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太陽能光伏發展及其前景

日期：2012-07-20瀏覽：4431次

太陽能光伏發展及其前景

 

 
太陽能光伏發電系統是利用太陽電池半導體材料的光伏效應，將太陽光輻射能直接轉換為電能的一種新型發電系統，有獨立運行和并網運行兩種方式。獨立運行的光伏發電系統需要有蓄電池作為儲能裝置，主要用于無電網的邊遠地區和人口分散地區，整個系統造價很高；在有公共電網的地區，光伏發電系統與電網連接并網運行，省去蓄電池，不僅可以大幅度降低造價，而且具有更高的發電效率和更好的環保性能。
 
光伏板組件
光伏板組件是一種暴露在陽光下便會產生直流電的發電裝置，由幾乎全部以半導體物料（例如硅）制成的薄身固體光伏電池組成。由于沒有活動的部分，故可以長時間操作而不會導致任何損耗。簡單的光伏電池可為手表及計算機提供能源，較復雜的光伏系統可為房屋提供照明，并為電網供電。光伏板組件可以制成不同形狀，而組件又可連接，以產生更多電力。近年，天臺及建筑物表面均會使用光伏板組件，甚至被用作窗戶、天窗或遮蔽裝置的一部分，這些光伏設施通常被稱為附設于建筑物的光伏系統。
 
什么是太陽能光伏技術
　　太陽是能量的天然來源。地球上每一個活著的生物之所以具有發揮作用的能力,甚至于是它的生存，都是由于直接或間接來自于太陽的能量。我們的地球處在離太陽差不多有一億英里的地方。它所截取的輻射能少到難以置信（大約千萬分之三），這么小的一點能量， 實際上比整個世界目前現有的發電能力還大十萬倍。目前*尤其是工業發達國家開始感到能量短缺，因此，人們開始求助于太陽能，以解決能源危機。
　　
太陽能光伏
 
太陽能光伏
太陽能每天都能無限供應，而且數量龐大。如果在大的電廠利用，就減少了溫室效應，有些能源專家和環境保護的專家則認為，在滿足人類今后能量需要方面，太陽能的熱影響比任何其他替換品的熱影響要小得多。作為一種不污染環境，又取之不盡的新能源，它無處不在。尤其是在電力供力方面，有專家認為太陽能發電zui終將在電力供應中占20%。
　　太陽能是一種輻射能，太陽能發電意味著---要將太陽光直接轉換成電能，它必須借助于能量轉換器才能轉換成為電能。將光能直接轉換成電能的過程確切地說應叫光伏效應。不需要借助其它任何機械部件，光線中的能量被半導體器件的電子獲得，于是就產生了電能。這種把光能轉換成為電能的能量轉換器，就是太陽能電池。太陽能電池也同晶體管一樣，是由半導體組成的。它的主要材料是硅，也有一些其他合金。用于制造太陽能電池的高純硅，要經過特殊的提純處理制作。太陽能電池只要受到陽光或燈光的照射，就能夠把光能轉變為電能，使電流從一方流向另一方，一般就可發出相當于所接收光能的10~20% 的電來。一般來說，光線越強，產生的電能就越多。為了使太陽能電池板zui大限度地減少光反射，將光能轉變為電能，一般在它的上面都蒙上一層可防止光反射的膜，使太陽能板的表面呈紫色。它的工作原理的基礎是半導體PN結的光生伏打效應。所謂光生伏打效應就是當物體受光照時，物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流的一種效應。當太陽光或其他光照射半導體的PN結時，就會在PN結的兩邊出現電壓（叫做光生電壓）。這種現象就是的光生伏打效應。使PN結短路，就會產生電流。
　　太陽能發電的主要優點在于：太陽能電池可以設置在房頂等平時不使用的空間，無噪音、壽命長，而且一旦設置完畢就幾乎不要需要調整。現在只要將屋頂上排滿太陽能電池，就可以實現家中用電的自給。現今太陽能的主要用途已不再是小規模的，從性質上來說，是專業化的。它從軍事領域、通信領域到城市建設領域等都起到了重大的作用。委內瑞拉還推出廉價太陽能車、歐洲科學家研制出輕便的可穿在身上的太陽能電池。目前,太陽能的利用存在著巨大的發展空間，有關的技術有可能在短時間內實現突破。它已被許多發達國家作為其能源戰略的一個重要組成部分。
太陽能電池發電原理
太陽電池是一對光有響應并能將光能轉換成電力的器件。能產生光伏效應的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發電原理基本相同，現以晶體為例描述光發電過程。P型晶體硅經過摻雜磷可得N型硅，形成P－N結。　當光線照射太陽電池



光伏發電原理
 
表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發生了越遷，成為自由電子在P-N結兩側集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的的實質是：光子能量轉換成電能的過程。
 
太陽能光伏發電系統示例
 
晶體硅太陽電池的制作過程
“硅”是我們這個星球上儲藏zui豐量的材料之一。自從19世紀科學家們發現了晶體硅的半導體特性后，它幾乎改變了一切，甚至人類的思維，20世紀末．我們的生活中處處可見“硅”的身影和作用，晶體硅太陽電池是近15年來形成產業化zui快。生產過程大致可分為五個步驟：a、提純過程 b、拉棒過程 c、切片過程 d、制電池過程 e、封裝過程。
 
太陽電池的應用
　　上世紀60年代，科學家們就已經將太陽電池應用于空間技術——通信衛星供電，上世紀末，在人類不斷自我反省的過程中，對于光伏發電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加
   
太陽能光伏系統展示
 
親切，不僅在空間應用，在眾多領域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈、太陽能發電戶用系統、村寨供電的獨立系統、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護、光纜通信泵站電源、海水淡化系統、城鎮中路標、高速公路路標等。在世紀之交前后期間，歐美等先進國家光伏發電并入城市用電系統及邊遠地區自然界村落供電系統納入發展方向。太陽電池與建筑系統的結合已經形成產業化趨勢。 

                                                                                   
                                                                                      并網型光伏發電系統設備防雷示意圖
 
太陽電池基本性質
光電轉換效率
　　η% 評估太陽電池好壞的重要因素。
　　目前：實驗室 η ≈ 24%，產業化：η ≈ 15%。
單體電池電壓
　　V：0.4V——0.6V由材料物理特性決定。
填充因子FF%
　　評估太陽電池負載能力的重要因素。 FF=（Im×Vm）/（Isc×Voc）
　　其中：Isc—短路電流，Voc—開路電壓，Im—*工作電流，Vm—*工作電壓；
標準光強與環境溫度地面
　　AM1.5光強，1000W/m2 ，t = 25℃；
溫度對電池性質的影響
例如：在標準狀況下,AM1.5光強，t=25℃某電池板輸出功率測得為100Wp,如果電池溫度升高至45℃時，則電池板輸出功率就不到100Wp
 
太陽能電池發電歷史
　　自從1954年*塊實用光伏電池問世以來，太陽光伏發電取得了長足的進步。但比計算機和光纖通訊的發展要慢得多。其原因可能是人們對信息的追求特別強烈，而常規能源還能滿足人類對能源的需求。1973年的石油危機和90年代的環境污染問題大大促進了太陽光伏發電的發展。其發展過程簡列如下：
　　1839年 法國科學家貝克勒爾發現“光生伏應”，即“光伏效應”。
　　1876年 亞當斯等在金屬和硒片上發現固態光伏效應。
　　1883年 制成*個“硒光電池”，用作敏感器件。
　　1930年 肖特基提出Cu2O勢壘的“光伏效應”理論。同年，朗格首次提 出用“光伏效應”制造“太陽電池”，使太陽能變成電能。
　　1931年 布魯諾將銅化合物和硒銀電極浸入電解液，在陽光下啟動了一個電動機。
　　1932年 奧杜博特和斯托拉制成*塊“硫化鎘”太陽電池。
　　1941年 奧爾在硅上發現光伏效應。
　　1954年 恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室，制成了實用的單晶太陽電池，效率為6%。同年，韋克爾發現了砷化鎵有光伏效應，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成了*塊薄膜太陽電池。
　　1955年 吉尼和羅非斯基進行材料的光電轉換效率優化設計。同年，*個光電航標燈問世。美國RCA研究砷化鎵太陽電池。
　　1957年 硅太陽電池效率達8%。
　　1958年 太陽電池在空間應用，裝備美國先鋒1號衛星電源。
　　1959年 *個多晶硅太陽電池問世，效率達5%。
　　1960年 硅太陽電池實現并網運行。
　　1962年 砷化鎵太陽電池光電轉換效率達13%。
　　1969年 薄膜硫化鎘太陽電池效率達8%。
　　1972年 羅非斯基研制出紫光電池，效率達16%。
　　1972年 美國宇航公司背場電池問世。
　　1973年 砷化鎵太陽電池效率達15%。
　　1974年 COMSAT研究所提出無反射絨面電池，硅太陽電池效率達18%。
　　1975年 非晶硅太陽電池問世。同年，帶硅電池效率達6%~%。
　　1976年 多晶硅太陽電池效率達10%。
　　1978年 美國建成100kWp太陽地面光伏電站。
　　1980年 單晶硅太陽電池效率達20%，砷化鎵電池達22.5%，多晶硅電池達14.5%，硫化鎘電池達9.15%。
　　1983年 美國建成1MWp光伏電站；冶金硅（外延）電池效率達11.8%。
　　1986年 美國建成6.5MWp光伏電站。
　　1990年 德國提出“2000個光伏屋頂計劃”，每個家庭的屋頂裝3~5kWp光伏電池。
　　1995年 聚光砷化鎵太陽電池效率達32%。
　　1997年 美國提出“*總統百萬太陽能屋頂計劃”，在2010年以前為100萬戶，每戶安裝3~5kWp。光伏電池。有太陽時光伏屋頂向電網供電，電表反轉；無太陽時電網向家庭供電，電表正轉。家庭只需交“凈電費”。
　　1997年 日本“新陽光計劃”提出到2010年生產43億Wp光伏電池。
　　1997年 歐洲聯盟計劃到2010年生產37億Wp光伏電池。
1998年 單晶硅光伏電池效率達25%。荷蘭政府提出“荷蘭百萬個太陽光伏屋頂計劃”，到2020年完成。
 
中國光伏發電產業的發展
　　中國太陽能資源非常豐富，理論儲量達每年17000億噸標準煤。太陽能資源開發利用的潛力非常廣闊。中國光伏發電產業于20世紀70年代起步，90年代中期進入穩步發展時期。太陽電池及組件產量逐年穩步增加。經過30多年的努力，已迎來了快速發展的新階段。在“光明工程”先導項目和“送電到鄉”工程等國家項目及世界光伏市場的有力拉動下，中國光伏發電產業迅猛發展。
　　2007年，中國光伏電池產量超過德國和日本，居世界*位。2008年的產量繼續提高，達到了200萬千瓦。近5年來，中國光伏電池產量年增長速度為1-3倍，光伏電池產量占產量的比例也由2002年1.07％增長到2008年的近15％。商業化晶體硅太陽能電池的效率也從3年前的13％-14％提高到16％-17％。
因美國次貸問題而引發的金融危機，從華爾街迅速向蔓延，致使部分金融機構轟然倒塌，證券市場持續低迷，石油價格大幅下滑。中國光伏發電產業近年發展迅速，成為政府重視、股市活躍、風投青睞、各行各業蜂擁相聚的世界太陽谷。由于設備、原料和市場三頭在外，它對美國、歐洲和日本等市場存在很大依存度。隨著這場金融危機特別是油價的大幅下挫，對中國光伏發電業的投資資金、出口訂單等方面產生重大影響，但金融危機對光伏產業的巨大影響一定會在未來的某個時間得到消化。長遠來看，世界光伏市場的政策推動力依然存在，光伏產業的市場成長依然強勁。
 
中國光伏發電產業與企業責任透析
隨著《可再生能源法》的頒布及實施，可再生能源發電上網電價的基本原則已變得透明。光伏發電成本較高的呼聲也似乎有所減少，但并沒有發生實質性改變。據此，有業內人士說這仍是一個誤會，如果用環保和可持續發展的標準來計算和衡量，與火電相比，光伏發電其實并算不上昂貴。況且隨著國家鼓勵發展綠色能源產業政策的扶持，隨著技術的進步，光伏發電的成本將進一步降低。在“關于制定階梯電價和促進我國光伏發電發展的議案”建議稿中，我國太陽能方面的幾位專家一致認為：“從資源的數量、分布的普遍性、技術的可靠性來看，光伏發電比其他可再生能源更具有*性，目前成本較高的障礙正在隨著技術進步和大規模生產而減小，光伏發電將成為未來電力的重要構成是勿庸質疑的。”如能得到穩定的政策扶持，中國太陽能光伏發電產業發展潛力將是巨大的。根據機構發布的《中國光伏發展報告》中的數據可以預計：到2030年，中國太陽能光伏發電裝機容量將達到1億千瓦，年發電量可達1300億千瓦時，相當于少建30多個大型煤電廠。可能這個指標同歐美等國家的目標相比差距還頗大，但要想達到這個目標，必須要排除諸多障礙。作為可再生能源應用的重要組成部分，近年來光伏發電產業以平均30%以上的速度迅猛增長。預計在各國減排行動和優惠政策的拉動下，產業發展將進一步加快。在中國，只要培育規范的規模市場、加大投入、加速能力建設，國內光伏發電企業*有條件依托國內市場挺進市場。光明無限，然而前路漫漫。發展的先決條件就是政府出臺行之有效的激勵及扶持政策。近年來，德、日、美等國家光伏產業迅猛發展的事實證明，政府采用優惠政策扶持光伏發電市場，靠規模市場拉動產業發展、推動技術進步，依賴技術進步和規模生產降低生產成本，通過提高質量和降低價格贏得更大市場的方針和策略是正確和成功的，值得中國借鑒。
 
光伏發電未來
光伏發電成為未來電力的重要構成要經歷多長時間？政府和公眾的認可度如何？諸多問題困擾著中國光伏發電產業。相對歐美等國家，中國的光伏發電產業起步較晚，還面臨著諸多困境及瓶頸有待進一步突破，這些注定中國光伏發電企業的商業化道路將坎坷崎嶇。
 
中國光伏產業需求
中國的太陽能光伏發電產業需要提速，中國的光伏發電企業需要崛起。自2002年開始，產業的壯大及光伏發電企業規模的擴大給相關設備企業也提供了難得的市場機遇。目前，我國光伏裝備產業已具有一定的規模和水平，在國內用戶中已建立起良好的信譽。通過和*電池企業合作并融合了先進的工藝技術，國產的太陽能電池關鍵設備相繼在國內大生產線上得到應用且逐漸成為主流選擇，使我國基本具備了晶體硅太陽能電池制造設備的整線供給能力。受此拉動，我國電子設備行業也呈現出多年未有的蓬勃發展景象。在國產電池制造設備技術及市場的同時，硅材料加工設備如多晶硅鑄錠爐、單晶爐、坩堝烘烤爐等也受到了市場的積極追捧。
 
國內光伏市場的組成
　　國內太陽能電池產業發展的主要動力是光伏發電市場的需求，陜西清立新能源中國光伏發電的市場主要在幾個方面。 　　
通信和工業應用（大約占到36%）： 　　?
微波中繼站； 　　?
光纜通信系統； 　　?
無線尋呼臺站； 　　?
衛星通信和衛星電視接收系統； 　　?
農村程控系統； 　　?
*通信系統；
鐵路和公路信號系統； 　　?
燈塔和航標燈電源； 　　?
氣象、地震臺站； 　　?
水文觀測系統； 　　?
水閘陰極保護和石油管道陰極保護。 　　
農村和邊遠地區應用（大約占51%）： 　　?
獨立光伏電站（村莊供電系統）； 　　?
小型風光互補發電系統； 　　?
太陽能戶用系統； 　　?
太陽能照明燈； 　　?
太陽能水泵； 　　?
農村社團 （學校、醫院、飯館、旅社、商店、卡拉OK歌舞廳等） 　　
光伏并網發電系統（4%） 　　?
當前處于試驗示范階段，全國總裝機容量大約僅有約2MWp。 　　
太陽能商品及其它（大約占到9%）太陽帽； 　　?
太陽能充電器； 　　?
太陽能手表、計算器； 　　?
太陽能路燈； 　　?
太陽能鐘； 　　?
太陽能庭院； 　　?
汽車換氣扇； 　　?
太陽能電動汽車； 　　?
太陽能游艇； 　　?
太陽能玩具。
 
陽光計劃
　　這是一條上下求索尋求突破之路。近年來，太陽能光伏發電領域不斷涌現出新技術。但過高的電價仍是困擾產業發展的問題。目前太陽能電池上網電價約是火力發電的10倍。有專家指出，隨著環保成本的增加，火力發電的電價變換將呈上升曲線，而薄膜太陽能電池上網電價將隨著大規模量產和轉換效率的提高逐漸下降，兩條曲線預計將在2012-2015年之間相交。另外，市場前景也是不容忽視的問題。而克服這些困難必須依靠企業和政府的協同努力。從長期來看，積極拓展產業鏈上游業務是中國光伏發電企業面臨的挑戰，而中國光伏發電企業的責任是加快研發進度、加快技術創新，通過提高技術水平不斷降低光伏發電的成本；另外，國家應盡快出臺合理的并網發電政策，盡快解決結算方法的問題，并對生產企業、用戶和設備制造商予以適當的補貼等等。同時，公眾也應該加強對環境問題的認識，增強使用可再生能源的意愿。而這其中有不得不提的一點，轉變觀念是當務之急，更是問題關鍵所在。相信在政府、企業與全民的共同努力下，中國“陽光計劃”的實現不會是夢。

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