2019新能源发电技术2太阳能光伏发电

新能源发电技术郑小波23太阳能概述太阳能电池的基本原理太阳能光伏发电系统本章提要42-1太阳能概述太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kW/m2。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达1.73×1014kW。太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于500万吨标准煤。5地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是2-1太阳能概述地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。6广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。2-1太阳能概述7太阳能特点太阳能利用历史太阳能利用方式太阳能发电的方式太阳能光伏发电历史和现状太阳能光伏发电的优缺点2-1太阳能概述81.太阳的构造太阳的结构共分七层：（1）内核（5）反变层（2）辐射输能区（6）色球层（3）对流区（7）日冕（4）光球层2-1太阳能概述一、太阳能特点9太阳的构造2-1太阳能概述10太阳的构造11（1）内核在太阳平均半径23%（0.23R）的区域内是太阳的内核，其温度约为8×106～4×107K，密度为水的80～100倍，占太阳全部质量的40%，总体积的15%。这部分产生的能量占太阳产生总能量的90%。氢聚合时放出γ射线，当它经过较冷区域时由于消耗能量，波长增长，变成X射线或紫外线及可见光。2-1太阳能概述1.太阳的构造12太阳X射线照片2-1太阳能概述13（2）辐射输能区从0.23～0.7R的区域称为“辐射输能区”，温度降到1.3×105K，密度下降为0.079g/cm3。（3）对流区0.7～1.0R之间称为“对流区”，温度下降到5×103K，密度下降到10-8g/cm3。2-1太阳能概述1.太阳的构造14（4）光球层太阳的外部是一个光球层，它就是人们肉眼所看到的太阳表面，其温度为5762K，厚约500km，密度为10-6g/cm3，它是由强烈电离的气体组成，太阳能绝大部分辐射都是由此向太空发射的。光球表面有颗粒状结构--“米粒组织”。光球上亮的区域叫光斑，暗的黑斑叫太阳黑子，太阳黑子的活动具有平均11.2年的周期。2-1太阳能概述1.太阳的构造152-1太阳能概述16太阳黑子2-1太阳能概述17一张日食的照片（太阳黑子）2-1太阳能概述18（5）反变层光球外面分布着不仅能发光，而且几乎是透明的太阳大气，称之为“反变层”，它是由极稀薄的气体组成，厚约数百公里，它能吸收某些可见光的光谱辐射。2-1太阳能概述1.太阳的构造19（6）色球层“反变层”的外面是太阳大气上层，称之为“色球层”，厚约1～1.5×104km，大部分由氢和氦组成。（7）日冕“色球层”外是伸入太空的银白色日冕，温度高达1百万度，高度有时达几十个太阳半径。2-1太阳能概述1.太阳的构造20太阳色球照片2-1太阳能概述21太阳日冕。SOHO探测器拍摄。2-1太阳能概述22太阳高温大气2-1太阳能概述23太阳日冕摄于1991年7月11日日全食时2-1太阳能概述24太阳日冕4英寸折射望远镜摄于2019年2月2-1太阳能概述25太阳日冕2019年8月11日摄于土耳其东部的Haza湖岸2-1太阳能概述26从太阳的构造可见，太阳并不是一个温度恒定的黑体，而是一个多层的有不同波长发射和吸收的辐射体。不过在太阳能利用中通常将它视为一个温度为6000K，发射波长为0.3～3μm的黑体。2-1太阳能概述1.太阳的构造27太阳常数昼夜是由于地球自转而产生的，而季节是由于地球的自转轴与地球围绕太阳公转的轨道的转轴呈23°27′的夹角而产生的。2.太阳辐射的特性2-1太阳能概述28由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，太阳与地球之间的距离不是一个常数，而且一年里每天的日地距离也不一样。众所周知，某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方成反比，这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。太阳常数2-1太阳能概述2.太阳辐射的特性29然而，由于日地间距离太大（平均距离为1.5×108km），所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们就采用所谓“太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。它是指平均日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。太阳常数2-1太阳能概述2.太阳辐射的特性30近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为1353w/m2。一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过3.4%。太阳常数2-1太阳能概述2.太阳辐射的特性311977年日全食2-1太阳能概述321994年日全食2-1太阳能概述33日偏食2-1太阳能概述34到达地面的太阳辐射太阳照射到地平面上的辐射或称“日射”由两部分组成—直达日射和漫射日射。太阳辐射穿过大气层而到达地面时，由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐射的吸收、反射和散射，不仅使辐射强度减弱，还会改变辐射的方向和辐射的光谱分布。2-1太阳能概述2.太阳辐射的特性35到达地面的太阳辐射（1）直射指直接来自太阳其辐射方向不发生改变的辐射；（2）漫射指被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射。2-1太阳能概述2.太阳辐射的特性36到达地面的太阳辐射漫射由三部分组成：（1）太阳周围的散射（太阳表面周围的天空亮光），（2）地平圈散射（地平圈周围的天空亮光或暗光），（3）其他的天空散射辐射。2-1太阳能概述2.太阳辐射的特性37到达地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响。大气层越厚，对太阳辐射的吸收、反射和散射就越严重，到达地面的太阳辐射就越少。此外大气的状况和大气的质量对到达地面的太阳辐射也有影响。到达地面的太阳辐射2-1太阳能概述2.太阳辐射的特性38不同地区太阳平均辐射强度此外地球上不同地区、不同季节、不同气象条件下到达地面的太阳辐射强度都是不相同的。2-1太阳能概述2.太阳辐射的特性393.太阳能特点在海平面上的标准峰值强度为1kW/m2，地球表面某一点24小时的年平均辐射强度为0.20kW/m2，相当于有1.02×1017W的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外）。2-1太阳能概述403.太阳能特点2-1太阳能概述413.太阳能特点从图上可以看出，地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。2-1太阳能概述422-1太阳能概述永恒性广泛性分散性随机性间歇性区域性清洁性3.太阳能特点433.太阳能特点优点一次能源可再生能源资源丰富可免费使用无需运输无任何污染缺点能流密度低强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量2-1太阳能概述443.太阳能特点虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍。但是太阳能的这些缺点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。2-1太阳能概述454.我国的太阳能资源2-1太阳能概述我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。根据中国气象科学研究院的研究，有2/3以上国土面积，年日照在2000小时以上，年平均辐射量超过0.6GJ/cm2，各地太阳年辐射量大致在930～2330kWh/m2之间。专家统计，如果把全国1%的荒漠中的太阳能用于发电，就可以发出相当于2019年全年的耗电量。届时，新疆、西藏、甘肃等广大西部地区将成为我国新的能源基地。464.我国的太阳能资源2-1太阳能概述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。474.我国的太阳能资源2-1太阳能概述太阳能丰富区，在内蒙中西部、青藏高原等地，年总辐射在150千卡/平方公分以上。太阳能较丰富区，北疆及内蒙东部等地，年总辐射约130～150千卡/平方公分。太阳能可利用区，分布在长江下游、两广、贵州南部和云南及松辽平原，年总辐射量为110～130千卡/平方公分。484.我国的太阳能资源2-1太阳能概述地区全年日太阳辐射相当于燃分类照时数年总量*烧标准煤Kcal(cm2·a)-1(kg)一2800～3300160～200230～280宁夏北部、甘肃北部、新疆东南部、青海西部和西藏西部印度和巴基斯坦北部二3000～3200140～160200～230河北北部、山西北部、内蒙和宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部印度尼西亚的雅加达一带三2200～3000120～140170～200山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南等省及陕西北部、甘肃东南部、广东和福建的南部、江苏和安徽的北部、北京美国华盛顿地区四1400～2200100～120140～170湖北、湖南、江西、浙江、广西等省、以及广东北部、陕西、江苏和安徽三省的南部、黑龙江意大利米兰地区五1000～140080～100110～140四川、重庆和贵州法国巴黎、俄罗斯莫斯科包括的地区与国外相当的地区49人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来干燥农副产品。2-1太阳能概述二、太阳能的利用历史50发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。2-1太阳能概述二、太阳能的利用历史51二、太阳能的利用历史据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事。2-1太阳能概述5220世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀作功而抽水的机器。二、太阳能的利用历史2-1太阳能概述53第一阶段(1900-1920)在这一阶段，世界上太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置，但采用的聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64kW，实用目的比较明确，造价仍然很高。二、太阳能的利用历史2-1太阳能概述54第二阶段（1920-1945）在这20多年中，太阳能研究工作处于低潮，参加研究工作的人数和研究项目大为减少，其原因与矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战（1935-1945）有关，而太阳能又不能解决当时对能源的急需，因此使太阳能研究工作逐渐受到冷落。二、太阳能的利用历史2-1太阳能概述55第三阶段（1945-1965）在第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少，呼吁人们重视这一问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展，并且成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会，再次兴起太阳能研究热潮。二、太阳能的利用历史2-1太阳能概述56第四阶段(1965-1973)这一阶段，太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。二、太阳能的利用历史2-1太阳能概述57第五阶段（1973-1980）1973年10月爆发中东战争，石油输出国组织采取石油减产、提价等办法，支持中东人民的斗争，维护本国的利益。其结果是使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家，在经济上遭到沉重打击。二、太阳能的利用历史2-1太阳能概述58于是，西方一些人惊呼：世界发生了“能源危机”（有的称“石油危机”）。这次“危机”在客观上