的机械结构设计四个方面。
除了以上的四点以外，还需要尽可能降低能量转换过程中的各种热、电损失。
要想提高太阳能光热转换效率，就必须改进太阳能光热技术集热器。
它是所有太阳能热利用装置的关键部分。
其用于吸收太阳辐射能，并将转换产生的热能传递到传热介质。
高转换效率的集热器由收集装置和吸收装置两部分组成。
太阳发出的光是由不同波长的可见光和非可见光组成，不同的物质对不同的颜色即不同波长的光的吸收和反射能力也是不同的。
黑颜色吸收阳光的能力最强，而白色反射阳光的能力最强，因此所有的太阳能集热器的吸收装置都是使用黑颜色来进行吸热。
集热器的收集装置的原理是使平行的阳光通过聚焦透镜聚集在一点、一条线或一个小的面积上，来达到集热的目的。
要提高太阳集热器的效率，唯一的办法是最大限度地采集太阳能的同时，尽可能减小其对流和热能的辐射损失，我们可以使用优质的选择性吸收涂层材料和高透过率盖板材料来对太阳能热进行收集。
2.2.3太阳能光热利用方式分类
按照其利用方式不同被分为两类，分别为直接利用形式和间接利用形式。
常用的直接利用形式有：
（1）使用太阳能空气集热器进行供暖等操作；
（2）使用太阳能热水器，为日常生活提供热水；
（3）间接加热式被动太阳房的使用，其原理是利用集热一储热原理；
（4）使用太阳能加热空气产生热压的方法用于建筑中，增强建筑通风。
目前生活中被广泛运用的是蔬菜温室大棚、果脯等物质的干燥操作等。
剩下的几种技术目前仍在研究开发中，想要走向生活，普遍化，还需一定的时间积累。
常用的太阳能间接利用形式为：
太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷、太阳能喷射制冷。
这些技术目前也仍处于研究阶段，距离形成定型产品并生产还需一定时间。
第三章太阳能光电和光热技术典型应用分析
3.1太阳能光伏技术典型应用分析
3.1.1太阳能灯
太阳能灯的原理是依靠太阳能光伏技术，利用太阳能电池板将白天收集到的电能转换为光能。
太阳能灯应用广泛，主要有：
太阳能信号灯、太阳能手电筒、太阳能景观灯、太阳能标识灯、太阳能路灯、太阳能草坪灯、太阳能杀虫灯等。
其广灯泛用于草地、广场、公园等场合起到了点缀装饰的作用。
太阳能灯除了需要使用大容量电池和太阳能电池板以外，还需要先进的专用监控电路：
白天有阳光进行光照，不需要进行照明，太阳能灯停止照明工作，蓄电池开始进入充电状态，直到蓄电池电充满为止；
而在晚上，可见度较低，太阳能灯利用白天太阳能电池板储存的电能，来进行夜间的照明。
当前，地球的资源在日益贫乏，矿石燃料成本也在不断攀升，如果使用太阳能灯进行照明，就可以为人类创造了一种新的生活形态，完成节能减排的目标，使人类社会进入一个节约能源减少污染的时代。
太阳能灯对比用电照明工具有着很大的优越性：
首先，用电照明设备安装过程复杂，需要铺设电缆，即需进行挖设电缆沟，铺设暗管，管内穿线，回填等大量基础工程，这之中只要有一条线路有问题，就需要大面积进行返工。
而安装太阳能照明灯就相对简单，无须铺设复杂的输电电路。
此外，市电照明灯灯具成本很高，并且要经常对线路或灯具等进行维护或者更换，建设维护成本极高。
而太阳能灯则无需任何维护成本。
再有，市电照明灯的管道铺设还会为人类生活带来许多的安全隐患，如高压电线老化等带来的一系列问题。
太阳能灯则不会出现此类问题，由于其使用的是低压直流电，没有任何的安全隐患，节能绿色环保，运行安全可靠的优点，在供电工程中，体现了明显的投资优势。
太阳能灯通常包括以下几个部分：
太阳能电池组、太阳能控制器，蓄电池，高效LED照明灯，部分使用直流电源的太阳能灯还需要安装逆变器。
1.太阳能电池板：
太阳能电池板的转换效率直接决定太阳能光伏系统的质量，而且太阳能电池板的造价直接关系到太阳能光伏系统的成本。
主要使用的是晶体光伏技术，如单晶硅电池或多晶硅电池。
2.太阳能控制器：
主要对整个光伏系统起控制作用，是整个系统的电能控制部分。
如对蓄电池的过充电，过放电的保护，按照负载的电量需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出。
如果光伏系统建设在在温差大的地域，使用的太阳能控制器还要具备温度补偿功能，在输出电路里，往往还含有光控开关，时控开关的控制电路。
3.蓄电池：
太阳能光伏发电设备的储能元件，光伏发电系统中使用的蓄电池为铅酸蓄电池的占绝大多数。
因为铅酸蓄电池属于二次电池的一种，因此可以循环使用。
在充电时，将电能转化为电池的化学能，在放电时，将电池的化学能再转换为电能。
铅酸蓄电池的优点是储电量大，维护简易。
在一些微型的光伏发电系统和精密仪器发电系统中，也存在使用锂电池的情况，比如卫星中用到的储能设备就是锂电池，此外也有部分光伏发电系统使用镍氢电池、镍镉电池来储存电能。
4.逆变器：
将太阳能光伏组件发出的直流电转换成为交流电的装置被称为逆变器，它的另一个名字是电源调整器。
如果电路中有使用交流电源的设备仪器，则必须由逆变器提供交流电，将低压直流转换为高压交流。
太阳能光伏发电系统输出的直流电压一般为12的倍数，比如12VDC、24VDC、48VDC。
例如，如果需要向220AC的用电器输送电能，就需要交直流（DC-AC）逆变器来完成了。
通常情况下，逆变器将低压直流电转变为常用的220伏50Hz交流电。
有时候还需要使用DC-DC逆变器来进行电压转换，来满足用电器的需求。
5.照明负载：
LED发光二极管、三基色高效节能灯、低压钠灯、无极灯
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