1、北华大学电气信息工程学院1II新能源技术及未来发展论文题目 新能源技术及未来发展 指导老师： 姚馨 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 13 电气 4 班 学 号： 姓 名： 日 期： 2016.9.20 北华大学电气信息工程学院 IIII内容摘要及关键字【摘 要】在地球环境污染和能源形势日趋严峻的今天,太阳能作为一种新型的绿色可再生能源,具有储量大、利用经济、清洁环保等优点,越来越受到人们的重视,太阳能发电技术的应用更是目前关注的焦点。本文综述了太阳能发电的发展概况、研究动态及应用前景。并对太阳能电池板的工作原理进行介绍 还介绍和分析了电源逆变技术的相关理论和实现方法 并根据这些理论设计
2、了带有自调节功能的太阳能发电装置.【关键词】光伏发电 太阳能热发电 热风发电 太阳能电池北华大学电气信息工程学院 IIIIII目 录1 太阳能的主要情况. .41.1 传统化石燃料的开发使用会带来一系列的问题 .41.2 太阳能具有的优点 41.3 我国太阳能利用状 52 太阳能热发电 52.1 太阳能热发电技术 52.2 太阳能热发电的主要问题 62.3 太阳能热风发电 73 太阳能光伏发电 73.1 光伏系统基本组成 83.2 光伏系统的分类 .83.3 光伏系统的应用 .93.4 光伏发电技术面临的问题 .104 太阳能电池 .104.1 太阳能电池的工作原理 . 104.2 太阳能电池
3、的分类 .104.3 影响太阳能电池转换效率的主要因 .11结论 .12参考文献 12北华大学电气信息工程学院 IVIV引 言能源是现代社会存在和发展的基石。随着全球经济社会的不断发展,能源消费也相应的持续增长。随着时间的推移,化石能源的稀缺性越来越突显,且这种稀缺性也逐渐在能源商品的价格上反应出来。在化石能源供应日趋紧张的背景下,大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源,具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点,在长期的能源战略中具有重要地位。我们对太阳能的利用大
4、致可以分为光热转换和光电转换两种方式,其中,光电利用光伏发电,是近些年来发展最快,也是最具经济潜力的能源开发领域。太阳能电池是光伏发电系统中的关键部分,包括硅系太阳电池,单晶硅、多晶硅、非晶硅电池,和非硅系太阳能电池等,我国太阳能资源非常丰富,开发利用的潜力非常大。我国太阳能发电产业的应用空间也非常广阔,可以应用于并网发电、与建材结合、解决边远地区用电困难问题等。我国政府对太阳能发电产业也给予了充分的扶持,先后出台了一系列律、政策,有力支持了产业的发展。 北华大学电气信息工程学院 441 太阳能的主要情况1.1 传统化石燃料的开发使用会带来一系列的问题(1)能源短缺由于常规能源的有限性和分布的
5、不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需要。从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到 2020年，天然气也只能延续到 2040 年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。因此，如不尽早找到化石能源的替代能源，人类迟早将面临化石燃料枯竭的危机局面。(2)环境污染当前，由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量;局部地区形成酸雨，严重污染水土。这些问题最终将迫使人们改变能源结构，依靠利用太阳能等可再生洁净能源来解决。1.2 太阳能具有的优点（1）普遍。阳光普照大地，处处都有太阳能，可以
6、就地利用，不需要到处寻找，更不需要火车、轮船、汽车等日夜不停运输。这对解决偏远地区以及交通不便的乡村、海岛的能源供应，具有很大的优越性。（2）无害。利用太阳能作为能源，没有废渣、废料、废水、废气排出，没有噪音，不产生对人体有害的物质，因而不会污染环境，没有公害 。（3）长久。只要有太阳存在，就有太阳能。因此利用太阳能作为能源，可以说是取之不尽用之不竭。（4）巨大。一年内到达地面的太阳能总量，要比地球上现在每年消耗的各种能源的总量大几万倍。 北华大学电气信息工程学院 551.3 我国太阳能利用状况我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为 50x10kJ
7、，全国各地太阳年辐射总量达 335837kJ/cm,中值为586kJ/cm。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在 4000m 以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961 年至 1970 年的平均值，年平均日照时间 3005.7h，相对日照为 68，年平均晴天为 108.5 天，阴天为 98.8 天，年平均云量为 4.8 太阳总辐
8、射为 816kJ/cm，比全国其它省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小。例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为 1152.2h，相对日照为 26，年平均晴天为 24.7 天，阴天达 244.6 天，年平均云量高 8.4。我国太阳能资源分布的主要特点有:太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬 2235“这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心;太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部。2 太阳能热发电2.1 太阳能热发电技术太阳能热发电的概念早在 19 世纪就已经提出，自从 1878 年在巴黎建立了第一个小
9、型点聚焦太阳能热交换式蒸汽机以来，能源领域专家从各个方面对太阳能热发电技术展开探讨。据不完全统计，仅在 19811991 年 10 年期间，全世界就组建了 5OOkW 以上的太阳能热发电系统 20 多座。如今，在采用 Rankine 循环的技术中 按照集热温度的高低，太阳能热发电系统大致可以分为槽式系统、塔式系统和碟式系统 3 大基本类型。(1)槽式系统槽式太阳能热发电系统是利用槽形抛物面反射镜将太阳光线聚焦到集热器上，对传热工质进行加热，经换热产生的蒸汽，推动汽轮机带动发电机发电的能源动力系统。其特点是聚光集热器由许多分散布置的槽形抛物面聚光集热器串、并联组成。槽式太北华大学电气信息工程学院
10、 66阳能热发电系统分为两种形式:传热工质在各个分散的聚光集热器中被加热形成蒸汽汇聚到汽轮机，称之为单回路系统。槽形抛物面集热器是一种线聚焦集热器，多对太阳进行一维跟踪，其聚光比在4080 之间，集热温度一般低于 400，属于中温系统，这种系统容量可大可小。目前，抛物槽式太阳能热发电系统普遍采用导热油作为集热工质。低温导热油经油泵被送入到太阳能集热管，被加热到 390左右，成为高温导热油，高温导热油依次通过蒸汽再热器、过热器、蒸发器和预热器等装置，将收集到的太阳能传递到蒸汽循环中，产生370左右的过热蒸汽，进入汽轮机做功，输出电能，即系统采用双回路形式。(2)塔式系统塔式系统又称为集中型系统，
11、其聚光装置由许多安装在场地上的大型反射镜组成，这些反射镜通常称为定日镜。每台定日镜都配有太阳跟踪机构，对太阳进行双轴跟踪，准确地将太阳光反射集中到一个高塔顶部的吸热器上。系统的聚光比通常在 2001000之间，系统最高运行温度可达到 1500。经定日镜反射的太阳能聚集到塔顶的吸热器上，加热吸热器中的传热工质，蒸汽产生装置所产生的过热蒸汽进入动力子系统后实现热功转换，完成电能输出。该系统主要由聚光集热子系统、蓄热子系统和动力子系统三部分组成。 吸热器:也称之为太阳能锅炉，要求体积小，换热效率高。有垂直空腔型、水平空腔型和外部受光型等类型。对于垂直空腔型和水平空腔型来说，由于定日镜反射光可以照射到
12、空腔内部，因而可以将内部的热损失控制到最低限度，但其最佳空腔尺寸与场地的布局有关。外部受光型吸热器的热损失要比上述的 两种类型大些，但适合于大容量系统。 蓄热装置:应选用传热和蓄热性能良好的材料作为蓄热工质。选用汽一水系统具有许多优点。有大量的工业设计和运行经验，附属设备也已经商业化，但腐蚀问题是其不足之处。对于高温大容量系统来说，可以选用钠作为热传输工质，它具有良好导热性能，可以在 3004kW/m的热流密度下工作。 （3）碟式系统 碟式系统也称之为盘式系统，主要特征是采用盘状抛物面镜聚光集热器，其结构从外形上看类似于大型抛物面雷达天线。由于盘状抛物面镜是一种点聚焦集热器，其聚光比可以高达数
13、百到数千因而可以产生非常高的温度。这种系统可以独立运行，作为无电边远地区的小型电源，一般其功率为 1025kW 聚光镜直径约 1015m。碟式太阳能热发电系统也可以做成较大的系统，即可以将多台装置并联起来，组成小型太阳能热发电电站，为用户提供电力需求。 北华大学电气信息工程学院 772.2 太阳能热发电的主要问题太阳能热发电系统，不耗用化石能源，无污染物排放，是和生态环境相和谐的清洁能源发电系统。自研究试验成功以后，经过不断发展与改进，取得了显著的成果。世界上除了美国，太阳能热发电技术还在日本、法国、以色列、意大利、西班牙、德国和澳大利亚等国家也有所发展。这些在并网运行的商用系统有 30MW
14、以上抛物面槽式系统、lOMW 以上的塔式系统、几 kW 至几十 kW 采用燃气轮机或斯特林发动机的碟式系统。前两种一般与大电网并网运行，后一种一般供用户作为独立电源使用。(1)槽式太阳能热发电系统及其存在的问题在 20 世纪 70 年代末和 80 年代初，美国、西欧、以色列和日本等国家都对槽式系统作了很多研究开发工作，取得了较大的进展，特别是美国在 90 年代初有了 9 座抛物面槽式大型系统投入商业并网运行。此外，西班牙、日本等国的示范电站也取得了很好的成果，起到了试验示范的作用。抛物槽式太阳能热发电系统虽然在美国己取得了大规模商业化运行的经验，但目前的主要问题是当系统集热温度高于 40后，峰
15、值集热效率急剧下降，当 DNI-800W/m，温度为 500时的集热效率比 250时的集热效率约降低 22.5%。由于其几何聚光比低及集热温度不高等条件的制约，使得抛物槽式太阳能热发电系统中动力子系统的热转功效率偏低，通常在 35%左右。因此，单纯的抛物槽式太阳能热发电系统在进一步提高热妙率、降低分电成太方而的难度较大。(2)塔式太阳能热发电系统及其存在的问题塔式太阳能热发电系统与槽式太阳能热发电系统相比，其集热温度更高，易生产高参数蒸汽，因此热动装置的效率相应提高。目前，塔式太阳能热发电系统的主要障碍是，当定日镜场的集热功率增大时，即单塔的太阳能热发电系统大型化后，定日镜场的集热效率随之降低
16、，其变化趋势。我国的金红光研究员提出了槽塔结合的双级蓄热太阳能热发电系统，这些研究为塔式太阳能热发电技术的发展开拓了新方向。(3)碟式系统太阳能热发电系统及其存在的问题.(4)目前碟式太阳能热发电系统规模小，高效的发电技术还不成熟，处于试验阶段 在三种太阳能热发电技术的开发中，风险最大且投资成本最高。 2.3 太阳能热风发电太阳能热风发电站主要由太阳能空气集热器、带有发电机的风力涡轮，以及太阳能烟囱等组成，为二项己有成熟技术的创新性组合应用。工作原理是利用烟囱对空气的抽吸作用产生的气流驱动风力涡轮进行发电，太阳能集热器则用于加热空气，强化烟囱效应。从技术角度来讲，太阳能热风发电站与水利电站颇为
17、相似，都是将流体流动动能转变成叶轮机械旋转机械能进行发电。这单太阳能热风集热器以太阳能烟囱所在位置为中心。呈圆周状分布，包括面盖和支架两部分，集热器四周开日用以引入空气，面盖及地面构成空气流动的通道。太阳能烟囱与地面垂直，建筑结构与常规烟囱类似，烟囱底部和太阳能集热器连接处要求有较好的密封。热空气密度小，在烟囱通道内上升，同时在太阳能集热器内被加热的热空气进入烟囱 冷空气进入集热器，形成持续不断的气流流动。气流流动具有的动能通过置于太阳能烟囱气流流道底部的风力涡轮带动发电机组转变为电能，通常这种风力涡轮可设置一台或多台。北华大学电气信息工程学院 883 太阳能光伏发电3.1 光伏系统基本组成一
18、套基本的太阳能发电系统是由太阳能光伏板、充电控制器、逆变器和蓄电池构成，下面对各部分的功能做一个简单的介绍: 1.太阳能光伏板 太阳光伏板的作用是将太阳辐射能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。太阳能光伏板一般又分为:单晶硅电池光伏板、多晶硅电池光伏板和非晶硅光伏板(图 2. 1)。这些光伏板因为组成的不同因而具有不同的外观和发电效率，它们的特点为:(1)单晶硅光伏电池:表面规则稳定，通常为黑色。电池形状为 lOcm15cm 的方形或圆形单元。效率约为 14%17%。 (2)多晶硅光伏电池:结构清晰，通常呈蓝色，晶状结构形成美丽的图案。电池的尺寸可任意裁剪，可以无固定的大小单元。效
19、率约为 12%14%。 (3)非晶硅光伏电池:具有透光，透光度可从 5%75%，当然，随着透光性的增加，光电池的转化效率会随着下降，运用到建筑上的最理想的透光度为 25%。效率约为5%7% 。 2.充电控制器 在不同类型的光伏发电系统中，充电控制器不尽相同，其功能多少及复杂程度差别很大，这需根据系统的要求及重要程度来确定。充电控制器主要由电子元件、仪表、继电器、开关等组成。3.逆变器 逆变器的作用就是将太阳能电池方阵和蓄电池提供的低压直流电逆变成 220 伏交流电，供给交流负载使用。 4.蓄电池组 蓄电池组是将太阳能光伏方阵发出直流电贮藏起来，供负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状
20、态，夏天日照量大，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电;在冬天日照量少，这部分贮存的电能逐步放出。白天太阳能电池方阵给蓄电池充电(同时方阵还要给负载用电)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是否方便等因素。常用的蓄电池有铅酸蓄电池和硅胶蓄电池，要求较高的场合也有价格比较昂贵的镍锅蓄电池。北华大学电气信息工程学院 993.2 光伏系统的分类太阳能光伏发电应用系统分为二大类:独立运行和并网运行两种方式。其中独立运行系统又分为:直流负载独立系统:交流负载独立系统。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区和人
21、口分散地区，在有公共电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运行 省去蓄电池，不仅可以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。3.3 光伏系统的应用光伏技术已经走进了人们的生活的各个方面，它的应用领域十分广泛，并且发挥着越来越大的作用。光伏发电的各种应用包括:(1)太空领域:光伏技术最早的应用领域就是在太空，它是作为人造卫星的电源。 (2)交通领域: 航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、无人值守道班供电等。 (3)通讯/通信领域: 太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统等。 (4)家庭灯具电源: 如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯
22、、节能灯等。 (5)光伏电站: IOKW50MW 独立光伏电站、风光(柴)互补电站、各种大型停车厂充电站等。(6)太阳能建筑: 将太阳能发电与建筑材料相结合。使得未来的大型建筑实现电力自给。 可见，光伏与建筑结合是未来光伏应用中最重要的领域之一，光伏电池己经能配合建筑物的外观或空间机能而结合成为一体，随着科学的不断进步，光伏组件的成本会很快下降，与光伏系统一体化的建筑会如雨后春笋般出现在我们身边。3.4 光伏发电技术面临的问题从总体上来讲，我国的光伏发电技术与国外发达国家相比还有较大的差距，主要存在以下问题. （1）用十制造光伏电池的原材料紧缺。随着光伏发电技术的不断发展，硅材料已北华大学电气
23、信息工程学院 1010经出现较大的缺口。为了解决光伏电池原材料问题，应该扩大硅原材料的生产规模，提高生产能力。 （2）生产光伏电池的技术水平有待提高。目前我国生产的晶体硅光伏电池组件的光电转换效率在 16%左右。目前的光伏电池组件封装工艺水平低，导致电池组件在使用过程中出现许多问题，影响电池组件的使用寿命。 （3）晶体硅光伏电池组件的生产成本较高。目前我国生产晶体硅光伏电池的成本高于国外同类、同质产品，在国际上的竞争力不强。 （4）我国制造光伏发电系统设备的相关技术还需要进一步提高。目前我国的光伏电池年产量占世界光伏电池年产量的 50%，但是用十光伏电池生产的相关设备主要是依赖国外产品。 （5
24、）我国的光伏发电系统控制器和逆变器等关键技术落后，产品的性能不高，可靠性低，与国外先进产品还有较大的差距，尤其是并网逆变器和智能控制器的性能与国外先进产品的性能差距更大。 4 太阳能电池4.1 太阳能电池的工作原理太阳能电池的原理基十半导体的光生伏特效应将太阳辐射能直接转换为电能降。在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以 p 型硅和 n 型硅对外部来说是电中性的。如果将 p 型硅或 n 型硅放在阳光下照射，仅是被加热，外部看不出变化。尽管光的能量通过电子从化学键中被释放，由此产生电子一空穴对，但在很短的时间内(在微秒范围内)电子又被捕获，即电子和“空穴”“复合”。 通过电子到 P 型材料
25、的迁移在 n 型形成一个正的空间电荷区和在 p 型区形成一个负空间电荷区。 对不同材料的太阳能电池来说，尽管光谱响应的范围是不同的 但光电转换的原理是一致的。只要太阳光照不断，负载上就一直有电流通过。4.2 太阳能电池的分类按结构分类1.同质结电池 由同一种半导体材料构成一个或多个 p-n 结的电池。如硅太阳能电池、砷化稼太阳能电池等。2.异质结电池 用两种不同的半导体材料，在相接的界面上构成一个异质结的太阳能电池。如氧北华大学电气信息工程学院 1111化钢锡/硅电池、硫化亚铜/硫化福电池等。如果两种异质材料晶格结构相近，界面处的晶格匹配较好，则称为异质面电池，如砷化铝稼/砷化稼电池。3.太阳
26、能电池新工艺量子阱半导体太阳能电池:由于量子太阳能电池具有高光电转换效率的特性，它已经不断引起发达国家的兴趣与重视。量子阱半导体太阳能电池的转换效率的理论值可高达 63.2%。到目前为止，关十量子阱半导体太阳能电池转换效率的正式报道来自英国伦敦大学皇家学院 K.Barnham 教授的研究组，它们的 GaAsP/InGaAs 多量子阱太阳能电池的转换效率为 27%。4.3 影响太阳能电池转换效率的主要因素影响太阳能电池转换效率的参数有三个，即开路电压、短路电流和填充因子。开路电压、填充因子均受暗电流影响很大，太阳能电池的转换效率主要取决于其暗电流特性和短路电流的大小。 量子阱半导体太阳能电池的短
27、路电流、开路电压、暗电流及填充因子等特性参数与量子阱结构有很大的关系。量子阱的引入使得太阳能电池的吸收光谱向低能端拓宽了 从而改善了光谱响应特性，短路电流必将加强。但是，量子阱的引入同时降低了有效带隙宽度，提高了载流子辐射复合的几率，从而削弱开路电压。为突出短路电流的加强、抑制开路电压的削弱以获得加强的太阳能电池转换效率，必须优化设计量子阱结构。 研制高效率太阳能电池，必须深入研究填充因子的优化问题。而关于填充因子的优化工作还未见报道。填充因子主要决定于暗电流电压特性，因此，与各种复合过程有关。除了通过优化量子阱结构和 MOCVD 工艺降低材料内部各种复合几率外，应抑制载流子在电池表面的复合，
28、从而改善暗电流一电压特性，提高填充因子，具有反射电子作用的 p 型布拉格反射结构(DBR)代替 p 型层中的窗口(window)层，可以把向 P型掺杂区表面扩散的电子反射回去，这样不但可以抑制光生载流子在 P 型掺杂区表面的复合以改善暗电流一电压特性，同时还可以增加光生短路电流。因此，通过引入具有反射电子作用的 P 型布拉格反射结构(DBR)可以优化填充因子，提高转换效率。一般来说，过渡族金属氧化物和半导体微粒都可能产生介电限域效应。纳米微粒的介电限域对光吸收、光化学、光学非线性等会有重要的影响。因此，在分析纳米材料光学现象的时候，既要考虑量子尺寸效应，又要考虑介电限域效应。北华大学电气信息工
29、程学院 1212结论可持续发展需要未来太阳能产业有广阔的应用前景，但是，太阳能产业在发展过程中仍然需要政府制定政策来支持其有效地发展。参考文献1. 邢运民，陶永红，杜正春，现代能源与发电技术，西安电子科技大学出版社. 2007 年2. 杨金焕.太阳能发电的进展与建议.清洁能源.2003 年 8 月.3. 王传辉.太阳能光伏发电系统的研究.哈尔冰工程大学 2008 年 2 月. 4. 袁建丽.新型太阳能热利用系统集成研究.中国科学院.2007 年 6 月. 5. 孙妍.中国太阳能产业发展政策现状、问题与对策.华北电力大学.2011 年 6 月.6. 王远.太阳能电池及其应用技术研究.华中科技大学.2006 年 5 月.7. 岑幻霞.太阳能热利用.北京:清华人学出版社，1997
