光伏技術基礎與技能

前言

　　自進入近代社會以來，人類主要依賴煤和石油作為能源而生存。隨著現(xiàn)代社會的經(jīng)濟發(fā)展，人類對能源的需求迅速擴大，這就給現(xiàn)實社會了帶來兩大問題：能源危機——煤和石油儲藏量有限，取之有盡；環(huán)境污染——以煤、石油作為燃料排放的廢氣已經(jīng)使人類的生存條件嚴重惡化，這兩大問題必然迫使人們將眼光投向綠色新能源的開發(fā)?，F(xiàn)有能源主要有3種，即火電、水電和核電?；痣娦枰紵骸⑹偷然剂?。一方面，化石燃料蘊藏量有限，越用越少，正面臨著枯竭的危險，據(jù)估計，全世界石油資源再有30年便將枯竭；另一方面，燃燒燃料將排出CO2和硫的氧化物氣體，會導致溫室效應和酸雨，惡化地球環(huán)境，淹沒大量土地，有可能導致生態(tài)環(huán)境破壞，而且大型水庫一旦塌崩，后果將不堪設想。另外，一個國家的水力資源也是有限的，而且還要受季節(jié)的影響。核電在正常情況下固然是干凈的，但萬一發(fā)生核泄漏，后果同樣是可怕的，前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故，已使900萬人受到了不同程度的損害。新能源要同時符合兩個條件：一是蘊藏豐富不會枯竭；二是安全、干凈，不會威脅人類和破壞環(huán)境。目前新能源主要有兩種：一是太陽能，二是燃料電池。另外，風力發(fā)電也可算是輔助性的新能源。其中，最理想的新能源是太陽能?！　奶柲塬@得電力，需要通過太陽能電池進行光電變換來實現(xiàn)。它同以往其他電源發(fā)電原理完全不同，具有以下優(yōu)點：①無枯竭危險；②絕對干凈（無公害）；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質(zhì)量高；⑥使用者從感情上容易接受；⑦獲取能源花費的時間短。不足之處是：①照射的能量分布密度小，即要占用巨大面積；②獲得的能源與四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關?！　‘斍?，世界各國都在積極提倡低碳生活，利用太陽能發(fā)電，加大對太陽能這一新能源的開發(fā)與應用，已成為世界各國政府的共識。西方發(fā)達國家不惜投入巨資研制太陽能發(fā)電產(chǎn)品，推廣太陽能發(fā)電的應用領域。所謂“低碳生活（low-carbonlife）”，就是指生活作息時所耗用的能量要盡力減少，從而降低二氧化碳的排放量。低碳生活，對于我們普通人來說是一種態(tài)度，而不是能力，我們應該積極提倡并去實踐低碳生活，注意節(jié)電、節(jié)油、節(jié)氣，從點滴做起。“低碳經(jīng)濟”的理想形態(tài)是充分發(fā)展“陽光經(jīng)濟”、“風能經(jīng)濟”、“氫能經(jīng)濟”、“生物質(zhì)能經(jīng)濟”。但現(xiàn)階段太陽能發(fā)電的成本是煤電、水電的510倍，一些地區(qū)風能發(fā)電價格高于煤電、水電；作為二次能源的氫能，目前離利用風能、太陽能等清潔能源提取的商業(yè)化目標還很遠；以大量消耗糧食和油料為代價的生物燃料開發(fā)，在一定程度上引發(fā)了糧食、肉類、食用油價格的上漲。從世界范圍看，預計到2030年太陽能發(fā)電也只能達到世界電力供應的10%，而全球已探明的石油、天然氣和煤炭儲量將分別在今后30、50和100年左右耗盡。因此，在“碳素燃料文明時代”向“太陽能文明時代”（風能、生物質(zhì)能都是太陽能的轉換形態(tài)）過渡的未來幾十年里，“低碳經(jīng)濟”、“低碳生活”的重要含義之一，就是節(jié)約化石能源的消耗，為新能源的普及利用提供時間保障。　　從20世紀70年代開始，各國政府都投入了很大的力量來支持太陽能電池的發(fā)展。美國于1973年率先制訂了政府光伏發(fā)電發(fā)展計劃，明確了近、中、遠期的發(fā)展戰(zhàn)略目標；日本從1974年開始執(zhí)行“陽光計劃”，投資5億美元，迅速發(fā)展成為世界太陽能電池的生產(chǎn)大國。自20世紀80年代以來，其他發(fā)達國家，如德國、英國、法國、意大利、西班牙、瑞士、芬蘭等，也紛紛制訂了光伏發(fā)展計劃，并投入了大量資金進行技術開發(fā)和加速工業(yè)化進程。20世紀80年代末至今，西方發(fā)達國家從環(huán)境和能源的可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，紛紛制定政策，鼓勵和支持光伏并網(wǎng)發(fā)電。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、社會的進步，人們對能源提出越來越高的要求，尋找新能源已成為當前人類面臨的迫切課題?！　∥覈?958年開始研究太陽能電池，2001年全世界太陽能電池的產(chǎn)量達到350萬kW，我國太陽能電池的實際產(chǎn)量已達到4?5萬kW，按照2007年國家發(fā)改委發(fā)布的《中國可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，計劃到2020年，光伏發(fā)電累計裝機容量達180萬kW，市場前景十分遠大。光伏行業(yè)在全世界的迅速發(fā)展也帶動了我國對光伏行業(yè)的重視，一大批知名專家學者學成歸國，我國在光伏技術上已達到國際領先水平。過去幾年也是我國光伏行業(yè)發(fā)展最快的時期，誕生了一批知名企業(yè)和上市公司，尤其以無錫尚德、南京中電、河北晶奧、浙江昱輝、常州天合、正泰集團等企業(yè)為代表?！　「鶕?jù)浙江省發(fā)展和改革委員會發(fā)布的《浙江省硅材料及光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體思路》，到2010年浙江省的硅材料及光伏產(chǎn)業(yè)年銷售收入將突破1100億元，硅材料及光伏產(chǎn)業(yè)將成為全省新的經(jīng)濟增長點和重要支柱產(chǎn)業(yè)，使浙江成為我國重要的硅材料及光伏產(chǎn)業(yè)基地。其中，年產(chǎn)高純硅料20000t，實現(xiàn)年銷售收入320億元；建成若干家多晶硅鑄錠和切片企業(yè)，年產(chǎn)多晶硅片2500t，實現(xiàn)年銷售收入470億元；建設三條單晶硅片生產(chǎn)線，年銷售收入150億元；建成一批原材料、耗材、配套設備生產(chǎn)企業(yè)，實現(xiàn)年銷售收入40億元，在良好市場的大環(huán)境下迅猛崛起。寧波太陽能、正泰太陽能、浙江向日葵、浙江樂葉光伏、萬向硅峰等企業(yè)已成為遠近聞名的光伏產(chǎn)業(yè)支柱企業(yè)?！　‘斍埃瑖鴥?nèi)還沒有光伏技術方面的中職教材出版，為更好地使職業(yè)技術教育與社會實際用工需求和工作技術要求接軌，探索職業(yè)技術教學的新方法，提升光伏技術專業(yè)學生的操作技能和綜合素質(zhì)，結合光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以成熟的單晶硅和多晶硅為對象，結合學校的教學需求出發(fā)，我們編寫了本書?！　”緯诰帉戇^程中，浙江省衢州市教育局、衢州中等專業(yè)學校、浙江樂葉光伏有限公司及國家電網(wǎng)公司的領導給予了指導和大力幫助，在此表示衷心感謝?！　”緯娜空鹿?jié)由浙江省衢州中等專業(yè)學校老師編寫完成，其中第一章由周利林老師編寫；第二章由徐宏芳老師編寫；第三章由徐斌老師編寫；第四章由徐憶老師編寫；第五章由寧小紅老師編寫；第六章由姜忠平老師編寫；第七章由楊勇華老師編寫，本書部分插圖由王振老師指導和設計。

內(nèi)容概要

本書主要介紹光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、硅材料基礎、多晶硅生產(chǎn)工藝、單晶硅生產(chǎn)工藝、太陽能電池生產(chǎn)工藝、光伏組件生產(chǎn)工藝、光伏發(fā)電系統(tǒng)設計與安裝等內(nèi)容，大部分章節(jié)后附有視野拓展知識和閱讀材料內(nèi)容，以幫助讀者全面、系統(tǒng)地掌握本書內(nèi)容。本書每節(jié)后都附有相應的練習與思考題目，讀者可以及時掌握和鞏固相關的知識點。    本書層次分明、深入淺出、圖文并茂、內(nèi)容新穎且實用性強。    本書可作為高等職業(yè)院校及中等職業(yè)學校光伏技術及相關專業(yè)的教材，也可作為從事光伏產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)和維修人員的培訓及自學用書。

書籍目錄

第一章  概述  第一節(jié)  光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀  第二節(jié)  光伏產(chǎn)業(yè)鏈的工藝概述  第三節(jié)  太陽與太陽能第二章  硅材料基礎  第一節(jié)  硅材料基礎  第二節(jié)  硅礦的分布  第三節(jié)  硅材料的檢測第三章  多晶硅生產(chǎn)工藝  第一節(jié)  多晶硅生產(chǎn)工藝  第二節(jié)  多晶硅生產(chǎn)設備  第三節(jié)  多晶硅片生產(chǎn)工藝  第四節(jié)  多晶硅生產(chǎn)的環(huán)保第四章  單晶硅生產(chǎn)工藝  第一節(jié)  單晶硅基礎  第二節(jié)  直拉單晶爐  第三節(jié)  直拉單晶硅生產(chǎn)工藝  第四節(jié)  單晶硅的切割與拋光工藝第五章  太陽能電池生產(chǎn)工藝  第一節(jié)  制絨與擴散  第二節(jié)  刻蝕與去PSG  第三節(jié)  PECVD、絲網(wǎng)印刷與燒結  第四節(jié)  電池片的檢測第六章  光伏組件生產(chǎn)工藝  第一節(jié)  組件生產(chǎn)工藝概述  第二節(jié)  電池片的焊接工藝  第三節(jié)  EVA及層壓工藝  第四節(jié)  光伏組件固化與裝框  第五節(jié)  光伏組件結構與檢測第七章  光伏發(fā)電系統(tǒng)設計與安裝  第一節(jié)  光伏方陣  第二節(jié)  光伏組件  第三節(jié)  光伏發(fā)電系統(tǒng)組成和設計  第四節(jié)  光伏系統(tǒng)的安裝及維護  第五節(jié)  光伏發(fā)電的防雷接地附錄A  20MW組件生產(chǎn)線配置附錄B  光伏技術專業(yè)實驗室設備清單參考文獻

章節(jié)摘錄

　　1）布里曼法　　布里曼法是一種經(jīng)典的、較早的定向凝固方法。　　特點：①坩堝和熱源在凝固開始時作相對位移，分液相區(qū)和凝固區(qū)，用隔熱板隔開；②液固界面交界處的溫度梯度必須大于零，即溫度梯度接近于常數(shù)；③長晶速度受工作臺下移速度及冷卻水流量控制，長晶速度接近于常數(shù)，長晶速度可以調(diào)節(jié)；④硅錠高度主要受設備及坩堝高度限制；⑤生長速度為0.8～1.0mm／min。　　缺點：爐子結構比熱交換法復雜，坩堝需升降且下降速度必須平穩(wěn)；坩堝底部需水冷?！　?）熱交換法　　特點：①坩堝和熱源在熔化及凝固整個過程中均無相對位移。一般在坩堝底部設置一個熱開關，熔化時熱開關關閉，起隔熱作用；凝固開始時熱開關打開，以增強坩堝底部散熱強度。長晶速度受坩堝底部散熱強度控制，如用水冷，則受冷卻水流量（及進出水溫差）所控制。②由于定向凝固只能是單方向熱流（散熱），徑向（即坩堝側向）不能散熱，也即徑向溫度梯度趨于零，而坩堝和熱源又靜止不動，所以隨著凝固的進行，熱源也即熱場溫度（大于熔點溫度）會逐步向上推移，同時又必須保證無徑向熱流，因而溫場的控制與調(diào)節(jié)難度要大。液固界面逐步向上推移，液固界面處溫度梯度必須是正值，即大于零。但隨著界面逐步向上推移，溫度梯度逐步降低直至趨于零。　　從以上分析可知，熱交換法的長晶速度及溫度梯度為變數(shù)。而且錠子高度受限制，要擴大容量只能增加硅錠截面積。熱交換法的最大優(yōu)點是爐子結構簡單。　3）電磁鑄錠法　特點：①無坩堝（石英陶瓷坩堝）；②氧、碳含量低，晶粒比較小；③提純效果穩(wěn)定；④錠子截面不大，最大為350mm×350ram，但錠子高度可達1em以上。

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