崔容强论述光伏技术路线和太阳能电池发电原理

1、本文由cchwO41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For pers onal use only in study and research; not for commercial use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

2、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For pers onal use only in study and research; not for commercial use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 1:92020 2

3、:82030 3:72040 4:62050 5:52100 8:2Data 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

4、高于 GD增长率（2）工业用，交通用能源是能源消费的主要部分 . 能源利用率有待提高. 生活用能源平均水平低于国际平均值，但增幅很快. 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 .

5、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 ，

6、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

7、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1.4 X 106 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

8、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

9、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 SolarCell) 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

10、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)30III-V multijunct.Efficiency h %25 20 15 10 5 0 single c-SiCuInSe 2 CdTestacked 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

11、%,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 5.57.5%. 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,卩c-Si生长速度2.5nm/s大面积:s=2 x 2m2,n =8% 柔性电池：n =8%,s=0.9cm2Metal contact n+ a-Si：HI a-Si：H p+ a-Si：H TCOGlass SubstrateCIS 电池 n =17%（1cm2） n =18%（10cm2） n =16

12、% 柔性衬底 n =15%（27.1cm2）川-V族：砷化镓铟电池（2010年）钛膜柔性衬底 3级电池效率n =35%（1个太阳）;n =45%（1000倍聚光）组件效率36%（1000倍聚光）,光学效率8%,散热效率0.2k cm2/W4级电 池效率 n =39%（1 个太阳 ）; n =48%（1000 倍聚光 ）dye layer + +V 0 +electrolyte + + +platinum layer + glassseal glassTiO2 filmSnO2 layer光敏化电池3I - I 3+ 2 e叠层电池n =15%(1cm2)高稳定性 DSC电池n =8%(30x

13、30cm2),初始衰减10%柔性薄膜 有机光敏化电池 n =10%(1cm2) ac-Si：H 非晶硅/光敏化叠层电池 n =12%(100cm2)e-第三代纳米 nc-Si/SiC 电池-n 9%,Voc=0.65-1.05V有机薄膜太阳电池-叠层有机薄膜电池 n =5%(1cm2,2007年);n =8.5%(2009年)-富勒球有机薄膜电池 n =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

14、电池市场份额1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 200740.837.434.636.432.2other36.238.443.442.2Ribbon C-SiCISa-Si/Uc-SiCdTeMulti-C-Si42.148.250.251.657.254.7Mono-C-Si52.346.545.20.5 12.3 4.10.3 9.6 4.30.5 8.9 5.60.7 6.4 4.61.1 4.5 4.41.1 4.4 3.31.4 4.7 2.92.7 4.7 2.64.7 5.2 2.25.3 评价光伏发电的基本指标 9.2.1 光伏电站

15、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

16、海能源3.便携式能源14.道路能源4.削峰能源探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 厶9.分布式能源厶 10.战略储备能源厶 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 20077.2.1 中国光伏发电量与中国发电总量比较规划年份小水 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

17、KW20043 400 1 000 76 11.4 200 51.8 6.520105 000 1 545 500 105 550 212 3020207 500 2 300 3 000 690 2 000 835 180203010 000 3 200 10 000 2 300 5 000 2 250 1 000205020 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0.786.5(3)4.210(4.2)21.616(8)14020(14.6)1 50030(22.5)注：按照1KW.h=350g标准煤折算

18、，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

19、0.015 0.1 20200.048 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 . 20087. 4.1 2008全球十大太阳电池厂商 (MW预测Data Resource：Photon International March.20087.4.2 2007 年全球十大组件厂生产统计 (MW)Data Resour

20、ce：Photon International March 20087.4.3 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 20087.5 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 University7.5.2 全球光伏组件价格预测2005 20062.6 58% 4.1 4.3 16% 7.8 9% 2020

21、074.0 53% 3.9 4.1 -5% 7.5 -3% 3020086.1 54% 3.6 3.8 -7% 7.0 -8% 43200910.2 66% 3.5 3.7 -4% 6.6 -6% 67201015.1 48% 3.3 3.5 -4% 6.2 -5% 94201120.5 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% 12Da

22、ta Resource :Photon International January 20087.5.3 2010 年太阳能光伏发电成本下降趋势Data Resource: Based on Photon international7.5.450Yen/kWh 日本光伏发电目标2002 2007 2010Grid-Connected PV with Higher Degree of AutonomyRechargeable Battery Backup System 2320202030 Less-dependent on Grid from Individual to ClusteredLar

23、ge System Long Life BOS Active Grid Control Emergence of New Materials /kWh77 円 Yen/kWhElectricity Cost30kWh/Yen Bulk Si & Thin-Film Si/ Compound円23kWh /14 円 / kWh 14 Yen/kWhYen/kWh Cost Reduction by Technology Generation ChangeVery-Thin Cell/ Multi-junction New Material/Structure Ex.: Dye-sensitize

24、dPV System Deployment Images (Examples)Residential IndustrialOverseasConventional 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 SolarHome

25、 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-

26、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第三阶段一一沙漠光伏电站：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$/Wp8. 4 大规模光伏发电的五个阶段 第四阶段滨海光伏电站 :10MW-10GW, 靠近沿海经济发达城市供电 .节省输电成 本,发展电解制氢 ,贮氢规模化生产 , 启动氢能经济和海洋经济；价格:1-1.5$/Wp第五阶段道路光伏电站 :10GW 1000GW建设道路光伏顶棚电站,发展电动交通；价格:1$/Wp8.5 光伏产业和蓄能产业巨大发展 8.6 光伏电池价格充分低廉 8.7 光伏电池生产及回 收处理技术完善九 中国光伏发展思考1 光伏发电系统是一种不需要核燃料的太阳能 增值堆 , 从某 种意义上来说太阳能光伏 发电是迄今为止最为理想的发电方式 . 若 与储能技术与电力平衡技术相结合 , 光伏能源就是 一种理想的战略 能源 .2 中国有丰富的太阳能资源 ,丰富的硅矿石资源 ,丰富的劳动力 资源,巨大的未来光伏市场, 并已初具光伏发电产业基础.这些因