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1、太阳能发电原理及应用 2011.3.第一章第一章 绪论绪论一.开发利用太阳能的战略意义1化石燃料储量正面临逐渐枯竭的危机 局面 随着世界人口的增长和经济的发展，对于能源供应的需求量日益增加，目前主要是靠化石燃料来提供。然而，化石燃料的储量是有限的，全球石油可开采约45年，天然气大约61年，煤炭可开采约230年，铀大约71年。如果再考虑到现在世界石油消费量大约每年增长2%，这样每隔35年，消费量将增加一倍。目前1/5的人口消费世界上75%的能源，发达国家人均石油消费量是最贫穷的全球一半人口消费量的15倍。据世界卫生组织估计，到2060年全球人口将达100110亿。如果到时所有人的矿物和能源消费量
2、都达到今天发达国家的人均消费水平，则地球上35种矿物中将有1/3在40年内消耗殆尽，包括所有的石油、天然气、煤炭（假设为2万亿吨）和铀。化石燃料生产(消耗)的峰值存在一个高峰，高峰在什么时间？离现在还有多远？留给可再生能源技术发展的时间足够吗？！日本的预测 自天然气以下为化石燃料化石燃料生产峰值在20202030之间 世界油气资源的开采峰值对化石燃料开采峰值有决定性影响，因此我们再观察几个对油气资源开采峰值的预测。2002，Association for Study of Peak Oil(ASPO):峰值位于 2010年(见下图)；ASPO对世界油气开采峰值的最新预测 峰值位于 2010Sh
3、ell 的预测 2001，BP，World Energy Forum in Davos:峰值位于2010，30-40之后将消耗尽；2000，World Resources Institute in Washington:峰值位于 2019.综合以上多种预测，化石燃料开采峰值位于本世纪2030年代我国一次能源的储量均低于世界平均值，2004年进口石油约1.1亿吨，外汇支出比前一年增加了30%40%。我国能源储量与世界比较 2保护生态环境逐渐受到人们的重视 随着全球很多地区气候变暖，自然灾害频繁发生，酸雨范围越来越广，高空臭氧层空洞扩大等现象的出现，使人们逐渐认识到治理大气环境，防止污染已经到了刻
4、不容缓的地步。现在单是CO2全球每年排放量就超过500亿吨，并且还在不断增加。按人口平均计算，美国每年的CO2排放量为20吨/人年，德国为12.3吨/人年，日本为8.7吨/人年。“京都议定书”对于工业化国家规定了减少温室气体排放量的指标。尽管“京都议定书”没有对我国的温室气体排放量规定具体的指标，但是我国的情况相当突出。我国能源消费只占世界的8%9%，人均排放量也不算高，但是人口众多，能源利用率不高，能源消费以燃煤为主，而且煤炭所含的硫等有害成分很高。我国SO2排放量占世界的15.1%，为世界第一；C O2排放量占世界的13.6%，列世界第二。因煤炭燃烧而排放的 S O2、C O2、N Ox和
5、烟尘分别占全国相应排放量的87%、71%、67%和60%，所以备受世界关注。我国必须作出巨大努力，来改变这种状态。2003年全球一次能源消耗结构比例世界中国煤炭%24.71 74.0 石油%38.47 15.2 天然气%23.72 2.7 核能%6.59 0.4 水电%6.51 7.7 太阳能是取之不尽的清洁无公害新能源。安装1KW太阳能光伏发电系统，每年可以减少CO2排放量6002300 kg、NOx排放量16 kg、SOx排放量9 kg和微粒0.6 kg。在我国太阳能每发1度电，扣除在生产太阳电池及设备的过程中所消耗的电力，可至少相当于减少CO2排放量1.14kg。3常规电网存在局限性 现
6、在全球还有将近20亿人口没有用上电，我国到在2000年也还有大约3000万人口没有电力供应，其中相当大部分处在经济不发达的边远地区，由于居住分散，很难用常规电网解决用电问题，没有电力供应严重制约了当地经济的发展。作为不受区域限制的太阳能，是个理想的补充能源，光伏发电在这些地区大有用武之地，存在着巨大的潜在市场。二.太阳能发电的特点优点:太阳能取之不尽，用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类消耗的能量大6000倍。只要在美国阳光丰富的西南部沙漠地区，建立一个面积为100哩100哩的巨型光伏电站，所发的电力可以满足全美国的用电需要。太阳能发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。太阳能
7、随处可得，可就近供电，不必长距离输送，避免了输电线路等损失。太阳能不用燃料，运行成本很低。太阳能发电没有运动部件，不易损坏，维护简单，特别适合于无人值守情况下使用。太阳能发电不产生任何废弃物，没有污染，无噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源。太阳能发电系统建设周期短，方便灵活。而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，避免了浪费。缺点:地面应用时有间歇性和随机性，发电量与气候条件有关，在晚上或阴雨天就不能或很少发电。能量密度较低，标准条件下，地面上接收到的太阳辐射强度为1000W/m2。大规模使用时，需要占有较大面积。目前价格仍较贵，为常规发电的25倍。初始投资高。三三.太
8、阳能发电的分类太阳能发电的分类太阳能光发电(光伏)太阳能热发电 大致可分为槽式太阳能热发电塔式太阳能热发电碟式太阳能热发电 槽式太阳能热发电 槽式太阳能热发电原理图 塔式太阳能热发电近代太阳塔热发电太阳塔热发电原理 碟式太阳能热发电四.太阳能光伏发电的发展历史1839年 19岁的法国贝克勒尔做物理实验时，发现在导电液中的两种金属电极用光照射时，电流会加强，从而发现了“光生伏打效应”1877年 亚当斯等在硒片上发现固体光伏效应，并制成了第一个硒光电池1883年 美国发明家弗里兹描述了第一个用硒片制造的太阳电池1904年 爱因斯坦发表光电效应论文1916年 密立根提供了光电效应的实验证据1918年
9、波兰科学家切克劳斯基发展了一种单晶硅生长的方法1930年 郎格发表了“新的光伏电池”同年 肖特基发表“新的氧化铜光电池”1931年 布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电介液，在阳光下带动电动机1932年 奥杜博特等制成第一块”硫化镉”太阳电池1941年 奥尔在硅上发现光伏效应1954年5月美国贝尔实验室恰宾、富勒和皮尔松宣布仅仅几个月后原来效率为4.5%的硅太阳电池已上升到6%，这是世界上第一个实用的太阳电池 美国贝尔实验室制成的第一批太阳电池1955年11月霍夫曼电子半导体公司宣布可提供效率为2%的商业光伏产品，每个电池14mw，价格为$25，相当于$1785/W1957年霍夫曼电子公司硅太阳电
10、池效率达到了8%1958年霍夫曼电子公司硅太阳电池效率达到了9%1958年3月17日 太阳电池首次在空间应用，装备于美国的先锋1号人造卫星，功率为0.1W，面积约100平方厘米。运行了8年1959年霍夫曼电子公司商业应用的光伏电池效率达到了10%同年8月7日发射的探险者6号人造卫星配备了1cm2cm的太阳电池9600片1960年霍夫曼电子公司太阳电池的效率达到了14%1962年7月23日第一个商业通讯卫星发射，功率为14W1962年 砷化镓太阳电池光电转换效率达到了13%1963年 夏普公司生产出了实用的硅光伏组件同年，日本在灯塔上安装了一套当时世界上最大242W的光伏方阵，容量为242W19
11、64年发射的大型气象卫星上装备了470 W光伏方阵1965年 格拉瑟提出了建造空间太阳能电站的设想1966年 发射的天文观察卫星装备了1kw光伏方阵1969年 薄膜硫化镉太阳电池效率达到了 8%1972年法国在尼日尔乡村学校安装了一套硫化镉光伏系统同年 罗非斯基研制出紫光电池，效率达到了16%1973年德拉瓦大学建立了世界上第一个光伏与光热混合的户用屋顶系统:“太阳一号”，实现了并网运行 同年砷化镓太阳电池效率达到15%1974年日本制定了发展光伏的“阳光计划”同年Tyco实验室应用定边喂膜法制成了宽度为1英寸、18英寸长的的硅带同年COMSAT研究所提出无反射绒面电池，硅太阳电池效率达到18
12、%1976年 多晶硅太阳电池效率达到10%1976年卡尔松等制成了第一个非晶硅太阳电池，在面积3.5平方厘米上效率为1.1%19761985年和19921995年美国NASA刘易斯研究中心项目在世界各地安装了83套不同用途的光伏系统，如为疫苗冷藏、房间照明、通讯、水泵和教室的电视等提供电力1977年世界光伏产量超过了500KW1978年NASA在亚利桑那州巴巴哥印第安人保留区安装了3.5KW光伏系统，为水泵和15户居民提供电力，这是世界上第一个乡村光伏系统,1985年通电网后，该系统专为社区水泵供电同年 美国建成100KW太阳能地面电站1980年单晶硅太阳电池效率达20%；砷化镓太阳电池效率达
13、到22.5%；多晶硅太阳电池效率达到14.5%；硫化镉太阳电池效率达到 9.15%同年美国ARCO Solar公司年产量超过1MW1981年5月在沙特阿拉伯吉达安装了8KW用于海水淡化装置1982年世界太阳电池产量超过了9.3MW同年7月在美国达拉斯机场安装了20KW光伏和140KW光热混合系统同年12月美国安装1MW光伏电站，使用了108个双轴跟踪装置1983年功率为1KW的太阳能汽车在澳大利亚用不到20天跑完了4000km，最大时速72km/h，平均24km/h同年ARCO Solar公司在美国加州卡利萨平原建成6MW光伏电站，占地120英亩，电力输入太平洋煤气电力公司电网，足够20002
14、500户家庭使用同年世界光伏产量超过21.3MW，销售额超过2.5亿美元1984年美国萨克拉门托市政公用公司管辖区(SMUD)关闭了核电站后，建成了第一个1MW光伏电站同年英国BP Solar公司在南安普敦建成了30KW并网光伏系统1985年澳大利亚新南威尔士大学马丁格林等研制的硅太阳电池，效率超过了20%1986年6月ARCO Solar公司推出了世界第一个“G-400”商业薄膜动力用太阳电池组件1990年 德国提出“1000个太阳能屋顶”计划，每个屋顶安装35KW太阳电池1992年在南极洲安装了一套0.5kw光伏系统，配备2.4kwh蓄电池，为实验设备，照明，个人电脑，打印机和小型微波炉提
15、供电力1995年 高效聚光砷化镓太阳电池效率达到32%1996年 BP Solar公司宣布碲化镉技术进入商业化生产同年5月7日图森电力公司宣布已具备铜铟硒电池生产能力同年7月世界上第一架太阳能动力飞机穿越德国,机身上安装了3000片高效太阳电池,总面积21平方米1997年 美国提出“百万太阳能屋顶”计划，到2010年要安装100万套同年，日本提出“新阳光计划”，提出到2010年将生产43亿W太阳电池同年，欧盟提出“百万太阳能屋顶”计划，到2010年要生产37亿W太阳电池1998年单晶硅太阳电池效率达24.7%；全球多单晶硅太阳电池产量第一次超过单晶硅太阳电池1999年 日本太阳电池产量首次超过
16、美国而居世界第一位2000年 全球太阳电池产量达278MW。日本三洋公司的非晶硅/单晶硅/非晶硅双异质结太阳电池效率超过21%2001年“太阳神号”(Helios)光伏动力飞机飞行高度超过了海拔30km，创造了新的记录 历年世界太阳电池产量年份197719821983198419851986198719881989产量MW0.59.321.625.024.427.529.135.042.22004年世界太阳电池产量美国日本欧洲其他共计百分比%单晶硅平板电池85111115.8 29.6341.429多晶硅电池14.2 393.5158104669.256非晶硅室外应用14108.6739.6非
17、晶硅室内应用7.57.5晶体硅聚光电池0.50.5硅带电池1625413.4碲化镉电池67131.1铜铟硒电池330.3微晶硅/单晶硅20201.7异质结电池(HIT)60605总计(MW)139602314.41401195.2100世界光伏应用领域1993199619971998199920002001200220032004消费产品18222630354045606570美国离网户用58910131519202530世界离网户用8151924313845607580通讯应用16232831354046607580离网商业应用10121620253036455065并网户用/商业27273
18、660120199270360610中心电站(100kw)22222555820总计(MW/y)6189126153201288395520658955世界光伏市场的发展2030年世界光伏应用分类预测2003年 主要太阳电池生产公司所占份额 世界光伏生产公司排名表(产量MW)公司2001200220032004产量排名产量排名产量排名产量排名Sharp751123119813241Kyocera5436037231052BP Solar54.2273.8270.24853Mitsubishi149249406754/5Q-Cells289754/5Shell Solar39457.547327
19、26Sanyo197355358657Schott Solar23629.57425638Isofoton18827.4835.2753.39Motech3510五.中国光伏发电市场的发展 中国于1958年开始进行太阳能光伏发电的研究 1971年首次将太阳电池成功地应用在”东方红二号”人造卫星上 1973年开始将太阳电池应用于地面，在天津港用于航标灯1977年全国太阳电池产量约1.1KW，价格为200元/W中国光伏产业的发展的两次飞跃:80年代中期，先后引进了5条单晶硅和1条非晶硅太阳电池生产设备，年生产能力猛增到4.5MW，销售价格从1980年的80元/W降到40元/W左右。2000年开始，
20、由于受到国际大环境的影响和国际/政府项目的启动及市场的拉动，各地的光伏企业迅速发展，生产能力达到了100MW，2002年产量约为20MW，2003年底累计安装了55MW。六.一些国家的”太阳能屋顶计划”1.美国 1997年6月26日美国总统克林顿宣布，为了达到2012年使温室气体排放量比1990年减少7 的目标，采取的一项重要措施是实施“百万太阳能屋顶计划”，在2010年前，要在全国的的住宅、学校、商业建筑和政府机关办公楼屋顶上安装100万套太阳能装置，光伏组件累计用量将达到3025MW，产生的电力相当于新建35个燃煤的发电厂。美国百万屋顶计划指标2.欧盟 在1997年提出目标到2010年要由
21、可再生能源提供总能源消耗的12%和电力供应的21%。为此在欧盟范围内要安装100万套太阳能光伏发电系统，其中50万套为屋顶并网光伏系统，另外50万套是独立光伏系统，为乡村供电。在 2010年前要累计安装太阳能光伏系统3000MW，大约是1995年产量的100倍，发电量大约2.43.5TWh。3.德国 在1990年率先宣布并实施“1000屋顶”计划，开始并不顺利，后来政府实行补贴政策，在结束时安装了2056套，超额完成。在此基础上，1999年开始实施“十万屋顶”计划，实行低息贷款，并且以0.50.6欧元/KWh的高价收购输入电网的太阳能电力，结果单是在2003年就安装了120 MW，现在德国的光
22、伏市场已从探索阶段发展成为繁荣的专业市场。德国发展光伏的具体政策德国优惠政策发展光伏发展情况4.日本 日本是个缺乏能源的岛国，燃料大部分依赖进口，很早就开始重视发展光伏发电。通产省1974年就制订了第一个“阳光计划”，1987年又制订了“月光计划”，1993年开始实施“新阳光计划”，用于资助光伏发电的经费也逐年大幅度增长。1994年日本开始实施“七万屋顶”计划，最初对安装的用户补助总价的一半，后来逐渐减少，到2003年只有10%，尽管如此，安装量仍不断增加，到2003年已接近17万户，累计安装容量超过620 MW 七.一些国家发展太阳能光伏发电的规划1.日本 （NEDO）在2004年6月发表的
23、“面向2030光伏路线图的综述”提出:到2010年日本国内累计安装太阳电池组件容量将为482GW。到2030年累计安装太阳电池组件容量要达到1000GW，届时日本所有住宅所消费的电力中将有50%由太阳能光伏发电所提供，大约占全部电力供应的10%。日本到2030年的目标日本计划光伏电价变化表2.欧盟 2004年3月欧盟联合研究中心发表了“欧洲光伏研发路线图”在2010年太阳能发电提供的电力将占总发电量的1%，到2040年将占总发电量的26%。大约在2030年太阳能发电将发挥显著的作用，2050年将占能源供应总量的约24%，到本世纪末将占全球总能源供应的统治地位。未来能源结构预测2020年世界光伏预测2020年和2040年世界光伏预测光伏价格变化经验曲线光伏与常规电价发展比较世界光伏市场产量预测 欧洲光伏计划指标欧洲发展光伏屋顶的优惠政策不同太阳电池材料发展预测 欧洲预测光伏发电量 欧洲预测光伏市场变化3.美国 在2004年9月发表了“我们太阳电力的未来：2030及更久远的美国光伏工业路线图”提出目标是：在2025年美国新增加发电容量的一半由太阳能发电提供。2030年美国太阳能发电量将为3600亿KWh，足够3400万户家庭使用，届时太阳能电力将成为重要的电力来源。美国计划光伏产量