崔容强论述光伏技术路线和太阳能电池发电原理.doc

本文由cchw041贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 光伏发电原理及新进展 崔容强 叶庆好 严世权 汪建强 施旸 杜嘉斌 2008年12月4日 上海交通大学太阳能研究所 目录 一,能源的重要意义 二,世界面临能源革命 三,当前中国能源结构的特点和面临的问题 四,光伏发电的原理,分类及新进展 五,光伏发电的技术路线,评价标准和成本分析 六,光伏发电的战略地位 七,中国光伏发电的战略目标 八,实现战略目标的必要途径 九,中国光伏发展思考 一 能源的重要意义 1 能源是现代文明的基础,人民生活的保障, 国民经济的命脉,国家安全的工具和中华民族复 兴的必要条件.因此,能源问题也是国计民生的 头等大事之一. 2 国计民生的头等大事就应当体现国家意志和 政府行为. 3 能源战略是国家战略重要组成部分. 4 不同国家的能源战略存在巨大的差异,如法 国选择核能,德国选择风能和太阳能等,因此造 成两国能源发展道路造成的巨大差异. 二 世界面临能源革命 2.1 2000 年 2100年能源结构图 年份 比例 2010 1:9 2020 2:8 2030 3:7 2040 4:6 2050 5:5 2100 8:2 Data Resource:2004年欧洲JRC预测本世纪内常规能源及新能源发展趋势 由图可见,可再生能源与常规能源比例逐年增加 1 煤,石油,天然气比例2030年后大幅下降 2 风能,水能比例几乎为常数 3 核电的比例几乎不变 4 太阳能尤其是光伏在2020年后飞速发展 三 当前中国能源结构的特点和面临的问题 3.1 中国能源资源结构 (1)能源资源总量不丰富,可利用量或经济开发量偏小 (2)能源人均占有量全面低于世界人均占有量 (3)核能资源不丰富 (4)水能资源不可能大幅增加 (5)可再生能源资源及其丰富 3.2 中国能源消费结构 (1)资源消费增长率高于GDP增长率 (2)工业用,交通用能源是能源消费的主要部分. (3)能源利用率有待提高. (4)生活用能源平均水平低于国际平均值,但增幅很快. (5)随着人口增长,中国能源消费的增速有逐年上升趋势 3.3 中国能源供应 (1)以煤为主的形势在短期内不会改变,增加煤的供应量将受 环境和成本制约. (2)油气自供量逐渐增加. (3)可再生能源供应比例很小,但增幅显著(尤其以风能, 水电和生物能,太阳能热利用为最) (4)电力供应略显紧张,局部地区冬夏季用电高峰时段供电 不足. (5)能源储备不充分,不稳定. 3.4 中国能源价格结构 (1)受国际油价飙升和国内物价上涨影响,中国能源价格上涨 速率增加.国内石油价格与国际市场价格倒挂. (2)与能源资源贫乏的德国,日本及一些欧洲国家相比,中国 电力价格偏低. (3)国内大中城市消费类电价已接近1元/kwh左右. (4)除了太阳能热水器以外,生物质能,光伏发电等其他可再 生能源价格仍然偏高,但价格下降速度快. 3.5 中国能源面临的问题 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 环境问题及排减问题要求中国减少煤为主能源结构的比. 中国水力资源受地域限制,不能增加比例. 中国油气资源不足,油气对外依存度有增无减. 中国贫铀矿多,富铀矿少,浓缩铀需要进口,加速发展核电困难大. 人口增加,人均用能增加和中国工业化程度加快,使得能源需求和 能源供应间形成能源供应的缺口.这种缺口有加速扩大的趋势. 常规能源价格随着国际能源价格的提升和开发,运输及使用成本的 增加必须持续高升,能源价格对通货膨胀有重要的正反馈作用. 能源资源地域分布和能源消费地域分布不一致,增加了能源输送损 耗并增加了能源成本. 国家能源战略储备不足,某些地区的能源战略储备严重不足.国家 安全存在隐患. 电力在能源结构中的比例偏小,分布式电网结构尚未形成,电力应 急能力脆弱. 可再生能源在能源供应中的比例偏小. 四 光伏发电的原理/分类/新进展 4.1伟大的太阳 东方红 太阳升,太阳是地球生存和发展的源泉 太阳是一个巨大且炽热的气体球,它的直径约为 1.4106 km,是地球直径的 倍,它一刻不停地向地 球发射出它美丽的光芒 太阳结构 1.核反应区: 高温(1500万K),高压下的热核反应 2.吸收层:能量传递(70万K) 3.对流层:能量传递(6000K) 4.太阳大气 (A)光球层:6000K,肉眼看到的发光体,黑 子,光斑; (B)色球层: 数万K,红色的太阳大气圈,日珥, 耀斑; (C)日冕层: 100万K,稀薄的大气,离子流 地球默默得绕日运动 太阳辐射能 太阳辐射来源于在高温高压下进行的热核聚变反 应,通过热核反应,太阳一刻不停的向四周空间 放射出巨大的能量.太阳的能源主要来自两种热 核反应,分别是:碳-氦循环和质子-质子循环. 4.2太阳电池的原理 光生伏打效应:1839年法国实验物理学家 Edmund Bacquerel发现光生伏打效应(原理图) 太阳电池是太阳能光伏发电系统的核心部件,其结 构原理如图所示. 反射光 阳光被太阳电 池板吸收后: 一部分变成电 能,另一部分 变成热能 通过风实现热量 对流和散发 透射光 转化成电能 4.3太阳电池的分类(材料分类) 晶体硅太阳电池 (Crystal Silicon Solar Cell) 单晶硅太阳电池 多晶硅太阳电池 带状硅太阳电池 非晶硅太阳电 微晶硅薄膜太阳电池 多晶硅薄膜太阳电池 纳米晶硅薄膜太阳电池 硫化镉太阳电池 硒铟铜太阳电池 碲化镉太阳电池 砷化镓太阳电池 磷化铟太阳电池 硅薄膜太阳电池 Silicon Thin Film 按基体材料分类 硒光电池 化合物太阳电池 Compound Solar cell 染料敏化太阳电池(Dye Sensitized Solar cell) 有机薄膜太阳电池 (Organic Solar Cell) 太阳电池的分类(应用分类) 空间太阳电池 用途分类 刚性衬底 柔性衬底 刚性衬底 柔性衬底 地面太阳电池 光伏传感器 结构分类 同质结太阳电池 异质结太阳电池 肖特基结太阳电池 复合结太阳电池 分光太阳电池 液结太阳电池 平板太阳电池 聚光太阳电池 分光太阳电池 使用状态分类 太阳电池组件分类 4.4光伏科学技术进步 Solar cell efficiencies (Labs cale) 30 III-V multijunct. Efficiency h % 25 20 15 10 5 0 single c-Si CuInSe 2 CdTe stacked a-Si:H 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Year 高效太阳电池榜 单晶硅电池:理论上限33%, 实验室最高效率24.7%, 工业化大规模生产效率15%. 多晶硅电池: 实验室最高效率 19.8%, 工业化大规模生产效率 14%. 非晶硅电池: 实验室效率15%, 工业化大规模生产效率5.5 7.5%. GaAs太阳电池: 理论上限28.5%, 目前最高水平24.7% . CdTe太阳电池: 实验室水平16.5%, 中试10% 非晶/微晶硅电池 小组件效率15%,面积1000cm2,c-Si生长速度2.5nm/s 大面积:s=22m2,=8% 柔性电池:=8%,s=0.9cm2 Metal contact n+ a-Si:H I a-Si:H p+ a-Si:H TCO Glass Substrate CIS电池 =17%(1cm2) =18%(10cm2) =16% 柔性衬底 =15%(27.1cm2) -族:砷化镓铟电池(2010年) 钛膜柔性衬底 3级电池效率=35%(1个太阳);=45%(1000倍聚光) 组件效率36%(1000倍聚光),光学效率8%,散热效率 I 3+ 2 e - - 叠层电池=15%(1cm2) 高稳定性DSC电池=8%(3030cm2),初始衰减9%,Voc=0.65-1.05V 有机薄膜太阳电池 叠层有机薄膜电池=5%(1cm2,2007年); =8.5%(2009年) 富勒球有机薄膜电池=4.8%(1cm2) 五 光伏发电的技术路线,评价指标及成本分析 5.1 中国光伏发展的技术路线 晶体硅光伏电池 蓄电池蓄能 薄膜硅光伏电池 化合物薄膜电池 有机薄膜电池 纳米薄膜电池 燃料敏化电池 5.2 1999年-2007年全球商业化光伏电池市场份额 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 40.8 37.4 34.6 36.4 32.2 other 36.2 38.4 43.4 42.2 Ribbon C-Si CIS a-Si/Uc-Si CdTe Multi-C-Si 42.1 48.2 50.2 51.6 57.2 54.7 Mono-C-Si 52.3 46.5 45.2 0.5 12.3 4.1 0.3 9.6 4.3 0.5 8.9 5.6 0.7 6.4 4.6 1.1 4.5 4.4 1.1 4.4 3.3 1.4 4.7 2.9 2.7 4.7 2.6 4.7 5.2 2.2 5.3 评价光伏发电的基本指标 9.2.1 光伏电站评价指标: 每平方公里每年发多少度电?Epvkwh/km2a 每度电成本是多少?Cpv元/kwh 稳定可靠工作多少年?Tpv年 年维护成本是多少?Mpv元/a 能量回收期有多长?ER年 9.2.2 光伏建筑结合BIPV评价指标: 系统初投资 系统稳定工作年限 上网电价 5.4 光伏发电的成本分析 晶体硅光伏组件最优制造成本 晶体硅光伏组件平均制造成本 Data Resource :Photon International January 2008 六 光伏发电的战略地位 6 补充能源替代能源储备能源支柱能源 独立能源/补充能源 并网电站/替代能源 1. 扶贫能源 12. 沙漠能源 2. 军用能源 13. 滨海能源 3. 便携式能源 14. 道路能源 4. 削峰能源 15. 太空能源 5. 应急能源 16. 清洁能源 6. 建材能源 17. 安全能源 7. 屋顶能源 18. 和平能源 8. 百姓能源 9. 分布式能源 10. 战略储备能源 11. 景观能源 支柱能源 七 中国光伏发电的战略目标 7.1 中国电力状况预测 2010年中国电力状况预测 2020年中国电力状况预测 Data Resource:中国光伏产业报告2007 7.2.1 中国光伏发电量与中国发电总量比较 7.3.1中国光伏发展规划与预测 规划年份 小水 电 装机/万KW 年发电量/亿KW.h 装机/万KW 风 生物 质能 光伏 发电 年发电量/亿KW.h 装机/万KW 年发电量/亿KW.h 装机/万KW 2004 3 400 1 000 76 11.4 200 51.8 6.5 2010 5 000 1 545 500 105 550 212 30 2020 7 500 2 300 3 000 690 2 000 835 180 2030 10 000 3 200 10 000 2 300 5 000 2 250 1 000 2050 20 000 6 400 40 000 9 200 10 000 5 000 10 000 年发电量/亿KW.h 可再生能源比例 0.78 6.5(3) 4.2 10(4.2) 21.6 16(8) 140 20(14.6) 1 500 30(22.5) 注:按照1KW.h=350g标准煤折算,括号内不包括大水电 Data Resource:中国光伏产业发展报告2007 由上表中可以看出,太阳能光伏发电在中国 未来的能源供应中将占有一席之地,按照国家 目前规划,到2010年中国光伏发电的累计装 机量将达到300MWp,到2020年将达到 1.8GWp,到2050年将达到100GWp. 按照中国电力科学院的预测,到2050年,中 国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的 25%,其中光伏发电装机将占到5%. 7.3.2 全球光伏发电预测 7.3.3 中国光伏发电量增长速率逐年变化 中国光伏发电增长速率 光伏发电占总发电量的比例 年份 中国比例(%) 世界比例(%) 2010 0.015 0.1 2020 0.048 1.2 2030 0.23 10 2040 1.07 25 2050 1.62 50 世界光伏发电增长速率 7.3.4 中国光伏发电量展望: 中国规划 VS 世界平均水平 7.3.5中国光伏装机容量展望: 中国规划 VS 世界平均水平 7.4 2007全球十大太阳电池厂商(MW) Data Resource:Photon International March . 2008 7. 4.1 2008 全球十大太阳电池厂商(MW)预测 Data Resource:Photon International March.2008 7.4.2 2007年全球十大组件厂生产统计(MW) Data Resource:Photon International March 2008 7.4.3 2007全球十大太阳电池厂商市场份额 7.4.4 2007全球区域光伏产量统计 Data Resource :Photon international, Journal March 2008 7.5 全球光伏产量现状及预测 世界光伏产量变化(GW) Data Resource:中国光伏组件市场调研报告 Solar Energy Institute of Shanghai Jiao Tong University 7.5.2 全球光伏组件价格预测 2005 2006 2.6 58% 4.1 4.3 16% 7.8 9% 20 2007 4.0 53% 3.9 4.1 -5% 7.5 -3% 30 2008 6.1 54% 3.6 3.8 -7% 7.0 -8% 43 2009 10.2 66% 3.5 3.7 -4% 6.6 -6% 67 2010 15.1 48% 3.3 3.5 -4% 6.2 -5% 94 2011 20.5 36% 3.2 3.3 -6% 5.9 -6% 121 光伏电池年产量(GW) 年增幅 组件平均出厂价($/W) 组件平均销售价($/W) 组件价格年增幅 系统装机价格年增幅 全球光伏产业总产值(十亿$) 1.7 44% 3.5 3.7 14% 光伏系统装机平均价格($/W) 7.1 -2% 12 Data Resource :Photon International January 2008 7.5.3 2010年太阳能光伏发电成本下降趋势 Data Resource: Based on Photon international 7.5.4 50 Yen/kWh 日本光伏发电目标 2002 2007 2010 Grid-Connected PV with Higher Degree of Autonomy Rechargeable Battery Backup System 23 2020 2030 Less-dependent on Grid from Individual to Clustered Large System Long Life BOS Active Grid Control Emergence of New Materials /kWh 77 円Yen/kWh Electricity Cost 30 kWh/Yen Bulk Si & Thin-Film Si/ Compound 円 23kWh / 14 円 / kWh 14 Yen/kWh Yen/kWh Cost Reduction by Technology Generation Change Very-Thin Cell/ Multi-junction New Material/Structure Ex.: Dye-sensitized PV System Deployment Images (Examples) Residential IndustrialOverseas Conventional Grid Connected Community PV-Clustered Broader Area Clustered PV Renew able Energy Netw ork Hydrogen Production Very-Large-Scale PV (VLS-PV) In-Factory High-Voltage Connected/Captive Load/Building Integrated PV Solar Home System (SHS) 八 实现中国光伏发电战略目标的必要条件 8.1 中国光伏发展的一个普遍适应公式 8.2 现有基础上建设以光伏为主体的分布式电网 (1)南北光伏带 (2)东西光伏带 (3)多能互补稳定电网(火电,风电,核电,光电) (4)由多种蓄能技术支持分布式电网 8.3 能源需求电气化三步曲 (1)家庭电气化光伏建筑结合BIPV (2)工业电气化光伏建筑结合BIPV,荒漠电站,滨海电站 (3)交通电气化道路电站 8. 4 大规模光伏发电的五个阶段 第一阶段独立光伏系统: 100W-100KW,满足边远无电地区用电. 无需远距离输电; 价格:3-5$/Wp 第二阶段并网光伏屋顶: 1KW-10MW,在城市或乡村中并网运行,提供削峰 电力.利用建筑物屋顶,外墙和现成的供电线路,节省 土地和线路投资; 价格:2-3$/Wp 第三阶段沙漠光伏电站: 1MW-1GMW,在沙漠,戈壁建造并网光伏电站.充分 利 用阳光,改造沙漠; 价格:1.5-2$/Wp 8. 4 大规模光伏发电的五个阶段 第四阶段滨海光伏电