太阳能光伏发电技术

太阳能光伏发电技术太阳能光伏发电技术陈洁

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第一章太阳能光伏发电概述

太阳能光伏发电概述

1.1 太阳能与太辐射 1.1.1 太阳能 1.1.2 太阳能辐射 1.1.3 我国丰富的太阳能资源 1.1.4 太阳能利用

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太阳能光伏发电概述

1.2 光伏发电技术 1.2.1 光伏产业发展现状及前景 1.2.2 中国光伏市场和产业发展状况 1.2.3 光伏在农村电气化和并网发电

市场上的潜力

1.1 太阳能与太辐射

1.1.1 太阳能太阳能是由内部氢原子发生聚变释放

出巨大核能而产生的能，来自太阳的辐射能量。人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。


太阳是距地球最近的恒星，直径 1.39x10 3Km ，地球轨道上的平均太阳辐射强度为 1,369w/ ㎡。地球赤道周长为 40,076千米，地球获得的能量可达 173,000Tw 。在海平面上的标准峰值强度为 1kw/m2 ，地球表面某一点 24h 的年平均辐射强度为0.20kw/ ㎡，相当于有 102,000Tw 的能量。


1.1.2 太阳能辐射太阳辐射（ solar radiation ）是

指太阳向宇宙空间发射的电磁波和粒子流。地球所接受到的太阳辐射能量仅为太阳向宇宙空间放射的总辐射能量的二十亿分之一。


1.1.2 太阳能辐射经过大气削弱之后到达地面的太阳

直接辐射和散射辐射之和称为太阳总辐射。太阳总辐射只占到达大气上界太阳辐射的 45% 。总辐射量随纬度升高而减小，随高度升高而增大。一天内中午前后最大，夜间为 0 ；一年内夏大冬小。


太阳辐射能在可见光线（ 0.4 ～0.76μm ）、红外线（ >0.76μm ）和紫外线（ <0.4μm ）分别占 50% 、43% 和 7% ，即集中于短波波段，故将太阳辐射称为短波辐射。



太阳常数在日地平均距离条件下，地球大气上界垂直于太阳光线的太阳常数是太阳辐射通量密度，称为太阳常数。以 S. 表示，单位为 W/m2 。


光学大气质量相对光学质量是来自天体的光线穿

过大气层到达海平面的路径长度除以整层大气的垂直距离。


天文学中有一个名词 Airmass ，注意这并非 Air mass （空气质量），这是指天顶距等于 z 的方向上大气光学厚度和天顶方向大气光学厚度之比，一般用 AM表示，如下图中， AM=BC/AC=SecZ=1/CosZ


当 Z=0时， AM=1, 称大气质量为1 ，用 AM1 表示，当 Z=48.2 度时，AM=1.5, Z=60 度， AM=2 。

分别用 AM1.5 和 AM2 表示大气质量为 1.5 和 2 。 AM1.5 是指晴天时太阳光昭射到一地面的情况，其辐射总量为 1KW/m2, 常用于太阳电池和组件效率测试时的标准。


下图表示太阳光谱分布图，表达地球表面的阳光的光谱分布峒时显示出与分子吸收有关的吸收带


AM0辐射

AM1.5辐射

6000K黑体


1.1.3 我国丰富的太阳能资源我国是太阳能资源十分丰富的国家，三分之二的国土面积年日照量在 2200小时以上，年辐射总量大约在每年 3340 ～ 8360MJ/m2 ，相当于 110 ～ 250kg标准煤 /m2 。


我国的太阳能资源按年辐射总量划分为五类地：

丰富地区（ 6690 ～ 8360MJ/m2 ）较丰富地区（ 5852 ～ 6690MJ/m2 ）中等地区（ 5016 ～ 5852MJ/m2 ）较差区（ 4180 ～ 5016MJ/m2 ）最差区（ 3344 ～ 4180MJ/m2 ）


类区年日照时数(h) 辐射量 (kJ ／ cm2) 标准煤 (kg) 所在地方

一类 3200 ～ 330O 670 ～ 837x104 225 ～ 285

青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地

二类 3000 ～3200

586 ～ 670x104 200 ～ 225

河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地

三类 2200 ～3000

502 ～ 586x104 170 ～ 200

山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部等地

四类 1400 ～2200

419 ～ 502x104 140 ～ 170长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区

五类 1000 ～1400

335 ～ 419x104 115 ～ 140 四川、贵州两省


城市斜面日均辐射量峰值日照时数计算公式（峰值日照时数）

哈尔滨 15838 4.3997964 长春 17127 4.7578806 沈阳 16563 4.6012014 北京 18035 5.010123 一、（斜面日均辐射

量×2.778） /10000 千焦 / 米２天津 16722 4.6453716


城市斜面日均辐射量峰值日照时数计算公式（峰值日照时数）

呼和浩特 20075 5.576835 太原 17394 4.8320532 乌鲁木齐 16594 4.6098132 二、（年总辐射量×0.0116 ） /365 千卡 /厘米２

西宁 19617 5.4496026 兰州 15842 4.4009076 ...................0.0116

是单位转换系数

1.1 太阳能与太辐射城市斜面日均辐射量峰值日照时数计算公式（峰值

日照时数）银川 19615 5.449047 西安 12952 3.5980656 上海 13691 3.8033598 １卡＝４ .18焦１

kal＝４ .18J南京 14207 3.9467046 J=W·S W= J/S 合肥 13299 3.6944622 杭州 12372 3.4369416 南昌 13714 3.8097492 注：此表是按公式一计算的


城市斜面日均辐射量峰值日照时数计算公式（峰值日照时数）福州 12451 3.4588878 济南 15994 4.4431332 郑州 14558 4.0442124 武汉 13707 3.8078046 长沙 11589 3.2194242 广州 12702 3.5286156 海口 13510 3.753078 南宁 12734 3.5375052 成都 10304 2.8624512 贵阳 10235 2.843283 昆明 15333 4.2595074 拉萨 24151 6.7091478


1.1.4 太阳能利用1 、光热利用原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物

质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器、陶瓷太阳能集热器和聚焦集热器等 4种。

　　


1 、光热利用通常根据所能达到的温度和用途的不同，

而把太阳能光热利用分为 : 低温利用（ <200℃）、中温利用（ 200 ～ 800℃）和高温利用（ >800℃）。


低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳能房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等。

中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等。

高温利用主要有高温太阳炉、太阳能土壤消毒杀茵技术等。


1.1.4 太阳能利用2 、太阳能发电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）。


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。

1.1 太阳能与太辐射2 、太阳能发电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。



1.1.4 太阳能利用3 、光化学利用1 ）、太阳能热化学循环制氢。2 ）、太阳能光化学分解水制氢。3 ）、太阳能光电化学电池分解水制氢。4 ）、太阳光络合催化分解水制氢。


太阳能光化学利用主要是指光化学转换，是太阳能光化学电池，由太阳能光化学电池将太阳光辐射能转换为电能供用户使用。太阳能光化学电池包括染料敏化太阳电池和量子点电池。



这种电池一般把染料或硒化镉、砷化镓等量子点材料附着于二氧化钛等适合作载体的半导体上。当适当波长的光子达到敏化剂形成的“敏化层”上时，敏化层放出电子进入二氧化钛的导带，电子接着移动到导电层的底部电极，如果接入负载则会有电流形成。


4 、光生物利用植物的光合作用是地球上最为有效的固定太阳光能的过程，“如果人类可以像植物一样利用光合作用原理，直接把太阳能转换成人们所需的能源，显然将有效解决能源问题。”而其实，当今人类所消耗的石油、煤、天然气等，都是远古时期植物光合作用的直接和间接产物。


4 、光生物利用 “光合作用每年提供 2200 亿吨的生物能量，是全

人类所需能量的 10倍。而把光能变成化学能（和将无机物变成有机物），这个过程在生物体内能量转化效率几乎是 100% ，能量传递效能基本是 90% 到98%”在光合作用的第一阶段，叶绿体中捕光色素蛋白复合体内光能的吸收传递效率能到 90%-98% ，之后当光子被传递到反应中心后，反应中心进行能量转化的量子效率几乎能达到 100% ，“而且整个吸能转能过程在 7 到 15秒内完成。”


光合作用高效的捕光、吸能、转能活动的物质基础是在叶绿体内光合膜上具有一定分子排列和空间构象的色素蛋白复合体和有关电子载体。

1.2 光伏发电技术

1.2.1 光伏产业发展现状及前景1 、高速兴起的光伏产业在过去 15 年中，全球光伏产业以 25% 的年均

增长率迅速成长。 2008年，全球太阳能电池的生产能力比 2007 年增加 83% ，达到 13GW ；太阳能电池产量同比增长 35% ，达到 4725MW ；光伏安装量增长 35% ，达到 3962MW 。


据欧盟联合研究中心研究结果显示，在未来世界能源结构中，可再生能源特别是太阳能光伏发电将占有越来越大的比重，2030 年太阳能发电将占全球能源结构的10% ，到 2050 年，这一比例将上升到 25% ，到 2100 年将达 64% 。


2 、光伏产业的发展趋势 2008年，中国成为亚洲吸引可持续能源投资最多的国家，总额达 156 亿美元，较 2007 年上涨 18% ，已成为世界最大的太阳能光伏产品制造基地。


2009 年我国太阳能光伏产品全年出口已达 154.39 亿美元， 2010 年出口 320.25 亿美元，比 2009 年同期增长 107.36% ，我国光伏产品出口平均单价 3.61美元，同比增长 110.39% 。其中， 2010 年太阳能电池出口 201.92 亿美元，占全部光伏产品出口约 63.06% 。

1.2 光伏发电技术 1 、 1 、 2 中国光伏市场和产业发展状况 1 、高速兴起的光伏产业在太阳能电池生产方面，我国企业优势也愈加明显，并呈现国际化发展态势。 10 年来，全球太阳能光伏产业平均年增长率为 41.3% ，太阳能电池产业规模扩大了 35倍。 2010 年中国光伏太阳能电池产量约8000MW ，占世界生产总量的 50% ，居世界首位。


2001 年我国光伏电池产量仅 3兆瓦， 2009年已飞速增长到 8000兆瓦，居世界第一， 8年的时间增长了 2000多倍，太阳能电池产量以 100% 以上的年均增长率快速增长，连续 3年产量位居世界第一。


利润的丰厚促使更多、更大的资金在近两年迅速涌入光伏电池产业，其中外资投资更占有相当比例。截至 2009 年年底，我国太阳能电池产业实际投资额约 570 亿元，外资、合资企业实际投资额占投资总额的 37% 。

目前，我国拥有 35家海外上市的光伏企业，在全球前 10家太阳能电池厂商中，我国占据 4席。光伏产业已成为我国为数不多的可以同步参与国际竞争，并有望占据国际领先水平的行业。


当前，我国太阳能电池骨干企业已经掌握了高性能晶体硅太阳能电池的成套生产技术，在商业化太阳能电池生产技术上也取得多项突破，光电转化效率已提高到 16% ～ 18% ，达到世界先进水平，在产业技术上与国际同步。


目前，我国太阳能光伏产业出口额已连续 6 年增长较快，从 2010 年我国太阳能光伏产品出口结构分析，太阳能电池和电池组出口额占 73.69% ，太阳能电站出口占 18.9% ，出口企业主要集中在江苏省、广东省、浙江省、河北省和上海市。

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