崔容強(qiáng)論述光伏技術(shù)路線和太陽(yáng)能電池發(fā)電原理

1、本文由cchwO41貢獻(xiàn) pdf_文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT,或下載源文件到本機(jī)查看。 光伏發(fā)電原理及新進(jìn)展 崔容強(qiáng)葉慶好嚴(yán)世權(quán)汪建強(qiáng)施旸杜嘉斌2008年12月4日上海交通大學(xué)太陽(yáng)能研 究所 目錄 For pers onal use only in study and research; not for commercial use 一，能源的重要意義二，世界面臨能源革命三，當(dāng)前中國(guó)能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和面臨的問(wèn)題 四,光伏發(fā)電的原理，分類及新進(jìn)展五,光伏發(fā)電的技術(shù)路線，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和成本分析六,光伏 發(fā)電的戰(zhàn)略地位七，中國(guó)光伏發(fā)電的戰(zhàn)略目標(biāo)八，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)的必要途徑 九，中國(guó)

2、光伏發(fā) 展思考 一能源的重要意義 1 能源是現(xiàn)代文明的基礎(chǔ)，人民生活的保障，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，國(guó)家安全的工具和中華民 族復(fù) 興的必要條件因此,能源問(wèn)題也是國(guó)計(jì)民生的 頭等大事之一 2國(guó)計(jì)民生的頭等大事 就應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)國(guó)家意志和 政府行為3能源戰(zhàn)略是國(guó)家戰(zhàn)略重要組成部分 .4不同國(guó)家的能源 戰(zhàn)略存在巨大的差異，如法 國(guó)選擇核能，德國(guó)選擇風(fēng)能和太陽(yáng)能等 ，因此造 成兩國(guó)能源發(fā)展 道路造成的巨大差異 For pers onal use only in study and research; not for commercial use 二世界面臨能源革命 2.1 2000 年 2100年能源結(jié)構(gòu)圖 年份比

3、例 2010 1:9 2020 2:8 2030 3:7 2040 4:6 2050 5:5 2100 8:2 Data Resource:2004 年歐洲JRC預(yù)測(cè)本世紀(jì)內(nèi)常規(guī)能源及新能源發(fā)展趨勢(shì) 由圖可見，可再生能源與常規(guī)能源比例逐年增加1煤，石油，天然氣比例2030年后大幅 下降2風(fēng)能，水能比例幾乎為常數(shù) 3核電的比例幾乎不變4太陽(yáng)能尤其是光伏在2020年后飛速發(fā)展 三 當(dāng)前中國(guó)能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和面臨的問(wèn)題 3.1 中國(guó)能源資源結(jié)構(gòu) （1）能源資源總量不豐富，可利用量或經(jīng)濟(jì)開發(fā)量偏小（2）能源人均占有量全面低于世界 人均占有量（3）核能資源不豐富（4）水能資源不可能大幅增加（5）可再生能源

4、資源及其豐富 3.2 中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu) （1） 資源消費(fèi)增長(zhǎng)率高于 GD增長(zhǎng)率（2）工業(yè)用，交通用能源是能源消費(fèi)的主要部分 . 能源利用率有待提高. 生活用能源平均水平低于國(guó)際平均值，但增幅很快. 隨著人口增 長(zhǎng)，中國(guó)能源消費(fèi)的增速有逐年上升趨勢(shì) 3.3 中國(guó)能源供應(yīng) （1）以煤為主的形勢(shì)在短期內(nèi)不會(huì)改變，增加煤的供應(yīng)量將受環(huán)境和成本制約.（2）油氣 自供量逐漸增加.（3）可再生能源供應(yīng)比例很小，但增幅顯著（尤其以風(fēng)能，水電和生物能，太 陽(yáng)能熱利用為最 ) (4) 電力供應(yīng)略顯緊張 ,局部地區(qū)冬夏季用電高峰時(shí)段供電 不足. (5) 能源 儲(chǔ)備不充分 ,不穩(wěn)定 . 3.4 中國(guó)能源價(jià)格結(jié)構(gòu) (1

5、) 受國(guó)際油價(jià)飆升和國(guó)內(nèi)物價(jià)上漲影響 , 中國(guó)能源價(jià)格上漲 速率增加 . 國(guó)內(nèi)石油價(jià)格與 國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格倒掛 . (2) 與能源資源貧乏的德國(guó) ,日本及一些歐洲國(guó)家相比 ,中國(guó) 電力價(jià)格偏 低(3)國(guó)內(nèi)大中城市消費(fèi)類電價(jià)已接近1元/kwh左右.(4)除了太陽(yáng)能熱水器以外，生物質(zhì) 能 , 光伏發(fā)電等其他可再 生能源價(jià)格仍然偏高 , 但價(jià)格下降速度快 . 3.5 中國(guó)能源面臨的問(wèn)題 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 環(huán)境問(wèn)題及排減問(wèn)題要求中國(guó)減少煤為主能源結(jié)構(gòu)的比 . 中國(guó)水力資源受地域限制 ， 不 能增加比例 . 中國(guó)油氣資源不足 ， 油氣對(duì)外依存度有增無(wú)減 . 中國(guó)貧

6、鈾礦多 ， 富鈾礦少 ， 濃縮 鈾需要進(jìn)口 ， 加速發(fā)展核電困難大 . 人口增加 ， 人均用能增加和中國(guó)工業(yè)化程度加快 ， 使得能 源需求和 能源供應(yīng)間形成能源供應(yīng)的缺口 . 這種缺口有加速擴(kuò)大的趨勢(shì) . 常規(guī)能源價(jià)格隨著 國(guó)際能源價(jià)格的提升和開發(fā) ， 運(yùn)輸及使用成本的 增加必須持續(xù)高升 ， 能源價(jià)格對(duì)通貨膨脹有 重要的正反饋?zhàn)饔?. 能源資源地域分布和能源消費(fèi)地域分布不一致 ， 增加了能源輸送損 耗并 增加了能源成本 . 國(guó)家能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備不足 ， 某些地區(qū)的能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備嚴(yán)重不足 . 國(guó)家 安全存 在隱患 . 電力在能源結(jié)構(gòu)中的比例偏小 ， 分布式電網(wǎng)結(jié)構(gòu)尚未形成 ， 電力應(yīng) 急能力脆弱 .

7、可 再生能源在能源供應(yīng)中的比例偏小 . 四 光伏發(fā)電的原理 / 分類 / 新進(jìn)展 4.1 偉大的太陽(yáng) 東方紅 太陽(yáng)升 ，太陽(yáng)是地球生存和發(fā)展的源泉 太陽(yáng)是一個(gè)巨大且熾熱的氣體球，它的直徑約為1.4 X 106 km,是地球直徑的 倍,它一刻 不停地向地球發(fā)射出它美麗的光芒 太陽(yáng)結(jié)構(gòu) 1. 核反應(yīng)區(qū) : 高溫(1500 萬(wàn) K), 高壓下的熱核反應(yīng) 2. 吸收層 :能量傳遞 (70 萬(wàn) K) 3. 對(duì)流層 :能量傳遞 (6000K) 4. 太陽(yáng)大氣 (A) 光球?qū)?:6000K, 肉眼看到的發(fā)光體 ,黑 子, 光 斑；(B)色球?qū)樱簲?shù)萬(wàn)K,紅色的太陽(yáng)大氣圈，日珥，耀斑；(C)日冕層：100萬(wàn)K,

8、稀薄的大氣， 離子流 地球默默得繞日運(yùn)動(dòng) 太陽(yáng)輻射能 太陽(yáng)輻射來(lái)源于在高溫高壓下進(jìn)行的熱核聚變反應(yīng), 通過(guò)熱核反應(yīng) , 太陽(yáng)一刻不停的向 四周空間 放射出巨大的能量 . 太陽(yáng)的能源主要來(lái)自兩種熱 核反應(yīng) ,分別是 ：碳-氦循環(huán)和質(zhì)子 - 質(zhì)子循環(huán) . 4.2 太陽(yáng)電池的原理 光生伏打效應(yīng) ：1839 年法國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家 Edmund Bacquerel 發(fā)現(xiàn)光生伏打效應(yīng) ( 原理 圖) 太陽(yáng)電池是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件 , 其結(jié) 構(gòu)原理如圖所示 . 反射光 陽(yáng)光被太陽(yáng)電 池板吸收后 ： 一部分變成電 能, 另一部分 變成熱能 通過(guò)風(fēng)實(shí)現(xiàn)熱量 對(duì)流和散發(fā) 透射光 轉(zhuǎn)化成電能 4.3 太陽(yáng)電

9、池的分類 (材料分類 ) 晶體硅太陽(yáng)電池 (Crystal Silicon Solar Cell) 單晶硅太陽(yáng)電池 多晶硅太陽(yáng)電池 帶狀硅太陽(yáng)電池 非晶硅太陽(yáng)電 微晶硅薄膜太陽(yáng)電池 多晶硅薄膜太陽(yáng)電池 納米晶硅薄膜太陽(yáng)電池 硫化鎘太陽(yáng)電池 硒銦銅太陽(yáng)電池 碲化鎘太陽(yáng) 電池 砷化鎵太陽(yáng)電池 磷化銦太陽(yáng)電池 硅薄膜太陽(yáng)電池 Silicon Thin Film 按基體材料分類 硒光電池 化合物太陽(yáng)電池 Compound Solar cell 染料敏化太陽(yáng)電池 (Dye Sensitized Solar cell) 有機(jī)薄膜太陽(yáng)電池 (Organic Solar Cell) 太陽(yáng)電池的分類 ( 應(yīng)用分

10、類 ) 空間太陽(yáng)電池 用途分類 剛性襯底 柔性襯底 剛性襯底 柔性襯底 地面太陽(yáng)電池 光伏傳感器 結(jié)構(gòu)分類 同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 肖特基結(jié)太陽(yáng)電池 復(fù)合結(jié)太陽(yáng)電池 分光太陽(yáng)電池 液結(jié)太陽(yáng)電池 平板太陽(yáng)電池 聚光太陽(yáng)電池 分光太陽(yáng)電池 使用狀態(tài)分類 太陽(yáng)電池組件分類 4.4 光伏科學(xué)技術(shù)進(jìn)步 Solar cell efficiencies (Labs cale) 30 III-V multijunct. Efficiency h % 25 20 15 10 5 0 single c-Si CuInSe 2 CdTe stacked a-Si:H 1950 1960 1970 1980

11、1990 2000 Year 高效太陽(yáng)電池榜 單晶硅電池 : 理論上限 33%, 實(shí)驗(yàn)室最高效率 24.7%, 工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)效率 15%. 多晶 硅電池：實(shí)驗(yàn)室最高效率 19.8%,工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)效率 14%.非晶硅電池：實(shí)驗(yàn)室效 率15%,工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)效率 5.57.5%. GaAs太陽(yáng)電池：理論上限28.5%,目前最高 水平 24.7% . CdTe 太陽(yáng)電池 ： 實(shí)驗(yàn)室水平 16.5%, 中試 10% 非晶/微晶硅電池小組件效率15%,面積1000cm2,卩c-Si生長(zhǎng)速度2.5nm/s大面積:s=2 x 2m2,n =8% 柔性電池：n =8%,s=0.9cm2 Metal

12、contact n+ a-Si：H I a-Si：H p+ a-Si：H TCO Glass Substrate CIS 電池 n =17%（1cm2） n =18%（10cm2） n =16% 柔性襯底 n =15%（27.1cm2） 川-V族：砷化鎵銦電池（2010年）鈦膜柔性襯底 3級(jí)電池效率n =35%（1個(gè)太陽(yáng)）;n =45%（1000倍聚光）組件效率36%（1000倍聚光）,光學(xué)效率8%,散熱效率0.2k cm2/W4級(jí)電 池效率 n =39%（1 個(gè)太陽(yáng) ）; n =48%（1000 倍聚光 ） dye layer + +V 0 + electrolyte + + + plati

13、num layer + glass seal glass TiO2 film SnO2 layer 光敏化電池 3I - I 3+ 2 e 疊層電池n =15%(1cm2)高穩(wěn)定性 DSC電池n =8%(30 x 30cm2),初始衰減10%柔性薄膜 有機(jī)光敏化電池 n =10%(1cm2) ac-Si：H 非晶硅/光敏化疊層電池 n =12%(100cm2) e- 第三代納米 nc-Si/SiC 電池-n 9%,Voc=0.65-1.05V 有機(jī)薄膜太陽(yáng)電池-疊層有機(jī)薄膜電池 n =5%(1cm2,2007年);n =8.5%(2009年)- 富勒球有機(jī)薄膜電池 n =4.8%(1cm2)

14、五 光伏發(fā)電的技術(shù)路線 , 評(píng)價(jià)指標(biāo)及成本分析 5.1 中國(guó)光伏發(fā)展的技術(shù)路線 晶體硅光伏電池 蓄電池蓄能 薄膜硅光伏電池 化合物薄膜電池 有機(jī)薄膜電池 納米薄 膜電池 燃料敏化電池 5.2 1999年-2007 年全球商業(yè)化光伏電池市場(chǎng)份額 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 40.8 37.4 34.6 36.4 32.2 other 36.2 38.4 43.4 42.2 Ribbon C-Si CIS a-Si/Uc-Si CdTe Multi-C-Si 42.1 48.2 50.2 51.6 57.2 54.7 Mono-C-Si

15、 52.3 46.5 45.2 0.5 12.3 4.1 0.3 9.6 4.3 0.5 8.9 5.6 0.7 6.4 4.6 1.1 4.5 4.4 1.1 4.4 3.3 1.4 4.7 2.9 2.7 4.7 2.6 4.7 5.2 2.2 5.3 評(píng)價(jià)光伏發(fā)電的基本指標(biāo) 9.2.1 光伏電站評(píng)價(jià)指標(biāo) : 每平方公里每年發(fā)多少度 電？Epvkwh/km2a每度電成本是多少？Cpv元/kwh穩(wěn)定可靠工作多少年 ？Tpv年 年維護(hù)成本是 多少？Mpv元/a能量回收期有多長(zhǎng)？ER年9.2.2 光伏建筑結(jié)合 BIPV評(píng)價(jià)指標(biāo)：系統(tǒng)初投資 系統(tǒng)穩(wěn)定工作年限 上網(wǎng)電價(jià) 5.4 光伏發(fā)電的成本分析

16、晶體硅光伏組件最優(yōu)制造成本 晶體硅光伏組件平均制造成本 Data Resource ：Photon International January 2008 六 光伏發(fā)電的戰(zhàn)略地位 6 補(bǔ)充能源替代能源儲(chǔ)備能源支柱能源 獨(dú)立能源 /補(bǔ)充能源 并網(wǎng)電站 /替代能源 1. 扶貧能源 12. 沙漠能源 2. 軍用 能源13.濱海能源3.便攜式能源14.道路能源4.削峰能源探15.太空能源 5. 應(yīng)急能源 16. 清潔能源 6. 建材能源 17. 安全能源 7. 屋頂能源 18.和平能源8.百姓能源 厶9.分布式能源厶 10.戰(zhàn)略儲(chǔ)備能源厶 11. 景觀能源 支柱能源 七 中國(guó)光伏發(fā)電的戰(zhàn)略目標(biāo) 7.1

17、中國(guó)電力狀況預(yù)測(cè) 2010 年中國(guó)電力狀況預(yù)測(cè) 2020 年中國(guó)電力狀況預(yù)測(cè) Data Resource： 中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)報(bào)告 2007 7.2.1 中國(guó)光伏發(fā)電量與中國(guó)發(fā)電總量比較 規(guī)劃年份 小水 電 裝機(jī)/萬(wàn)KW年發(fā)電量/億KW.h裝機(jī)/萬(wàn)KW風(fēng) 生物 質(zhì)能 光伏 發(fā)電 年發(fā)電量 /億 KW.h 裝機(jī)/萬(wàn) KW 年發(fā)電量 /億 KW.h 裝機(jī)/萬(wàn) KW 2004 3 400 1 000 76 11.4 200 51.8 6.5 2010 5 000 1 545 500 105 550 212 30 2020 7 500 2 300 3 000 690 2 000 835 180 2030 1

18、0 000 3 200 10 000 2 300 5 000 2 250 1 000 2050 20 000 6 400 40 000 9 200 10 000 5 000 10 000 年發(fā)電量 / 億 KW.h 可再生能源比例 0.78 6.5(3) 4.2 10(4.2) 21.6 16(8) 140 20(14.6) 1 500 30(22.5) 注：按照1KW.h=350g標(biāo)準(zhǔn)煤折算，括號(hào)內(nèi)不包括大水電 Data Resource: 中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告 2007 由上表中可以看出 ， 太陽(yáng)能光伏發(fā)電在中國(guó) 未來(lái)的能源供應(yīng)中將占有一席之地 ， 按照國(guó) 家 目前規(guī)劃，到2010年中國(guó)光

19、伏發(fā)電的累計(jì)裝機(jī)量將達(dá)到 300MWp到2020年將達(dá)到 1.8GWp,到2050年將達(dá)到100GWp.按照中國(guó)電力科學(xué)院的預(yù)測(cè) ,到2050年，中 國(guó)可再生能源 的電力裝機(jī)將占全國(guó)電力裝機(jī)的 25%,其中光伏發(fā)電裝機(jī)將占到 5%. 7.3.2 全球光伏發(fā)電預(yù)測(cè) 7.3.3 中國(guó)光伏發(fā)電量增長(zhǎng)速率逐年變化 中國(guó)光伏發(fā)電增長(zhǎng)速率 光伏發(fā)電占總發(fā)電量的比例 年份 中國(guó)比例 (%) 世界比例 (%) 2010 0.015 0.1 2020 0.048 1.2 2030 0.23 10 2040 1.07 25 2050 1.62 50 世界光伏發(fā)電增長(zhǎng)速率 7.3.4 中國(guó)光伏發(fā)電量展望 ： 中國(guó)規(guī)

20、劃 VS 世界平均水平 中國(guó)規(guī)劃 VS 世界平均水平 7.4 2007 全球十大太陽(yáng)電池廠商 (MW) Data Resource：Photon International March . 2008 7. 4.1 2008全球十大太陽(yáng)電池廠商 (MW預(yù)測(cè) Data Resource：Photon International March.2008 7.4.2 2007 年全球十大組件廠生產(chǎn)統(tǒng)計(jì) (MW) Data Resource：Photon International March 2008 7.4.3 2007全球十大太陽(yáng)電池廠商市場(chǎng)份額 7.4.4 2007全球區(qū)域光伏產(chǎn)量統(tǒng)計(jì) Data

21、Resource ：Photon international, Journal March 2008 7.5 全球光伏產(chǎn)量現(xiàn)狀及預(yù)測(cè) 世界光伏產(chǎn)量變化 (GW) Data Resource: 中國(guó)光伏組件市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告 Solar Energy Institute of Shanghai Jiao Tong University 7.5.2 全球光伏組件價(jià)格預(yù)測(cè) 2005 2006 2.6 58% 4.1 4.3 16% 7.8 9% 20 2007 4.0 53% 3.9 4.1 -5% 7.5 -3% 30 2008 6.1 54% 3.6 3.8 -7% 7.0 -8% 43 2009 1

22、0.2 66% 3.5 3.7 -4% 6.6 -6% 67 2010 15.1 48% 3.3 3.5 -4% 6.2 -5% 94 2011 20.5 36% 3.2 3.3 -6% 5.9 -6% 121 光伏電池年產(chǎn)量 (GW) 年增幅 組件平均出廠價(jià) ($/W) 組件平均銷售價(jià) ($/W) 組件價(jià)格年 增幅 系統(tǒng)裝機(jī)價(jià)格年增幅 全球光伏產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值 ( 十億$) 1.7 44% 3.5 3.7 14% 光伏系統(tǒng)裝機(jī)平均價(jià)格 ($/W) 7.1 -2% 12 Data Resource :Photon International January 2008 7.5.3 2010 年太陽(yáng)能光

23、伏發(fā)電成本下降趨勢(shì) Data Resource: Based on Photon international 7.5.4 50 Yen/kWh 日本光伏發(fā)電目標(biāo) 2002 2007 2010 Grid-Connected PV with Higher Degree of Autonomy Rechargeable Battery Backup System 23 2020 2030 Less-dependent on Grid from Individual to Clustered Large System Long Life BOS Active Grid Control Emergenc

24、e of New Materials /kWh 77 円 Yen/kWh Electricity Cost 30 kWh/Yen Bulk Si 價(jià)格 :3-5$/Wp 第二階段并 網(wǎng)光伏屋頂：1KW-10MW,在城市或鄉(xiāng)村中并網(wǎng)運(yùn)行，提供削峰 電力利用建筑物屋頂，外墻和 現(xiàn)成的供電線路,節(jié)省土地和線路投資；價(jià)格:2-3$/Wp 第三階段一一沙漠光伏電站：1MW-1GMW在沙漠,戈壁建造并網(wǎng)光伏電站.充分 利 用陽(yáng) 光, 改造沙漠 ； 價(jià)格 :1.5-2$/Wp 8. 4 大規(guī)模光伏發(fā)電的五個(gè)階段 第四階段濱海光伏電站 : 10MW-10GW, 靠近沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市供電 .節(jié)省輸電成 本,發(fā)展

25、電解制氫 ,貯氫規(guī)?；a(chǎn) , 啟動(dòng)氫能經(jīng)濟(jì)和海洋經(jīng)濟(jì)；價(jià)格:1-1.5$/Wp 第五階段道路光伏電站 : 10GW 1000GW建設(shè)道路光伏頂棚電站,發(fā)展電動(dòng)交通；價(jià)格:1$/Wp 8.5 光伏產(chǎn)業(yè)和蓄能產(chǎn)業(yè)巨大發(fā)展 8.6 光伏電池價(jià)格充分低廉 8.7 光伏電池生產(chǎn)及回 收處理技術(shù)完善 九 中國(guó)光伏發(fā)展思考 1 光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種不需要核燃料的太陽(yáng)能 增值堆 , 從某 種意義上來(lái)說(shuō)太陽(yáng)能光伏 發(fā)電是迄今為止最為理想的發(fā)電方式 . 若 與儲(chǔ)能技術(shù)與電力平衡技術(shù)相結(jié)合 , 光伏能源就是 一種理想的戰(zhàn)略 能源 . 2 中國(guó)有豐富的太陽(yáng)能資源 ,豐富的硅礦石資源 ,豐富的勞動(dòng)力 資源,巨大的未來(lái)光伏市 場(chǎng), 并已初具光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ).這些因 素必將有助于推廣國(guó)內(nèi)大規(guī)模光伏發(fā)電的發(fā)展道路 . 完全有可能選 擇光伏能源作為中國(guó)和平發(fā)展的國(guó)策 . 3 能源問(wèn)題是國(guó)計(jì)民生的大