《太阳能的利用与发展精.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能的利用与发展精.ppt（23页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、太阳能的利用与发展太阳能的利用与发展第1页，本讲稿共23页第2页，本讲稿共23页1.1 我们所知道的太阳我们所知道的太阳 太阳是整个太阳系里头最大物体，它所释放的能量是维持整个地球生太阳是整个太阳系里头最大物体，它所释放的能量是维持整个地球生命最主要的来源，下图是太阳与地球的相对大小，基本上，它的特性是很命最主要的来源，下图是太阳与地球的相对大小，基本上，它的特性是很难用地球上的常用的度量单位去描述的。太阳的质量约为难用地球上的常用的度量单位去描述的。太阳的质量约为21030公斤，公斤，其直径大小约为地球的其直径大小约为地球的109倍。倍。太阳内部最主要的成分为氢与氦，其所占的比例分别为太阳内
2、部最主要的成分为氢与氦，其所占的比例分别为75%及及25%左左右。太阳中心的密度为右。太阳中心的密度为1.5105kg/m3,因为热核反应，不断的将氢转变为因为热核反应，不断的将氢转变为氦。据估计，每秒钟有氦。据估计，每秒钟有3.91045个原子参与这样的核反应，因而使得产个原子参与这样的核反应，因而使得产生的能量以光的形式从太阳表面散发出去。在太阳所释放的辐射能量中，生的能量以光的形式从太阳表面散发出去。在太阳所释放的辐射能量中，地球只独得总辐射量的地球只独得总辐射量的22亿分之一，这相当于亿分之一，这相当于1367W/m2，这数值也就是，这数值也就是太阳常数。太阳常数。太阳的表面温度可以高
3、达太阳的表面温度可以高达5500，其内部的温度更高于此，如此的高温，其内部的温度更高于此，如此的高温，这样的高温，使得太阳上的所有物质都处于放电状态。也由此太阳不是固体，这样的高温，使得太阳上的所有物质都处于放电状态。也由此太阳不是固体，因此它的赤道会比高纬度地区旋转得更快。这种在不同纬度的自转速度之差别因此它的赤道会比高纬度地区旋转得更快。这种在不同纬度的自转速度之差别会造成了它的磁力线随时间扭曲，引起磁场回路从太阳表面喷发，并引起太阳会造成了它的磁力线随时间扭曲，引起磁场回路从太阳表面喷发，并引起太阳黑子与日珥黑子与日珥第3页，本讲稿共23页地球相对太阳大小第4页，本讲稿共23页1.2 太
4、阳辐射太阳辐射 从太阳辐射出来的能量非常巨大，是地球生物赖以维生的主要能源。它不仅决定从太阳辐射出来的能量非常巨大，是地球生物赖以维生的主要能源。它不仅决定了地表的温度，也实质提供了主导全球自然界系统运转的能量。不像其他很多星球以了地表的温度，也实质提供了主导全球自然界系统运转的能量。不像其他很多星球以X光或无线电波讯号来释放能量，我们的太阳辐射之光谱，所放射出来的能量光或无线电波讯号来释放能量，我们的太阳辐射之光谱，所放射出来的能量90%是是位于位于0.1至至3m之之间，大部分属于可，大部分属于可见光范光范围。但可。但可见光光仅占整个占整个辐射光射光谱之部分而已（如下之部分而已（如下图），红
5、外外线及紫外及紫外线也占整个太阳也占整个太阳辐射光射光谱很重要的一部分。很重要的一部分。太阳辐射光波长、频率及光子能量的关联性第5页，本讲稿共23页 如上图，太阳辐射的光线波长在如上图，太阳辐射的光线波长在210-7 to 410-6公尺之间，每一个波长相公尺之间，每一个波长相对应一个光子能量与频率，越短的波长代表越高的频率与越大的能量。例如，可见对应一个光子能量与频率，越短的波长代表越高的频率与越大的能量。例如，可见光的范围是从波长光的范围是从波长0.3m之紫外光到波之紫外光到波长数微米之数微米之红外光，若将外光，若将这些不同些不同颜色的可色的可见光光换算成光子能量，算成光子能量，则约为0.
6、4ev到到4ev 之之间。对于会照黑我于会照黑我们皮肤的紫外皮肤的紫外线而言，其能量比可而言，其能量比可见光光还高；而高；而红外外线的能量的能量则比可比可见光低。光低。若将太阳表面放射出来的能量若将太阳表面放射出来的能量换算成算成电力的力的话，它相当于，它相当于41020MW左右。左右。下图是太阳辐射到地球表面之过程示意图，当太阳能在传送到地球大气层以后，有下图是太阳辐射到地球表面之过程示意图，当太阳能在传送到地球大气层以后，有约约2%2%属于紫外线及其他对人体有害的辐射线会被大气层上部之臭氧层所吸收，有属于紫外线及其他对人体有害的辐射线会被大气层上部之臭氧层所吸收，有20%20%被对流层中之
7、水汽、云层和微尘物所吸收。尚有被对流层中之水汽、云层和微尘物所吸收。尚有35%35%的能量被地面、大气或云层的能量被地面、大气或云层等反射返回太空中，约剩等反射返回太空中，约剩43%43%可以直接到达地面。单就到地面的那一部分来讲，就可以直接到达地面。单就到地面的那一部分来讲，就等于目前全世界商业上年用量的等于目前全世界商业上年用量的1300013000倍！这些照射在地球的太阳能量之平均电力倍！这些照射在地球的太阳能量之平均电力约为每平方公尺约为每平方公尺180W180W左右。如果这些太阳能可以充分被转换成电能的话，可以成为左右。如果这些太阳能可以充分被转换成电能的话，可以成为最佳的替代能量来
8、源之一最佳的替代能量来源之一第6页，本讲稿共23页太阳辐射到达地表过程反应示意图第7页，本讲稿共23页 太阳辐射照射于地表水平面之强度一般叫做日照率，其照射强度因季节、所处纬度、太阳辐射照射于地表水平面之强度一般叫做日照率，其照射强度因季节、所处纬度、天气以及一天中时间之不同而异，可以在每分钟每平方公分天气以及一天中时间之不同而异，可以在每分钟每平方公分0卡至卡至1.5卡之间。而且一般包卡之间。而且一般包括直射之太阳辐射能与散射部分。散射部分在晴天时所占的比率很低，但在阴天可达括直射之太阳辐射能与散射部分。散射部分在晴天时所占的比率很低，但在阴天可达90%之多。之多。太阳电池对于不同波长、颜色
9、的光线会有所不同的反应，例如硅晶太阳电池可以在整个可太阳电池对于不同波长、颜色的光线会有所不同的反应，例如硅晶太阳电池可以在整个可见光及部分红外光下运作。但一些较长波长的红外光，其能量小于半导体的能隙，所以不足以见光及部分红外光下运作。但一些较长波长的红外光，其能量小于半导体的能隙，所以不足以让太阳电池产生电流。较高能量的辐射光可以产生电流，但大部分的能量则无法被利用，会以让太阳电池产生电流。较高能量的辐射光可以产生电流，但大部分的能量则无法被利用，会以热的形式消耗掉热的形式消耗掉1.3 太阳能发电的优缺点太阳能发电的优缺点 太阳能发电产业是一个充满发展远景的新兴产业，它具有以下的优点和缺点：
10、太阳能发电产业是一个充满发展远景的新兴产业，它具有以下的优点和缺点：1.优点优点 太阳能取之不尽，用之不竭。在过去漫长的十亿年当中，太阳只消耗了它本身能太阳能取之不尽，用之不竭。在过去漫长的十亿年当中，太阳只消耗了它本身能量的量的2%而已，照射到地表的而已，照射到地表的1.221017W能源中，已足够应付人类能源中，已足够应付人类1.331022W的电力的电力需求。需求。第8页，本讲稿共23页 太阳能可以随地免费取得，没有运输的费用太阳能可以随地免费取得，没有运输的费用 太阳能发电不会产生环境污染，很环保、很清洁，且不会消耗其他地球资源或太阳能发电不会产生环境污染，很环保、很清洁，且不会消耗其
11、他地球资源或导致地球温室效应。导致地球温室效应。太阳能发电的使用安全性远高于其他的发电方式，且发电设备的维修简单太阳能发电的使用安全性远高于其他的发电方式，且发电设备的维修简单 在一些取电困难的地点（例如太空或偏远落后地区），太阳能发电的成本反而在一些取电困难的地点（例如太空或偏远落后地区），太阳能发电的成本反而比较低比较低缺点：缺点：因为发电密度低，太阳能发电的设备，必须具有相当大的安装地面。因为发电密度低，太阳能发电的设备，必须具有相当大的安装地面。太阳能受气候、昼夜的影响较大。在晚上无法发电。因此必须配有电力贮存装置。在太阳能受气候、昼夜的影响较大。在晚上无法发电。因此必须配有电力贮存装
12、置。在高纬度或多云的日照地区，较不易推广太阳能发电。高纬度或多云的日照地区，较不易推广太阳能发电。太阳电池产生直流电，若要转换成交流电，会流失太阳电池产生直流电，若要转换成交流电，会流失412%的能量的能量第9页，本讲稿共23页1.4 何为太阳能电池 太阳电池（solar cell）是一种能量转换的光电元件，它在经由太阳光照射后，可以把光的能量转换成电能。从物理学的角度来看，有人称之为光伏电池（Photovoltaic,简称PV）,其中Photo就是光，而Voltaic就是电力（electricity）。1.5 太阳电池分类 如下图所示，太阳电池的种类繁多，若依材料的种类来区分，可分为单晶硅(
13、Single CrystalSilicon)、多晶硅(PolyCrystal Silicon)、非晶硅(Amorphous Silicon,简称a-Si)、-族【包括：砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓铟(InGaP)】、-族【包括：碲化镉(CdTe)、硒化铟铜（CuInSe2）】第10页，本讲稿共23页太阳电池的种类第11页，本讲稿共23页1.6 太阳电池发展史太阳电池发展史 虽然人类很早就学会如何将太阳能应用在生活上，然而回顾整个太阳电池的虽然人类很早就学会如何将太阳能应用在生活上，然而回顾整个太阳电池的发展史上，我们可以追溯到最早的太阳电池技术是发生在发展史上，我们可以追溯到最
14、早的太阳电池技术是发生在1839年，当时的法国年，当时的法国物理学家物理学家Alexandre-Edmond Becquerel 观察到把光线照到导电溶液内，会发观察到把光线照到导电溶液内，会发生电流的光伏特效应。但直到生电流的光伏特效应。但直到1883年，第一个太阳电池才由美国科学家年，第一个太阳电池才由美国科学家Charles Fritts所制造出来，他是在半导体体材料【硒】上涂一层微薄的金来形所制造出来，他是在半导体体材料【硒】上涂一层微薄的金来形成一个简单的电池，但这得到小于成一个简单的电池，但这得到小于1%的能量转换效率。在的能量转换效率。在1927年利用金属（铜年利用金属（铜)及半
15、导体（氧化铜）接合所形成的太阳电池也被提出。接着，在及半导体（氧化铜）接合所形成的太阳电池也被提出。接着，在1930年，硒制年，硒制电池及氧化铜电池已被应用在一些对光线敏感的仪器上，例如光度计及照相机电池及氧化铜电池已被应用在一些对光线敏感的仪器上，例如光度计及照相机的曝光计，可惜这些早期的太阳电池转换效率都在的曝光计，可惜这些早期的太阳电池转换效率都在1%以下。以下。第12页，本讲稿共23页法国科学家法国科学家Alexandre-Edmond Becquerel（1820-1891）第13页，本讲稿共23页 而现代化的硅制太阳电池，则直到而现代化的硅制太阳电池，则直到1946年才由一个半导体
16、研究学者年才由一个半导体研究学者Russell Ohl所开发出来，接所开发出来，接着在着在1954年，三个位于贝尔实验室的科学家意外发现在硅里头掺杂一些不纯物之后对光的敏感度更年，三个位于贝尔实验室的科学家意外发现在硅里头掺杂一些不纯物之后对光的敏感度更强烈，使得硅制太阳电池的转换效率可以达到强烈，使得硅制太阳电池的转换效率可以达到6%左右。见下图，此一重要的里程碑，为发射人造卫左右。见下图，此一重要的里程碑，为发射人造卫星得到一种可贵的能量来源。于是苏联及美国相继在星得到一种可贵的能量来源。于是苏联及美国相继在1957及及1958年发射了第一颗人造卫星（见图）。年发射了第一颗人造卫星（见图）
17、。在在1960年代用在人造卫星上的太阳电池，则都是采用类似图所示的基本构造，这样的构造一直沿用年代用在人造卫星上的太阳电池，则都是采用类似图所示的基本构造，这样的构造一直沿用了了10年以上的时间。人造卫星的发展，也促使许多政府提供大量研究资金以鼓励开发更先进的太阳年以上的时间。人造卫星的发展，也促使许多政府提供大量研究资金以鼓励开发更先进的太阳电池电池早期的硅晶太阳电池早期的硅晶太阳电池PN接合的形成是利用硅溶液在重新凝固的过程，因不纯物的偏析作用而自然形接合的形成是利用硅溶液在重新凝固的过程，因不纯物的偏析作用而自然形成的成的“生长界面生长界面”第14页，本讲稿共23页1954年制造的第一个
18、现代化太阳电池结构，利用的是扩散方式在硅单晶年制造的第一个现代化太阳电池结构，利用的是扩散方式在硅单晶片上制造出的片上制造出的PN接合。接合。太阳电池人造卫星发展，扮演着非常重要的作用太阳电池人造卫星发展，扮演着非常重要的作用第15页，本讲稿共23页1960年代用在太空用途上的太阳电池年代用在太空用途上的太阳电池 到到1973年，发生第一次石油危机后，人们开始把太阳电池的应用转移到一般的民生用途上。在早期的民生太阳年，发生第一次石油危机后，人们开始把太阳电池的应用转移到一般的民生用途上。在早期的民生太阳电池的运用上，最成功的例子是手表及小型计算器，这些设备通常是利用太阳能来充电镍镉电池，所以他
19、们也可以在电池的运用上，最成功的例子是手表及小型计算器，这些设备通常是利用太阳能来充电镍镉电池，所以他们也可以在微弱的光线下使用。在微弱的光线下使用。在1974年，年，Haynos等人，利用硅的非等方性的蚀刻特性，慢慢的将太阳电池表面的硅的（等人，利用硅的非等方性的蚀刻特性，慢慢的将太阳电池表面的硅的（111）结晶面，蚀刻出许多类似金字塔的特殊几何形状。这些金字塔的表面，可以有效地降低太阳光从电池表面反射掉，这结晶面，蚀刻出许多类似金字塔的特殊几何形状。这些金字塔的表面，可以有效地降低太阳光从电池表面反射掉，这使得当时的太阳电池之转换效率可以达到使得当时的太阳电池之转换效率可以达到17%的境界
20、。的境界。第16页，本讲稿共23页使用太阳电池的小型计算器使用太阳电池的小型计算器使用蚀刻方法在太阳电池表面蚀刻出的金字塔状的使用蚀刻方法在太阳电池表面蚀刻出的金字塔状的形貌，可以抑制太阳光的反射形貌，可以抑制太阳光的反射第17页，本讲稿共23页 从从1976年后，整个业界很大的重心是放在降低太阳电池的制造成本，那时的太阳电池的材料，大多是年后，整个业界很大的重心是放在降低太阳电池的制造成本，那时的太阳电池的材料，大多是使用柴式长晶法制造出的硅单晶片。由于这种晶片的成本占了生产太阳电池模组的使用柴式长晶法制造出的硅单晶片。由于这种晶片的成本占了生产太阳电池模组的40%以上，所以开始有以上，所以
21、开始有人利用方向性凝固或铸造的方式来制造出多晶锭，所以第一个多晶硅太阳电池出现在人利用方向性凝固或铸造的方式来制造出多晶锭，所以第一个多晶硅太阳电池出现在1976年。另外一个年。另外一个降低成本的作法，是吧硅晶片变薄，如此一来，同样一根晶棒就可以切出更多的晶片出来。降低成本的作法，是吧硅晶片变薄，如此一来，同样一根晶棒就可以切出更多的晶片出来。在许多科学的努力之下，太阳电池的转换效率不断地提升，到在许多科学的努力之下，太阳电池的转换效率不断地提升，到1985年，第一次有人生产出超过年，第一次有人生产出超过20%转换率的硅晶太阳电池。这种作法是在太阳电池表面做出微薄槽的转换率的硅晶太阳电池。这种
22、作法是在太阳电池表面做出微薄槽的PESC型太阳电池，而在型太阳电池，而在1989年甚至有人发明高达年甚至有人发明高达39%能量转换效率的聚光太阳电池，这是先利用透镜将太阳能聚焦后，能量转换效率的聚光太阳电池，这是先利用透镜将太阳能聚焦后，投射到太阳电池所得到的结果。投射到太阳电池所得到的结果。1985年发明的微沟槽年发明的微沟槽PESC太太阳电池，可超过阳电池，可超过20%效率效率第18页，本讲稿共23页 1990年以来，人们开始将太阳电池发电与民生用电结合，于是与市电并网型发电系统年以来，人们开始将太阳电池发电与民生用电结合，于是与市电并网型发电系统开始推广，此观念是它太阳电池与建筑物的设计
23、整合在一起，并与传统的电力系统相连开始推广，此观念是它太阳电池与建筑物的设计整合在一起，并与传统的电力系统相连接，如此我们就可以从这两种方式取得电力。接，如此我们就可以从这两种方式取得电力。过去的太阳能科学家已展望未来有一天，大量的太阳电池可以照亮整个城市。这样的梦想过去的太阳能科学家已展望未来有一天，大量的太阳电池可以照亮整个城市。这样的梦想也因许多的家庭开始在家中安装太阳能板，而更加接近真实。然而受到相对较低的太阳能转也因许多的家庭开始在家中安装太阳能板，而更加接近真实。然而受到相对较低的太阳能转换效率的限制及每天可接收阳光时数的限制，想要利用太阳能发电来完全取代燃料发电，似换效率的限制及
24、每天可接收阳光时数的限制，想要利用太阳能发电来完全取代燃料发电，似乎仍遥不可及。乎仍遥不可及。由于国际油价节节高涨、不断创新高，加上京都议定书废气减量压力的环保意识抬头，使由于国际油价节节高涨、不断创新高，加上京都议定书废气减量压力的环保意识抬头，使得传统燃石油、燃煤等发电方式受到限制，因此，世界主要国家近年来乃积极研发以洁净的得传统燃石油、燃煤等发电方式受到限制，因此，世界主要国家近年来乃积极研发以洁净的再生能源来取代矿物燃料发电以减轻传统发电方式所产生之污染问题。即使太阳能发电比传再生能源来取代矿物燃料发电以减轻传统发电方式所产生之污染问题。即使太阳能发电比传统的燃料发电之成本多出统的燃料发电之成本多出10倍之多，但太阳电池的市场仍稳定的成长之中。德国是世界上太倍之多，但太阳电池的市场仍稳定的成长之中。德国是世界上太阳电池最普遍的地方，接着是日本及美国。光这三个国家的使用量，就占了全球的阳电池最普遍的地方，接着是日本及美国。光这三个国家的使用量，就占了全球的80%以上以上第19页，本讲稿共23页太阳能利用图片展示太阳能利用图片展示第20页，本讲稿共23页第21页，本讲稿共23页第22页，本讲稿共23页第23页，本讲稿共23页