太阳能光伏发电应用及研究现状.docx

太阳能光伏发电应用及研究现状秦延斌(上海理工大学，上海 200082)摘 要：以半导体光生伏打效应为基础的光伏发电技术，能满足人类的需要。太阳能光伏发电作为一种即清洁又环保的绿色能源, 是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。本文在介绍太阳能光伏发电基本原理的基础上，详细阐述了太阳能光伏发电的相关重要技术，论述了太阳能光伏发电技术的主要应用方式和应用领域，并分析了太阳能光伏发电技术的应用前景。关键词：光伏发电，应用，特性，太阳能电池Application and studies status of solar photovoltaic power generationQin Yanbin (University of shanghai science and technology, Shanghai 200082,China)Abstract: As a clearing energy, solar PV system is not only supplementary in the near future sources, but also is grounding in the future sources struction. Photovoltaic technology can be s atisfied with human being. On the base of introduction for the basic principle of solar energy PV , the important technologies of solar energy PV are elaborated ,the applied method and area of solar photovoltaic technology are discussed .The prospect of development of solar energy PV technology is also analyzed.Key words:photovoltaic，application，characteristics，solar battery0 前言能源犹如人体的血液。随着人类生活水平的提高，人们对能源的需求也日益提高。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点。因此，太阳能的利用越来越受到人们的重视，而太阳能光伏发电技术的应用更是人们普遍关注的焦点。一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池组构成。其中，太阳能控制器是光伏发电系统的核心部分。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比利用最大,是最理想的可再生能源。特别是近几十年来，随着科学技术的不断进步，太阳能及其相关产业成为世界发展最快的行业之一。因为它具有以下的特点1：1）数量巨大：每年到达地球表面能供人类利用的太阳辐射相当于一颗原子弹爆炸时所发出的能量。2）时间长久：用之不竭,太阳按目前功率辐射能量其时间约可持续亿年。3）普照大地：取之不尽,不需要开采和运输。4）清洁无污染：无任何物质的排放,既不会留下污染物,也不会向大气中排放废气。以太阳能电池技术为核心的太阳能光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域，利用太阳能发电，具有明显的优点2：1）结构简单，体积小且轻。能独立供电的太阳能电池组件和方阵结构都比较简单，输出4050W的晶体硅太阳能电池组件，体积约为450x985x45质量为7Kg。2）容易安装运输，建设周期短。只要将太阳能电池支撑并面向太阳即可发电，宜于制成小功率移动电源一个6.5MW的太阳能电池发电站，占地约80Km2，不足10个月便可建成发电。3）维护简单，使用方便。如遇风雨天，只需检查太阳电池表面是否被站污、接线是否可靠、蓄电池电压是否正常即可。大型光伏电站使用计算机控制运行，运行费用很低。4）清洁、安全、无噪声。光伏发电本身不向外界排放废物,没有机械噪声，是一种理想的能源。5）可靠性高，寿命长，并且应用范围广。晶体硅太阳能电池的寿命可以长达2035年，在光伏系统中，只要设计合理、选型适当,蓄电池的寿命可以达到10多年。太阳能几乎无处不在，太阳能电池在中国大部分范围内都能作为独立的电源。1 国内外太阳能光伏产业发展现状1.1国内光伏产业的发展我国的太阳能光伏发电系统起步较晚，但是发展速度很快。我国的光伏电池技术是从60年代发展空间用太阳能电池开发起步的，地面用光伏电池的生产是从1970年代初开始。80年代中期,我国光伏电池组件总生产能力达到4.5MW，光伏产业初步形成。经过十年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池转换效率不断提高。此后，政府才对其加大支持力度，2002年政府启动了“光明工程”，重点发展太阳能光伏发电。2009年开始，又推出太阳能光电建筑应用示范项目和金太阳示范工程。根据中国有色金属工业协会硅业分会的统计，从2002年至2010年，中国光伏装机容量从20.3MW增加到500MW，增长了23.6倍，年均增长49.3%；光伏发电累计容量从45MW增加到797.5MW，增加了16.7倍。根据半导体设备暨材料协会（SEMI）的统计，2011年中国国内新增光伏装机容量2.7GW，占到2011年全球新增光伏装机容量的10%左右3。水利水电规划总院的数据显示，截至到2012年底，中国光伏发电容量已经达到了7982.68MW，超越美国占据第三，但是最重要的还是集中在西部地区4。到2013年底，中国累计光伏装机将达到16.5GW，其中分布式光伏项目为5.7GW，地面光伏电站约10.8GW。图1为我国光伏发电产业的应用领域及份额5。图1 我国光伏发电产业的应用领域及份额自2007年起，我国的太阳能电池产量便稳居世界第一位，是全球名副其实的光伏电池制造中心6。图2为近年来我国光伏电池产量增长态势与全球产量比较。低端产业链生产环节的重复建设，对产能扩张的盲目追求，使得产量严重过剩，为光伏产业的发展埋下了极大隐患。虽然我国在太阳能电池产能与产量方面位居世界第一，但行业核心技术大多掌握在其他发达国家的手中，产业核心竞争力不强，许多关键技术和设备对外依存度很高，如薄膜电池生产线、四氯化硅闭环回收装置、自动电焊机等设备都主要依赖进口。这种技术设备方面的差距，导致光伏产业发展缺乏稳定的基础，直接致使我国光伏产品的生产成本偏高，市场竞争力不强。图2 我国光伏电池产量增长态势与全球产量比较 此外，虽然与使用传统能源相比，使用太阳能产生的固体废物少、能源消耗低，作为绿色能源的代表其在应用环节具有无污染、无排放的环境友好型特征，但并非光伏产业链的每个环节都是无污染的。光伏电池的生产与制造环节是存在严重污染问题的，尤其是太阳能多晶硅的生产和铸锭、切片所需的能源消耗较大，环境影响也较大。对于我国光伏企业而言，集中于电池制造环节且尚未掌握产业清洁发展技术的现状，除了带来低端生产环节的重复建设与产能过剩外，也对生态环境产生了重大影响，有悖于绿色新能源应用的初衷。1.2 世界光伏发电现状1954年美国贝尔研究所的Pearson等3位科学家在美国首次研制成功了实用的单晶硅太阳能电池，从此诞生了将太阳能转换为电能的实用光伏发电技术7。20世纪70年代，发达国家以国家级计划积极研究开发太阳能发电，其中日本于1974年开始的国家“Sunshine计划”尤为突出。20世纪80年代后期，太阳能电池的种类不断增多，应用范围不断扩大，20世纪90年代光伏发电迅速发展。近10年太阳能电池组件的年平均增长率为33%，近5年的平均增长率为43 %。2012年全球多晶硅产能达到40万吨，产量达到23.4万吨，与2011年的24万吨相比，略有下滑，其中电子级多晶硅产量约为2.5万吨，其余为太阳能级多晶硅。我国以近7.1万吨的产量位居全球首位，美国以5.9万吨位居第二，接下来的韩国、德国和日本产量分别为4.1万吨、4万吨和1.3万吨，其中我国和韩国主要生产太阳能级多晶硅，日本主要供应电子级多晶硅，美国和德国则兼而有之。在产能方面，我国以19万吨的产能位居全球一，美国以近8.6万吨的产能位居第二，韩国以5.7万吨的产能位居第三，德国和日本约为5.5万吨和1.9万吨。从发展势头看，已逐渐形成中、美、韩、德四国鼎立局面，日本则侧重于电子级多晶硅这一细分市场。2012年，全球太阳能电池片产能超过70GW(含薄膜电池)，同比增长11.1%，产量达到37.4GW，与2011年的35GW相比，同比增长6.3%。全球太阳能电池出货量最大的前十家产量均达到GW量级。在电池种类上，晶体硅电池产量约33GW，薄膜电池约为4GW，聚光电池约为100MW。在区域分布上，中国大陆以21GW产量位居全球首位、接下来分别为中国台湾以及日本、马来西亚等地。组件方面，全球产能达到70GW以上，产量达到37.2GW，同比增长5.4%。从区域分布看，中国依然是最大生产国，产量达到23GW，主要以晶体硅电池为主(占比达到98%)，欧洲则以近4GW的产量位居第二(其中薄膜电池占比为20%)，日本以约2.4GW产量位居第三(其中薄膜电池占比达到25%)。在市场应用方面，2012年，全球光伏新增装机量达到32.0GW，同比增长6.0%，增速比2011年回落约60个百分点，这也是近10年以来全球光伏装机市场的最低增速。其中欧洲新增装机量18.2GW，占全球新增装机量的56.9%，占比比2011年下降约13个百分点。从装机分布看，德国以7.6GW的装机容量重回全球首位，但同比仅增长2%;而我国则以4.5GW的装机容量上升至全球第二，同比增长66.7%；美国以3.3GW的装机容量位居全球第三，同比增长78.6%；意大利则以3.0GW由上年的全球第一下滑至全球第四。而到了2011年，全球光伏市场的新增装机容量又创新高，达到47GW，累计装机容量达到188.8GW。全球光伏市场的竞争格局悄然发生变化，中国、日本和美国光伏市场的快速升温推动本轮景气周期，快速崛起的英国等新兴光伏市场成为2014年全球光伏市场的新贵8。光伏技术的持续进步推动光伏市场的细分化程度不断升高，除地面电站、分布式等传统光伏发电的应用类型外，光伏技术和民用产品的结合应用开始展现生机。图3为20072014年全球光伏累计装机容量，图4为2014年全球光伏新增装机容量排名前十的国家占比。图3 20072014年全球光伏累计装机容量图4 2014年全球光伏新增装机容量排名前十的国家占比2 太阳能光伏发电原理及特性2.1 太阳能光伏发电原理光伏发电是利用半导体材料光伏效应直接将太阳能转换为电能的一种发电形式。早在1839年，法国科学家贝克勒尔就发现光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应(Photovoltaic Effect)”，简称“光伏效应”。然而，第一个实用单晶硅光伏电池(Solar Cell)直到1954年才在美国贝尔实验室研制成功，从此诞生了太阳能转换为电能的实用光伏发电技术。光伏发电的基本原理如图5所示，半导体材料组成的PN结两侧因多数载流子(N区中的电子和P区中的空穴)向对方的扩散而形成宽度很窄的空间电荷区w，建立自建电场Ei。它对两边多数载流子是势垒，阻挡其继续向对方扩散，但它对两边的少数载流子(N区中的空穴和P区中的电子)却有牵引作用，能把它们迅速拉到对方区域。稳定平衡时，少数载流子极少，难以构成电流和输出电能。但是，当太阳光照射到PN 结时，以光子的形式与组成PN结的原子价电子碰撞，产生大量处于非平衡状态的电子-空穴对，其中的光生非平衡少数载流子在内建电场Ei的作用下，将P区中的非平衡电子驱向N区，N区中的非平衡空穴驱向P区，从而使得N 区有过剩的电子，P区有过剩的空穴。这样在PN结附近就形成与内建电场方向相反的光生电场Eph。光生电场除一部分抵消内建电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，在N区和P区之间的薄层产生光生电动势。当接通外部电路时，就会产生电流，输出电能。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起构成光伏阵列，就会在太阳能作用下输出足够大的电能9。图5 光伏发电原理太阳能光伏系统由太阳能电池组件、充放电控制器、逆变器、监测仪表、蓄电池或其他蓄能和辅助发电设备组成。根据其应用场合的不同，太阳能光伏发电系统可以分为离网光伏发电系统、并网光伏发电系统和混合系统3类。离网光伏发电系统广泛建立于距离电网较远的偏远山区、无电区、海岛、荒漠地带等，向独立的区域用户供电。并网光伏发电系统是将用户光伏系统和电网相连的光伏发电系统，这种方式具有对电网调峰、减少建设投入、灵活性强等优点，逐渐成为太阳能光伏发电技术发展的主流趋势，但是存在“孤岛效应”，并网系统的逆变器必须对电网进行监控，一旦发生停电，能迅速停止向电网供电。混合系统具有很强的适应性，可以综合利用各种发电方式的优点，避免各自的缺点，达到对太阳能的充分利用，有较高的系统实用性，但也有其自身的缺点，如控制比较复杂、比独立系统需要更多的维护等。2.2 太阳能电池的材料及分类在现在的太阳能电池产品中，以硅半导体材料为主，即单晶硅与多晶硅电池板。由于它们原材料的广泛性，较高的转换效率和可靠性，被市场广泛接受10。其中多晶硅太阳能电池性价比最高，是结晶类太阳能电池的主流产品，占现有市场份额70%以上。非晶硅在民用产品上也有广泛的应用(如电子手表，计算器等)，但是它的稳定性和转换效率劣于结晶类半导体材料。多元化合物太阳能电池由于其材料的稀有性和部分材料具有公害，现阶段尚未被市场广泛采用。单晶硅电池 多晶硅电池 非晶硅电池图6 太阳能电池材料分类2.3 太阳能光伏发电系统的运行特性太阳能光伏发电系统的运行方式主要分为离网运行和联网运行两大类。离网运行系统:未与公共电网相联接，又称为独立太阳能光伏发电系统。主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为公共电网难以覆盖的边远农村、海岛、通信中继站、边防哨所等场合提供电源。联网运行系统：与公共电网相联接，共同承担供电任务。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段，成为电力工业组成部分之一的重要方向，也是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。联网太阳能光伏发电系统具有许多独特的优越性：（1）可以对电网调峰，提高电网末端的电压稳定性，改善电网的功率因数，有效地消除电网杂波。(2)所发电能回馈电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池。与独立太阳能光伏系统相比可减少建设投资35%45 %，发电成本大大降低。(3)光伏电池与建筑完美结合, 既可发电又可作为建筑材料和装饰材料，使资源充分利用，发挥多种功能。(4)出入电网灵活，既有利于改善电力系统的负荷平衡，又可降低线路损耗。光伏电池与建筑相结合的联网屋顶太阳能光伏发电系统是众多发达国家竞相发展的热点，发展迅速, 市场广阔, 前景诱人。联网太阳能光伏发电系统在我国还处于实验示范的起步阶段，远远落后于美国、欧洲、日本等发达国家。太阳能光伏发电具有许多独有的优点：1）太阳能是取之不尽、用之不竭的洁净能源，而且太阳能光伏发电是安全可靠的，不会受到能源危机和燃料市场不稳定因素的影响；2）太阳光普照大地，太阳能是随处可得的，太阳能光伏发电对于偏远无电地区尤其适用，而且会降低长距离电网的建设和输电线路上的电能损失；3）太阳能的产生不需要燃料，使得运行成本大大降低；4）除了跟踪式外，太阳能光伏发电没有运动部件，因此不易损毁，安装相对容易，维护简单；5）太阳能光伏发电不会产生任何废弃物，并且不会产生噪音、温室及有毒气体，是很理想的洁净能源。安装1Kw光伏发电系统，每年可少排放CO26002300Kg，NOx16Kg，SOx9Kg及其他微粒0.6Kg；6）可以有效利用建筑物的屋顶和墙壁，不需要占用大量土地，而且太阳能发电板可以直接吸收太阳能，进而降低墙壁和屋顶的温度，减少室内空调的负荷；7）太阳能光伏发电系统的建设周期短，而且发电组件的使用寿命长、发电方式比较灵活，发电系统的能量回收周期短。任何事物都有其两面性，太阳能光伏发电虽然具有上述的诸多优点，但是也有其缺点：首先，地理分布、季节变化、昼夜交替会严重影响其发电量，当没有太阳的时候就不能发电或者发电量很小，这就会影响用电设备的正常使用；其次，能量的密度低，当大规模使用的时候，占用的面积会比较大，而且会受到太阳辐射强度的影响；再次，建立太阳光伏发电系统的成本比较高，使得初始投资高，严重制约了其广泛应用11。3 结论及展望光伏发电对于实现能源工业的可持续发展具有重大的战略意义。快速发展的屋顶计划、阳光计划、各种减免税政策、补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格都强有力的支持了太阳能光伏产业的发展。根据我国光伏发电的发展情况，在今后一段时间，我国光伏发电主要应用在以下几点：(1)城市并网光伏发电， (2)荒漠和海岛地区的供电，(3)边远地区离网供电，(3)景观灯、LED 照明等商业应用。此外，为使我国的光伏产品在世界的市场上有竞争性，就需要政府制定强有力的法规和政策来支持。政府应该从以下几方面来激励、整合、发展我国的光伏产业12：(1)联合相关部委制定我国光伏产业完整的科研、生产、应用和推广计划；(2)考虑设立太阳能专项资金制度和多种形式的补贴政策。比如对投资直接补贴、提供贴息性贷款、根据光伏发电和可再生能源产品产量进行直接补贴等；(3)加强生产企业和科研机构与