1、太阳能学习资料！（YY 版）一 、 基 本 知 识1 000 纳 米 (nm) = 1 微 米 (m) 1 000 微 米 (m) = 1 毫 米 (mm)1 000 毫 米 (mm) = 1 米 （ m ）太阳能电池是一种能将光能直接转换成电能的半导体器件，其结构如图所示。它实质上是一个大面积的半导体 PN 结。硅光电池的基体材料为一薄片 P型单晶硅，其厚度在 0.44mm 以栅状电极下，在它的表面上利用热扩散法生成一层 N 型受光层，基体和受光层的交接处形成 PN 结。在 N 型受光层上制作有栅状负电极，另外在受光面上还均匀覆盖有抗反射膜，它是一层很薄的天蓝色一氧化硅膜，可以使电池对有效人
2、射光的吸收率达到 90%以上，并使硅光电池的短路电流增加 25%-30%。 硅光电池的工作原理是光生伏特效应。当光照射在硅光电池的 PN 结区时，会在半导体中激发出光生电子一空穴对。PN 结两边的光生电子一空穴对，在内电场的作用下，属于多数载流子的不能穿越阻挡层，而少数载流子却能穿越阻挡层。结果，P 区的光生电子进入 N 区， N 区的光生空穴进入 p 区，使每个区中的光生电子一空穴对分割开来。光生电子在 N 区的集结使 N 区带负电，光生电子在 p 区的集结使 P 区带正电。P 区和 N 区之间产生光生电动势。当硅光电池接人负载后，光电流从 P 区经负载流至 NE，负载中即得到功率输出。 晶
3、体硅太阳电池工作原理及示意图太阳辐射能光子转变为电能的过程，叫“光生伏打效应”，人们把能产生“光生伏打效应”的器件称为“光伏器件”；因为半导体 P-N 结器件在阳光下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为“太阳电池”。晶体硅太阳电池是指：单晶硅片为基体的单晶硅太阳电池与多晶硅晶片为基体的多晶硅太阳电池的总称。 font=宋体size=10.5pt 晶体硅太阳电池是具有 P-N 结结构的半导体器件。太阳电池吸收太阳光能后，激发产生电子、空穴对，电子、空穴对被半导体内部 P-N 结自建电场分开，电子流入 n 区，空穴流入 p 区，形成光生电场。将晶体硅太阳电池的正、负电极与外接电路连接，外
4、接电路中就有光font=宋体size=10.5pt生电流流过。制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多；目前技术最成熟，并最具有商业价值的太阳电池要算晶体硅太阳电池，即单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池的统称，商品化太阳电池市场 80%是晶体硅太阳电池。太阳电池发电直接利用取之不竭、无处不有的太阳能，不消耗工质、不排放废物、无转动、无噪声，是一种理想的清洁安全新能源。使用上具有结构简单、易安装、建设周期短，维护简便甚至免维护，应用范围广等优点。通常将多个太阳电池片串、并联成一定电性能的太阳电池串，封装成具有机械强度的太阳电池组件。太阳电池方阵是太阳电池的组合体，将多个组件固
5、定在支架上，用导线连在一起，产生系统所需的电压和电流。太阳能光伏 光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明，并为电网供电。 光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电力。近年，天台及建筑物表面均会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。 太阳热能 现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸气和电力。除了运用适
6、当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能，方法是在设计时加入合适的装备，例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。 【利用太阳能的历史】 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。20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做功而抽水的机器。在 1615 年
7、1900 年之间，世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率不大，工质主要是水蒸汽，价格昂贵，实用价值不大，大部分为太阳能爱好者个人研究制造。20 世纪的 100 年间，太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段。 第一阶段(19001920 年)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。建造的典型装置有：1901 年，在美国加州建成一台太阳能抽水装置，采用截头圆锥聚光器，功率：7.36kW
8、；1902 1908 年，在美国建造了五套双循环太阳能发动机，采用平板集热器和低沸点工质；1913 年，在埃及开罗以南建成一台由 5 个抛物槽镜组成的太阳能水泵，每个长 62.5m，宽 4m，总采光面积达 1250m2。 第二阶段（19201945 年）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（19351945 年）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。 第三阶段（19451965 年）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
9、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。 在这一阶段，太阳能研究工作取得一些重大进展，比较突出的有：1945 年，美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，为光伏发电大规模应用奠定了基础；1955 年，以色列泰伯等在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论，并研制成实用的黑镍等选择性涂层，为高效集热器的发展创造了条件。此外，在这一阶段里还有其它一些重要成果，比较突出的有： 1952 年，法国国家研究中心在比利牛斯山东部建成一座功率为50kW 的太阳炉。1960 年，在美国佛罗里达
10、建成世界上第一套用平板集热器供热的氨水吸收式空调系统，制冷能力为 5 冷吨。1961 年，一台带有石英窗的斯特林发动机问世。在这一阶段里，加强了太阳能基础理论和基础材料的研究，取得了如太阳选择性涂层和硅太阳电池等技术上的重大突破。平板集热器有了很大的发展，技术上逐渐成熟。太阳能吸收式空调的研究取得进展，建成一批实验性太阳房。对难度较大的斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术进行了初步研究。 第四阶段(19651973 年）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。第五阶段（
11、19731980 年）自从石油在世界能源结构中担当主角之后，石油就成了左右经济和决定一个国家生死存亡、发展和衰退的关键因素，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。 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”在客观上使人们认识到：现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。1973
12、 年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费大幅度增长，并且成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。日本在 1974 年公布了政府制定的“阳光计划”，其中太阳能的研究开发项目有：太阳房 、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。为实施这一计划，日本政府投入了大量人力、物力和财力。70 年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大影响。一些有远见的科技人员，纷纷投身太阳能事业，积极向政府有关部门提建议，出书办刊，介绍国际上太阳能利用动态；在农村推广应用太阳灶 ，在城市研制开发太阳能热水器，空间用的太阳电池开始在地面应用。 1975 年，在河
13、南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步推动了我国太阳能事业的发展。这次会议之后，太阳能研究和推广工作纳入了我国政府计划，获得了专项经费和物资支持。一些大学和科研院所，纷纷设立太阳能课题组和研究室，有的地方开始筹建太阳能研究所。当时，我国也兴起了开发利用太阳能的热潮。 这一时期，太阳能开发利用工作处于前所未有的大发展时期，具有以下特点：各国加强了太阳能研究工作的计划性，不少国家制定了近期和远期阳光计划。开发利用太阳能成为政府行为，支持力度大大加强。国际间的合作十分活跃，一些第三世界国家开始积极参与太阳能开发利用工作。 研究领域不断扩大，研究工作日益深入，取得一批较大成果，如
14、CPC、真空集热管、非晶硅太阳电池、 光解水制氢、太阳能热发电等。 各国制定的太阳能发展计划，普遍存在要求过高、过急问题，对实施过程中的困难估计不足，希望在较短的时间内取代矿物能源，实现大规模利用太阳能。例如，美国曾计划在 1985 年建造一座小型太阳能示范卫星电站，1995 年建成一座 500 万 kW 空间太阳能电站。事实上，这一计划后来进行了调整，至今空间太阳能电站还未升空。 太阳热水器、太阳电池等产品开始实现商业化，太阳能产业初步建立，但规模较小，经济效益尚不理想。 第六阶段（19801992 年）70 年代兴起的开发利用太阳能热潮，进入 80 年代后不久开始落潮，逐渐进入低谷。世界上
15、许多国家相继大幅度削减太阳能研究经费，其中美国最为突出。导致这种现象的主要原因是：世界石油价格大幅度回落，而太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力；太阳能技术没有重大突破，提高效率和降低成本的目标没有实现，以致动摇了一些人开发利用太阳能的信心；核电发展较快，对太阳能的发展起到了一定的抑制作用。 受 80 年代国际上太阳能低落的影响，我国太阳能研究工作也受到一定程度的削弱，有人甚至提出：太阳能利用投资大、效果差、贮能难、占地广，认为太阳能是未来能源，主张外国研究成功后我国引进技术。虽然，持这种观点的人是少数，但十分有害，对我国太阳能事业的发展造成不良影响。这一阶段，虽然太阳能开发研究经费大幅度削减，
16、但研究工作并未中断，有的项目还进展较大，而且促使 人们认真地去审视以往的计划和制定的目标，调整研究工作重点，争取以较少的投入取得较大的成果。第七阶段（1992 年至今）由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。在这样背景下，1992 年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，会议通过了里约热内卢环境与发展宣言， 21 世纪议程和联合国气候变化框架公约等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一的框架，确立了 可持续发展的模式。这次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在 一起，使太阳能利用工作走出低谷，逐渐得到加强。世界环发大
17、会之后，我国政府对环境与发展十分重视，提出 10 条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”，制定了中国 21 世纪议程，进一步明确 了太阳能重点发展项目。1995 年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了新能源和可再生能源发展纲要 （1996 2010 年），明确提出我国在1996-2010 年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施 。这些文件的制定和实施，对进一步推动我国太阳能事业发挥了重要作用。 1996 年，联合国在津巴布韦召开“世界太阳能高峰会议”，会后发表了哈拉雷太阳能与持续发展宣言 ，会上讨论了世界太阳能 10 年行
18、动计划（1996 2005 年），国际太阳能公约，世界太阳能战略规划等重要文件。这次会议进一步表明了联合国和世界各国对开发太阳能的坚定决心，要求全球共同行动 ，广泛利用太阳能。1992 年以后，世界太阳能利用又进入一个发展期，其特点是：太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合，全球共同行动，为实现世界太阳能发展战略而努力；太阳能发展目标明确，重点突出，措施得力，有利于克服以往忽冷忽热、过热过急的弊端，保证太阳能事业的长期发展；在加大太阳能研究开发力度的同时，注意科技成果转化为生产力，发展太阳能产业，加速商业化进程，扩大太阳能利用领域和规模，经济效益逐渐提高；国际太阳能领域的合作空前活跃，规
19、模扩大，效果明显。通过以上回顾可知，在本世纪 100 年间太阳能发展道路并不平坦，一般每次高潮期后都会出现低潮期，处于低潮的时间大约有 45 年。太阳能利用的发展历程与煤、石油、核能完全不同，人们对其认识差别大，反复多，发展时间长。这一方面说明太阳能开发难度大，短时间内很难实现大规模利用；另一方面也说明太阳能利用还受矿物能源供应，政治和战争等因素的影响，发展道路比较曲折。尽管如此，从总体来看，20 世纪取得的太阳能科技进步仍比以往任何一个世纪都大。 【利弊】 优点：(1)普遍：太阳光普照大地，无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。(2)无害：开发利用太
20、阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。(3)巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于 130 万亿 t 标煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。(4)长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。缺点：(1)分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向 1 平方米面积上接收到的太阳能平均有1000W 左右；若按全年日夜平均，则只有 200W 左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有 15 左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，
