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学生修读的课程，均应按规定听课，完成作业、实验等全部教学环节。无故不参加者，作旷课处理。该门课程累计旷课总课时1/3及以上，取消考试资格。光伏：器件、系统及应用byChristianaHonsberg&StuartBowden2020/2/8UNSW新南威尔士大学2本课程主要就太阳能特点，太阳能电池的原理，设计制备与利用等方面作简单介绍，使大家对这一课题有一个初步了解。公共邮箱：密码：2020/2/8UNSW新南威尔士大学3序言：太阳能发电的介绍§0.1太阳能§0.2光伏发电§0.3温室效应2020/2/84太阳能，从某种形式上说，是地球上几乎所有能源的源头。而人类，像所有其它的动物和植物一样，因为温暖和食物而依赖于太阳。然而，人类同时还以许多不同的方式利用太阳的能量。比如，化石燃料，一种来自以前地质时代的植物材料，就被用在交通运输和发电上。本质上它就是储存了无数年以前的太阳能。类似的，生物把太阳能转换成可以用来加热、运输和发电的燃料。风能，几百年来被人们用来提供机械能以及用于运输的能源，利用的是被太阳光加热的空气和地球转动产生的空气流动。如今，风力涡轮机把风能转换成电能，同时也用在传统用途上。§0.1太阳能2020/2/8水电也是源之太阳能。水力发电依赖于太阳光蒸发的水蒸气，水蒸气以雨水的形式回到地球并流向水坝。§0.1太阳能当能源主要依靠燃烧化石燃料（煤炭、石油、天然气）而获取时，能源消耗越高，越会影响人类社会的可持续发展。经济的发展人口的增加社会生活水平的提高促使世界能源消费水平持续增长2、由于化石燃料不可再生，资源终将枯竭。本世纪初关于世界能源储存数据调查显示：1、因为大量燃烧化石燃料会带来多种环境问题（尤其是环境污染、生态破坏导致气候变化问题）在过去的100年中全球平均气温上升0.3—0.6℃，海平面平均上升10—25CM。（温室效应）预计，若人类不采取减措施，全球气温每10年将升高0.2℃，到2100年全球平均气温将升高13.5℃。石油可采量为40年左右天然气60年左右煤炭230年左右促使寻求新能源取而代之（预测，本世纪50年代，直接利用太阳能的比例将发展到世界能源结构中的13-15％）2020/2/8UNSW新南威尔士大学7光伏发电（通常简称为PV）是一种简易而优美的利用太阳能的方式。光伏器件（太阳能电池）是独特的，因为它能把入射光线直接转换成电而不会产生噪音、污染且不需要移动零部件，这使得它们很牢固、可靠以及寿命长久。需要指出的是，太阳能电池跟通讯及电脑革命基于同样的原理和材料。§0.1太阳能单晶硅电池组件24V屋顶光伏发电系统太阳能草坪灯高速路太阳能监控器9位于澳大利亚东海岸的蒙塔古小岛———一个国家公园和野生动物保护区，太阳能点亮了这里的房子。图上左边的小太阳能电池板为灯塔提供电力，同时右边大块的电池板负责为图片里面露出一部分的房屋供电。房屋里存放着给国家公园守护者和岛上的研究者的设备。南京南站全球最大太阳能屋顶“发电”§0.2光伏发电的介绍光伏发电是指使用太阳能电池把阳光直接转化成电的过程。今天，它正在快速地成长并成为常规化石燃料发电的越来越重要的替代品。但是，相比其它的发电技术，光伏发电还是个后起之秀.2020/2/8UNSW新南威尔士大学11美国贝尔实验室的科学家D.M.Chapin,C.S.Fuller和G.L.Pearson于1954年成功研制出世界上第一个实用型单晶硅PN结太阳电池，这标志着太阳能光伏应用的研究进入了新的历史阶段。随后，光伏发电首先在太空领域得到应用。1958年首颗以太阳电池作为信号系统电源的人造卫星美国先锋Ι号（Vanguard－I）卫星发射上天，从此开始了太阳电池作为空间电源应用的新纪元。空间太阳电池发展概况表发射年份卫星名称材料效率(%)性能1958VanguardN/P晶体硅7～8输出功率较大60年代TelstarN/P晶体硅12后期开始引入背表面场（BSF）技术和Li原子作为施主杂质70年代Cz*晶体Si无定形Si13～14具有高载流子寿命和低的氧含量80年代美国军用卫星高效Si17.5非常高少数载流子寿命高效、抗辐射Ⅲ-Ⅴ化合物P/NGaAsGaAs/GeInp16～1818～2118高效、大尺寸、可耐550°C高温30分钟具有高辐射能力，但造价昂贵90年代24颗GPS66颗Iridium标准Si价格便宜，为GaAs/Ge电池的1/6～1/9二级GaAs/Ge三级GaAs/Ge21～2224高效、高抗辐射、可多次使用，但价格高1970年代发生的石油危机把全世界的眼光都聚焦在了对能为陆地上的人们所用的可替代能源的需求上，而这也反过来推动了光伏作为一种能为陆地上的人们所用的发电方式的研究。尽管石油危机被证明是短暂的以及对太阳能电池发展的经济支持的减少，但此时太阳能电池俨然已经进入了发电技术的竞争者行列。它在偏远的电力供应地区的应用和优势迅速地被人们认识到，并推动了陆地光伏产业的发展。小尺寸的可携带的应用（如计算器和手表）开始被使用，并让偏远地区的电力供应受益匪浅。2020/2/8UNSW新南威尔士大学13§0.2光伏发电的介绍到了1980年代，对硅太阳能电池的研究获得了回报，电池的发电效率开始提高。1985年硅电池的效率达到了里程碑式的20%。在紧接着的十年，光伏产业经历了每年15%到20%之间的稳定增长。1997年增长率达到了38%。而今天，太阳能电池不再被认为只是一种提供电力和提高那些电网还没到达的偏远地区的人们生活质量的方法。而是还作为一种能显著地减少由先进工业国家造成的环境破坏的影响的方法。14§0.2光伏发电的介绍①不占用城市昂贵的地皮（多建于沙漠）②可代替传统的墙面和屋顶材料③当地发电当地用，就地取用，无需输电设备④若和电网相连，可将剩余电力输给电网⑤在电网供电处于高峰期发电，消减城市用电负荷⑥属于绿色能源，不污染环境光伏发电的优越性（客观）光伏发电的优越性（主观）●各国可再生能源法的颁布、快速发展的光伏屋顶计划、各种减免税政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格，为光伏市场的发展提供了良好的基础●众多国家政府都加大对光伏课题的研究，积极培养光伏的专业人才满足市场需求，促进光伏科学技术的发展和产业的发展。为光伏更好的发展提供有力的保障。1.美国光伏发电的“百万屋顶计划”美国总统克林顿在1997年6月21日宣布了太阳能“百万屋顶计划”，准备在2010年以前，在100万座建筑物上安装太阳能系统，主要是太阳能光伏发电系统和太阳能热利用系统。目前，太阳能“百万屋顶计划”已在美国某些地区大力发展开来，由于美国政府在政策上给予了更多的倾斜，使得光伏发电的价格大为下降，在加利福尼亚地区现已降到每瓦不足3美元。世界太阳能发电发展现状和未来展望洛杉矶计划2020年实现100%光伏供电•2008年11月，洛杉矶市实施“太阳能屋顶”计划。这项计划分两个阶段实施–在第一阶段，洛杉矶市政府将投资2．7亿美元，为市政府和商业大楼等10．8万个屋顶安装太阳能发电系统，总发电能力将达400兆瓦。–在第二阶段，市政府将在未来8年里筹资15亿至30亿美元，为洛杉矶市其他房屋的屋顶陆续安装太阳能发电系统。•洛杉矶市长表示，我们希望到2020年整个洛杉矶城的电力都由太阳能提供。他表示，不光是市政，每个人都应该做到，我们希望在2020年全市的电力供应都来自可再生能源。市长鼓励不仅在公共部门提高对可再生能源的依赖，各个社会阶层也要有所增加。2.日本“阳光计划”第一阶段是第一次石油危机后，日本通产省于1974年制定了发展太阳能为主的可再生能源代替石油技术研发中长期规划，即有名的“阳光计划”第二阶段1988-1994年，要求售价再降20%，以便广泛应用于通信，路灯等小型电源。第三阶段是1993年制定的“阳光计划”仍把光伏发电作为重点项目。最后把光伏产业作为国策来抓，从长远发展，坚持不懈，通过政府优惠政策加速发展。3.德国的“10万屋顶发电计划”•2000年德国首先颁布可再生能源法，2003年又公布可再生能源促进法，由此引发了德国光伏发展的新一轮高峰，于当年圆满完成“10万屋顶发电计划”。•德国政府在推广光伏发电发面采取了一系列措施，主要是银行贷款和上网电价补贴等，目前德国光伏产业已经成为一个非常活跃的经济产业，2004年德国的光伏安装总量首次超过日本，走在世界前列。中国必须发展太阳能的理由与国外相比，我国能源系统更不具备可持续发展特点●能源枯竭的威胁可能来的更早。人口多，人均资源占有量仅及世界的一半，石油和天然气资源仅占世界人均量的17.1％和13.2％；加之能源利用技术的落后，效率低下，能耗高，枯竭速度可能会比国外更加迅速，能源匮乏的威胁可能来的更早。●能源供需缺口将越来越大。2020年全国需求量27亿吨TOE，尚缺4.8亿吨标准煤；2050年一次需求量达到40亿吨标煤，缺口达10亿吨标煤，缺口25%以上。●过度依赖煤炭，环境影响更加严重。煤几乎满足了我国一次能源需求的70%，66%的城市大气颗粒物的含量和22%的城市的二氧化硫含量均超过国家空气质量二级标准，在冬季这些污染物的浓度更大，通常为夏季的2倍，环境专家估计，大气中90%的二氧化硫和70%的烟尘来自于燃烧。●煤废料的处理仍是问题。煤炭开发利用过程中产生的大量的腐蚀性水、煤泥、灰渣和飞灰等，已构成对工农业生产和生态环境的危害，成为制约所在地区可持续发展的一个制约因素。PM2.5：是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。它的直径还不到人的头发丝粗细的1/20。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。科学家用PM2.5：表示每立方米空气中这种颗粒的含量，这个值越高，就代表空气污染越严重。PM2.5产生的主要来源：是日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物，大多含有重金属等有毒物质。一般而言，粒径2.5微米至10微米的粗颗粒物主要来自道路扬尘等；2.5微米以下的细颗粒物（PM2.5）则主要来自化石燃料的燃烧（如机动车尾气、燃煤）、挥发性有机物等。PM2.5：危害：粒径在2.5微米以下的细颗粒物，直径相当于人类头发1/10大小，被吸入人体后会进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。这些颗粒还可以通过支气管和肺泡进入血液，其中的有害气体、重金属等溶解在血液中，对人体健康的伤害更大。《整体环境科学》（ScienceofTotalEnvironment）上增刊登过北京大学医学部公共卫生学院教授潘小川及其同事一项新发现：2004年至2006年期间，当北京大学校园观测点的PM2.5日均浓度增加时，在约4公里以外的北京大学第三医院，心血管病急诊患者数量也有所增加。虽然PM10和PM2.5都是心血管病发病的危险因素，但PM2.5的影响显然更大。城市空气质量日报或周报中的可吸入颗粒物和总悬浮颗粒物是人们较为熟悉的两种大气污染物。可吸入颗粒物又称为PM10，指直径等于或小于10微米，可以进入人的呼吸系统的颗粒物；总悬浮颗粒物也称为PM100，即直径小于和等于100微米的颗粒物。美国国家航空航天局（NASA）2010年9月公布了一张全球空气质量地图，专门展示世界各地PM2.5的密度。地图由加拿大达尔豪斯大学的两位研究人员制作。他们根据NASA的两台卫星监测仪的监测结果，绘制了一张显示出2001年至2006年PM2.5平均值的地图。在这张图上红色（即PM2.5密度最高），出现在北非、东亚和中国。中国华北、华东和华中PM2.5的密度，指数甚至接近每立方米80微克，甚至超过了撒哈拉沙漠。世界卫生组织（WHO）认为：PM2.5小于10是安全值。中美双方所采用的空气质量评价标准不同：中国采用的是世界卫生组织第一阶段的评价标准，而美国采用第三阶段评价标准。以标志着“优质”的指数为例：它在中国对应着“PM2.5浓度为35微克/立方米”，而在美国采用的第三阶段标准中，则对应着“PM2.5浓度为15微克/立方米”。中国太阳能发电发展现状和未来展望中