太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)概論

主講人：宮力電氣與電子工程學(xué)院光伏系統(tǒng)原理第1章緒論背景開發(fā)利用太陽能的重要意義近年來世界光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r中國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展部分國家和國際組織發(fā)展光伏發(fā)電的規(guī)劃和展望太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)太陽能發(fā)電的特點和類型一、開發(fā)太陽能的重要意義

世界能源危機

保護(hù)生態(tài)環(huán)境

常規(guī)電網(wǎng)局限性1、世界能源危機——一次能源需求發(fā)達(dá)國家需求增長較少，發(fā)展中國家需求增長較大全球能源消費量在1971-2000年的平均年增長率是2%，在2001-2004年為3.7%，其中2003-2004年為4.3%。增長率不斷提高世界能源危機——一次能源需求根據(jù)美國能源部能源信息管理綜合分析及預(yù)測辦公室（EIA）于2011年9月報告估計，世界能源消費量在2006-2035年間將增加近60%。占較大份額的：石油、天然氣、煤炭世界能源危機——一次能源需求發(fā)達(dá)國家增長緩慢，發(fā)展中國家增長迅速中國能源消費量中國的經(jīng)濟正在高速發(fā)展，能源消耗量在過去10年中大幅度上升，占預(yù)測的全球能源使用增長的36%，2000-2008年中國能源消費量比20世紀(jì)90年代10年間的增加了4倍多。近年來，由于受到世界金融風(fēng)暴和全球經(jīng)濟衰退的影響，世界許多地區(qū)的能源需求都放慢了腳步，2009年美國的能源消費量下降了5.3%。而中國經(jīng)濟持續(xù)強勁增長，能源消費量也不斷攀升，需求量在2008-2035年間將會上升75%。2009年中國已超過美國成為世界上最大的能源消費國。EIA預(yù)計到2035年中國占世界的能源消費量將會上升到22%，屆時美國的能源消費量只有中國的68%。中國能源消費量中國石油進(jìn)口量2009年，中國的石油消費量估計為830萬桶/天，而中國生產(chǎn)石油量估計為400萬桶/天，石油進(jìn)口約430萬桶/天，也就是約有一半石油需要進(jìn)口，首次超過日本成為世界第二大石油進(jìn)口國，而且預(yù)計在2020年中國將超過美國成為世界最大的進(jìn)口國。中國石油進(jìn)口量能源危機根據(jù)世界衛(wèi)生組織估計，到2060年全球人口將達(dá)100億~110億，如果到時所有人的能源消費量都達(dá)到今天發(fā)達(dá)國家的人均水平，則地球上主要的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、煤炭和鈾。2、保護(hù)生態(tài)環(huán)境由于人類活動，主要是化石燃料的燃燒，造成環(huán)境污染，增加了溫室氣體排放量，導(dǎo)致全球氣候變暖、冰山融化、海平面上升、沙漠化日益擴大等現(xiàn)象，自然災(zāi)害頻發(fā)。京都議定書中控制的6種溫室氣體為：二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化合物、全氟碳化合物、六氟化硫。2、保護(hù)生態(tài)環(huán)境聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會發(fā)表的《氣候變化2007綜合報告》指出：要在2050年長期限制全球平均氣溫升高在2.0~2.4°C之間，需要在2000年基礎(chǔ)上降低全球CO2排放量的50%~85%。較高的排放水平將導(dǎo)致更加顯著的氣候變化。目前研究發(fā)現(xiàn)氣候變化比過去預(yù)期的更快，即使在2050年全球CO2排放量降低50%，也不足以避免危險的溫度上升。2、保護(hù)生態(tài)環(huán)境表4CO2排放量與氣候變化的關(guān)系溫度上升/℃全部溫室氣體/×10-6（等效CO2）CO2當(dāng)量濃度/×10-62050年CO2排放量相當(dāng)于2000年的百分?jǐn)?shù)（%）2.0~2.4445~490350~400-85~-502.4~2.8490~535400~440-60~-302.8~3.2535~590440~485-30~+53.2~4.0590~710485~570+10~+604.0~4.9710~885570~660+25~+854.9~6.1885~1130660~790+90~+1402006~2035年世界CO2排放量的年平均增長率是1.3%，而中國的數(shù)據(jù)是2.6%，超過了1倍。雖然中國的CO2人均排放量不算高，但由于中國人口眾多，排放總量在2007年就已經(jīng)超過美國成為世界第一。而且，中國能源利用率不高，能源消費易燃煤為主，煤炭中的硫等有害成分含量很高，所以受到普遍關(guān)注。據(jù)世界銀行估計，到2020年中國由于空氣污染造成的環(huán)境和健康損失，將達(dá)到GDP總量的13%。太陽能是清潔無公害的新能源，光伏發(fā)電不排放任何廢物。大力推廣光伏發(fā)電將減少大氣污染，有效防止全球氣候變化。3、常規(guī)電網(wǎng)局限性——覆蓋面有限根據(jù)國際能源署（IEA）發(fā)表的Worldenergyoutlook2011披露，到2009年，全世界還有13億人沒有用上電，約占全球人口的20%，主要分布在非洲和亞洲的發(fā)展中國家。其中，84%的人口都居住在農(nóng)村，尤其是在撒哈拉以南的非洲國家，占全球總?cè)丝诘?2%。無電人口大部分生活在經(jīng)濟不發(fā)達(dá)的邊遠(yuǎn)地區(qū)，由于居住分散，交通不便，很難通過延伸常規(guī)電網(wǎng)的方法來解決用電問題。2004年發(fā)表的《波恩世界可再生能源大會宣言》提出了要利用太陽能為10億無電人口提供電能的目標(biāo)。3、常規(guī)電網(wǎng)局限性——覆蓋面有限二、太陽能發(fā)電的特點和類型太陽能取之不盡、用之不竭；太陽能資源隨處可得，就近供電，不必遠(yuǎn)距離傳輸（避免損失）；太陽能發(fā)電不用燃料，運行成本低（一次性投資較大）；太陽能發(fā)電沒有運動部件，不易損壞，維護(hù)簡單；太陽能發(fā)電不產(chǎn)生任何廢棄物，沒有污染，綠色環(huán)保；太陽能發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短，方便靈活，可根據(jù)負(fù)荷增減，任意添加或減少太陽能電池方陣容量，避免浪費；優(yōu)點能量密度低（太陽能利用實際上是低密度能量收集、利用）；占地面積大（每10kW光伏發(fā)電功率占地約需100mm2

建筑集成光伏系統(tǒng)BIPV）；光電轉(zhuǎn)換效率低（瓶頸）；間歇性、隨機性、受地理/氣候環(huán)境因素影響大（需配蓄電池→污染）；系統(tǒng)成本高，由于效率較低，光伏發(fā)電的成本仍然是常規(guī)發(fā)電方式的幾倍（制約光伏發(fā)電廣泛應(yīng)用的最主要因素）；晶體硅電池的制造過程高污染、高耗能；缺點技術(shù)發(fā)展方向類型太陽能熱發(fā)電通過大量反射鏡以聚焦的方式將太陽能直接光聚集起來，加熱工質(zhì)（水/水蒸氣、空氣、導(dǎo)熱油、液態(tài)金屬、熔鹽等），產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，再驅(qū)動汽輪機發(fā)電。有一些實際應(yīng)用，但技術(shù)還有待完善，尚未達(dá)到大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的水平。槽式塔式碟式顯著優(yōu)點：能夠?qū)⑻柲軣崮軆Υ嫫饋愍毩ⅲx網(wǎng)）光伏發(fā)電系統(tǒng)特點：在自己的閉路系統(tǒng)內(nèi)部形成電路，系統(tǒng)中太陽能電

池方陣是唯一的能量來源。獨立（離網(wǎng)）光伏發(fā)電系統(tǒng)目前面臨的三個問題能量密度和整體利用效率較低，前期投資較大；獨立發(fā)電系統(tǒng)的儲能裝置-鉛酸蓄電池初始成本高（占25%左右），運行成本也大；供電穩(wěn)定性、可靠性差。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)特點：系統(tǒng)中存在太陽能電池方陣和電網(wǎng)兩個能量來源。賣電、買電三、近年來世界光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r太陽電池生產(chǎn)很長時間內(nèi)，太陽電池產(chǎn)量基本上一直是美國第一位，1999年開始被日本超過，此后8年中日本長期保持領(lǐng)頭地位，到2007年，中國迅速崛起，產(chǎn)量超過日本而成為世界第一位。在2011年，盡管受國際金融風(fēng)暴的影響，不少西方國家減少了對光伏產(chǎn)業(yè)的財政支持，但光伏產(chǎn)業(yè)還是得到了快速發(fā)展。據(jù)估計，2011年在IEA_PVPS（國際能源署光伏電力系統(tǒng)項目）國家，太陽能電池產(chǎn)量約為29.9GW，比2010年增加了70%。中國仍然是最大的太陽電池生產(chǎn)國家。表72006-2010年全球太陽電池產(chǎn)量（單位：MW）年度國家/地區(qū)20062007200820092010中國大陸40010882600400010800中國臺灣—45090010003400歐洲6571062.8200028003127日本928920130018002182美國202266界其他3142136685003274總計2501400079001070023899注：2006年中國臺灣的產(chǎn)量統(tǒng)計在“世界其他”中表8世界商業(yè)化生產(chǎn)單晶硅電池效率最高的前10名制造商名單（截止2012年7月30日）名次制造商效率電池型號尺寸/mm21SunPower（美國）22.5%MaxeonCellTechnology130×1302SanyoElectric（日本）20.2%HITSolarCellStructure110×1103晶澳太陽能（中國）20.0%JACM6SLSecium156×1564尚德（中國）19.7%PlutoCell156×1565Suniva（美國）19.4%ARTisunSelect156×1566Shinsung（韓國）19.4%SH-1940S3156×1567益通（中國臺灣）19.3%MonoCell3BB156×1568茂迪（中國臺灣）19.2%XSI56B3-200RX-Cells156×1569新日光（中國臺灣）19.2%Perfect19156×15610昇陽（中國臺灣）19.1%SR-156-3156×156SolarPlaza（/）統(tǒng)計數(shù)據(jù)SolarPlaza（/）統(tǒng)計數(shù)據(jù)表9世界商業(yè)化生產(chǎn)單晶硅組件效率最高的前10名制造商名單（截止2012年7月30日）名次制造商組件效率組件型號功率/W尺寸/mm21SunPower（美國）20.4%E20/333SOLARPANEL3331559×10462友達(dá)光電（中國臺灣）19.5%PM318B003181559×10463SanyoElectric（日本）19.0%HIT-N240SE101901580×7984珈偉（中國）18.3%JW-S1001001037×5275CrownRenewableEnergy（美國）18.3%Summit100LM1001537×5276IdeaSolar（匈牙利）17.52%IS-M234(BIPV)20420×2657有成精密（中國臺灣）17.15%WSP-285M62851665×9098PVTAustria（奧地利）16.88%PVT-2××MAE-A2552551451×10449晶澳（中國）16.84%JAM5(L)-72-215/SI2151580×80810賽德克（中國）16.84%ZT215S2151580×808SolarPlaza統(tǒng)計數(shù)據(jù)表10世界商業(yè)化生產(chǎn)多晶硅組件效率最高的前10名制造商名單（截止2011年12月12日）名次制造商組件效率組件型號功率/W尺寸/mm21SollandSolar（荷蘭）16.00%Sunweb2501613×9842Siliken（西班牙）15.70%SLK72P6L-3053051960×9903賽維（中國）15.67%LDK-200P-24(s)2001580×8084Vikram（印度）15.63%Eldora280(300)3001955×9825Wiosun（德國）15.54%E300P3001950×9906茂陽（中國臺灣）15.50%P3-235-60(250)2501630×9997東營光伏（中國）15.40%CNPV-300P3001965×9928LatitudeSolar（瑞典）15.30%LatitudeP6-60/6(250)2501940×9809晶澳（中國）15.29%JAP6-60-2502501650×99110中電電氣光伏（中國）15.24%CSUN295-72P2951956×990光伏應(yīng)用市場自20世紀(jì)70年代光伏發(fā)電開始在地面應(yīng)用以來，在相當(dāng)長時期內(nèi)，主要是在無電地區(qū)離網(wǎng)應(yīng)用：偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)、牧民的基本生活用電、航標(biāo)燈、微波通信中繼站、鐵路信號、太陽能水泵德國

“一千個太陽能屋頂計劃”（1990年）、“十萬屋頂計劃”（1999年）。在居民住宅屋頂上安裝容量為1~5kW的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)2011年全球光伏安裝量達(dá)到了27.7GW，增長率達(dá)到了70%，歐洲是主要的光伏市場排名前10國家的安裝總量超過了90%。全球累計光伏安裝量超過了67.4GW，每年發(fā)電量超過85TW·h（109kW·h），可滿足2000萬戶家庭的用電需要光伏應(yīng)用市場的發(fā)展在所有的可再生能源的發(fā)展中是超常水平離網(wǎng)系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)的市場情況光伏在地面應(yīng)用，開始主要是離網(wǎng)系統(tǒng)，20多年來一直占統(tǒng)治地位。從一些國家實施太陽能屋頂計劃后，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)開始逐漸推廣，2000年并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的用量就超過了離網(wǎng)光伏系統(tǒng)。近年來，由于很多國家大量興建光伏電站，使得并網(wǎng)光伏所占份額迅速擴大。如今累計安裝并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的容量已占總?cè)萘康?5%以上。離網(wǎng)系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)的市場情況表11全球離網(wǎng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)累計安裝量及年增長率年度離網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)系統(tǒng)合計累計安裝量/MW增長率(%)累計安裝量/MW增長率(%)累計安裝量/MW增長率(%)2000277144017767844200131915647619664220023541198352133738200341016140843181836200445010242672287658200548583758554243482006535105148375683342007663247356438019412008741121345283141937720098371319543452036144來源：IEA-PVPST1-19:2010四、中國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展發(fā)展歷程1958年開始進(jìn)行太陽能光伏發(fā)電的研究開發(fā)；1971年首次將太陽電池成功地應(yīng)用于“東方紅二號”人造衛(wèi)星；1973年開始將太陽電池應(yīng)用于地面，首先在天津港用于航標(biāo)燈電源；1977年全國太陽電池產(chǎn)量只有1.1kW，價格為200元/W左右；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)線，年生產(chǎn)能力猛增到4.5MW，價格降到50元/W左右；四、中國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展發(fā)展歷程2002年國家國家啟動了“送電到鄉(xiāng)”工程，在西部各省區(qū)建成了721座光伏或風(fēng)光互補電站，總?cè)萘?5.5MW。2003年全國太陽電池的產(chǎn)量達(dá)到12MW?！八碗姷洁l(xiāng)”工程的實施帶動了國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也造就了國內(nèi)一大批光伏企業(yè)，促進(jìn)了中國光伏產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)和能力建設(shè)，對發(fā)展中國的光伏產(chǎn)業(yè)起到了巨大的促進(jìn)和推動作用。中國的太陽電池產(chǎn)品的90%以上供出口，2010年出口額達(dá)到202億美元；中國光伏市場相對太陽電池產(chǎn)量的飛速發(fā)展，中國的光伏市場發(fā)展卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后2007年盡管光伏系統(tǒng)的安裝量比2006年增加了一倍，達(dá)到了20MW，但與當(dāng)年的太陽電池產(chǎn)量1088MW相比，只占有1.84%，累計太陽電池安裝量還不到世界總量的1%；2005年《可再生能源法》頒布以后，對于光伏市場產(chǎn)生了積極影響，各地也都在努力發(fā)展光伏應(yīng)用，興建了一批光伏工程，推廣了大量應(yīng)用產(chǎn)品；2009年政府加大了扶植太陽能光伏發(fā)電的力度，相繼出臺了《太陽能光電建筑應(yīng)用財政補助資金管理暫行辦法》和《關(guān)于實施金太陽示范工程的通知》等政策，并先后啟動了兩批總計290MW的光伏電站特許權(quán)招標(biāo)項目，使得光伏應(yīng)用得到了快速發(fā)展；中國光伏市場截止到2010年，中國累計光伏裝機量超過了800MW，當(dāng)年新增裝機容量達(dá)到513MW，同比增長166%；2011年中國光伏實際安裝量達(dá)到了2.75GW，成為僅次于德國和意大利的第三大光伏