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太阳能发电毕业论文

摘要

在地球环境污染和能源形势日趋严峻的今天，太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点，越来越受到人们的重视，太阳能发电技术的应用更是目前关注的焦点。

本文综述了太阳能发电的发展概况、研究动态及应用前景。

并对太阳能电池板的工作原理进行介绍，还介绍和分析了电源逆变技术的相关理论和实现方法，并根据这些理论设计了带有自调节功能的太阳能发电装置.

关键词

光伏发电；热气流发电；温差发电；太阳能电池；烟囱发电

Abstract

Withthebackgroundofseriouspollutionandenergycrisistoday;thesolarenergy,asanovelgreenandrenewableenergy,whichisabundant,economicandnon-pollution,attractslotsofattentions;andtheapplicationofthesolarthermoelectricandphotovoltaicenergytechnologyhasbeenthefocuswhichpeopleattendto.Thesurvey,developmentandapplicationforegroundofsolarthermoelectricandphotovoltaicenergytechnologyaregivenandthestudyofsolarhybridgeneratorsystemarepresented。

andthesignificanceofsolarpowerhasbeenpresentedtoo.Theworkprincipleofsolarpanelshasbeenintroducedandtherelatedtheoryandmethodwerealsodescriptedindetail.Inaddition,thesolarpowerdevicewithregulatingfunctionhasbeendesignedwhichbasedontheabovetheories.

Keywords

photovoltaicpower;Solarhotair-flowspowerthermoelectricpower;Solarcell;chimneypower.

第1章引言

能源是现代社会存在和发展的基石。

随着全球经济社会的不断发展，能源消费也相应的持续增长。

随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越突显，且这种稀缺性也逐渐在能源商品的价格上反应出来。

在化石能源供应日趋紧的背景下，大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。

1.1传统化石燃料的开发使用会带来一系列的问题

（1）能源短缺

由于常规能源的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需要。

从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。

因此，如不尽早找到化石能源的替代能源，人类迟早将面临化石燃料枯竭的危机局面。

（2）环境污染

当前，由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量;局部

地区形成酸雨，严重污染水土。

这些问题最终将迫使人们改变能源结构，依靠利用太阳能等可再生洁净能源来解决。

（3）温室效应

化石能源的利用不仅造成环境污染，同时由于排放大量的温室气体而产生温室效应，引起全球气候变化。

这一问题己提到全球的议事日程，其影响甚至

己超过了对环境的污染，有关国际组织已召开多次会议，限制各国COZ等温室气体的排放量。

太阳能具有资源丰富、取之不尽、用之不竭、处处均可开发利用、无需开采和运输、不会污染环境和破坏生态平衡等特点。

我国是太阳能资源十分丰富的国家之一，太阳能的开发利用将有巨大的潜力和市场前景，它不仅能带来良好的社会效益和环境效益，而且还具有明显的经济效益，是一个十分诱人的新能源与可再生能源。

太阳是地球永恒的能源，它以光辐射的形式每秒钟向太空发射约3.8×1020MW能量，其中1/（22×10^8）投射到地球表面。

到达地球大气层外的太阳辐射能为132.8～141.8MW/cm²,被大气反射、散射、或吸收之后，约有70%投射到地面。

地球上一年中接收到的太阳能辐射高达1.8×10^18KW•h，是全球能耗的数万倍。

巨大的太阳能是地球万物生长之源，除了其永恒和巨大外，它还具有广泛性、分散性、随机性、间歇性、区域性和清洁性等特点。

在石油、天然气和核矿藏日趋枯竭的今天，充分利用太阳能显然具有持续供能和环境保护的双重意义。

1.2太阳能具有的优点

（1）普遍。

普照，处处都有太阳能，可以就地利用，不需要到处寻找，更不需要火车、轮船、汽车等日夜不停运输。

这对解决偏远地区以及交通不便的乡村、海岛的能源供应，具有很大的优越性。

（2）无害。

利用太阳能作为能源，没有废渣、废料、废水、废气排出，没有噪音，不产生对人体有害的物质，因而不会污染环境，没有公害

（3）长久。

只要有太阳存在，就有太阳能。

因此利用太阳能作为能源，可以说是取之不尽用之不竭。

（4）巨大。

一年到达地面的太阳能总量，要比地球上现在每年消耗的各种能源的总量大几万倍。

1.3太阳能的缺点如下

（1）分散性。

分散性即能量密度低。

晴朗白昼的正午，在垂直于太方向上的地面上，1m²面积所能接受的太阳能平均只有1KW左右。

作为一种能源，这样的能量密度是很低的

（2）随机性。

由于受气候、季节等因素的影响，到达某一地面的太阳直接辐射能是极不稳定的。

（3）间歇性。

到达地面的太阳能随昼夜的交替而变化。

这就使得大多数太阳能设备夜间无法工作。

为克服夜间没有太阳直接辐射、散射也很微弱造成的困难，就需要研究和配备储能设备，以便在晴天把太阳能收集并储存起来，供夜晚或阴雨天使用。

1.4我国太阳能利用状况

我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。

据估算，我国陆地表面每年接

收的太阳辐射能约为50x10'kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837kJ/cm²,中值为586kJ/cm²。

从全国太阳年辐射总量的分布来看，、、新疆、南部、、北部、、、、西部、中部和西南部、东南部、东南部、岛东部和西部以及省的西南部等广区的太阳辐射总量很大。

尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。

例如被人们称为“日光城”的市，1961年至1970年的平均值，年平均日照时间3005.7h，相对日照为68，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8太阳总辐射为816kJ/cm²，比全国其它省区和同纬度的地区都高。

全国以和两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。

例如素有“雾都”之称的市，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高8.4。

其它地区的太阳年辐射总量居中。

我国太阳能资源分布的主要特点有:

太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22º～35º“这一带，青藏高原是高值中心，盆地是低值中心;太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部。

按接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区:

一类地区

全年日照时数为3200-3300小时，辐射量在670-837kJ/cm²。

相当于225～

285kg标准煤燃烧所发出的热量。

主要包括青藏高原、北部、北部和新疆南部等地。

这是我国太阳能资源最丰富的地区，与印度和巴基斯坦北部的太阳能资源相当。

特别是，地势高，太的透明度也好，太阳辐射总量最高值达921kJ/cm，仅次于撒哈拉大沙漠，居世界第二位，其中是世界著名的城。

二类地区

全年日照时数为3000～3200小时，辐射量在586～670kJ/cm²，相当于200～225kg标准煤燃烧所发出的热量。

主要包括西北部、北部、南部、南部、中部、东部、东南部和新疆南部等地。

此区为我国太阳能资源较丰富区。

三类地区

全年日照时数为2200～3000小时，辐射量在502～586kJ/cm²，相当于170～200kg标准煤燃烧所发出的热量。

主要包括、、东南部、南部、新疆北部、、、、北部、东南部、南部、南部、北部和北部等地。

四类地区

全年日照时数为1400～2200小时，辐射量在419～502kJ/cm²。

相当于140～

170kg标准煤燃烧所发出的热量。

主要是长江中下游、、和的一部分地区，春夏多阴雨，秋冬季太阳能资源还可以。

.五类地区

全年日照时数约1000～1400小时，辐射量在335～419kJ/cm²。

相当于115～140kg标准煤燃烧所发出的热量。

主要包括、两省。

此区是我国太阳能资源最少的地区。

1.5国外太阳能产业发展政策体系比较分析

“太阳能应用的快速增长是从1970年开始的，在一定程度上归因于人们越来越关注化石燃料供应的减少，但这也是由于人们越来越关注环境问题”。

为了解决人类生存问题，开发和利用太阳能已经成为世界各国的一种战略选择。

对此，世界各国政府都把太阳能发展政策作为其政府公共政策的一个重要组成部分。

从全世界能源消费的角度来看:

“自1970年到2000年，一次能源消费从4900增加到8752百万吨油当量（mtoe），30年增长了79%。

另外，根据国际能源机构（IEA）的预测"2030年世界的一次能源需求量将达到152.7亿吨油当量（TOE）比2000年增加66%。

"因此，各国政府都通过一系的太阳能产业发展扶持政策，使得太阳能产业经历了一个前所未有的跳跃式发展时期。

1.5.1国外太阳能产业发展政策现状

发展太阳能是人类理想的替代化石能源的有效途径，各国政府都极关注太阳能的开发和利用，通过政策激励市场的手段，不断地提高太阳能利用的技术水平。

当今社会，规模经济越来越发挥着重要的作用，“到2020年太阳能光伏价格有望跌至每千瓦时15美分以下。

1.5.2国外太阳能产业发展政策的成功实践

发达国家太阳能产业的开发利用技术和发展政策都已成熟，并进入大规模生产阶段。

其代表国家有:

美国、德国、日本、英国、以色列等，其相应的作法十分具有借鉴意义。

1.5.2.1美国实践

美国作为全世界最大的能源消费国，历届政府都将开发新能源确定为能源政策重点。

因此，美国太阳能产业发展政策激励力度大，并且能较好地协调各方利益关系。

因此，太阳能产业发展迅速，与太阳能热水系统（主要是平板式集热器）相比，美国更热衷于太阳能发电的普及，因为，光伏发电供应的不仅仅是热水，而且是整个房子所需要的电力。

①法律法规

美国政府级光伏发电计划于1973年制定，对近、中、远期的发展目标进行了明确地规划。

并于1980年又将光伏发电正式列入公共电力规划。

1988年，美国实施的PVUSA计划，建立了集中型光伏并网发电系统。

美国政府又于1992年颁布了新的光伏发展计划。

1995年实施与屋顶结合PVBONUS计划。

美国1997年又宣布了“克林顿总统百万太阳能屋顶光伏计划”即:

到2010年在100万个建筑物屋顶或其它可以安装太阳能系统的部位，安装包括太阳能热水系统、太阳能空气集热系统和太阳能光伏发电系统。

美国通过“百万太阳能屋顶光伏计划”方案的实施，在2010年，系统安装成本降至2美元//W，而当年减产CO²排放为3,510kt。

②技术支持类政策

2009年，美国联邦级政策《可再生能源鼓励政策投资税收抵扣法》出台。

其主要容是给予太阳能光伏发电及其他太阳能相关发电技术的使用者（包括居民和商业区企业）相应的税收抵扣和加速折旧期。

③市场支撑类政策

“在美国，提供了未来光伏产能安装不断增长的最具有潜力的政策体系是可再生能源配额标准（RPS）。

"配额制规定了清洁能源发电与发电总数额的比例，而这其中实施得比较好的是加利福尼亚州与得克萨斯州。

例如:

加州政府为在公用建筑、商业建筑或住宅等建筑物的屋顶上安装太阳能设备的企业或家庭，给予各项补贴。

美国出台的《2005年能源政策法》规定:

凡是安装太阳能设施的家庭均可获得税收上的优惠政策。

2009年，奥巴马推行新能源政策，在能源发展战略中，又以太阳能及风力发电为重点。

并为挽救美国经济推出了有“绿色经济复兴计划”之称的消费刺激计划，该项计划具体地指出了太阳能等可再生能源发电在美国总发电量中的比例。

另外，美国通过税收减免政策，鼓励安装太阳能热水系统。

可见，美国是市场占主导，注重市场推广。

以节能为主要容，由国家发行节能债券，政府为太阳能项目提供信贷担保。

1.5.2.2德国实践

德国是一个资源紧缺的能源消费大国，为了缓解对能源进口的依赖，德国政府一直重视太阳能产业的开发与利用。

在太阳能热水系统中，平板式集热器仍然是市场的主导。

①法律法规

1990年德国制定了《电力输送法》，规定“中型到大型电力用户按居民电价的90%支付风能、太阳能、水力以及生物质能生产的电力。

又于1999年，推行了‘10万太阳能屋顶计划’，通过优惠政策，从而有效地激发居民在自家庭院或屋顶安装太阳能发电设各的自觉性，使得太阳能光伏安装量激增。

2000年开始生效的《可再生能源法》，以法律保证企业和居民购买和使用光伏发电能源时应得到的价格补贴，同时，对可再生能源进入市场提供了政策支持。

2004

年德国政府进一步修正了《可再生能源法》，成为太阳能光伏产业迅猛发展的福音。

2009年制定新的《可再生能源采暖立法》，要求新建筑必须要与可再生能源系统结合，而消费者们更倾向于太阳能系统的安装。

②技术支持类政策

2000年，为鼓励太阳能生产厂商缩减技术成本，德国政府引入“税收返还”政策。

该政策极大吸引了投资者积极性，充分显示出政策给太阳能市场带来持续发展。

③市场支撑类政策

2010年4月，德国政府提出削减太阳能鼓励政策力度，尽管德国政府在力度上削减对光伏产业的补贴，但这并不意味着政府将取消对太阳能产业的补贴政策，新一轮的补贴政策将继续推动德国太阳能产业的发展。

德国强调良好的法律环境，根据太阳能产业发展的趋势，审时度势地对法律条款进行修订，使得太阳能产业在进一步完善的相关法律支持下较快发展。

同时，注重太阳能产业发展规划，以及配套政策的出台。

1.5.2.3日本实践

日本最早推出太阳能发展政策，其资源非常贫乏，能源对外依存度极高。

①法律法规

早在1974年，就公布了“计划”，旨在改变其能源主要依靠进口的状况，并不断地扩大各种新能源的开发与利用，从而寻找化石能源的替代燃料，以保持自身稳定的能源供给，以便减少环境污染。

1981年，“月光计划”启动，着重研究开发推动燃料电池。

1979年实施了《节约能源法》。

1993年，又将“计划”、“月光计划”与“地球环境技术开发计划”合并推出了“新计划”，即综合了原来各自独立的3个领域:

环境、节能和新能源。

1997年颁布了《关于促进新能源利用的特别措施法》明确提出了新能源利用的指导方针。

2003年实施的《电力设施利用新能源特别措施法》规定了新能源电力的利用目标，对太阳能产业的发展具有重要意义。

同年，日本出台《可再生能源标准法》，规定了能源公司必须提供的可再生能源所占比例。

《京都议定书》于2005年生效，日本是其倡导国。

2006年，日本编制了《新国家能源战略》对各项节能减排措施的实施提供了法律支持。

②技术支持类政策

日本2008年成立国际研究机构，由国外专家专项研究太阳能板的新型技术，以降低成本。

2009年，日本重新启动太阳能鼓励政策，安排专款补助太阳能电池技术创新。

③市场支撑类政策

从2007年开始，日本停止对住户安装太阳能的奖励方案，使其太阳能市场出现萎缩。

2008年发布了“太阳能发电普及行动计划”，该计划制定了日本2030年的太阳能发电目标和3至5年后太阳能系统电池价格预期。

同年，致力于推动太阳能的普及，日本颁布了《绿色电力证书制度》，补贴引进太阳能发电的普通住户。

同年，日本制定太阳能剩余电力回收政策，该政策是一个全民参与的能源利用推广政策。

即由电力公司以原成本价2倍的价格回收太阳能发电剩余电力，其产生的成本将不动用国家的税金，而是由国民平摊负担，且该项制度将实施10年。

到目前为止，日本住宅使用太阳能发电装置的已达到80%。

而日本政府还在继续规划，将进一步扩大太阳能发电装置的安装规模。

日本是以技术支持为导向，注重技术创新促进太阳能产业发展水平的提高。

政府通过价格机制使消费者竞相购买技术含量高的产品，从而激活企业技术创新的在动力，使得高水平的技术不断地持续供给。

1.5.2.4英国实践

在太阳能热水器领域，英国研制出了米能超级太阳能健康热水器，解决了水质问题。

其平板式集热器比真空管式集热器的市场份额高出20%。

①法律法规

2002年，英国政府颁布《可再生能源义务令》，强制提高可再生能源在电力生产中的比例。

同年，英国政府又提出百万“绿色住宅”计划，政府通过增值税等优惠政策支持居民用10年的时间，建设100万栋“绿色住宅”。

②技术支持类政策

2010年，英国太阳能补贴政策出台，进一步促进了太阳能产业应用技术的研究。

②市场支撑类政策

2003年，实施的太阳能屋顶计划，即投入400万英镑资助18个位于北爱尔兰、格兰、威尔斯和英格兰的公共建筑物太阳能屋顶。

2004-年，英国成为能源净进口国，其对进口天然气和石油依赖程度不断增加的事实，促使英国政府更加致力于新能源开发与利用。

为提高本国太阳能厂产品销售，英国政府于2010年推动新的太阳能发电补贴方案，又因当年德国下调上网电价补贴政策，从而相应地加剧了供应商们看好英国市场，使得其太阳能市场急速增长。

2010年4月，英国实行太阳能光伏补贴，旨在促进市场增长强劲。

英国通过支持性计划，强制可再生能源使用比例在电力生产中不断提升。

通过英国政府颁发的特别绿色证书，证明发电企业的可再生电力发电是经过许可的。

1.5.2.5以色列实践

以色列国土60%多的面积位于沙漠地带，其太阳能资源很丰富。

以色列政府和科研机构高度重视太阳能产业相关技术研究与开发，推行了上网电价政策。

并与欧洲、美国和澳洲等国家和地区建立了广泛的合作关系，因此，太阳能产业相关技术位于世界领先行列。

早在1980年，为激发居民安装太阳能热水器的自觉性，以色列颁布了强制安装太阳能热水器法令，即“所有建筑物的供热水装置或系统必须是由太阳能供热，否则不得建造。

促进了太阳热水器的普及，现全国家庭太阳热水器的普及率已达85%。

"

2008年，为普及太阳能私人发电，以色列电力部门决定对在屋顶安装太阳能发电装置的住户可以将富余电力以优惠的价格出售给国家电网。

以色列强调太阳能热水器的强制安装，即不需要政府提供财政补贴，而是通过政策在用户端实施强制安装，有效促进太阳能热水器市场的持续稳定发展，促进技术水平的提高。

第2章太阳能光伏发电

将吸收的太阳能辐射热能转换成电能的发电技术称为太阳能热发电技术。

太阳能热发电技术包括两大类型：

一类是利用太阳能直接发电，这种发电技术目前或处于原理性试验阶段，或功率很小，均未进入商业化应用；另一类是将太阳能通过热机带动发电机发电，其基本组成与常规发电设备类似，只不过其热能是从太阳能转化而来的，这类技术已达到实际应用水平。

2.1太阳能光伏系统简介

半导体在太照射下产生电位差的现象被称为光伏效应，太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池半导体材料的光伏效应，将太辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。

2.1.1太阳能光伏发电的发展历史

早在1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。

这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。

1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太能转换为电能的实用光伏发电技术。

虽然太阳能光伏发电取得了长足的进步，但比计算机和光纤通讯的发展要慢的多。

其原因可能是人们对信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对能源的需求。

1973年的石油危机和90年代的环境污染问题大大促进了太伏发电的发展。

其发展过程简列如下:

1893年法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应”，即“光伏效应”1930年朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。

1941年奥尔在硅上发现光伏效应。

1954年恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶太阳能电池，效率为6%。

同年，韦克尔首次发现了砷化嫁有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化福薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。

1955年吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换效率优化设计。

同年，第一个光电航标灯问世。

1957年硅太阳电池效率达8%01958年太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。

1990年德国提出“1000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装3个5kWp光伏电池。

1995年高效聚光砷化嫁太阳能电池效率达32%，1997年美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”，在2010年以前为100万户，每户安装3～5kWp光伏板。

自1996年以来，世界光伏发电高速发展。

表现在几种主要太阳电池效率不断提高，总产量年增幅保持在30%～40%,1998年己达200MWp;应用围越来越广，尤其是光伏技术的屋顶计划，为光伏发电展现了无限光明的前途。

2.2.1光伏系统基本组成

一套基本的太阳能发电系统是由太阳能光伏板、充电控制器、逆变器和蓄电池构成，下面对各部分的功能做一个简单的介绍:

1.太阳能光伏板

太伏板的作用是将太阳辐射能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池备用。

太阳能光伏板一般又分为:

单晶硅电池光伏板、多晶硅电池光伏板和非晶硅光伏板（图2.1）。

这些光伏板因为组成的不同因而具有不同的外观和发电效率，它们的特点为:

（1）单晶硅光伏电池:

表面规则稳定，通常为黑色。

电池形状为lOcm～15cm

的方形或圆形单元。

效率约为14%～17%。

（2）多晶硅光伏电池:

结构清晰，通常呈蓝色，晶状结构形成美丽的图案。

电池的尺寸可任意裁剪，可以无固定的大小单元。

效率约为12%～14%。

（3）非晶硅光伏电池:

具有透光性，透光度可从5%～75%，当然，随着透光性的增加，光电池的转化效率会随着下降，运用到建筑上的最理想的透光度为25%。

效率约为5%～7%。

2.充电控制器

在不同类型的光伏发电系统中，充电控制器不尽相同，其功能多少及复杂程度差别很大，这需根据系统的要求及重要程度来确定。

充电控制器主要由电子元件、仪表、继电器、开关等组成。

在太阳能光伏发电系统中，充电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命;同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。

如果用户使用直流负载，通过充电控制器还能为负载提供稳定的直流电（由于天气的原因，太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定）。

3.逆变器

逆变器的作用就是将太阳能电池方阵和蓄电池提供的低压直流电逆变成220伏交流电，供给交流负载使用。

4.蓄电池组

蓄电池组是将太阳能光伏方阵发出直流电贮藏起来，供负载使用。

在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电;在冬天日照量少，这部分贮存的电能逐步放出。

白天太阳能电池方