2022-2023学年高二物理竞赛课件：太阳能与太阳能发电技术

太阳能与太阳能发电技术 太阳能 2 对于人类来讲，太阳能取之不尽，用之不竭，无污染。 每秒辐射到陆地表面的能量相当于全球1年内消耗总能量的3.5万倍； 其中植物吸收的占0.015%，转化为燃料的不到0.002%。 3 太阳能主要利用方式 4 太阳能电池组 太阳能控制器 蓄电池 逆变器 光伏发电系统组成： 光伏发电系统示意图 太阳能光伏发电 5 半导体硅的光电效应 光子穿透至PN结附近，能量被电子吸收。若光子能量大于电子的逸出功，电子摆脱束缚成为自由电子，同时产生一个带正电的空穴。 PN结具有由N指向P的电场，电子向N运动，空穴向P运动。表面电极为负，背电极为正。当与外负载连接时形成电流。 太阳能电池 晶体硅太阳电池原理示意 (•代表电子；o代表空穴；光子能量hv) 6 单晶硅电池 所谓单晶，指的是太阳能电池内的硅原子结晶非常完整，由单一的结晶构成电池的细胞元。 由于完整的结晶，自由电子和空穴在内部的移动不会受到阻碍，不容易发生自由电子与空穴复合的情况，所以单晶硅电池效率高。 太阳能电池类型 以硅为基础的电池：单晶硅，多晶硅，非晶硅 太阳能电池板 7 单晶硅电池 由于完整的结晶，硅原子之间的化学键非常坚固，不容易因为紫外线破坏化学键而产生悬浮键，悬浮键会阻碍自由电子的移动，甚至捕捉自由电子，造成电流下降。所以单晶硅电池光电转换效率不易随时间衰退。 硅在自然界含量丰富，如沙子、硅石、二氧化硅等，但沙子杂质较多，去除杂质成本较高。 原料通常选择杂质含量较低（10%以下）的石英。 太阳能电池类型 8 太阳能电池类型 第一步是去除杂质，石英经多道程序后得SiHCl3（三氯氢硅），经气相沉积（时间成本大）得到纯硅，对纯硅加以熔化，再冷却使得硅原子慢慢结晶。冷凝过程中加入硼可以得到P型半导体。冷凝完成后用钻石锯切片（此过程浪费材料），完成后在P型半导体表面覆盖磷并加热使磷扩散到P型半导体中，原来的P型半导体上层形成N型半导体，形成PN结。 制造过程花费成本高，所以单晶硅价格昂贵。 代表性生产厂家：荷兰Shell Solar、西班牙Iso-foton，印度Microsol等。 9 多晶硅电池 多晶硅优先考虑成本，其次是效率。 降低成本方法： （1）纯化过程没有完全去除杂质； （2）快速结晶； （3）避免切片造成的浪费。 制造工艺不同导致结晶构造不同，多晶硅的结晶颗粒较小，化学键不牢，存在许多悬浮键。 光电转换效率下降，且效率会随着时间衰减。 太阳能电池类型 10 非晶硅电池 材料选用SiH4（四氢化硅），虽然该材料吸光效果和光导效果很好，但其结晶构造比多晶硅还差。 存在问题：悬浮键较多，自由电子与空穴复合速率非常快；结晶构造不规则阻碍电子、空穴移动，使得扩散范围变短。 解决方法：非晶硅电池做的很薄，减少自由电子和空穴复合 非晶硅电池最大优点成本低，缺点是效率低且随时间衰减。 广泛使用小功率市场，在发电市场不具竞争力。 太阳能电池类型 11 太阳能光伏发电——离网光伏系统 太阳能电池发电，蓄电池贮能，独立为负载供电，不联接公网。 广泛应用于太阳能建筑、微波通讯、基站、电台、野外活动、高速公路等。也可用于无电山区、村庄、海岛。 不必拉设电线，不必挖开马路，安装使用方便； 一次性投资，可保证二十年不间断供电（蓄电池一般5年需更换）； 免维护，无污染。 12 系统可分为：直流供电系统和交直流供电系统两种。 太阳能光伏发电——离网光伏系统 控制器作用 控制蓄电池组的放电、充电过程，防止过冲和过放； 最优化能量管理（最佳工作点跟踪、温度补偿等）； 光伏系统工作状态显示； 光伏系统信息存储等。 直流供电系统 13 太阳能光伏发电——离网光伏系统 交直流供电系统 14 应用实例 太阳能路灯 太阳能车站 太阳能 交通灯 15 应用实例 16 太阳能光伏发电——并网光伏系统 两种主要类型 集中式大型并网光伏系统（大型并网光伏电站） 分散式小型并网光伏系统（住宅并网光伏系统） 并网光伏电站投资巨大、建设期长，需要复杂的控制和配电设备，占用大片土地，目前其发电成本远高于目前市场电价。 住宅并网光伏系统，特别是与建筑结合的住宅屋顶并网光伏系统，投资小，有诸多优越性，在发达国家备受青睐，发展迅速。 17 太阳能光伏发电——并网光伏系统 住宅并网光伏系统的主要特点，是所发的电能可直接分配到负载上，多余或不足的电力通过联接电网来调节。根据系统是否允许向电网馈电，可分为可逆流与不可逆流并网光伏发电系统 18 可逆流系统：光伏系统电力剩余时送入电网，电力不足时由电网供电。 不可逆流系统：光伏系统的发电量始终小于或等于负荷用电量，电力不足由电网供电，即光伏系统与电网形成并联向负载供电。 可逆流系统 不可逆流系统 太阳能光伏发电——并网光伏系统 19 国内的最大光伏电站——徐州