光伏發(fā)電的時代背景綜述

綜述光伏發(fā)電的時代背景在人類發(fā)展的前5000年，對能源的要求遠遠沒有最近的三百年來得迫切。十八世紀，英國率先開始的工業(yè)革命，大大推動了人類社會生產力的發(fā)展，以機器生產為標志的生產力遠遠高于傳統(tǒng)手工業(yè)生產，人類進入了現(xiàn)代文明時代，對此，人類急切的需求更多的能源以促進生產力的發(fā)展。然而，自然界的一次能源儲量有限，能源危機迫在眉睫，根據(jù)對石油儲量的綜合估算可支配的傳統(tǒng)能源從全球來看，已探明的石油儲量只能用到20-40年，天然氣也只能延續(xù)50-60年左右，即使是儲量最豐富的煤炭最多也只能夠維持二三百年。就連近代才發(fā)展起來的核能發(fā)電的原料鈾的儲量也是有限的，而且還存在安全和污染的難題，同樣不能解決世電力的長期穩(wěn)定供應問題。因此，如不盡早設法解決常規(guī)能源的替代能源，人類遲早將面臨燃料枯竭的危險局面。同時，化石能源在開采、運輸和使用過程中都會對空氣和人類生存環(huán)境造成嚴重的污染。根據(jù)相關資料顯示，目前，人類使用化學燃料己經(jīng)為人類生存環(huán)境帶來了嚴重的后果，由于大量使用化石能源，全世界每年產生約1億噸溫室效應氣體，已經(jīng)造成極為嚴重的大氣污染，同時使得地球表面氣溫逐年升高，近二千年來，全球二氧化碳排放量迅速增長，如果不加以控制，溫室效應將使南、北兩極的冰山融化，這可能會使海平面上升幾米，四分之一的人類生活空間將由此受到極大威脅。此外，由于環(huán)境惡化造成的“黑洞”己經(jīng)使人類即將面臨太陽紫外線的直接照射。光伏發(fā)電的優(yōu)點太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，與其他新能源相比利用最大，是最理想的可再生能源。特別是近幾十年來，隨著科學技術的不斷進步，太陽能及其相關產業(yè)成為世界發(fā)展最快的行業(yè)之一。因為它具有以下的特點：儲量巨大：太陽能是取之不盡的可再生能源，可利用量巨大。太陽放射的總輻射能量約是3.75x1023kW，是極其巨大的。其中到達地球的能量高達1.73x10i4kw,穿過大氣層到達地球表面的太陽輻射能大約為 8.1x1013kW。在到達地球表面的太陽輻射能中，到達地球陸地表面的輻射能大約為 1.7x1013kW，相當于目前全世界一年內消耗的各種能源所產生的總能量的三萬五千多倍。太陽的壽命至少尚有40億年，相對于人類歷史來說，太陽可源源不斷供給地球能源的時間可以說是無限的。取之不盡，不需要開采和運輸。清潔無污染，無任何物質的排放，既不會留下污染物，也不會向大氣中排放廢氣。清潔、安全、無噪聲。太陽能發(fā)電本身不向外界排放廢物，沒有機械噪聲，是一種理想的能源；可靠性高，壽命長，并且應用范圍廣。晶體硅太陽能電池的壽命可以長達20-35年，在光伏系統(tǒng)中，只要設計合理、選型適當，蓄電池的壽命可以達到10多年。太陽能幾乎無處不在，太陽能電池在中國大部分范圍內都能作為獨立的電源。由此可見，在能源危機即將爆發(fā)，環(huán)境逐漸惡化的今天，太陽能發(fā)電技術的研究具有很大的必要性。同時，太陽能發(fā)電技術也具有重要的研究價值和廣闊的應用前景。新能源是二十一世紀世界經(jīng)濟發(fā)展中最具決定力的五大技術領域之一。太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源。在新世紀中，各國政府都將太陽能資源利用作為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內容。據(jù)資料顯示，到2010年，全世界光伏產業(yè)將累計達到14-15GW，這表明世界光伏產業(yè)發(fā)展有著巨大的發(fā)展空間?？傊瑥哪茉蠢玫膰H發(fā)展趨勢來看，光伏發(fā)電最終將以替代能源的角色進入電力市場。預計到2030年，光伏發(fā)電在世界的總發(fā)電量中將占到5%-20%。國外光伏發(fā)電的現(xiàn)狀技術方面，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，澳大利亞新南威爾士人研制的單品硅光伏電池效率己達23.7%，多品硅電池效率突破19.8%。同時，研究人員正在探索用切薄硅片、擴大平面面積或者使用聚光的方法，力爭把硅片的成本降低到0.8美元/WP。據(jù)預測，在今后15-20年間利用這幾種方法有望把硅片的成本降低到0.5美元/WP,這樣，光伏系統(tǒng)的價格可以降低到接近3美元/WP。薄膜電池是在廉價襯底上采用低溫設備技術沉積半導體薄膜的光伏器件，材料與器件設備同時完成，工藝技術簡單，便于大面積連續(xù)化生產a殳備能耗低，縮短了回收期。太陽能電池實現(xiàn)薄膜化，大大節(jié)省了昂貴的半導體材料，具有大幅度降低成本的潛力，是當前國際上研究開發(fā)的主要方向。除了光伏電池以外，當前國際上最新的研發(fā)熱點主要集中在低成本、高效率、高穩(wěn)定性的光伏逆變器件和光伏建筑集成應用系統(tǒng)等方面，專用逆變設備和相關系統(tǒng)的最佳配置涉及到多項技術。美國、德國、荷蘭、日本、澳大利亞等國家在光伏屋頂計劃的激勵下，許多企業(yè)和研究機構成功地推出了多種不同的高性能逆變器。產業(yè)化方面，光伏發(fā)電發(fā)展的初期主要是依靠各國政府在政策及資金方面的大力支持，現(xiàn)在己逐步商業(yè)化，進入了一個新的發(fā)展階段。光伏發(fā)電的市場前景吸引了一批國際知名企業(yè)或企業(yè)財團介入光伏電池制造業(yè)。這些大公司的介入，使產業(yè)化進程大大加快。預計今后10年，光伏組件的生產將以每年增長20%-30%甚至更高的遞增速度發(fā)展，到2010年將可能達到4600MW/年的生產量，總裝機容量將可能達到1SGW國際光伏產業(yè)在過去10年中的平均年增長率為20%,1998年世界太陽能電池組件生產量為155MW，2000年增長到288MW，2002年達到54OMW。截止到2006年底，世界光伏發(fā)電累計總裝機容量達到了1300MW。目前全球太陽能光伏電池產業(yè)的銷售收入超過20億美元。預計到2050年左右，太陽能光伏發(fā)電將達到世界總發(fā)電量10%-20%，成為人類的基本能源之一。同時，世界光伏市場發(fā)生了很大變化，開始由主要為邊遠農村地區(qū)和通信設備、氣象臺站、航標等特殊應用領域解決供電問題，逐步向并網(wǎng)發(fā)電和與建筑相結合的常規(guī)供電方向及商業(yè)化應用方向發(fā)展。從上世紀70年代起，許多國家掀起了太陽能光伏發(fā)電熱潮，美國、日本、歐盟、印度等國家紛紛制定雄心勃勃的中長期發(fā)展規(guī)劃推動光伏技術和光伏產業(yè)的發(fā)展，推動這一新能源產業(yè)的發(fā)展。目前，世界光伏產業(yè)正以31.2%的平均年增長率高速發(fā)展，是全球增長率最高的產業(yè)，己成為當今世界最受關注、增長幅度最快的能源產業(yè)之一。自上個世紀90年代以來，國外發(fā)達國家掀起了發(fā)展“屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)”的研發(fā)高潮，屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)不單獨占地，將太陽電池安裝在現(xiàn)成的屋頂上，非常適應太陽能能量密度較低的特點，而且其靈活性和經(jīng)濟性都大大優(yōu)于大型光伏并網(wǎng)發(fā)電，有利于普及，有利于戰(zhàn)備和能源安全，所以受到了各國的重視。1993年，德國首先開始實施由政府補貼支持的“2000個光伏屋項計劃”，同時制定了“可再生能源電力供應法”，極大地刺激了光伏發(fā)電市場。日本在光伏發(fā)電與建筑相結合的市場方面己經(jīng)做出了十幾年的努力，預計到2010年光伏屋頂發(fā)電系統(tǒng)總容量達到7600MW。日本光伏屋頂發(fā)電系統(tǒng)的特點是：太陽電池組件和房屋建筑材料形成一體，如“太陽電池瓦”和“太陽電池玻璃幕墻''等，這樣太陽電池就可以很容易地被安裝在建筑物上，也很容易被建筑公司所接受。1997年6月，美國前總統(tǒng)克林頓宣布實施“百萬個太陽能屋頂計劃”，計劃到2010年安裝100萬套太陽能屋頂。許多其他發(fā)達國家也都有類似的光伏屋項發(fā)電項目或計劃，如荷蘭、瑞士、芬蘭、奧地利、英國、加拿大等。屬于發(fā)展中國家的印度也在 1997年12月宣布到2020年將建成，50萬套太陽能屋頂發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電的行業(yè)標準方面，雖然現(xiàn)在還沒有IEC國際電工委員會）標準，但各國都頒布了相應的試行標準，如美國SANDIA國家實驗室的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)標準等。國內光伏發(fā)電的現(xiàn)狀技術方面，經(jīng)過十多年的努力，我國光伏發(fā)電技術有了很大的發(fā)展，光伏電池技術不斷進步，與發(fā)達國家相比有差距，但差距在不斷縮小。光伏電池轉換效率不斷提高，目前單晶硅電池實驗室效率達20%，批量生產效率為14%，多晶硅實驗室效率為12%。在2000年之后，多晶硅產品逐步走出實驗室，開始形成規(guī)模生產，其效率與發(fā)達國家相比，差距在不斷縮小。產業(yè)化方面，2000年以后，我國光伏產業(yè)進入快速發(fā)展期，但整體發(fā)展水平仍然落后于國際先進水平，參與國際競爭有一定的難度。2003年國內光伏電池的生產能力約20MW，但光伏組件的封裝能力約50MW，遠大于光伏電池的生產能力。雖然到2002年底，我國己有近20MW的光伏電池生產能力，但實際生產量僅為4MW左右，占世界光伏電池實際生產量的1%左右。在2002-2003年國家實施的總裝機容量20MW的“光明工程”項目中，國內生產的光伏電池的應用量不足10%，錯過了這一市場時機。近期內我國光伏發(fā)電市場仍將是為無電地區(qū)供電為主，有一定的市場潛力，但也有局限性。2001年及以前，我國光伏產品的年銷售量均保持在3-4MW，其中單品硅產品占80%，非單品硅產品占20%。2005年，光明工程項目使市場年銷售量猛增到 20MW，光伏系統(tǒng)保有量達到40MW左右。從市場份額上石，光伏發(fā)電在2000年前的主要應用領域是：通訊行業(yè)占40%—50%，農村電氣化行業(yè)（主要包括戶用光伏系統(tǒng)和鄉(xiāng)村級光伏發(fā)電）占40%左右，其它領域占10%左右。但2007年當年農村電氣化領域的市場份額占到85%以上。目前，國內光電池硅片的生產能力己達4.5M瓦，在西藏7個無水無電縣中已全部建成了光伏發(fā)電，其中功率最大的 100KW。綜上所述，我國的光伏市場和光伏企業(yè)面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，如果把我國光伏產業(yè)的發(fā)展放到國際光伏發(fā)展的大環(huán)境中考慮，世界光伏產業(yè)每年以31%的速度發(fā)展，而我國的光伏產業(yè)每年只有15%的增長率，光伏企業(yè)的發(fā)展靠市場，光伏市場的發(fā)展靠政策。光伏發(fā)電成本高，無法與常規(guī)能源競爭，所以更需要政府制定強有力的法規(guī)和政策支持以驅動我國光伏產業(yè)的商業(yè)化發(fā)展。然而，我國的光伏企業(yè)雖然弱小，但經(jīng)過努力已經(jīng)有了一定的基礎，當前，對光伏企業(yè)的發(fā)展來說機遇和挑戰(zhàn)并存。另外，我國的太陽能資源非常豐富，據(jù)統(tǒng)計，太陽能年輻照總量大于 502萬千焦/平方米，年日照時數(shù)在2200小時以上的地區(qū)約占國土面積的2/3以上。隨著電力電子元器件的發(fā)展、數(shù)字信號處理技術的應用以及先進的控制方法的提出，電力電子能量變換發(fā)生了巨大的變化。首先，元器件正向著低導通損耗、快速化、智能化、封裝合理化等幾個方向發(fā)展。低導通損耗將有助于并網(wǎng)型逆變器系統(tǒng)提高效率；減少發(fā)熱；/