第2講太陽能及其利用配套教材：《新能源發(fā)電技術(shù)》朱永強(qiáng)趙紅月，

機(jī)械工業(yè)出版社“十三五”國家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃項(xiàng)目卓越工程能力培養(yǎng)與工程教育專業(yè)認(rèn)證系列規(guī)劃教材2太陽是一個(gè)發(fā)光發(fā)熱的巨型氣態(tài)星體，直徑大約為139萬km(1.39×109m)，體積約為1.42×1027m3(是地球的130萬倍)，質(zhì)量為1.98×1030kg(大約是地球的33萬倍)，平均密度只有地球密度的1/4?！?.1.1太陽能概述太陽的能量，來自其內(nèi)部進(jìn)行的熱核反應(yīng)(由4個(gè)氫核聚變成1個(gè)氦核)。太陽以光輻射的形式，每秒向太空發(fā)射約3.74×1026J的能量，即輻射功率約為3.74×1026W。熱核反應(yīng)方程式為411H→24He+210e§2.1太陽能資源及其分布3地球和太陽的平均距離約為1.5×108km，因距離遙遠(yuǎn)，太陽釋放的能量只有22億分之一左右投射到地球上。到達(dá)大氣層上界的太陽輻射功率約為1.73×1017W，其中大約30%被大氣層反射回宇宙空間，大約23%被大氣層吸收。能夠投射到地面的太陽輻射功率只有47%左右，約為8.1×1016W。盡管如此，每年到達(dá)地球表面的太陽能仍高達(dá)1.05×1018kW·h，相當(dāng)于1.3×107億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，是當(dāng)代全球能耗的上萬倍?！?.1.1太陽能概述4太陽能資源的分布與各地的緯度、海拔高度、地理狀況和氣候狀況等有關(guān)。全球太陽能平均輻射總量如圖所示。就全球而言，美國西南部、非洲、澳大利亞、中國西藏、中東等地區(qū)的全年太陽總輻射量或日照總時(shí)數(shù)最大，為世界太陽能資源最豐富地區(qū)。而且，其中有很多地區(qū)屬于發(fā)展中國家，在這些地方利用太陽能發(fā)電具有很多優(yōu)越性?！?.1.2世界太陽能資源分布5§2.2.2

世界太陽能資源分布太陽能資源的豐富程度一般以單位面積的全年總輻射量和全年日照總時(shí)數(shù)來表示。太陽能全年總輻射量難以計(jì)算，一般只能根據(jù)實(shí)際測量得到。世界各地太陽能全年總輻射量分布§2.1.2世界太陽能資源分布6美國國家航空航天局(NASA)建有一個(gè)包含各地日照數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，其中部分城市的日照數(shù)據(jù)見表排

序地

點(diǎn)日照量/[kW·h/(m2·年)]排

序地

點(diǎn)日照量/[kW·h/(m2·年)]1馬德里17859北京14302悉尼167510紐約13003雅典166511巴黎12204舊金山158012慕尼黑10855曼谷156013阿姆斯特丹9756羅馬153514倫敦9507香港152515漢堡9208東京1460

§2.1.2世界太陽能資源分布7我國位于歐亞大陸東部，陸地占世界陸地面積的1/14，而且大部分處于北溫帶，因此，我國的太陽能資源十分豐富，每年陸地接收的太陽輻射總量約為1.9×1016kW·h，相當(dāng)于2.4萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。國家有關(guān)單位的測量資料表明，全國各地太陽年輻射總量基本都在3340～8400MJ/m2，平均值超過5000MJ/m2(相當(dāng)于170kg/m2標(biāo)準(zhǔn)煤的熱量)。而且全國2/3的國土面積年日照時(shí)間都超過2200小時(shí)?！?.1.3我國太陽能資源分布8按接受太陽能輻射量的大小，全國大致上可分為五類地區(qū)。中，a表示每年（annual）。地區(qū)類型年日照時(shí)數(shù)(h/a)年輻射總量(MJ/m2·a)等量熱量所需標(biāo)準(zhǔn)燃煤(kg)包括的主要地區(qū)備注

一類

3200-3300

6680-8400

225～285kg寧夏北部，甘肅北部，新疆南部，青海西部，西藏西部太陽能資源最豐富地區(qū)

二類

3000-3200

5852-6680

200～225kg河北西北部，山西北部，內(nèi)蒙南部，寧夏南部，甘肅中部，青海東部，西藏東南部，新疆南部較豐富地區(qū)

三類

2200-3000

5016-5852

170-200kg山東，河南，河北東南部，山西南部，新疆北部，吉林，遼寧，云南，陜西北部，甘肅東南部，廣東南部中等地區(qū)

四類

1400-2200

4180-5016

140-170kg湖南，廣西，江西，浙江，湖北，福建北部，廣東北部，陜西南部，安徽南部較差地區(qū)五類1000-14003344-4180115-140kg四川大部分地區(qū)，貴州最差地區(qū)§2.1.3我國太陽能資源分布9一、二、三類地區(qū)，年日照時(shí)數(shù)大于2000h，輻射總量高于5000MJ/m2·a，是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區(qū)，面積較大，約占全國總面積的2/3以上，具有利用太陽能的良好條件。四川盆地、兩湖地區(qū)、秦巴山地等是太陽能資源低值區(qū)。我國太陽能資源分布，西部高于東部，而且基本上南部低于北部(除西藏、新疆例外)，與通常隨緯度變化的規(guī)律并不一致，緯度小的地區(qū)反而低于緯度大的地區(qū)。這主要是由大氣云量及山脈分布的影響造成的。例如，我國南方云量明顯比北方大。而青藏高原地區(qū)，平均海拔高度在4000m以上，大氣層薄而清潔，透明度好，日照時(shí)間長，因此太陽能資源最豐富，最高值達(dá)920kJ/(cm2·年)。§2.1.3我國太陽能資源分布10與煤炭、石油、天然氣、核能等常規(guī)能源相比，太陽能具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）儲(chǔ)量豐富。一年內(nèi)到達(dá)地面的太陽輻射能總量，要比地球上現(xiàn)在每年消耗的各種能源的總量大幾萬倍。（2）維持長久。相對于人類歷史而言，太陽的壽命幾乎是“永遠(yuǎn)”。（3）分布廣泛。陽光普照，遍及全球，幾乎是到處都有，就地可用。（4）維護(hù)方便，運(yùn)行成本低。經(jīng)一次性投資安裝好太陽能利用設(shè)備后，后續(xù)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用比其他各種能源要小得多。（5）清潔，無污染。§2.1.4太陽能資源的特點(diǎn)11太陽的主要缺點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）能量的分散性（能量密度低）。即使是晴朗白晝的正午，在垂直于太陽光方向的地面上，每平方米所能接收的太陽能平均也只有1千瓦左右，大多數(shù)情況下甚至低于500瓦。（2）能量的不穩(wěn)定性。陽光的輻射角度隨著時(shí)間不斷發(fā)生變化，再加上氣候、季節(jié)等因素的影響，到達(dá)地面某處的太陽直接輻射能是不穩(wěn)定的，具有明顯的波動(dòng)性甚至隨機(jī)性。（3）能量的間歇性，不連續(xù)。隨著晝夜的交替，到達(dá)地面的太陽直接輻射能具有不連續(xù)性?！?.1.4太陽能資源的特點(diǎn)12§2.2太陽能集熱與發(fā)電§2.2.1集熱器類型（1）平板集熱器吸熱部分主體是涂有黑色吸收涂層的平板。按結(jié)構(gòu)的差別，又分為直曬式平板集熱器和透明蓋板式集熱器。直曬式透明蓋板式13（1）平板集熱器§2.2.1集熱器類型14（1）平板集熱器直曬式平板集熱器，受熱面是一個(gè)或多個(gè)平板，涂有高吸收、低發(fā)射的選擇性涂層，直接讓陽光照射到涂有吸收涂層的平板上，水管等傳熱結(jié)構(gòu)放置在集熱平板的背光一面，通過水循環(huán)將熱量傳遞到水箱中。透明蓋板式集熱器，則是根據(jù)“熱箱原理”設(shè)計(jì)的?！盁嵯洹泵嫦蜿柟獾囊幻鏋橥该鞯纳w板，可用玻璃、玻璃鋼或塑料薄膜制作；其它幾面為不透氣的保溫層，并且內(nèi)壁涂黑。太陽光透過透明的蓋板進(jìn)入箱內(nèi)，就被內(nèi)壁涂層吸收，轉(zhuǎn)換為熱能。熱箱內(nèi)的集熱介質(zhì)可以是空氣，也可以是水?！?.2.1集熱器類型15（2）真空管集熱器如果將透明蓋板式集熱器的集熱板與透明蓋板、側(cè)壁之間抽成真空，同時(shí)在結(jié)構(gòu)上做成圓管形狀，就變成了真空管集熱器，。其核心部件是真空管，按照材料來分，有全玻璃真空管和金屬真空管兩類。§2.2.1集熱器類型16（3）聚焦型集熱器聚焦型集熱器采用特定的聚焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將太陽輻射聚集到較小的集熱面上，從而可以獲得很高的能流密度和集熱溫度。點(diǎn)聚焦線聚焦§2.2.1集熱器類型17

太陽能熱水器利用太陽輻射的熱量提供熱水。可節(jié)省電能，是重要的節(jié)能措施之一。太陽能熱利用中，發(fā)展和應(yīng)用最完善?！?.2太陽能集熱與發(fā)電18太陽池若想實(shí)現(xiàn)太陽能的連續(xù)供應(yīng)，要在陽光充足時(shí)盡量多收集，并將用不完的部分設(shè)法儲(chǔ)存起來，以便在陽光不足的使用。太陽池就是一種集中儲(chǔ)存太陽能的方式，并可作為熱源使用。池水為天然咸水或加入氯化鈉或氯化鎂的鹽水，一般表層為清水，越往深處鹽度越大，底層甚至為飽和狀態(tài)。池底深而黑，光輻射被池底吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎?，除了池底的有限散熱，基本不?huì)向水池表面散熱。這是因?yàn)榉€(wěn)定的鹽溶液不能對流，而水本身的導(dǎo)熱性又差，上層水實(shí)際上成了厚厚的保溫層。太陽不斷輻射、底層水不斷儲(chǔ)熱，水溫就越來越高。將池底的熱取出，就可以進(jìn)行各種應(yīng)用，而且這種熱源還比較穩(wěn)定?！?.2太陽能集熱與發(fā)電19太陽能發(fā)電是未來太陽能大規(guī)模利用的主要發(fā)展方向。主要方式有太陽能熱發(fā)電和太陽能光發(fā)電兩種。太陽能光發(fā)電是指不通過熱過程而直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方式。廣義的光發(fā)電，包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光生物發(fā)電和光感應(yīng)發(fā)電等。光化學(xué)發(fā)電和光生物轉(zhuǎn)換，主要通過光化轉(zhuǎn)換的過程實(shí)現(xiàn)。當(dāng)今實(shí)際應(yīng)用的太陽能發(fā)電方式，基本上都是太陽能熱發(fā)電和光伏發(fā)電?！?.2.2太陽能發(fā)電20§2.3太陽能熱發(fā)電（1）太陽能熱發(fā)電兩種類型：一類是蒸汽熱動(dòng)力發(fā)電，一類是熱電直接轉(zhuǎn)換。——蒸汽熱動(dòng)力發(fā)電，先利用太陽能提供的熱量產(chǎn)生蒸汽，

再利用高溫高壓蒸汽的熱動(dòng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電?！獰犭娭苯愚D(zhuǎn)換，即利用太陽能提供的熱量直接發(fā)電,實(shí)現(xiàn)形式有：半導(dǎo)體或金屬材料的溫差發(fā)電等。優(yōu)點(diǎn)是發(fā)電裝置沒有活動(dòng)部件，但一般發(fā)電量很小。相對成熟的是太陽能半導(dǎo)體溫差發(fā)電。§2.3.1太陽能熱發(fā)電方式21通常所說的太陽能熱發(fā)電，就是指太陽能蒸汽熱動(dòng)力發(fā)電。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理和傳統(tǒng)火力發(fā)電的原理類似，所采用的發(fā)電機(jī)組和動(dòng)力循環(huán)都基本相同。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，由集熱部分、熱傳輸部分、蓄熱與熱交換部分和汽輪發(fā)電部分組成?！?.3.2太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成22§2.3.2太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成（1）集熱部分定日鏡（聚光系統(tǒng)）的作用是提高功率密度。大規(guī)模發(fā)電，會(huì)形成一個(gè)龐大的太陽能收集場。一般還配備太陽能跟蹤裝置，保證在有陽光的時(shí)段持續(xù)獲得高效的太陽能利用。集熱器的作用是將聚焦后的太陽能輻射吸收，并轉(zhuǎn)換為熱能提供給工質(zhì)。目前常用真空管式和腔體式結(jié)構(gòu)。（2）熱能傳輸部分把集熱器收集起來的熱能傳輸給蓄熱部分。對于分散型集熱系統(tǒng)，通常要把多個(gè)單元集熱器串聯(lián)或并聯(lián)起來組成集熱器方陣。傳熱介質(zhì)通常選用加壓水或有機(jī)流體。23（3）蓄熱與熱交換部分為保證發(fā)電系統(tǒng)的熱源穩(wěn)定，需要設(shè)置蓄熱裝置。蓄熱分低溫(<100℃)、中溫(100℃~500℃)、高溫(500℃以上)，分別采用水化鹽、導(dǎo)熱油、熔化鹽等作為蓄熱材料。為了適應(yīng)汽輪發(fā)電的需要，傳輸和存儲(chǔ)的熱能還需通過熱交換裝置，轉(zhuǎn)化為高溫高壓蒸汽。（4）汽輪發(fā)電部分經(jīng)過熱交換形成的高壓高溫蒸汽，可以推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)工作。汽輪發(fā)電部分，是實(shí)現(xiàn)電能供應(yīng)的重要部件，其電能輸出可以是單機(jī)供電，也可以采用并網(wǎng)供電?！?.3.2太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成24較大規(guī)模的熱發(fā)電系統(tǒng)，往往需要設(shè)計(jì)大面積的聚光系統(tǒng)，形成一個(gè)龐大的太陽能收集場，來實(shí)現(xiàn)聚光功能。也有一些不用聚焦結(jié)構(gòu)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，多采用真空管集熱器?！?.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型25槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)利用槽形拋物面或柱面反射鏡把陽光聚焦到管狀的接收器上，并將管內(nèi)傳熱工質(zhì)加熱，在換熱器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)常規(guī)汽輪機(jī)發(fā)電，適用于大規(guī)模太陽能熱發(fā)電應(yīng)用。整個(gè)槽式系統(tǒng)由多個(gè)呈拋物線形彎曲的槽型反射鏡構(gòu)成，有時(shí)為了制作方便，各槽式反射鏡采用拋物柱面結(jié)構(gòu)。每個(gè)槽式反射鏡都將其接收到的太陽光聚集到處于其截面焦點(diǎn)連線的一個(gè)管狀接收器上?！?.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型26槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)由于抗風(fēng)性能最差，目前多處于少風(fēng)或無風(fēng)地區(qū)。我國西北的陽光富足地區(qū)往往多風(fēng)、大風(fēng)甚至沙塵暴頻發(fā)。如果在我國開展示范，必須增強(qiáng)槽式系統(tǒng)的抗風(fēng)能力，因而成本必然要在國外已有示范基礎(chǔ)上大大增加。此外，太陽能-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)槽式熱發(fā)電系統(tǒng)(簡稱ISCC，又叫一體化太陽能聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng))

做為槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的一種新興形式，已越來越多的受到國際社會(huì)關(guān)注。ISCC是將槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，以優(yōu)化能源利用結(jié)構(gòu)，提高能源利用效率。ISCC聯(lián)合體裝置在高峰時(shí)間發(fā)電率可以達(dá)到70％（常規(guī)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電率為50%～55%）?；贗SCC形式的項(xiàng)目包括埃及的Kuraymat項(xiàng)目和摩洛哥的AinBeniMather項(xiàng)目等，目前均已投產(chǎn)運(yùn)行。

27線性菲涅爾太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)線性菲涅爾反射聚光技術(shù)的原理起源于拋物槽式反射聚光技術(shù)。菲涅爾系統(tǒng)用一組平板鏡來取代槽式系統(tǒng)里的拋物面型的曲面鏡聚焦，是簡化了的槽式系統(tǒng)。線性菲涅爾反射聚光器主要有主反射鏡場、接收器和跟蹤裝置三部分組成，有時(shí)在聚光器的頂部加裝小型拋物面反射鏡（二次聚光器），以加強(qiáng)陽光的聚焦。當(dāng)電站規(guī)模達(dá)到兆瓦級時(shí)，需要配備多套聚光集熱單元。為避免相鄰單元的主鏡場邊緣反射鏡相互遮擋，需要抬高集熱器的支撐結(jié)構(gòu)，相鄰單元間的距離也需增大，土地利用率較低，于是，研究者們提出了緊湊型線性菲涅爾式反射聚光系統(tǒng)的概念，采用多個(gè)接收器接收反射鏡的反射光?！?.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型28線性菲涅爾反射聚光技術(shù)較拋物槽式反射聚光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：（1）拋物槽式系統(tǒng)的鏡面是曲面且面積很大，不易加工；線性菲涅爾式系統(tǒng)的鏡面是平面，鏡面相對較小，容易加工，成本較低。（2）線性菲涅爾式系統(tǒng)的每面鏡條都自動(dòng)跟蹤太陽，相互之間可用聯(lián)動(dòng)控制，控制成本較低。（3）線性菲涅爾式系統(tǒng)鏡場之間的光線遮擋較小，場地利用率高。（4）線性菲涅爾式系統(tǒng)的聚光比比相同場地的槽式系統(tǒng)要高，一般在50-100之間。聚光比是指拋物鏡的開口面積或定日鏡群的總面積與它們焦平面上光斑面積之比，它是設(shè)計(jì)聚光型太陽能利用裝置最重要的參數(shù)之一。線性菲涅爾太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)§2.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型29塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)一般是在空曠平地上建立高塔，高塔頂上安裝接收器；以高塔為中心，在周圍地面上布置大量的太陽能反射鏡群（能夠自動(dòng)跟蹤陽光的定日鏡群）；定日鏡群把陽光積聚到接收器上，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。塔式系統(tǒng)聚光比高，易于實(shí)現(xiàn)較高的工作溫度，系統(tǒng)容量大、效率高，因而適用于大規(guī)模太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。最早的和最大的太陽能熱電站，都是塔式太陽能熱電站?！?.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型30世界之最：最大的太陽能光熱電站。拜阿聯(lián)酋迪拜馬克圖姆太陽能園區(qū)第四期950MW發(fā)電項(xiàng)目工程為全球最大的太陽能光熱光伏混合發(fā)電項(xiàng)目。該項(xiàng)目原為700MW光熱發(fā)電項(xiàng)目，后增加250MW光伏機(jī)組。目前，項(xiàng)目構(gòu)成由原“光熱”電站變?yōu)椤肮鉄?光伏”混合電站。對于整個(gè)項(xiàng)目的發(fā)電貢獻(xiàn)，3*200MW槽式光熱電站將貢獻(xiàn)74%的電力輸出，100MW塔式光熱電站占比14%，250MW光伏電站占比12%。該電站采用全球領(lǐng)先的“塔式+槽式”集中式光熱發(fā)電技術(shù)，配置包括1套100兆瓦塔式熔鹽儲(chǔ)熱發(fā)電機(jī)組和3套200兆瓦瓦槽式熔鹽儲(chǔ)熱發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組均配置15小時(shí)的儲(chǔ)熱系統(tǒng)，項(xiàng)目合計(jì)發(fā)電容量達(dá)700兆瓦，是目前全球規(guī)模最大光熱電站項(xiàng)目。該項(xiàng)目的成功開發(fā)標(biāo)志著光熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)入到新的發(fā)展階段，是清潔能源領(lǐng)域的又一里程碑。整個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃在2021-2022年全部完工。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)§2.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型31受聚光集熱裝置的尺寸限制，碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的功率較小，更適用于分布式能源系統(tǒng)。其光學(xué)效率高，啟動(dòng)損失小，效率高達(dá)29%，在三類系統(tǒng)中位居首位。今后的研究方向主要是提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和降低系統(tǒng)發(fā)電成本兩個(gè)方面。2003年中國科學(xué)院電工研究所在北京通縣的太陽能聚光熱發(fā)電試驗(yàn)成果，這是我國首次采用碟式太陽能聚光技術(shù)進(jìn)行的太陽能熱發(fā)電。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)§2.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型32由許多反射鏡組成一個(gè)大型拋物面，類似大型的拋物面雷達(dá)天線，聚光比可達(dá)數(shù)百倍到數(shù)千倍；在該拋物面的焦點(diǎn)上安放熱能接收器，利用反射鏡把入射的太陽光聚集到熱能接收器所在的很小的面積上，收集的熱能將接收器內(nèi)的傳熱工質(zhì)加熱到很高溫度（例如750℃左右），驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)§2.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型33§2.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型34§2.4.1光伏效應(yīng)與光伏材料當(dāng)光照在不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合材料上，會(huì)在不同的部位之間產(chǎn)生電位差。1839年，法國物理學(xué)家貝克勒爾意外地發(fā)現(xiàn)：將兩片金屬浸入電解質(zhì)溶液所構(gòu)成的伏打電池，在受到陽光照射時(shí)電壓會(huì)突然升高。他在當(dāng)年發(fā)表的論文中稱為“光生伏打效應(yīng)”。1876年，亞當(dāng)斯等人又在金屬和硒片上發(fā)現(xiàn)固態(tài)光伏效應(yīng)。1941年，奧爾在硅材料上發(fā)現(xiàn)了光伏效應(yīng)，奠定了半導(dǎo)體硅在太陽能光伏發(fā)電中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。除了硅以外，可用的光伏材料還有：砷化鎵、磷化銦等Ⅲ-Ⅴ族化合物，硫化鎘等Ⅱ-Ⅵ族化合物，銅銦硒等多元化合物，以及某些功能高分子材料和研制中的納米晶體材料?！?.4太陽能光伏發(fā)電35典型的單體硅光伏電池，結(jié)構(gòu)如圖所示1—上電極；2—減反射膜及蓋板；3—擴(kuò)散頂區(qū)；4—基體或襯底；5—下電極或稱底電極§2.4.2光伏電池36光伏電池，是利用光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件。由很多單體光伏電池構(gòu)成的。單體光伏電池是指具有正、負(fù)電極，并能把光能轉(zhuǎn)換成電能的最小光伏電池單元。(a)半導(dǎo)體晶片(b)空穴向P型半導(dǎo)體區(qū)移動(dòng)，

電子向N型半導(dǎo)體區(qū)移動(dòng)(c)電子從N區(qū)負(fù)電極流出負(fù)電，

空穴從P區(qū)正電極流出正電§2.4.2光伏電池37按電池的結(jié)構(gòu)（主要是P-N結(jié)的特點(diǎn)），有同質(zhì)結(jié)光伏電池、異質(zhì)結(jié)光伏電池、肖特基結(jié)光伏電池、薄膜光伏電池、疊層光伏電池和濕式光伏電池。薄膜電池指利用薄膜技術(shù)將很薄的半導(dǎo)體光電材料鋪在非半導(dǎo)體的襯底上而構(gòu)成的光伏電池。這種電池可大大地減少半導(dǎo)體材料的消耗（薄膜厚度以μm計(jì)），從而大大地降低了光伏電池的成本?？捎糜跇?gòu)成薄膜光伏電池的材料有很多種，主要包括多晶硅、非晶硅、碲化鎘以及CIS等，其中以多晶硅薄膜光伏電池性能較優(yōu)。非晶硅薄膜電池§2.4.2光伏電池38一般由太陽能電池方陣、儲(chǔ)能蓄電池、保護(hù)和控制系統(tǒng)、逆變器等設(shè)備組成。（1）光伏電池方陣實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的最小單元是單體光伏電池。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常常要根據(jù)功率需要，串聯(lián)、并聯(lián)組織起來，并封裝在透明的外殼內(nèi)，組成一個(gè)可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元，即光伏電池組件。光伏電池組件，一般由36個(gè)單體電池組成，可產(chǎn)生12～l6V的電壓，功率從零點(diǎn)幾瓦到幾百瓦。還可把多個(gè)電池組件再串、并聯(lián)起來并裝在支架上，組成光伏電池陣列?！?.4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏電池單體輸出:0.45V，20~25mA/cm2，串、并聯(lián)封裝構(gòu)成光伏電池組件，排成光伏陣列§2.4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)40（2）儲(chǔ)能蓄電池由于光伏發(fā)電功率的不穩(wěn)定性和不連續(xù)性，獨(dú)立工作時(shí)，常需要配備儲(chǔ)能裝置，以保證對用戶的可靠供電。常用的蓄電池有鉛酸蓄電池、硅膠蓄電池和堿性鎘鎳蓄電池，其中鉛酸蓄電池功率價(jià)格比最優(yōu)、應(yīng)用最廣。（3）保護(hù)和控制系統(tǒng)光伏發(fā)電的保護(hù)和控制系統(tǒng)主要由電子元器件、測量儀表、繼電器、控制開關(guān)等組成。（4）逆變器是將直流電變換成交流電的電力電子設(shè)備，一般是把低壓直流電逆變成220V的交流電，是光伏電池普及應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。光伏電池和蓄電池輸出的都是直流電。§2.4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)41單級無變壓器并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)雙極無變壓器并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)單級工頻變壓器隔離的并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)高頻變壓器隔離的并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)采用高頻變壓器和無變壓器方式的并網(wǎng)逆變器，由于在成本、尺寸、重量及效率等方面具有優(yōu)勢，因而在小功率及分布式發(fā)電系統(tǒng)中成為目前研究的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢?！?.4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)42從太陽能資源的角度來看：太陽能是地球上最豐富、最廣泛的可再生能源。不僅總量巨大，“取之不盡、用之不竭”；而且分布廣泛，獲取容易，不需要開采和運(yùn)輸。從光伏發(fā)電系統(tǒng)的角度來看，很多優(yōu)點(diǎn)是其它能源無法比擬的，這主要是因?yàn)樘柲芄夥l(fā)電系統(tǒng)主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件。（1）運(yùn)輸、安裝容易（2）運(yùn)行、維護(hù)簡單（3）安全，可靠，壽命長（4）清潔，環(huán)境污染少§2.4.4光伏發(fā)電的特點(diǎn)43太陽能光伏發(fā)電未能迅速地大面積推廣應(yīng)用，說明它也存在一些不足。這些不足主要是由太陽能資源本身的弱點(diǎn)造成的。（1）能量分散（能量密度低）。（2）能量不穩(wěn)定。（3）能量不連續(xù)?！?.4.4光伏發(fā)電的特點(diǎn)44§2.5.1光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r自1950s出現(xiàn)第一塊實(shí)用的單晶硅光伏電池、50年代末光伏電池進(jìn)入空間應(yīng)用、60年代末進(jìn)入了地面應(yīng)用，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)已歷經(jīng)了半個(gè)世紀(jì)。2004年，光伏電池在全世界能源市場開始蓬勃發(fā)展，產(chǎn)業(yè)開始形成。目前，光伏電池的功率級別非常豐富，大到100kW～10MW的太陽能光伏電站，小到手表、計(jì)算器的電源。最好的單結(jié)硅太陽電池在實(shí)驗(yàn)室中的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到24%。多晶硅太陽電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)到15%，砷化鎵太陽電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)到27%，在實(shí)驗(yàn)室中特制的砷化鎵太陽電池轉(zhuǎn)化效率甚至已高達(dá)35%~36%。2012年世界太陽能電池組件的年產(chǎn)量已達(dá)38.5GW。§2.5太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展45§2.5.1光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r2019年全球前10國家光伏新增裝機(jī)量(GW)§2.5.1光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r2019年全球前10國家光伏累計(jì)裝機(jī)量(GW)§2.5.1光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r48我國從20世紀(jì)50年代開始研制太陽能電池。到2003年底，中國成為最大的庭園燈等光伏消費(fèi)品的生產(chǎn)國。2007年，一座205千瓦的太陽能聚光光伏示范電站在內(nèi)蒙古建成。崇明島的兆瓦級光伏電站發(fā)電示范工程正式并網(wǎng)發(fā)電。2008年，江西賽維LDK公司硅片產(chǎn)能達(dá)到1000兆瓦，太陽能多晶硅片產(chǎn)能世界第一，成為世界第一個(gè)實(shí)際產(chǎn)能進(jìn)入吉瓦（GW）俱樂部的光伏企業(yè)?！?.5.2我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r49中國太陽能電池產(chǎn)量世界第一。2007年國內(nèi)太陽能電池的產(chǎn)量約為1100兆瓦，而歐洲、日本和美國產(chǎn)量分別是1062、920和266兆瓦。2010年我國光伏電池產(chǎn)量約8000MW，占全球光伏電池市場的50%，繼續(xù)穩(wěn)居世界第一。在光伏電池制造技術(shù)方面，我國已達(dá)到世界先進(jìn)水平。§2.5.2我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r502010-2019我國光伏電池累計(jì)產(chǎn)量及增長率§2.5.2我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r2010-2019我國光伏電池累計(jì)產(chǎn)量§2.5.2我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r2011—2019年中國累計(jì)光伏裝機(jī)容量（GW）§2.5.2我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r532019年全國太陽能電池（光伏電池）產(chǎn)量達(dá)12862萬千瓦，同比2018年增長33.9%。2020年9月全國太陽能電池（光伏電池）產(chǎn)量為1640.4萬千瓦，同比增長33.3%。2020年1-9月全國太陽能電池（光伏電池）產(chǎn)量為11381.8萬千瓦，同比增長24.6%?！?.5.2我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r542.世界首個(gè)ISCC光熱燃?xì)饴?lián)合循環(huán)電站摩洛哥在2010年建成了AinBeniMathar這一世界上首個(gè)ISCC（IntegratedSolarCombinedCycle）光熱燃?xì)饴?lián)合循環(huán)電站采用了槽式光熱發(fā)電和燃?xì)饴?lián)合循環(huán)技術(shù)?！?.6.1太陽能熱發(fā)電工程實(shí)例553.世界首個(gè)熔