太阳能光伏学 第一章 绪论

《太阳能光伏学》（1）课程内容介绍（2）能源介绍（3）绪论本堂内容安排：课程相关内容介绍授课学时：32学时授课时间及地点：周四（1-2）82#A302授课教师信息：苏凤办公室：东海校区83#D104电话：[phone]电邮：[e-mail]QQ:18132123课程描述《太阳能光伏学》是信息光电专业研究太阳能光伏发电技术的一门专业必修课。开设本课程的目的是使学生获得必要的太阳能光伏发电技术的基本理论、基本知识和基本技能，为从事光伏方向的技术工作，学习后续课程打下基础。其任务是使学生掌握太阳电池材料的制备技术、表征手段以及太阳能光伏系统的设计与国民经济各领域的应用，能够进行基本的太阳电池性能测试及太阳电池组件封装，并具备太阳能光伏系统优化设计的技能和简单独立光伏系统的典型应用。理论授课计划课程内容章节安排课堂讲授学时辅导讨论学时总计第一章绪论22第二章太阳能光伏发电光学原理33第三章太阳和太阳能22第四章太阳能光伏发电电学原理55第五章太阳能电池材料及加工工艺516第六章太阳能光伏发电储能装置55第七章光伏逆变器44第八章太阳能光伏发电系统213期末复习及疑难解答2课程总计学时安排32本课程的学习方法《太阳能光伏学》课程既是一门理论性很强又是一门与实践结合紧密的课程，因此在教学过程中要突出基本概念、基本原理和光伏系统设计方法的讲解；尽量结合独立光伏系统及并网光伏系统在国民经济各个领域的典型应用来增强学生对理论的理解。对学生有如下要求：1、认真听课，及时复习，弄懂基本原理和基本方法。2、准确地使用有关资料，提高独立工作能力。3、自学是大学生获得知识的重要途径，学生应不断改进自学方法，逐步提高自学能力。成绩考核学生考核总成绩必须至少达到60分，其中期末成绩占总成绩的60%，作业、期中及平时表现占总成绩的40%。教师将对所有学生作业认真批改，批注并附有评语。评语应当：1、力求客观，公正，及时，无偏见，不歧视；包含适当的肯定与鼓励的评价；2、帮助学生自己订正作业上的错误；指出学习上的问题，帮助学生进步。教科书及主要参考书目•教材：《太阳能光伏发电应用原理》，黄汉云编著，化学工业出版社，2009•参考书：1、《太阳能发电原理与应用》，冯垛生主编人民邮电出版社，2007.2、《太阳能利用技术》王君一，徐仁学编著金盾出版社，20083、《半导体材料》邓志杰，郑安生编著化学工业出版社，20044、《太阳能光伏理化基础》黄建华主编化学工业出版社，20115、《光伏技术应用》刘靖，李咸浩主编化学工业出版社，2011绪论能源现状太阳能光伏世界能源的现状1、目前世界能源主要取自于化石能源（石油、天然气与煤炭）；2、随着社会经济的发展，对能源的需求也日益增长。预计，2010年全球能源需求量达到105.99亿吨油当量，2020年达到128.89亿吨当量，2025年则达到136.50亿吨当量，平均年增率为2%；3、目前世界的化石能源岌岌可危：截止到2003年底，全球剩余的石油已探明的可开采量为1565.8亿吨，如果，以后没有发现新的蕴藏量可观的油田的话，估计到2040年，最多到2050年就要用完；而天然气估计可以用到2050年，加上可能再发现的天然气田,最多用到2090年；煤炭的情况好一些，估计可以再用200年甚至300年。综上所述，到本世纪末，除煤炭外,其它的化石能源就要开采殆尽！“能源危机”之说绝不是危言耸听！4、与此同时，化石能源的碳排放带来的环境污染也日趋严重，减排任务相当艰巨！2009年12月18日在哥本哈根召开的世界气候会议的主要议题是，工业化国家减少温室气体的排放目标与帮助发展中国家适应气候的变迁。由于欧美等发达国家的消极态度，最后没有达成实质性协议。可见，世界性的减排、低碳之路任重而道远！我国现有能源结构我国已探明的煤炭将在80年内采光石油将在15年左右枯竭天然气也将在30年用尽根据中国电力科学院预测，我国电力供应缺口在2010年和2020年分别为3700万千瓦和1亿千瓦发展可再生能源是未来能源发展的必由之路小水电和风电已经达到了商业化发电的水平，但它们的资源量毕竟有限，即使全部开发也可能满足不了未来的需要。太阳能光伏发电是有潜力的电力来源。汽车排长队等加油大气污染，触目惊心！（1）太阳能源太阳所产生的光和热，是带给地球多采多姿生态的原动力。因为有太阳源源不断的向地球传递能源，植物才得以进行光和作用，将太阳能转换为自身的养分。而动物再藉由摄取植物，從而得到自身活动所需之能源。所以太阳能可以说是地球上一切生命的基础。寻找新能源太阳能：太阳能的利用主要有两种：①光热太阳能如太阳灶、太阳供热系统。遍及全国各地的屋顶太阳能热水器就是一种常见的太阳供热系统。我国是太阳能热水器生产量与销售量最大的国家；但从房屋的热水器安装率来说，以色列已达到80%，日本为11%，台湾也达到2.7%，...，我国仅在千分之几左右，可见，在我国太阳能热水器的推广应用潜力仍很大。屋顶上的太阳能热水器②光电太阳能如太阳能电池、太阳能热电站。利用太阳热能发电目前已成为全球风险投资的一个重点领域，其原理是通过聚光装置把太阳光线聚集在装有某种液体的管道或容器。借助太阳热能，液体被加热到一定温度，产生蒸汽然后驱动涡轮机发电，热能转化为电能。这种发电方式被人们称为太阳能热发电。由于太阳能热发电需要充足的太阳直接辐射才能保持一定的发电能力,因此沙漠是最理想的建厂选址地区。假若，在非洲的撒哈拉大沙漠1%的地面上铺设硅太阳能电池，就可以得到比现在全球所消耗的能源总量还要多得多！西班牙的太阳能电站与传统的电厂相比，太阳能热电厂具有两大优势：（1）整个发电过程清洁，没有任何碳排放；（2）利用的是太阳能，无需任何燃料成本。太阳能热发电还有一大特色，那就是其热能储存成本要比电池储存电能的成本低得多。举例来说，一个普通的保温瓶和一台笔记本电脑的电池所存储的能量相当，但显然电池的成本要高得多。能够将太阳热能储存，就意味着太阳能热电厂可以克服传统电厂发电可能中断的弊端。从1984到1990年，美国在加州莫哈夫沙漠地区相继建成九个槽式太阳能热电站。其发电功率分别为14MW、6×30MW和2×80MW。这组总功率354MW的电站建成后，一直向加州电网供电至今，累计供电12TWh，其中新装置的电效率已达30%。葡萄牙在阿马雷莱雅地区建造的一座太阳能光伏电站近日投入使用，其总装机容量达46兆瓦是目前世界上最大的太阳能光伏电站。发电能力能满足３万多户葡萄牙家庭的日常用电需求。葡萄牙阿马雷莱雅太阳能光伏电站中国在太阳能热电厂的建设上起步较晚，中国与澳大利亚合作准备在中国建一座也许全世界最大的太阳能城。上海的鲜花港太阳能电站是目前中国较大的太阳能电站。以太阳能为能源引发的光伏研发与生产目前在世界各地正在如火如荼地开展。其中集热水供应、采暖、制冷、光伏并网发电系统与建筑融为一体的太阳能建筑正在各地拔地而起。我国奥运场馆、上海世博会建筑都属于太阳能建筑。苏州在2010年，市政府准备大力发展光伏企业，从财力、人力与政策上给与企业最大的支持。江苏沿海大丰市的风力发电和太阳能发电目前在全国应该是最大规模。而且是共存互补发电。上海鲜花港太阳能电站太阳能电池薄膜太阳能电池太阳能汽车航天器上的太阳能电板上海世博会主体建筑屋顶上的太阳能装置太阳能路灯（2）核能的开发利用①核电站的工作原理原子核是由带正电的质子与不带电的中子组成的，质子与中子统称为核子。一般情况下，原子核为什么如此稳定，就是因为核子之间存在着强大的核力。要使原子核分裂或者重新组合相当困难，但是，一旦原子核分裂成新的原子核与其它粒子了，或者原子核与核子聚合成新的原子核与其它粒子了，都会产生巨大的能量，这种能量就称为核能，俗称“原子能”。前者的变化过程称为“裂变”，后者的变化过程称为“聚变”。而且，聚变时产生的能量要比裂变时产生的能量大得多（就像氢弹爆炸时释放的能量要比原子弹爆炸时的能量大得多);但是，聚变过程也更难控制。目前正常运行的核电站都是属于裂变核电站。②目前世界核电站的状况经过50多年的发展，核电已成为30多个国家能源组成中不可或缺的部分。全世界正在运行的核动力堆已超过440座，总装机容量超过387千兆瓦，其中法国核电占其国内总电力的74.6%，比利时56.8%，韩国44.7%，瑞典39%，日本33.8%，德国30.6%，英国22%，美国20%，俄罗斯16%，中国仅为1.1%。③目前中国核电站的状况已运行的核电站：1）秦山核电站（浙江嘉兴的杭州湾畔）一期工程（30万KW，1994年商业运行，）、二期工程（2×60万KW，2002年商业运行）、三期工程（2×70万KW）2）大亚湾核电站（广东深圳大亚湾）（2×984MW）；3）田湾核电站（江苏连云港田湾）（2×106万KW，05年建成投产）4）岭澳核电站（广东大亚湾西海岸大鹏半岛东南侧）（2×100万KW04年投入商业运行），二期工程正在建设中。正在建设中的核电站有：1）阳江核电站（广东西南沿海的阳江市东平镇沙环村）（6×100万KW）；2）三门核电站（浙江台州市三门健跳镇猫头山半岛上南部）（6×100万KW）；3）海阳核电站（山东海阳冷家庄）;4）宁德核电站（福建省宁德市辖福鼎市秦屿镇的备湾村）；5）福清核电站（福建三山镇前薛村）6）红沿河核电站（辽宁瓦房店市东岗镇）。……等等。特别要指出的是，正在建设中的核电站大多采用的是第三代核技术，技术含金量高，效率与安全系数高；秦山一期核电站秦山二期核电站秦山三期核电站广东大亚湾核电站连云港田湾核电站广东岭澳核电站广东阳江核电站福建福清核电站③核电站的优点与不足1）核电站的优点a)核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中,因此核能发电不会造成空气污染,不会产生加重地球温室效应的二氧化碳；b)核能发电所使用的是铀燃料，而全球铀的蕴藏量相当丰富；c)核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送；d)核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。2）核电站缺点:a)核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对大的政治困扰。b)核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境里，故核能电厂的热污染较严重c)核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高；d)核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果设计不合理或操作不当而造成核泄漏事故，会对生态及民众造成伤害甚至严重伤害。前苏联的切尔诺贝利核电站1986年4月的核泄漏事故对周边地区的生态环境造成了相当严重的影响。（3）风能的开发利用风能是利用空气强烈的流动而形成的动能。严格说来，他是间接形式的太阳能，占到达地面太阳能的2%左右。虽然百分比不大，但绝对量可观，相当于10300亿吨煤蕴藏的能量。风能的利用分两种：①风能的动力利用：利用风力作为动力，直接带动各类机械系统。例如，风帆；②风能的发电利用：利用风力带动发电机发电。例如,风力发电机。风力发电机的优点是明显的：成本低，污染少；但是缺点也是明显的：风力不稳定，受季节性影响大，储存与传输难等。风力发电从风力发电的技术状况以及实际运行情况表明，它是一种安全可靠的发电方式，随着大型机组的技术成熟和产品商品化的进程，风力发电成本降低，已经具备了和其他发电手段相竞争的能力。2005年，我国政府将2020年风电的发展目标从原来的2000万千瓦提高到3000万千瓦；2006年1月1日生效的《可再生能源法》亦为中国发展可再生能源，包括建立一套风电价格机制以促进风电发展提供了法律框架。现状分析目前全世界风电装机容量达到490万千瓦，而且还在以年均60％的速度增长。我国风能资源丰富，这十几年来，对风