太陽能發(fā)電原理及應(yīng)用講座1概論

太陽能發(fā)電原理及應(yīng)用

2011.3.

第一章緒論

一.開發(fā)利用太陽能的戰(zhàn)略意義1．化石燃料儲量正面臨逐漸枯竭的危機(jī)局面隨著世界人口的增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對于能源供應(yīng)的需求量日益增加，目前主要是靠化石燃料來提供。然而，化石燃料的儲量是有限的，全球石油可開采約45年，天然氣大約61年，煤炭可開采約230年，鈾大約71年。如果再考慮到現(xiàn)在世界石油消費(fèi)量大約每年增長2%，這樣每隔35年，消費(fèi)量將增加一倍。目前1/5的人口消費(fèi)世界上75%的能源，發(fā)達(dá)國家人均石油消費(fèi)量是最貧窮的全球一半人口消費(fèi)量的15倍。

據(jù)世界衛(wèi)生組織估計(jì)，到2060年全球人口將達(dá)100~110億。如果到時(shí)所有人的礦物和能源消費(fèi)量都達(dá)到今天發(fā)達(dá)國家的人均消費(fèi)水平，則地球上35種礦物中將有1/3在40年內(nèi)消耗殆盡，包括所有的石油、天然氣、煤炭（假設(shè)為2萬億噸）和鈾?；剂仙a(chǎn)(消耗)的峰值存在一個(gè)高峰，高峰在什么時(shí)間？離現(xiàn)在還有多遠(yuǎn)？留給可再生能源技術(shù)發(fā)展的時(shí)間足夠嗎？??！日本的預(yù)測

自天然氣以下為化石燃料

化石燃料生產(chǎn)峰值在2020～2030之間

世界油氣資源的開采峰值對化石燃料開采峰值有決定性影響，因此我們再觀察幾個(gè)對油氣資源開采峰值的預(yù)測。

2002，

AssociationforStudyofPeakOil(ASPO):峰值位于

2010年(見下圖)；

ASPO對世界油氣開采峰值的最新預(yù)測峰值位于

2010Shell的預(yù)測

2001，

BP，WorldEnergyForuminDavos

:

峰值位于2010，30-40之后將消耗盡；

2000，WorldResourcesInstituteinWashington:

峰值位于2019.綜合以上多種預(yù)測，化石燃料開采峰值位于本世紀(jì)20～30年代

我國一次能源的儲量均低于世界平均值，

2004年進(jìn)口石油約1.1億噸，外匯支出比前一年增加了30%~40%。

我國能源儲量與世界比較2．保護(hù)生態(tài)環(huán)境逐漸受到人們的重視隨著全球很多地區(qū)氣候變暖，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，酸雨范圍越來越廣，高空臭氧層空洞擴(kuò)大等現(xiàn)象的出現(xiàn)，使人們逐漸認(rèn)識到治理大氣環(huán)境，防止污染已經(jīng)到了刻不容緩的地步。

現(xiàn)在單是CO2全球每年排放量就超過500億噸，并且還在不斷增加。按人口平均計(jì)算，美國每年的CO2排放量為20噸/人

年，德國為12.3噸/人

年，日本為8.7噸/人

年?！熬┒甲h定書”對于工業(yè)化國家規(guī)定了減少溫室氣體排放量的指標(biāo)。盡管“京都議定書”沒有對我國的溫室氣體排放量規(guī)定具體的指標(biāo)，但是我國的情況相當(dāng)突出。我國能源消費(fèi)只占世界的8%~9%，人均排放量也不算高，但是人口眾多，能源利用率不高，能源消費(fèi)以燃煤為主，而且煤炭所含的硫等有害成分很高。

我國SO2排放量占世界的15.1%，為世界第一；CO2排放量占世界的13.6%，列世界第二。因煤炭燃燒而排放的

SO2、CO2、NOx和煙塵分別占全國相應(yīng)排放量的87%、71%、67%和60%，所以備受世界關(guān)注。我國必須作出巨大努力，來改變這種狀態(tài)。

2003年全球一次能源消耗結(jié)構(gòu)比例世界中國煤炭

%

24.71

74.0

石油

%

38.47

15.2

天然氣

%

23.72

2.7

核能

%

6.59

0.4

水電

%

6.51

7.7

太陽能是取之不盡的清潔無公害新能源。安裝1KW太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，每年可以減少CO2排放量600~2300kg、NOx排放量16kg、SOx排放量9kg和微粒0.6kg。在我國太陽能每發(fā)1度電，扣除在生產(chǎn)太陽電池及設(shè)備的過程中所消耗的電力，可至少相當(dāng)于減少CO2排放量1.14kg。3．常規(guī)電網(wǎng)存在局限性

現(xiàn)在全球還有將近20億人口沒有用上電，我國到在2000年也還有大約3000萬人口沒有電力供應(yīng)，其中相當(dāng)大部分處在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的邊遠(yuǎn)地區(qū)，由于居住分散，很難用常規(guī)電網(wǎng)解決用電問題，沒有電力供應(yīng)嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。作為不受區(qū)域限制的太陽能，是個(gè)理想的補(bǔ)充能源，光伏發(fā)電在這些地區(qū)大有用武之地，存在著巨大的潛在市場。

二.太陽能發(fā)電的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):

太陽能取之不盡，用之不竭，照射到地球上的太陽能要比人類消耗的能量大6000倍。只要在美國陽光豐富的西南部沙漠地區(qū)，建立一個(gè)面積為100哩×100哩的巨型光伏電站，所發(fā)的電力可以滿足全美國的用電需要。太陽能發(fā)電安全可靠，不會遭受能源危機(jī)或燃料市場不穩(wěn)定的沖擊。太陽能隨處可得，可就近供電，不必長距離輸送，避免了輸電線路等損失。太陽能不用燃料，運(yùn)行成本很低。太陽能發(fā)電沒有運(yùn)動部件，不易損壞，維護(hù)簡單，特別適合于無人值守情況下使用。太陽能發(fā)電不產(chǎn)生任何廢棄物，沒有污染，無噪聲等公害，對環(huán)境無不良影響，是理想的清潔能源。太陽能發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短，方便靈活。而且可以根據(jù)負(fù)荷的增減，任意添加或減少太陽電池容量，避免了浪費(fèi)。缺點(diǎn):

地面應(yīng)用時(shí)有間歇性和隨機(jī)性，發(fā)電量與氣候條件有關(guān)，在晚上或陰雨天就不能或很少發(fā)電。能量密度較低，標(biāo)準(zhǔn)條件下，地面上接收到的太陽輻射強(qiáng)度為1000W/m2。大規(guī)模使用時(shí)，需要占有較大面積。目前價(jià)格仍較貴，為常規(guī)發(fā)電的2~5倍。初始投資高。三.太陽能發(fā)電的分類太陽能光發(fā)電(光伏)太陽能熱發(fā)電大致可分為槽式太陽能熱發(fā)電塔式太陽能熱發(fā)電碟式太陽能熱發(fā)電

槽式太陽能熱發(fā)電

槽式太陽能熱發(fā)電原理圖

塔式太陽能熱發(fā)電近代太陽塔熱發(fā)電太陽塔熱發(fā)電原理碟式太陽能熱發(fā)電四.太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展歷史1839年19歲的法國貝克勒爾做物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)電液中的兩種金屬電極用光照射時(shí)，電流會加強(qiáng)，從而發(fā)現(xiàn)了“光生伏打效應(yīng)”1877年亞當(dāng)斯等在硒片上發(fā)現(xiàn)固體光伏效應(yīng)，并制成了第一個(gè)硒光電池1883年美國發(fā)明家弗里茲描述了第一個(gè)用硒片制造的太陽電池1904年愛因斯坦發(fā)表光電效應(yīng)論文1916年密立根提供了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)1918年波蘭科學(xué)家切克勞斯基發(fā)展了一種單晶硅生長的方法1930年郎格發(fā)表了“新的光伏電池”同年肖特基發(fā)表

“新的氧化銅光電池”1931年布魯諾將銅化合物和硒銀電極浸入電介液，在陽光下帶動電動機(jī)1932年奧杜博特等制成第一塊”硫化鎘”太陽電池1941年奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)1954年5月美國貝爾實(shí)驗(yàn)室恰賓、富勒和皮爾松宣布僅僅幾個(gè)月后原來效率為4.5%的硅太陽電池已上升到6%，這是世界上第一個(gè)實(shí)用的太陽電池

美國貝爾實(shí)驗(yàn)室制成的第一批太陽電池1955年11月霍夫曼電子半導(dǎo)體公司宣布可提供效率為2%的商業(yè)光伏產(chǎn)品，每個(gè)電池14mw，價(jià)格為$25，相當(dāng)于$1785/W1957年霍夫曼電子公司硅太陽電池效率達(dá)到了8%1958年霍夫曼電子公司硅太陽電池效率達(dá)到了9%1958年3月17日太陽電池首次在空間應(yīng)用，裝備于美國的先鋒1號人造衛(wèi)星，功率為0.1W，面積約100平方厘米。運(yùn)行了8年1959年霍夫曼電子公司商業(yè)應(yīng)用的光伏電池效率達(dá)到了10%同年8月7日發(fā)射的探險(xiǎn)者6號人造衛(wèi)星配備了1cm×2cm的太陽電池9600片1960年霍夫曼電子公司太陽電池的效率達(dá)到了14%1962年7月23日第一個(gè)商業(yè)通訊衛(wèi)星發(fā)射，功率為14W1962年砷化鎵太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了13%1963年夏普公司生產(chǎn)出了實(shí)用的硅光伏組件同年，日本在燈塔上安裝了一套當(dāng)時(shí)世界上最大242W的光伏方陣，容量為242W1964年發(fā)射的大型氣象衛(wèi)星上裝備了470W光伏方陣1965年格拉瑟提出了建造空間太陽能電站的設(shè)想1966年發(fā)射的天文觀察衛(wèi)星裝備了1kw光伏方陣1969年薄膜硫化鎘太陽電池效率達(dá)到了8%1972年法國在尼日爾鄉(xiāng)村學(xué)校安裝了一套硫化鎘光伏系統(tǒng)同年羅非斯基研制出紫光電池，效率達(dá)到了16%1973年德拉瓦大學(xué)建立了世界上第一個(gè)光伏與光熱混合的戶用屋頂系統(tǒng):“太陽一號”，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)運(yùn)行同年砷化鎵太陽電池效率達(dá)到15%1974年日本制定了發(fā)展光伏的“陽光計(jì)劃”同年Tyco實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用定邊喂膜法制成了寬度為1英寸、18英寸長的的硅帶同年COMSAT研究所提出無反射絨面電池，硅太陽電池效率達(dá)到18%1976年多晶硅太陽電池效率達(dá)到10%1976年卡爾松等制成了第一個(gè)非晶硅太陽電池，在面積3.5平方厘米上效率為1.1%1976~1985年和1992~1995年美國NASA劉易斯研究中心項(xiàng)目在世界各地安裝了83套不同用途的光伏系統(tǒng)，如為疫苗冷藏、房間照明、通訊、水泵和教室的電視等提供電力1977年世界光伏產(chǎn)量超過了500KW1978年NASA在亞利桑那州巴巴哥印第安人保留區(qū)安裝了3.5KW光伏系統(tǒng)，為水泵和15戶居民提供電力，這是世界上第一個(gè)鄉(xiāng)村光伏系統(tǒng),1985年通電網(wǎng)后，該系統(tǒng)專為社區(qū)水泵供電同年美國建成100KW太陽能地面電站1980年單晶硅太陽電池效率達(dá)20%；砷化鎵太陽電池效率達(dá)到22.5%；多晶硅太陽電池效率達(dá)到14.5%；硫化鎘太陽電池效率達(dá)到9.15%同年美國ARCOSolar公司年產(chǎn)量超過1MW1981年5月在沙特阿拉伯吉達(dá)安裝了8KW用于海水淡化裝置1982年世界太陽電池產(chǎn)量超過了9.3MW同年7月在美國達(dá)拉斯機(jī)場安裝了20KW光伏和140KW光熱混合系統(tǒng)同年12月美國安裝1MW光伏電站，使用了108個(gè)雙軸跟蹤裝置1983年功率為1KW的太陽能汽車在澳大利亞用不到20天跑完了4000km，最大時(shí)速72km/h，平均24km/h同年ARCOSolar公司在美國加州卡利薩平原建成6MW光伏電站，占地120英畝，電力輸入太平洋煤氣電力公司電網(wǎng)，足夠2000~2500戶家庭使用同年世界光伏產(chǎn)量超過21.3MW，銷售額超過2.5億美元1984年美國薩克拉門托市政公用公司管轄區(qū)(SMUD)關(guān)閉了核電站后，建成了第一個(gè)1MW光伏電站同年英國BPSolar公司在南安普敦建成了30KW并網(wǎng)光伏系統(tǒng)1985年澳大利亞新南威爾士大學(xué)馬丁?格林等研制的硅太陽電池，效率超過了20%1986年6月ARCOSolar公司推出了世界第一個(gè)“

G-400”商業(yè)薄膜動力用太陽電池組件1990年德國提出“1000個(gè)太陽能屋頂”計(jì)劃，每個(gè)屋頂安裝3~5KW太陽電池1992年在南極洲安裝了一套0.5kw光伏系統(tǒng)，配備2.4kwh蓄電池，為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，照明，個(gè)人電腦，打印機(jī)和小型微波爐提供電力1995年高效聚光砷化鎵太陽電池效率達(dá)到32%1996年BPSolar公司宣布碲化鎘技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)同年5月7日圖森電力公司宣布已具備銅銦硒電池生產(chǎn)能力同年7月世界上第一架太陽能動力飛機(jī)穿越德國,機(jī)身上安裝了3000片高效太陽電池,總面積21平方米1997年美國提出“百萬太陽能屋頂”計(jì)劃，到2010年要安裝100萬套同年，日本提出“新陽光計(jì)劃”，提出到2010年將生產(chǎn)43億W太陽電池同年，

歐盟提出“百萬太陽能屋頂”計(jì)劃，到2010年要生產(chǎn)37億W太陽電池1998年單晶硅太陽電池效率達(dá)24.7%；全球多單晶硅太陽電池產(chǎn)量第一次超過單晶硅太陽電池1999年日本太陽電池產(chǎn)量首次超過美國而居世界第一位2000年全球太陽電池產(chǎn)量達(dá)278MW。日本三洋公司的非晶硅/單晶硅/非晶硅雙異質(zhì)結(jié)太陽電池效率超過21%2001年“太陽神號”(Helios)光伏動力飛機(jī)飛行高度超過了海拔30km，創(chuàng)造了新的記錄

歷年世界太陽電池產(chǎn)量年份197719821983198419851986198719881989產(chǎn)量MW0.59.321.625.024.427.529.135.042.22004年世界太陽電池產(chǎn)量美國日本歐洲其他共計(jì)百分比%單晶硅平板電池85111115.829.6341.429多晶硅電池14.2393.5158104669.256非晶硅室外應(yīng)用14108.6739.6非晶硅室內(nèi)應(yīng)用7.57.5晶體硅聚光電池0.50.5硅帶電池1625413.4碲化鎘電池67131.1銅銦硒電池330.3微晶硅/單晶硅20201.7異質(zhì)結(jié)電池(HIT)60605總計(jì)(MW)139602314.41401195.2100世界光伏應(yīng)用領(lǐng)域1993199619971998199920002001200220032004消費(fèi)產(chǎn)品18222630354045606570美國離網(wǎng)戶用58910131519202530世界離網(wǎng)戶用8151924313845607580通訊應(yīng)用16232831354046607580離網(wǎng)商業(yè)應(yīng)用10121620253036455065并網(wǎng)戶用/商業(yè)27273660120199270360610中心電站(>100kw)22222555820總計(jì)(MW/y)6189126153201288395520658955世界光伏市場的發(fā)展2030年世界光伏應(yīng)用分類預(yù)測2003年主要太陽電池生產(chǎn)公司所占份額

世界光伏生產(chǎn)公司排名表(產(chǎn)量MW)公司2001200220032004產(chǎn)量排名產(chǎn)量排名產(chǎn)量排名產(chǎn)量排名Sharp751123119813241Kyocera5436037231052BPSolar54.2273.8270.24853Mitsubishi149249406754/5Q-Cells289754/5ShellSolar39457.54732726Sanyo197355358657SchottSolar23629.57425638Isofoton18827.4835.2753.39Motech3510五.中國光伏發(fā)電市場的發(fā)展

中國于1958年開始進(jìn)行太陽能光伏發(fā)電的研究

1971年首次將太陽電池成功地應(yīng)用在”東方紅二號”人造衛(wèi)星上

1973年開始將太陽電池應(yīng)用于地面，在天津港用于航標(biāo)燈1977年全國太陽電池產(chǎn)量約1.1KW，價(jià)格為200元/W中國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展的兩次飛躍:

80年代中期，先后引進(jìn)了5條單晶硅和1條非晶硅太陽電池生產(chǎn)設(shè)備，年生產(chǎn)能力猛增到4.5MW，銷售價(jià)格從1980年的80元/W降到40元/W左右。

2000年開始，由于受到國際大環(huán)境的影響和國際/政府項(xiàng)目的啟動及市場的拉動，各地的光伏企業(yè)迅速發(fā)展，生產(chǎn)能力達(dá)到了100MW，2002年產(chǎn)量約為20MW，2003年底累計(jì)安裝了55MW。六.一些國家的”太陽能屋頂計(jì)劃”1.美國

1997年6月26日美國總統(tǒng)克林頓宣布，為了達(dá)到2012年使溫室氣體排放量比1990年減少7％的目標(biāo)，采取的一項(xiàng)重要措施是實(shí)施“百萬太陽能屋頂計(jì)劃”，在2010年前，要在全國的的住宅、學(xué)校、商業(yè)建筑和政府機(jī)關(guān)辦公樓屋頂上安裝100萬套太陽能裝置，光伏組件累計(jì)用量將達(dá)到3025MW，產(chǎn)生的電力相當(dāng)于新建3~5個(gè)燃煤的發(fā)電廠。美國百萬屋頂計(jì)劃指標(biāo)2.歐盟在1997年提出目標(biāo)到2010年要由可再生能源提供總能源消耗的12%和電力供應(yīng)的21%。為此在歐盟范圍內(nèi)要安裝100萬套太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，其中50萬套為屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，另外50萬套是獨(dú)立光伏系統(tǒng)，為鄉(xiāng)村供電。在2010年前要累計(jì)安裝太陽能光伏系統(tǒng)3000MW，大約是1995年產(chǎn)量的100倍，發(fā)電量大約2.4~3.5TWh。3.德國在1990年率先宣布并實(shí)施“1000屋頂”計(jì)劃，開始并不順利，后來政府實(shí)行補(bǔ)貼政策，在結(jié)束時(shí)安裝了2056套，

超額完成。在此基礎(chǔ)上，1999年開始實(shí)施“十萬屋頂”計(jì)劃，實(shí)行低息貸款，并且以0.5~0.6歐元/KWh的高價(jià)收購輸入電網(wǎng)的太陽能電力，結(jié)果單是在2003年就安裝了120MW，現(xiàn)在德國的光伏市場已從探索階段發(fā)展成為繁榮的專業(yè)市場。德國發(fā)展光伏的具體政策德國優(yōu)惠政策發(fā)展光伏發(fā)展情況4.日本日本是個(gè)缺乏能源的島國，燃料大部分依賴進(jìn)口，很早就開始重視發(fā)展光伏發(fā)電。通產(chǎn)省1974年就制訂了第一個(gè)“陽光計(jì)劃”，1987年又制訂了“月光計(jì)劃”，1993年開始實(shí)施“新陽光計(jì)劃”，用于