太阳能光伏发电概述课件

太阳能光伏发电概述张立强2009.5.5本课内容光伏发电简介及应用世界光伏发电发展历史我国光伏发展历史太阳能光伏产业组成太阳能光伏发电现状及展望我国太阳能发电规划1、光伏发电简介及应用目前人类对石油和煤炭等传统常规能源的依赖性过大，太阳能等新能源开发利用则严重不足。世界传统常规能源正处于开采和使用高峰期并将逐步走向衰落，能源结构必须发生根本性变革—可再生能源所占比例将逐步上升。作为最具可持续发展特征的太阳能光伏发电，将成为未来基础能源的重要组成部分。光伏技术简介通过太阳能光伏电池将太阳能转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统（或太阳能电池发电系统）。太阳能电池是太阳能光伏发电的基础和核心，是一种利用光生伏打效应将光能转变为电能的器件，又叫光伏器件。目前广泛采用的光电转化器件是晶体硅太阳能电池，生产工艺成熟，已经进入大规模产业化阶段。太阳能光伏发电技术应用途径太阳能光伏发电系统的运行方式可分为离网运行和联网运行两类。未与公共电网相联接的太阳能光伏发电系统称为离网太阳能光伏发电系统，又称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，如偏僻农村、牧区、海盗、高原、沙漠的农牧渔民提供照明、看电视、听广播等基本生活用电，为通信中继站、沿海与内河航标、输油输气管道阴极保护、气象台站、边防哨所等特殊处所提供电源。与公共电网相联接的太阳能光伏发电系统称为联网太阳能光伏发电系统，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，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。其中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各国发展的热点。我国目前的光伏产业主要在两方面发挥作用：一是国家示范项目、民心工程和国际合作项目，如“西藏无电县建设”、“送电到乡”、“光明工程”等项目的建设。另外，就是无电地区通信、卫星信号的传输和接收，以及输油、输气管道的阴极保护等系统所用的电源。还有极少部分用作带有“科技示范效应”的路灯、广告牌、草坪灯等电源。太阳能汽车太阳能手机光伏灯源光伏系统屋顶太阳能光伏系统RailwaystationinGermany.光伏发电站与跟踪装置One-axissolartrackingsystemusuallygenerate30%moreenergy,Two-axissystemgotevenmore.空间太阳能电站2、光伏电池的发展历史太阳能光伏发电的最核心的器件是太阳能电池。太阳能电池已经经过了160多年的漫长的发展历史。从总的发展来看，基础研究和技术进步都起到了积极推进的作用，至今为止，太阳能电池的基本结构和机理没有发生改变。1839年法国实验物理学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应，简称为光伏效应1877年制作第一片硒太阳能电池。1883年美国发明家CharlesFritts描述了第一块硒太阳能电池的原理。1904德国物理学家爱因斯坦发表关于光电效应的论文。1921年由于提出的解释光电效应的理论获得诺贝尔物理奖。1951年生成p-n结，实现制备单晶锗电池。1955年西部电工开始出售硅光伏技术商业专利，1958年美国信号部队制成n/p型单晶硅光伏电池，单晶硅电池效率达到9%；第一个光伏电池供电的卫星先锋1号发射，光伏电池100c㎡，0.1W,为一备用的5mW话筒供电。1960年实现单晶硅电池效率达到14%。1963年Sharp公司成功生产光伏电池组件；日本在一个灯塔安装242W光伏电池阵列，在当时是世界最大的光伏电池阵列。1973年美国特拉华大学建成世界第一个光伏住宅。1974年日本推出光伏发电的“阳光计划”；1979年世界太阳能电池安装总量达到1MW1982年世界太阳能电池年产量超过9.3MW1983年世界太阳能电池年产量超过21.3MW；名为SolarTrek的1KW光伏动力汽车穿越澳大利亚，20天内行程达到4000Km1990年世界太阳能电池年产量超过46.5MW1998年世界太阳能电池年产量超过151.7MW2004年世界太阳能电池年产量超过1200MW3、我国太阳能光伏发展历史1958年我国开始研制太阳能电池。1959年中国科学院半导体研究所研制成功第一片具有实用价值的太阳能电池1971年3月在我国发射的第二颗人造卫星——科学实验卫星实践一号上首次应用太阳能电池1979年我国开始利用半导体工业废次硅材料生产单晶硅太阳能电池1980年~1990年期间我国引进国外太阳能电池关键设备、成套生产线和技术到20世纪80年代后期，我国太阳能电池生产能力达到4.5MW/年，初步形成了我国太阳能电池产业2004年我国太阳能电池产量超过印度，年产量达到50MW以上2005~2006年，我国的太阳能电池组件产量在100MW/年以上，我国成为世界重要的光伏工业基地之一，初步形成一个以光伏工业为源头的高科技光伏产业链随着我国“可再生能源法”的实施，我国太阳能光伏发电将得到快速发展。预计在3~5年内我国在太阳能光伏电池研发、生产、应用产品开发将形成一个世界级的产业基地，并将在国际太阳能光伏工业产业中占据重要的地位4、太阳能光伏产业组成4.1完整产业链的构成：4.2生产过程太阳能电池需要高纯的原料，要求硅材料的纯度至少99.99998%。即一万个硅原子中最多允许2个原子存在,一般采用7个9的硅。硅片尺寸：100mmX100mm，厚度220、240、330微米。原料：二氧化硅将此熔化并除去杂质就可制取粗级硅，也称冶金级硅材料提纯处理相当昂贵和生产成本很高,金属合金需要的冶金级硅杂质约1-2%）大约8-10元/kg,而太阳电池用的硅材料价格要高几十倍.从二氧化硅到适用于制作太阳电池用的硅片，要经过漫长的生产过程，涉及多个生产工艺和过程，一般可大致分为：二氧化硅—冶金级硅—高纯三氯氢硅—高纯多晶硅原料—单晶硅棒或多晶硅锭—硅片—太阳电池—电池组件。二氧化硅—冶金级硅二氧化硅是硅材料的原料，我国高氧化含量的石英和硅石藏量丰富，分布很广，全国各地几乎都发现有高品位的含氧化硅矿的含量大都在99%以上。工业上是通过电弧炉，将二氧化硅通过与还原剂炭反应形成初级硅，也称冶金级硅，具体反映如下：SiO2+2C==Si+2CO电弧炉中反应，液态硅，凝固并粉碎得到冶金级硅粉，纯度97-98%，含有大量的金属杂质：铁、镍、铜、锌等，主要用于冶金和化学工业。冶金级硅电能消耗为12KWh/kg.多晶硅为了得到高纯的硅材料，工业上是将冶金级硅经过破碎研磨后成为硅粉，通过酸洗，再通过化学反应变成硅的氯化物或氢化物，然后通过化学或物理提纯方法纯化氯化物或氢化物，最后采用氢还原法或热分解法，将高纯的硅的氯化物或氢化物转变成高纯硅。早期生产采用SiCl4，经精馏法，利用混合液中各种成分沸点不同将SiCl4与其他组分分离。也可采用硅烷（SiH4）经精馏、吸附等提纯三氯氢硅提纯反应采用流化床工艺，将硅粉与氯化氢反应生成三氯氢硅液体，由于液体可通过蒸馏去除杂质，工业上采用蒸馏塔，经过多重精馏，可得到12个9纯度的三氯氢硅，这是半导体和太阳电池工业的高纯多晶硅材料的原料。目前，高纯多晶硅生产工业上广泛采用三氯氢硅还原法，也称西门子法。将高纯SiHCl3液体用高纯气体送入含有大量氢气的还原炉中，还原炉中设置细长硅芯，硅反应后沉积在硅芯表面，经过大约一周的时间8mm的硅芯生长到150mm左右多晶硅经过熔化、提拉制作单晶硅棒单晶硅棒用多线锯切割为0.2-0.3mm的硅片目前多用多晶硅制作太阳能电池，成本低，产量大经过多晶硅浇铸炉制成多晶硅锭，切割成不同规格的硅砖：100mm,125mm或150mm。硅砖经多线切割制成硅片。硅片经扩散制成PN型半导体材料封装组合制成太阳能电池4.3我国多晶硅产业现状最近5年，世界太阳电池产量年平均增长率为49.5%。我国太阳能电池的产量近几年持续保持高速增长，2007年中国太阳电池产量达到1088MW，占世界总产量的27.2%，一跃成为世界第一大生产国。根据《中国可再生能源学会》预测，我国2010年太阳能电池产量将达到2500MW，需要太阳能级高纯硅材料约2.5万吨。我国多晶硅产量2005年仅有60吨，2006年也只有287吨，2007年为1156吨。市场严重供不应求。

在2005年以前，全球多晶硅的总产量在2.8万～3万吨之间，供需基本平衡，绝大部分供给电子工业当时供给电子工业的多晶硅市场价为30～35美元/千克，供给光伏产业的多晶硅市场价为20～25美元/千克。自2005年开始，全球光伏产业的多晶硅使用量首次超过了电子工业。由于市场需求旺盛，多晶硅出现了全球性的短缺，价格一路上扬，最高时竟达到500美元/千克(国内以人民币交易时达到3500元/千克)。这使得多晶硅的价格严重背离其价值。受经济利益驱使，自2005年年初至2008年10月，全国约有16个省市参与了多晶硅项目的招商引资、审批立项和开工建设，有33个项目已进入实质性的实施阶段，已有10多个项目陆续建成和投产，预计已建成的多晶硅总产能在3万吨/年以上。我国多晶硅的年产量在2007年首次突破1000吨大关，当年实际产量约1100吨。多晶硅提纯技术被美国、日本、德国垄断，尤其是改良西门子法，采用闭环生产，能耗低、污染小、成本低。国内上马的多晶硅生产工艺多从俄罗斯引进，高能耗、高污染、高成本。甚至国内成本价高于国外售价，随着供需逐渐平衡，对国内多晶硅产业造成重大的打击。5、近年光伏工业发展现状及发展预测世界光伏工业1997年至2001年，５年的平均年增长率达35.5％到2004年底，世界光伏发电的累计装机容量达到4330ＭＷ。在产业化方面，光伏企业的生产规模从10～50MW/a，发展到50～100MW/a商品化晶体硅光伏电池的效率，从10％～13％提高到13％～17％。近年来，世界光伏电池组件的生产成本降低三分之一左右，为2.5～3.0美元/Wp362007年太阳能光伏发电增长迅速

---生产量达到了400万千瓦37日本、欧洲和中国主导了世界光伏发电产业

----中国成为世界光伏电池生产大国国家和地区2006产量（MW）2006年地区排名2007年产量（MW）2007年地区排名日本926.919203欧洲680.321062.82中国547314561美国179.64266.14其它140

294.1

合计2473.8

4000

38我国光电制造业和市场需求392008年发展现状的初步分析光伏发电继续快速增长光伏电池产量达到600万千瓦增速达到45%中国达到了250万千瓦，约占世界产量的40%40当前，世界各国支持可再生能源发展的政策没有变化，可再生能源产业发展增长趋势不会发生大的变化

41美国首先是美国国会延长了可再生能源发电补贴政策，2009年风电等可再生能源发电上网的退税政策得以延续，美国可再生能源发电市场的发展得到了法律的保障；奥巴马的救市计划包括了大约500亿美元的新能源项目，其中100亿美元用于可再生能源项目的担保。42欧盟二是，欧盟各国的可再生能源发展目标得到各自政府的批准，可再生能源市场需求得到保障43

日本三是，日本恢复了停滞了两年的光伏发电补贴政策，日本光伏发电市场将重新启动，上网电价每千瓦时从原来的23日元提高到50日元44中国中国政府进一步规范了可再生能源发电上网电价（国家发改委价格司核准了10多省区、70多个项目的风电和光伏发电项目的上网电价和提高了生物质发电上网电价），规划6个千万千瓦的风电基地，启动了大型光伏并网发电项目的特许权招标，可再生能源发电市场环境得到一定的改善国家发改委发批复核定内蒙古鄂尔多斯伊泰集团205千瓦太阳能聚光光伏电站和上海崇明前卫村太阳能光伏电站上网电价为每千瓦时4元(含税)。45遭受金融危机冲击最大的也可能是光伏发电企业与年初相比，在美国上市的光伏发电企业的市值下降幅度均在80%以上，大型企业的快速扩张可能受阻；中小型企业的增长将更加困难，除少数具有价格竞争优势的企业之外，国内一批多晶硅原材料生产企业，可能面临更加残酷的市场竞争。2009年我国和世界光伏发电市场虽然会仍然保持增长的势头，但是，增速将大幅度下降，进而转变为消化近年来形成的市场泡沫，整个行业开始重新洗牌不无可能。46未来发展趋势的估计2015-2020年期间，光伏发电成本下降到1.5-2元/千瓦时左右，具备了大规模发展的基础聚光太阳能发电商业化加速，某些专家认为，2015年左右可能与风电相比较我国太阳能光伏发电主要问题产能过剩两头在外关键技术缺乏48我国光电制造业和市