光伏产业概述

光伏产业概述光伏产业概述 目前人类能源消费结构中 石油 煤炭 天然气 铀等矿物资 源占到了人类能源供给量的 80 以上 但常规矿物质能源储量有限 如果无节制的开采 全球将很快面临能源短缺危机 另外常规矿物 质能源使用后排放大量的 CO2 SO2 核废料等威胁着人类生存环 境 近年来 全球性的气候变暖 两极冰川融化 海平面上升 自 然灾害频繁发生 生物多样性消失 酸雨范围越来越广 高空臭氧 层空洞扩大等现象 都是因为人类大量使用并依赖传统能源所造成 太阳能石油天然气煤铀 2000 2100 2200 45年 61年 216年 71年 15年30年 150年 50年 1 世界中国 无无穷穷大大 资料来源 中国可再生能源发展战略研讨会论文集 图表图表 1 1 世界及中国主要能源资源使用年限世界及中国主要能源资源使用年限 发展环保可再生能源是解决上述问题的最有效途径 也是人类 能否在地球上永续生存下去的关键要素 在诸多可再生能源中 太 阳能是唯一可以大量替代传统能源的能源 而在太阳能产业中 光 伏产业由于其具有的诸多优点 是可再生能源中发展最快的产业 无疑也是最具有发展前景的产业 光伏 42 3 风能 25 1 沼气 15 4 液态 生质能 12 1 光热 10 1 地热能 3 1 水能 2 3 固态 生质能 1 3 0 10 20 30 40 50 资料来源 IEA 国际能源署 报告 Renewable Information 2010 图表图表 2 2 19901990 20082008 年世界可再生能源供给的年增长率年世界可再生能源供给的年增长率 一 光伏产业的特点一 光伏产业的特点 太阳能是唯一能够保证人类未来需求的能量来源 光伏发电是 利用太阳能将光子转化为电子的一个纯物理过程 转化过程不排放 任何有害物质 其特点如下 充足性 充足性 据美国能源部报告 2005 年 4 月 世界上潜在水能资 源 4 6TW 1TW 1012W 经济可开采资源只有 0 9TW 风能实际 可开发资源 2 4TW 生物质能 3TW 海洋能不到 2TW 地热能大 约 12TW 太阳能潜在资源 120000TW 实际可开采资源高达 600TW 安全性 安全性 运行可靠 使用安全 发电规律性强 可预测 调度 比风力发电容易 广泛性 广泛性 生产资料丰富 地壳中硅元素含量位列第二 建设 地域广 荒漠 建筑物等 规模大小皆宜 免维护免维护 使用寿命长 20 50 年 工作 25 年效率下降 20 免维护 无人值守 清洁性清洁性 无燃料消耗 零排放 无噪声 无污染 能量回收期 短 0 8 3 0 年 二 光伏产业发展历程二 光伏产业发展历程 世界上最早开始研究太阳能要追溯于 1839 年法国物理学家贝 克勒尔首次发现光伏效应 并由爱因斯坦在 1904 年对其做出了理 论解释 且很快得到实验证实 1954 年美国贝尔实验室制成第一个 单晶硅光伏电池 1959 年第一个光电转换效率为 5 的多晶硅光伏 电池问世 1960 年 晶硅光伏电池发电首次并入常规电网 1969 年世界上第一座光伏发电站在法国建成 1975 年美国制作出非晶硅 光伏电池 1980 年代初 光伏电池开始规模化生产 1983 年美国 在加州建立了当时世界上最大的光伏电厂 1983 年世界光伏组件产 量达 21 3MW 1MW 106W 光伏产业显露雏形 1990 年以后 在能源危机和全球气候变暖的压力下 可再生能源越来越受到关注 德 美 日等国政府相继提出了光伏发电的 光伏屋顶计划 新 阳光计划 等 在政府的政策法规和行动计划推动下 全球光伏产 业以一个朝阳产业的面貌高速成长 同时太阳能光伏发电被誉为世 界十种能源中发展最快的能源 1990 年以后全球光伏市场的发展和转移经过三个阶段 第一阶 段 1996 年之前 美国光伏市场占全球市场份额达 32 1 年复合 增长率达 25 当之无愧地成为世界光伏市场中心 第二阶段 1996 2002 年间 日本光伏市场保持了 35 的年均增长 一跃成为 光伏市场最大消费国 近年日本市场小幅回落 但销售的存量仍位 居世界前列 2007 年光伏电站存量达 1GW 109W 左右 第三阶 段 2003 至今 欧盟成为绝对的市场主力 这得益于德国和西班牙 等国的光伏补贴政策 快速刺激了欧盟市场中心的形成 目前我国 有近 80 的光伏产品出口至欧盟地区 德 西 捷克 68 欧洲其它 9 日本 6 美国 7 其它 10 资料来源 EPIA 欧洲光伏产业协会 世界规模最大的太阳能光伏行业协会 图表图表 3 3 20092009 年光伏产品按地区安装比例年光伏产品按地区安装比例 三 光伏发电技术发展趋势三 光伏发电技术发展趋势 目前已经进入商业化竞争的光伏发电产业按电池技术路线分类 主要分为晶体硅光伏电池 薄膜光伏电池和聚光光伏电池 其中晶 体硅光伏电池是目前发展最成熟的在应用中居主导地位 太阳能电池根据所用材料的不同 还可分为 硅光伏电池 多 元化合物薄膜光伏电池 聚合物多层修饰电极型光伏电池 纳米晶 光伏电池 有机光伏电池等 图表图表 4 4 光伏电池分类及规模化生产转化效率光伏电池分类及规模化生产转化效率 1 多元化合物薄膜光伏电池 多元化合物薄膜光伏电池 多元化合物薄膜光伏电池材料为无机盐 其主要包括砷化镓 III V 族化合物 硫化镉 碲化镉及铜铟硒薄膜光伏电池等 硫化镉 碲化镉薄膜光伏电池的效率较非晶硅薄膜光伏电池效 率高 成本较晶体硅光伏电池低 并且也易于大规模生产 但镉有 剧毒 会对环境造成严重污染 因此并不是最理想的光伏电池 砷化镓 GaAs III V 族化合物光伏电池的转换效率可达 40 GaAs 化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收 效率 抗辐照能力强 对热不敏感 适合于制造高效单结电池 但 是 GaAs 材料的价格不菲 因而在很大程度上限制了 GaAs 电池的 普及 铜铟硒薄膜光伏电池 简称 CIS 适合光电转换 不存在光致 衰退问题 转换效率也较高 具有价格低廉 性能良好和工艺简单 等优点 将成为今后发展光伏电池的一个重要方向 唯一问题是材 料来源 铟和硒都是稀有元素 因此这类电池的发展必然受到限制 2 聚合物多层修饰电极型光伏电池 聚合物多层修饰电极型光伏电池 聚合物多层修饰电极型光伏电池以有机聚合物代替无机材料是 刚刚开始的一个光伏电池制造的研究方向 由于有机材料柔性好 制作容易 材料来源广泛 成本底等优势 对大规模利用太阳能 提供廉价电能具有重要意义 但以有机材料制备光伏电池的研究仅 仅刚开始 不论是使用寿命 还是电池效率都不能和无机材料特别 是晶体硅光伏电池相比 能否发展成为具有实用意义的产品 还有 待于进一步研究探索 3 纳米晶光伏电池和有机光伏电池 纳米晶光伏电池和有机光伏电池 纳米晶光伏电池转化效率可达 10 有机光伏电池转化效率可 达 6 转换效率还比较低 这两类电池还处于研究探索阶段 短 时间内不可能大规模商业化应用 4 聚光太阳电池 聚光太阳电池 聚光光伏电池最大优点就是高转换效率 30 40 以及较 小的占地面积 聚光光伏发电系统主要由高效聚光太阳电池 高性 能的聚光跟踪系统 有效的电池散热系统组成 由于高效聚光光伏 电池的技术路线尚未定型 聚光光伏发电规模化产业链也未形成 高性能的聚光跟踪系统和有效的电池散热系统的成本控制难度大 因而聚光光伏发电暂无优势可言 5 晶体硅光伏电池和薄膜光伏电池 晶体硅光伏电池和薄膜光伏电池 关于 晶硅 和 薄膜 孰优孰劣的讨论也很多 从市场表现 来看 05 年起 薄膜 市场份额开始不断增加 到 09 年达到了 18 数据来源 Solarbuzz 趋势相当可观 而且正是从 09 年开 始 发展 薄膜 的呼声也越来越高 一方面硅晶电池刚刚经历了 硅 价巨幅波动的事件导致各大厂家受损 另一方面 美国的 FirstSolar 公司异军突起 把薄膜电池推上了新高度 2010 年 国内 很多地方都上了薄膜项目 而一旦开始生产薄膜电池 问题也就暴 露出来 首先是技术门槛问题 晶硅 技术经历了多年发展 已经进 入成熟期 国内几个大型企业已经熟练掌握了晶硅电池的技术 并 且有了自己的技术创新和突破 而薄膜电池则不同 技术仍在不断 发展变化 特别是非硅薄膜电池技术 材料和工艺上都有很多技术 难关 国内的大多数企业并不具备足够的水平 还都只是探索阶段 却要面临在薄膜电池技术领先的 FirstSolar 公司和已经技术成熟的晶 硅电池双重压力 发展困难可想而知 其次是资金门槛问题 薄膜电池的设备投入比晶硅电池大 而 且所有配套设备都依靠进口 随着薄膜电池技术不断发展 生产设 备也随之更新换代 很容易造成设备投资上的浪费 近年来晶硅组件价格一路走低 与薄膜组件的价格已经很接近 薄膜组件的价格优势已不再明显 但 晶硅 对比 薄膜 仍然存 在高的转换效率和较长的使用寿命的优势 事实上 一些原打算开 展薄膜电池项目的企业 现在也都把项目放缓 尚德 英利 所 以薄膜电池想要真的发展 还是需要一定的时间 单晶硅光伏电池与多晶硅光伏电池相比转化效率高 单晶 18 20 多晶 16 18 成本高 由于其成本控制难度大 全面 胜出的可能性不大 6 太阳能光热发电 太阳能光热发电 除光伏发电外达到工程应用水平的还有太阳能光热发电 太阳 能光热发电的建设和运行门槛很高 我国在太阳能光热发电部件研 发上还几乎是空白 曲面反光镜 高温真空管 有机朗肯循环发电 机组 斯特林发电机组等 此外 与光伏发电不同 光热发电对于 环境也有更高要求 必须直射光 而且需要水冷却 这样在荒漠地 区 就无法满足 我国目前太阳能光热发电尚处于研究示范阶段 光热发电与常规电厂结合成互补电站 独立稳定工作的不多 示范 项目 江苏江宁县 70kW 示范电站 863 计划北京延庆 1M