太阳能光伏LED在西北地区的应用前景研究毕业论文.doc
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1、分类号 编 号 毕业论文题 目太阳能光伏LED在西北地区的应用前景研究学院 物理与信息科学学院 姓名 专业 物理学 学号 271040219 研究类型 研究综述 指导教师 提交日期 2011-5-25 原创性声明本人郑重声明:本人所呈交的论文是在指导教师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡是引用他人已经发表或未经发表的成果、数据、观点等均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外,不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名: 年 月 日 论文指导教师签名:太阳能光伏LED在西北地区应用前景研究 摘要:本文介绍太阳能光伏发电技原理,分析
2、了其技术特点和发展必要性。重点研究了太阳能光伏LED照明的技术特点和优势。最后在详细分析西北太阳能资源的基础上,研究了太阳能光伏LED在我国西北地区的发展现状和应用前景。关键词:太阳能光伏技术; 发光二极管;LED照明; 西北地区太阳能资源Utilization of LED Lighting System Base on Solar Photovoltaic Cells in The Northwest Area Abstract: in this paper,the author introduces the basic principle of photovoltaic power ge
3、neration ,and analyses its characteristics and developing necessity. Then the photovoltaic LED lighting technology and its potential advantages is emphasisly studies. Finally basing on the analysis of solar energy distribution in northwest area in china, the author mainly studies the present develop
4、ment and prospect of the photovoltaic LED lighting technologyKeywords: solar photovoltaic power generation, LED, LED lighting, solar energy distribution in northwest area目 录引言11 太阳能光伏技术21.1 光伏技术21.2 太阳能电池原理21.3 太阳能发电的优势42 太阳能LED照明系统42.1 太阳能照明系统42.2 太阳能LED照明原理及优势52.3 LED光源的基本特征62.3.1发光效率高62.3.2 耗电量少6
5、2.3.3 使用寿命长62.3.4 安全可靠性强62.3.5 有利于环保73 太阳能光伏LED在西北地区的应用与前景73.1 西北地区太阳能资源分析73.2 LED在西北部地区的前景83.3 应用现状及面临问题94 结论10参考文献:12 引言太阳是能量的天然来源。地球上每一个活着的生物之所以具有发挥作用的能力,甚至于是它的生存,都是由于直接或间接来自于太阳的能量。我们的地球处在离太阳差不多有一亿英里的地方。它所截取的辐射能少到难以置信 (大约千万分之三),这么小的一点能量, 实际上比整个世界目前现有的发电能力还大十万倍。目前全世界尤其是工业发达国家开始感到能量短缺,因此,人们开始求助于太阳能
6、,以解决能源危机。太阳能资源丰富,而且数量庞大。作为一种不污染环境,又取之不尽的新能源,它无处不在。尤其是在电力供力方面,有专家认为太阳能发电最终将在电力供应中占20%。为我们的照明用电提供丰富的资源。目前,我国的室内照明一般使用的是白炽灯和荧光灯,室外照明一般采用气体放电灯。这些传统灯具耗能较大,都是在高压的环境下工作,极不安全,而且寿命短。随着固体物理和半导体技术的发展,第四代固体光源LED灯弥补了前三代照明光源的不足,使用寿命可达50000小时以上。半导体灯采用发光二极管作为新光源,同样亮度下,耗电仅为普通白炽灯的十分之一,而使用寿命却可以延长100倍。它综合了太阳能与LED照明结合、交
7、流电与LED照明结合、风光电互补结合三种照明技术,为目前节能照明技术提供了新方法。此外,由于LED灯本身的特点,可以减少火力发电所带来的大量天然能源的消耗和环境的污染,也可以节约大量能源。迄今为止我国仍有2 800多万无电人口,分散居住在边远落后的贫困地区。由于能源短缺,至今也没有解决供电问题,特别是西北地区,由于气候干旱,土地荒漠化,草原退化的情况越来越严重,生态环境日益恶化,严重阻碍了农村经济的发展。同时西北地区的太阳辐射强,日照时间长,太阳能资源丰富。因此,利用太阳能光伏技术与LED照明系统便可以解决西北地区的这一大难题。1 太阳能光伏技术1.1 光伏技术太阳能光伏技术,即太阳能发电技术
8、,其基本工作原理是:以太阳能电池板接收太阳光并产生电能(即发电),再将产生的电能储存在蓄电池里,到需要用电时再由蓄电池供电。太阳能电池板(也叫光伏板或光伏组件)本身只能发电不能储存电能。它发出的是直流电,蓄电池进出的也是直流电。对用电器而言,这时可以直接给直流电器供电,也可经过逆变器将直流电变换为交流电给交流电器供电或直接进入电网。现在比较成熟的光伏元件是硅元件,分为晶体硅和非晶体硅。晶体硅目前能规模生产的产品发电效率在 13 17 ,非晶体硅效率在 7 10 左右。即 1 电池板在 1kW 太阳能量的照射下,分别产生 130 170Wp 和 70 100Wp 的电能(电池板发电能力以 Wp
9、来表示,读作“峰瓦”,表示电池板在标准条件下所产生的电力)。由于晶体硅比非晶体硅的发电效率高,所以目前市场上晶体硅太阳电池(包括单晶硅、多晶硅电池)占主导地位。1.2 太阳能电池原理太阳能是一种辐射能,太阳能发电意味着-要将太阳光直接转换成电能,它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。将光能直接转换成电能的过程确切地说应叫光伏效应。不需要借助其它任何机械部件,光线中的能量被半导体器件的电子获得,于是就产生了电能。这种把光能转换成为电能的能量转换器,就是太阳能电池。太阳能电池也同晶体管一样,是由半导体组成的。它的主要材料是硅,也有一些其他合金。用于制造太阳能电池的高纯硅,要经过特殊的提纯处理制作
10、。太阳能电池只要受到阳光或灯光的照射,就能够把光能转变为电能,使电池从一方流向另一方,一般就可发出相当于所接收光能的1020% 的电能。一般来说,光线越强,产生的电能就越多。为了使太阳能电池板最大限度地减少光反射,将光能转变为电能,一般在它的上面都蒙上一层可防止光反射的膜, 使太阳能板的表面呈紫色。它的工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应,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,诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。太阳电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应,就是当物体受到光照时,物体内的电荷分布状态发生变化而产
11、生电动势和电流的一种效应。即当太阳光或其他光照射半导体的PN结时,就会在PN结的两边出现电压,叫做光生电压,使PN结短路,就会产生电流。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种,如:单晶硅,多晶硅, 非晶硅,砷化镓,硒铟铜等。它们的发电原理基本相同,现已晶体硅为例描述光发电过程。 P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅,形成P-N结。如图1所示。图1当光线
12、照射太阳电池表面时,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子,使电子发生了越迁,成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差,当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是:光子能量转换成电能的过程。单一太阳电池是一只硅晶体二极管,根据半导体材料的电子学特性,当太阳光照射到由 P 型和 N 型两种不同导电类型的、同质半导体材料构成的 P-N 结上时,在一定的条件下(太阳光谱中波长小于 1.1m 的光线进入 P-N 结区附近),太阳能辐射被半导体材料吸收,在导带和价带中产生非平衡载流子,即电子和空穴。由于 P-N 结势垒区存在着较强的内建静
13、电场,在电场的作用下, N 区的空穴向着 P 区移动,而 P 区的电子则向着 N 区移动,最后在太阳电池的受光面上积累大量的负电荷(电子),而在它的背光面上积累大量的正电荷(空穴)。即在光照作用下太阳电池内部形成电流密度 J 、短路电流 Isc 、开路电压 Uoc 。此时如果在太阳电池的两个表面引出金属电极,并用导线接上负载,即形成由 P-N 结、连接电路和负载组成的回路,在负载上就有“光生电流”流过,实现对负载的功率输出。1.3 太阳能发电的优势 太阳能发电的主要优点在于:太阳能电池可以设置在房顶等平时不使用的空间,无噪音、寿命长,而且一旦设置完毕就几乎不要需要调整。现在只要将屋顶上排满太阳
14、能电池,就可以实现家中用电的自给。现今太阳能的主要用途已不再是小规模的,从性质上来说,是专业化的。它从军事领域、通信领域到城市建设领域等都起到了重大的作用。委内瑞拉还推出廉价太阳能车、欧洲科学家研制出轻便的可穿在身上的太阳能电池。目前,太阳能的利用存在着巨大的发展空间,有关的技术有可能在短时间内实现突破。它已被许多发达国家作为其能源战略的一个重要组成部分。 2 太阳能LED照明系统 2.1 太阳能照明系统太阳能照明系统由太阳能电池板、蓄电池、充放电控制器、逆变器和节能灯具、灯杆等组成。建筑领域的太阳能灯主要有路灯、草坪灯、庭园灯、楼道灯等。蓄电池是光伏电源系统的关键部件,目前我国用于光伏发电系
15、统的蓄电池多数是铅酸蓄电池(其中包括胶体蓄电池),只在高寒户外环境采用镉镍电池。蓄电池容量应在满足夜晚照明的前提下,把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来,并能存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。太阳能灯的控制器除了要具备一般光伏系统的防反充、防过充和过放、防短路和反接等功能以外,还要具有自动开关照明灯的功能。通常使用定时和光控两种方式对太阳能灯的工作时间进行控制。定时控制可采用模拟线路或单片机控制两种方法,根据实际需要,事先设定路灯每天晚上的工作时间,调整电子或者机械计时器的接通或断开时刻,到时路灯便可以自动开或关。另一种控制方式是光控,可以单独安装光敏器件,也可以利用太阳能电池本身作为光
16、敏器件,即在周围环境暗到一定程度(照度低于某一设定值)时自动开灯,一直到天亮(照度高于某一设定值)时再自动关灯。 应用太阳能给传统的灯具光源供电并不十分经济。随着固体物理和半导体技术的发展,人类开发出了第四代光源 固体光源 LED (第一代为白炽灯,第二代为荧光灯,第三代为气体放电灯)。太阳能发电与 LED 照明的结合立即成为一大亮点,迅速吸引了人们的目光。固体光源 LED 具有功耗低、寿命长( 1.0105h )、光效高(目前为 5080lm/W ,今后可达 100120lm/W )、反应速度快(可在高频下使用,可任意控制其功耗和亮度,而不影响其寿命)、直流低压工作安全可靠( 24V 、 1
17、2V 、 4.8V ,免逆变器)、环保(耐震、耐冲击、不易破、废弃物可回收、没有污染)、可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点;没有白炽灯泡高耗电、易碎以及日光灯废弃物含汞污染等缺点;兼备照明、装饰功效,是被业界看好在未来 10 年内,成为替代传统照明器具的一大潜力产品。2.2 太阳能LED照明原理及优势 LED(Lightly,Emitting,Diode),又称发光二极管,它们利用固体半导体芯片作为发光材料,当两端加上正向电压,半导体中的载流子发生复合,放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。它的发光是一种能量转换现象,当系统受到外界激发后,会从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态;当系统由不
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