3.第二章 太阳能发电技术

第三节 太阳能光伏发电技术简介 一、光伏发电发展 光伏发电将太阳光辐射能通过光伏效应干脆转换为电能的发电方式。 1839年，法国科学家贝克勒尔发觉，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池，受到阳光照耀时会产生额外的伏打电势，他把这种现象称为光生伏打效应。 1883年，有人在半导体硒和金属接触处发觉了固体光伏效应。后来就把能够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件。 然而，直到1954年，第一个好用单晶硅光伏电池（Solar Cell）才在美国贝尔试验室研制胜利。 20世纪60年头（冷战（1947年1991年）中期），光伏发电的开发探讨集中于卫星电源和空间试验探讨。 20世纪70年头后期（石油危机），光伏发电技术在世界范围内得到了高度重视，出现了第一批商用光伏发电产品。 （1973-1974第一次石油危机产生于第四次中东斗争.为打击以色列与西方国家，阿拉伯国家使出狠招10月16日提高石油价格，其次天削减生产，并实施对西方国家的禁运，使油价从3.01美元每桶增加到11.651美元.随着阿拉伯国家1100亿美元的巨额收益，伴随着的是西方国家（包括日本）的经济衰退.保守估计，此次石油危机至少使全球经济倒退2年. 1979-1980的其次次石油危机则由两伊斗争引起的.两大产油国的斗争造成国际油价飙涨，再次使西方国家遭遇打击.以美国为例GDP增长率由1978年的5.6下降到1980年的3.2，直至1981年0.2的负增长.） 近十几年来，能源短缺、价格飞涨、环境污染的问题越来越突出。光伏发电因其清洁、可再生的特点，已成为全球发展最快的新兴产业之一。 20世纪90年头后，光伏发电快速发展，到2006年，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。 美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家，1997年又提出“百万光伏屋顶”安排，总容量3000MW，安排2010年完成，每户由太阳能供电510KW。到2004年光伏发电累计装机容量超过了1000MW。 日本1992年启动了新阳光安排，到2003年日本光伏组件生产占世界的50，世界前10大厂商有4家在日本。 德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。2000年启动“10万个房顶太阳能发电安排”，安排到2003年装机容量增加325ＭＷ。 瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展安排，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。 据欧洲光伏工业协会报告，2002年全球光伏电池产量562MW。其中，日本251MW，欧洲135MW，美国121MW，其它国家55MW。 世界光伏系统累计装机容量1996年约为300MW，2000年增长到800MW，到2002年末增长到了1330MW。光伏装机年增长率1994年为20，2000年为40。 2006年的光伏行业调查表明，到2010年，光伏产业的年发展速度将保持在30以上。年销售额将从2004年的70亿美金增加到2010年的300亿美金。 中国太阳电池的探讨始于1958年，1959年研制胜利第1个有好用价值的太阳电池。中国光伏发电产业于20世纪70年头起步，1971年3月首次胜利地应用于我国第2颗卫星上，1973年太阳电池起先在地面应用，1979年起先生产单晶硅太阳电池。20世纪90年头中期后光伏发电进入稳步发展时期，太阳电池及组件产量逐年稳步增加。 我国1990年以前光伏电池的生产实力只有4.5MW/年，2004年实际产量为42MW。1995年，在西藏双湖县建成了25KW离网光伏发电系统。同年，在山东一个海岛上建成30KW混合式光伏与风力发电系统。2004年，在深圳园林花卉博览园建成1MW并网光伏电站。 2004年，我国光伏发电累计装机容量为65ＭＷ，到2007年年底，中国光伏系统的累计装机容量达到100MW，太阳能电池生产实力达到2900MW，年产量达到1188MW，超过了日本和欧洲。 依据可再生能源中长期发展规划，到2020年，中国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（1G1000MW），到2050年将达到600GW。预料，到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25，其中光伏发电装机将占到5。 光伏电池的生产须要消耗大量电能，每平方厘米电池耗能1984年为4.5kWh，随着技术的进步，规模的扩大，生产耗能也在稳步下降，2004年每平方厘米电池耗能为1.5kWh。 国际上光伏系统成本为50008000美元/KW。2004年我国光伏模块售价为3040元人民币/W。我国火电厂建设成本为40005000人民币/KW。 二、光伏电池 1、PN结 自然的硅（4价元素）提纯后形成单晶体，称为本征半导体，其结构如下图。 在硅晶体中每个原子有4个相邻原子，并和每一个相邻原子共有2个价电子，形成稳定的8电子壳层。硅晶体结构中的共价键具有很强的结合力，在热力学零度和没有外界能量激发时，价电子没有实力摆脱共价键束缚，这时晶体中几乎没有自由电子，因此不能导电。 当半导体的温度上升或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中的价电子因热激发而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为自由电子，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“空穴” 。 从硅的原子中分别出一个电子须要1.12eV的能量，该能量称为硅的禁带宽度。被分别出来的电子是自由的传导电子，它能自由移动并传送电流。 共价键中失去电子出现空穴时，相邻原子的价电子比较简洁离开它所在的共价键填补到这个空穴中来，使该价电子原来所在的共价键中又出现一个空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填补，再出现空穴，如左图所示。 在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流一是自由电子作定向运动形成的电子电流，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由电子）递补空穴形成的空穴电流。 在纯净的硅中掺入微量的磷或砷等5价元素，由于磷原子具有5个价电子，所以1个磷原子同相邻的4个硅原子结成共价键时，还多余1个价电子，这个价电子很简洁摆脱磷原子核的吸引而变成自由电子。同时杂质原子由于失去一个电子而变成带正电荷的离子，这个正离子固定在晶体结构中，不能移动，所以它不参加导电。 掺入5价元素的杂质半导体，其自由电子的浓度远远大于空穴的浓度，因此称为电子型半导体，也叫做N（Negative）型半导体。 在N型半导体中，除了由于掺入杂质而产生大量的自由电子以外，还有由于热激发而产生少量的电子-空穴对。然而空穴的数目相对于电子的数目是极少的。所以在N型半导体材料中，空穴数目很少,称为少数载流子;而电子数目很多,称为多数载流子。 在硅晶体中掺入微量的3价元素杂质硼（或鋁、镓或铟等），硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，由于最外层只有3个价电子，当它与相邻的硅原子形成共价键时，还缺少1个价电子，因而在一个共价键上要出现一个空穴。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子得电子而成为不能移动的负离子；而原来的硅原子共价键则因缺少一个电子，