人类社会的发展史，使世界能源结构发生了重大变革

人类所有的生活和生产活动都消耗能源，任何物质形态的变化总是伴随着能源的变化，人类社会的发展也是以能源消耗的增加为代价的。纵观人类社会的发展史，从使用火到今天使用核能，都体现了能源的重要性。第一节 人类能源利用的发展历史 古代，人类的主要能源来自人力和畜力，薪柴为辅，此时使用的能源主要是生物质能、风能和太阳能等可再生能源活力。能源的使用仅限于直接、一次性使用，效率几乎为零；公元前500年左右，中国开始使用煤炭作为燃料； 18世纪末，瓦特发明了蒸汽机，产生了大量以煤为能源的动力机械。生产方式逐渐取代小作坊式的手工业生产方式，交通运输业的迅猛发展，煤炭与资本主义社会化大生产的结合，使世界能源结构发生了重大变化。 1876年，德国人奥托发明了内燃机，进而形成了以内燃机技术为核心的汽车工业，带动了机械制造业的发展； 1895年，美国人开始石油钻探和开发工作，这种液体燃料开始出现，它比煤炭更有吸引力； 19世纪末，以电力为主导的能源结构发生了巨大变革。从法拉第发现电磁感应开始，人们认识到电和磁是统一的电磁现象，于是发明了电动机和发电机。以及各种电器，使电被广泛用作二次能源。

第 2 节 使用可再生能源的必要性 如今，人类使用的能源中有 43% 来自石油； 1６.3%来自天然气； ７.4% 来自煤炭； 1５.6%是电；不到 18% 是可再生能源和废弃能源。然而，随着对煤炭、石油和天然气的需求不断增加，也出现了许多问题。首先，煤炭、石油和天然气是不可再生能源。一旦使用，地球需要数万年才能再次产生这种能量。其次，不可再生能源的大规模使用也导致环境恶化，如全球变暖、臭氧层空洞等。而且，根据最新数据，按照目前３.65%的年增长率，煤炭资源将在2500年枯竭。石油开采量在2000年左右达到顶峰，如果继续开采，到2075年，地球上将不再有石油。根据最乐观的估计，天然气的生产寿命只有 60 年。依靠可再生能源来解决。 1990 年代初，美国能源部预测，到 20 世纪末，世界对电力的需求将增加 6 亿千瓦时。在大力发展常规能源的同时，要积极发展可再生能源。电能是一种高级能源。社会越发展，对电能的需求就越迫切。因此，必须研究开发太阳能发电技术，解决可再生能源大规模供电的问题。问题。第三节太阳能的优越性太阳能是指太阳辐射的能量。在地球上，除了核能和地热能之外，太阳也是各种能源的来源。

在高温高压下，太阳内部不断进行核聚变反应，不断释放出巨大的能量，并以辐射和对流的形式将热量从核心传递到地表，并温度由中心向表面逐渐降低。从核聚变可以看出，当氢聚合成氦释放出巨大的能量时，每1g质量的质量损失将是０.0072g。按照目前太阳核能发电的速度，其氢储量足以维持100亿年，太阳能可以说是取之不尽用之不竭。据计算，太阳每秒发出的能量约为３.7410次方，最高可达３.74102626J,tW，相当于燃烧1２.81016标准煤所释放的能量每秒。太阳能从太阳表面向各个方向辐射。地球与太阳的平均距离为１.510km，中间有真空。所有的太阳能只能通过辐射到达地球表面。由于地球的半径只有６.3710km，所以太阳辐射的总功率中只有22亿分之一可以到达地球大气层的上边界，即到达上边界的太阳辐射功率地球大气层的总功率约为 １.@ >73101738 W。但即使是这一小部分也相当于 １.73 亿吉瓦级发电厂的总发电量。地球接收到的所有太阳辐射仍然是巨大的。第四节光伏发电原理及发电系统分类人类对太阳的利用可以追溯到远古时代，当时人们利用太阳晒干食物。

随着人类的发展和进步，太阳能的利用趋于多元化。太阳能光伏发电是较新的方面之一，具有较好的发展潜力。首先介绍光伏发电的原理。光伏电池实际上是一个大面积的半导体二极管。太阳能光伏发电依赖于太阳能电池中使用的半导体材料的电子特性。当太阳光照射在半导体PN结上时，在PN结势垒区产生强大的内建静电场，在势垒区产生。中的非平衡电子和空穴，或在势垒区外部产生但扩散到势垒区的非平衡电子和空穴在内建静电场的作用下沿相反方向移动并离开势垒区。 P区上升区的电位降低，从而在外部电路中产生电压和电流，将光能转化为电能。太阳能光伏发电系统的运行方式主要分为离网运行和联网运行两大类。不接入公共电网的太阳能光伏发电系统称为离网太阳能光伏发电系统，也称为独立太阳能光伏发电系统。主要用于无电地区和一些远离公共电网的特殊场所。接入公共电网的太阳能光伏发电系统称为并网太阳能光伏发电系统，也称为联网太阳能光伏发电系统。太阳能光伏发电进入大规模商业发电阶段，成为电力行业不可或缺的一部分是必然趋势。是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。第五节光伏电池各部分功能太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如果输入电源为交流220V或110V，还需要逆变器。

各部分的功能如下：(1）太阳能电池板。太阳能电池板是太阳能发电系统的核心部分，也是太阳能发电系统中最有价值的部分。它的作用是将太阳的辐射量转化为电能，或者送入蓄电池储存，或者驱动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和（2）太阳能充电控制器。太阳能充电控制器的作用是控制整个系统的工作状态，对蓄电池起到过充保护和过放保护的作用。在温差较大的地方，还应该有合格的控制器具有温度补偿功能。其他附加功能，如光控开关，控制开关应该是控制器的一个选项。（3）电池。一般是铅酸电池。在微型系统中也可以使用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。它的作用是在有光照时将太阳能电池板发出的电能储存起来，并在需要时释放交流电。由于太阳能的直接输出一般为DC12、24、48V。为了能够提供AC220V给电器提供电力，需要将太阳能发电系统产生的直流电转换成交流电，所以需要DC-AC逆变器。在某些情况下，当需要使用多个电压的负载时，还需要使用 DC-AC 逆变器。变压器，如将DC24V电能转化为DC5V 第六节光伏电池的发展史 光伏效应的发现归功于法国物理学家贝克勒尔，他在1839年发表了一篇论文，描述了他做过的湿电池实验。发现当光照在电解液中的银板时，电池电压突然升高。

后来人们发现了固体中的光伏效应，但光电转换效率一般不到1%。直到 1953 年，美国贝尔实验室的 Pearson、Chapin 和 Fuller 使用半导体材料，例如掺杂杂质的硅片，以获得比以前高得多的光电转换效率。一年后，他们的单晶硅太阳能电池的转换效率达到了 6%。到1958年，地面单晶硅电池的转换效率达到14%。目前，光伏发电产品主要应用在以下三个方面：一是为偏远地区的农牧民家庭、山区或海岛部队、微波中继站等无电场合提供电力；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯、太阳能草坪灯等；三是并网发电，已在发达国家广泛实施。经过近两个世纪的研发，太阳能光伏发电技术有了长足的发展。在国际市场上，2004年太阳能电池的价格约为USD/Wp，发电成本为25美分/kWh（$3/Wp是指组件的单位峰值瓦特价格。光伏发电系统的成本）由三部分组成：一个组件 70%；第二个辅助 15%；第三个安装 15%）。现有太阳能电池的成本大约是煤电成本的两倍。据测算，如果太阳能光伏发电的成本能够降低到10美分/kWh，将会有巨大的经济效益！太阳能光电转换效率的提高也可以促进相关产业的快速发展。美国太阳能专业杂志PV News总结了当前太阳能电池技术市场和价格变化，并结合多位国家政策和行业专家的意见，对2005-2015年太阳能电池的转换效率和成本进行了预测。时间，他们实现了 41.1% 的太阳能到光电转换效率。

方法是使太阳光的聚光倍数达到454倍，照射到mm2大小的III-V族半导体GaInP/GaInAs/Ge制成的多结太阳能电池。第七节光伏电池的快速发展 可以说，太阳能光伏发电迎来了进入21世纪后的第二次发展机遇。一是光伏电池产量持续增长。多年来，光伏产业一直是世界上发展最快、最稳定的领域之一。从1999年到2005年，光伏电池产量以年均40%以上的速度快速发展，太阳能电池产量从1999年的202MW增加到2005年的1818MW，增长了9倍。二是生产规模不断扩大。光伏行业龙头企业的电池年产量已经超过100MW，越来越多的企业提出建设年产1000MW的电池生产线的目标。三是光伏市场快速扩张，新国家出台政策刺激光伏发展。 2004年德国补贴法修订后仅用了一年时间，即2005年德国市场年装机容量达到837MW，占全球市场的57%。政府对光伏的政策激励可想而知。 2006年，加州正式发布3000MW光伏安装计划，带动美国其他州纷纷效仿。美国将成为继日本、欧洲之后的又一光伏大市场。四是新技术不断涌现，电池效率不断提升。

随着自动化和生产技术的提高，电池效率将从目前的水平（单晶硅16%-19%，多晶硅16%-18%）发展到更高的水平。五是光伏电池及组件成本不断降低。此后光伏电池价格一路走低，1996年至2003年整体组件价格下跌50%。但近年来，随着光伏产业的快速发展，多晶硅材料供应一直供不应求。 ，而价格暴涨，导致组件价格出现反弹，但这只是暂时现象。一旦原材料供应缓解，光伏产品价格必然再次进入下行轨道。 ，组件价格将跌至 2$/Wp 以下。第八节光伏电池的缺点和问题 当然，不可否认的是，任何发电设备在使用或淘汰时都会或多或少地对环境产生影响。但在所有可再生和不可再生能源发电系统中，太阳能电池对环境的负面影响是最小的。正常运行时，太阳能光伏电池系统无气体或液体排放，无放射性物质。但是，一些太阳能电池，如CIS和CdTe太阳能电池组件，含有微量的有毒物质，因此，有太阳能光伏电池在发生火灾时会释放这些有毒化学物质，而无需任何活动部件，因此绝对安全从机械的角度来看，工作时没有噪音。然而，与任何其他电力系统一样，太阳能电池也存在触电风险，尤其是在工作电压远高于通常的 12-28V 的大型光伏系统中。

但是，在技术完善的太阳能电池系统中，触电的危险不会​​超过传统的。在电池的制造过程中，也可能对环境产生影响，也可能存在安全问题。硅太阳能电池的制造过程对环境没有特别的影响，原材料硅基本上是无毒的。然而，在一些太阳能光伏电池的制造中可能会使用少量有毒化学品。有毒金属镉用于制造锑化镉，少量镉也用于制造CIS CIGS电池模块。最新的制造方法有可能摆脱这种金属元素。太阳能光伏电池虽然有相当长的工作寿命，但最终会停止工作并被丢弃或回收。显然，废旧光伏电池的回收利用可以促进电池的回收利用。相关机构也在积极制定立法，以确保将太阳能光伏电池的污染降至最低。第九节 笔者的假设 在阅读了一些太阳能光伏发电相关的书籍，并在网上查阅了行业的最新发展趋势后，结合自己的知识，针对太阳能光伏电池的发展提出以下几点我的拙见观点：地球和太阳在不断地公转和自转。太阳照射在地球表面的辐射每时每刻都不一样，同一地区所能接收到的阳光也不同。在这种情况下，无法保证地面上的太阳能集中器将接收到最大量的阳光。为了解决这个问题，受到向日葵的启发，我想如果太阳能聚光器可以根据太阳的不同角度改变聚光器的角度，就像向日葵一样，它就能将光线充分集中。

为了达到这个效果，我们可以提前一年计算出该地太阳的运动轨迹，然后输入电脑。通过电脑的调节，太阳能聚光器可以随着太阳的运动不断地改变角度，使太阳能垂直11照射到聚光器上。从而最大限度地暴露于光辐射。其次，光在不同的介质中以不同的速度传播，从而产生折射和全反射的效果。折射可以通过刚才提到的“向日葵聚光器”来解决。但是光在硅表面反射，然后在玻璃表面折射。 （如果光可以垂直入射就最好了。）我想知道是否可以利用全反射原理来“回收”光的折射部分。为了使入射光尽可能垂直，并使其在玻璃表面发生反射然后全反射，我们需要对光伏电池进行一些调整。下图是我设计的全反射太阳能聚光器：（直角三角形是多晶硅光伏电池。）这样可以最大限度的吸收光线，不仅让阳光尽可能垂直进入，还要让玻璃上表面的光线进行全反射。安装太阳能集中器会影响您家的完整性和美观性。我想知道是否可以更充分地利用安装在建筑物表面的太阳能光伏电池？但是，如果将太阳能电池像墙一样直接“贴”在建筑物的侧面，就像有人认为的那样，不仅不美观，还会产生一定的光污染，成本也会大大增加。太阳能手机充电器转化率，即使得不偿失。那么，我们可以将太阳能电池与一些家具结合起来吗？比如窗帘。

还记得多年前风靡一时的百叶窗，虽然现在很难找到，但我设想将 12 块太阳能光伏电池与百叶窗组合在一起，用太阳能电池集中器代替传统百叶窗的塑料挡板。当阳光充足并且可以照到房子的墙壁上时，关闭“太阳能百叶窗”，它不仅可以接收阳光并发电供空调或其他电器使用，还可以防止光线进入房间，从而降低室内温度。在夜间或光线不足时，“太阳能百叶窗”再次打开，以提高室内亮度和通风。这是一石二鸟。关于太阳能光伏电池的发展，最重要的是提高其转化率。当我查看数据时，我了解到转化率随着温度的升高而降低。太阳能聚光器需要接收尽可能多的光，这不可避免地会增加聚光器的温度。网上也有很多降温的方法，我认为它们使事情复杂化了？以下是我认为的冷却方式： 光伏发电器件分为覆层和叠层。其中，包层式的上下面板为封闭式玻璃壳。上表面的玻璃外壳可以按照我前面提到的“全反射太阳能聚光器”进行设计。下表面可以做成空心玻璃壳，里面装满循环水和温度计。以25C的标准测试温度为例，下玻璃壳。当温度超过25度时，在温度计的调节下，自动从进水口喷水吸热，达到降温的目的，可根据温度调节水量。

当水温达到一定程度，即不能达到降温目的时（这里可以通过温度计直观显示）太阳能手机充电器转化率，水会从排水口流出。为了充分利用能量，流出的水可以用来洗澡。原水流出13小时后，如果温度仍超过25℃，将重新注入自来水。这样可以将光伏电池的温度保持在较低水平，提高转化率，有热水洗澡。值得注意的是，据资料显示，模组可承受的最高温度为60度。因此，温度计的选择和水量的大小，必须充分考虑最高温度和可耐受的最佳温度范围。第十节 光伏产业的成就 当我在网上查找制约太阳能光伏电池发展的因素时，了解到除了转换率低（虽然现在实验室已经达到51%），另一个因素是制造成本过高。例如，原材料硅的价格一度高出实际价格的300%。太阳能光伏电池的发展离不开各方的努力。例如，光伏大国德国自上世纪以来一直走在这一领域的前沿。政府投入巨资，全民参与。特别是2004年和2005年上半年以来，由于世界石油供应紧张，世界发达国家积极开发太阳能电池等新能源。美国正在规划“百万太阳能屋顶项目”，到2010年，将有100万户家庭安装太阳能屋顶，每个光伏屋顶将拥有3kW-5kW的光伏并网发电系统。

有太阳时，太阳能屋顶供电；当没有太阳时，电网为家庭供电。仅此一项计划，到2010年美国将利用太阳能发电至少3000MW。美国能源部已宣布到2010年太阳能装置的累计装机容量将超过4600MW，这势必将极大刺激美国大型太阳能电池产业的发展。在日本，政府对“新阳光计划”的支持力度很大。日本政府2010年提出在国内实现太阳能发电总装机容量5000兆瓦的新能源项目。截至2004年累计装机容量已达1900兆瓦，近两年的发展速度为惊人的增长速度超过70%。欧盟可再生能源白皮书和随之而来的“起飞运动”是推动欧洲光伏产业发展的里程碑。其总体目标是到2010年欧盟光伏发电装机容量达到3700MW，同时出口3000MW。欧洲的德国、丹麦、意大利、英国、西班牙也开始制定本国的可再生能源法案，并通过给予大量补贴和政策激励，加快光伏产业发展。在我国，光伏发电产业起步于1970年代，到1990年代中期进入平稳发展期。已经有无锡尚德等光伏企业，其技术接近国际先进水平。在深圳、上海等地，也有大型太阳能光伏并网发电系统。 2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”也响应绿色奥运的主题，采用了光伏发电技术。

随着世界的发展，资源和污染问题已得到充分认识。可以说，有朝一日，可再生能源将取代不可再生能源，成为世界上的主导能源。太阳能作为一种绿色、无污染、安全、取之不尽的能源，必将在未来的能源领域发挥举足轻重的作用，成为不可替代的“能源之王”。太阳能光伏电池的发展也在能源领域逐渐崭露头角，势不可挡！可以用一句话来概括：“道路曲折，前途一片光明！”