太陽能發(fā)電原理及應(yīng)用講座1概論.ppt

1、太陽能發(fā)電原理及應(yīng)用楊楊 金金 煥煥衛(wèi)浴網(wǎng) http:/第一章第一章 緒論緒論一. 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)100110億。如果

2、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。 化石燃料生產(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20202030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 ， Association for Study of Peak Oil (ASPO): 峰值位于 2010年(見下圖)； ASPO對

3、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，World Energy Forum in Davos : 峰值位于2010 ，30-40之后將消耗盡； 2000，World Resources Institute in Washington: 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)2030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%。 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

4、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。 “京都議定書”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；C O2排放量占世界的13.6%，列世界第

5、二。因煤炭燃燒而排放的 S O2、C O2、N Ox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6002300 kg、NOx排放量16 kg、SOx排放量9 kg和微粒0.6 kg。 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

6、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

7、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(huì)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(dòng)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)

8、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25倍。初始投資高。 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 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(huì)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

9、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(dòng)電動(dòng)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/W

10、 1957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1cm2cm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14W 1962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

11、當(dāng)時(shí)世界上最大242W的光伏方陣，容量為242W 1964年發(fā)射的大型氣象衛(wèi)星上裝備了470 W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

12、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% 19761985年和19921995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500KW 1978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

13、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ARCO Solar公司年產(chǎn)量超過1MW 1981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ARCO Sol

14、ar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20002500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BP Solar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ARCO Solar公司推出了世界第一個(gè)“ G-400”商業(yè)薄膜動(dòng)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35KW

15、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 BP Solar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(dòng)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

16、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(dòng)力飛機(jī)飛行高度超過了海拔30km ，創(chuàng)造了新的記錄年份197719821983198419851986198719881989產(chǎn)量MW0.59.321.625.024.427.529.135.042.2美國日本歐洲其他共計(jì)百分比 %單晶硅平板電池85111115.8 29

17、.6341.429多晶硅電池14.2 393.5158104669.256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)139602314.41401195.21001993199619971998199920002001200220032004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162328313

18、54046607580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公司2001200220032004產(chǎn)量排名產(chǎn)量排名產(chǎn)量排名產(chǎn)量排名Sharp751123119813241Kyocera5436037231052BP Solar54.2273.8270.24853Mitsubishi149249406754/5Q-Cells289754/5Shell Solar39457.54732726Sanyo19735

19、5358657Schott Solar23629.57425638Isofoton18827.4835.2753.39Motech3510五. 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 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

20、動(dòng)及市場的拉動(dòng)，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35個(gè)燃煤的發(fā)電廠。 199719981999200020052010太陽能屋頂 (萬套)0.20.852.355.

21、136.7101.4安裝光伏組件總量 (MW)39.525808203025系統(tǒng)安裝成本 ($/W)4.32.92電價(jià) (美分/度)2219.316.914.810.67.7每年少排放CO2量 (萬噸)11.1103.7351增加就業(yè)人數(shù) (千人)114071.5年度項(xiàng)目 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2.43.5TWh。 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0.50.6歐元 / KWh的高