太阳能光伏发电应用技术1绪论课件

1、太阳能光伏发电应用技术1绪论2022/7/172 第一章 绪论1.1 开发利用太阳能的战略意义1.1.1 化石燃料储量正面临逐渐枯竭的危机局面 随着世界人口的增长和经济的发展，对于能源供应的需求量日益增加，目前主要是靠化石燃料来提供。 然而，化石燃料的储量是有限的，全球石油可开采约45年，天然气大约61年，煤炭可开采约230年，铀大约71年。如果再考虑到现在世界石油消费量大约每年增长2%，这样每隔35年，消费量将增加一倍。 目前1/5的人口消费世界上75%的能源，发达国家人均石油消费量是最贫穷的全球一半人口消费量的15倍。 据世界卫生组织估计，到2060年全球人口将达100110亿。如果到时所

2、有人的矿物和能源消费量都达到今天发达国家的人均消费水平，则地球上35种矿物中将有1/3在40年内消耗殆尽，包括所有的石油、天然气、煤炭（假设为2万亿吨）和铀。2022/7/1731.1.1 化石燃料储量正面临逐渐枯竭的危机局面化石燃料生产(消耗)的峰值存在一个高峰， 高峰在什么时间？ 离现在还有多远？ 留给可再生能源技术发展的时间足够吗？！2022/7/1741.1.1 化石燃料储量正面临逐渐枯竭的危机局面 日本的预测 自天然气以下为化石燃料化石燃料生产峰值在20202030之间2022/7/1751.1.1 化石燃料储量正面临逐渐枯竭的危机局面世界油气资源的开采峰值对化石燃料开采峰值有决定性

3、影响，因此我们再观察几个对油气资源开采峰值的预测。 2002 ， Association for Study of Peak Oil (ASPO): 峰值位于 2010年2022/7/176Shell 的预测1.1.1 化石燃料储量正面临逐渐枯竭的危机局面2022/7/1771.1.1 化石燃料储量正面临逐渐枯竭的危机局面2001， BP，World Energy Forum in Davos : 峰值位于2010 ，30-40之后将消耗尽； 2000，World Resources Institute in Washington: 峰值位于 2019. 综合以上多种预测,化石燃料开采峰值位于

4、本世纪2030年代2022/7/1781.1.1 化石燃料储量正面临逐渐枯竭的危机局面我国一次能源的储量均低于世界平均值， 2004年进口石油约1.1亿吨，外汇支出比前一年增加了30%40%。 我国能源储量与世界比较2022/7/1791.1.2 保护生态环境逐渐受到人们的重视 随着全球很多地区气候变暖，自然灾害频繁发生，酸雨范围越来越广，高空臭氧层空洞扩大等现象的出现，使人们逐渐认识到治理大气环境，防止污染已经到了刻不容缓的地步。 现在单是CO2全球每年排放量就超过500亿吨，并且还在不断增加。按人口平均计算，美国每年的CO2排放量为20吨/人年，德国为12.3吨/人年，日本为8.7吨/人年

5、。 “京都议定书”对于工业化国家规定了减少温室气体排放量的指标。 我国能源消费只占世界的8%9%，人均排放量也不算高，但是人口众多，能源利用率不高，能源消费以燃煤为主，而且煤炭所含的硫等有害成分很高。 我国SO2排放量占世界的15.1%，为世界第一；C O2排放量占世界的13.6%，列世界第二。因煤炭燃烧而排放的 SO2、CO2、NOx和烟尘分别占全国相应排放量的87%、71%、67%和60% ，所以备受世界关注。 我国必须作出巨大努力，来改变这种状态。2022/7/17101.1.2 保护生态环境逐渐受到人们的重视2022/7/17111.1.2 保护生态环境逐渐受到人们的重视2003年全球

6、一次能源消耗结构比例世界中国煤炭 % 24.71 74.0 石油 % 38.47 15.2 天然气 % 23.72 2.7 核能 % 6.59 0.4 水电 % 6.51 7.7 2022/7/17121.1.2 保护生态环境逐渐受到人们的重视太阳能是取之不尽的清洁无公害新能源。安装1KW太阳能光伏发电系统，每年可以减少CO2排放量6002300 kg、NOx排放量16 kg、SOx排放量9 kg和微粒0.6 kg。 在我国太阳能每发1度电，扣除在生产太阳电池及设备的过程中所消耗的电力，可至少相当于减少CO2排放量1.14kg。 2022/7/17131.1.3 常规电网的局限性截止到2009

7、年：全球还有将近13亿人口没有用上电，约占全球人口的20%，主要分布在非洲和亚洲的发展中国家。我国800万人口没有电力供应。其中相当大部分处在经济不发达的边远地区，由于居住分散，很难用常规电网解决用电问题，没有电力供应严重制约了当地经济的发展。 作为不受区域限制的太阳能，是个理想的补充能源，光伏发电在这些地区大有用武之地，存在着巨大的潜在市场。 2022/7/17141.2 太阳能发电的特点1.2.1 太阳能发电的优点太阳能取之不尽，用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类消耗的能量大6000倍。只要在美国阳光丰富的西南部沙漠地区，建立一个面积为100哩100哩的巨型光伏电站，所发的电力可以满足

8、全美国的用电需要。太阳能发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。太阳能随处可得，可就近供电，不必长距离输送，避免了输电线路等损失。太阳能不用燃料，运行成本很低。太阳能发电没有运动部件，不易损坏，维护简单，特别适合于无人值守情况下使用。太阳能发电不产生任何废弃物，没有污染，无噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源。 太阳能发电系统建设周期短，方便灵活。而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，避免了浪费。2022/7/17151.2.2 太阳能发电的缺点地面应用时有间歇性和随机性，发电量与气候条件有关，在晚上或阴雨天就不能或很少发电。 能量密度较低，标准条件下，地

9、面上接收到的太阳辐射强度为1000W/m2。大规模使用时，需要占有较大面积。目前价格仍较贵，为常规发电的25倍。初始投资高。2022/7/17161.2.3 太阳能发电的类型太阳能光发电(光伏，PV，Photovoltaics)太阳能热发电（CSP，concentrating solar power） 大致可分为 槽式太阳能热发电 塔式太阳能热发电 碟式太阳能热发电2022/7/1717 槽式太阳能热发电2022/7/1718 槽式太阳能热发电原理图2022/7/1719 塔式太阳能热发电2022/7/1720近代太阳塔热发电2022/7/1721太阳塔热发电原理2022/7/1722 碟式太

10、阳能热发电2022/7/17231.3.1 光伏发展历史1839年 19岁的法国贝克勒尔做物理实验时，发现在导电液中的两种金属电极用光照射时，电流会加强，从而发现了 “光生伏打效应”1877年 亚当斯等在硒片上发现固体光伏效应，并制成了第一个硒光电池1883年 美国发明家弗里兹描述了第一个用硒片制造的太阳电池1904年 爱因斯坦发表光电效应论文1916年 密立根提供了光电效应的实验证据1918年波兰科学家切克劳斯基发展了一种单晶硅生长的方法1930年 郎格发表了“新的光伏电池” 同年 肖特基发表 “新的氧化铜光电池”1931年 布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电介液，在阳光下带动电动机1932年

11、 奥杜博特等制成第一块”硫化镉”太阳电池1941年 奥尔在硅上发现光伏效应1954年5月美国贝尔实验室恰宾、富勒和皮尔松宣布仅仅几个月后原来效率为4.5%的硅太阳电池已上升到6%，这是世界上第一个实用的太阳电池2022/7/17241.3.1 光伏发展历史2022/7/17251.3.1 光伏发展历史 美国贝尔实验室制成的第一批太阳电池2022/7/17261.3.1 光伏发展历史1955年11月霍夫曼电子半导体公司宣布可提供效率为2%的商业光伏产品， 每个电池14mw，价格为$25， 相当于$1785/W1957年霍夫曼电子公司硅太阳电池效率达到了8%1958年霍夫曼电子公司硅太阳电池效率达

12、到了9%1958年3月17日 太阳电池首次在空间应用，装备于美国的先锋1号人造卫星，功率为0.1W，面积约100平方厘米。运行了8年1959年霍夫曼电子公司商业应用的光伏电池效率达到了10%同年8月7日发射的探险者6号人造卫星配备了1cm2cm的太阳电池9600片1960年霍夫曼电子公司太阳电池的效率达到了14%1962年7月23日第一个商业通讯卫星发射，功率为14W1962年 砷化镓太阳电池光电转换效率达到了13%1963年 夏普公司生产出了实用的硅光伏组件同年，日本在灯塔上安装了一套当时世界上最大242W的光伏方阵，容量为242W1964年发射的大型气象卫星上装备了470 W光伏方阵202

13、2/7/17271.3.1 光伏发展历史1965年 格拉瑟提出了建造空间太阳能电站的设想1966年 发射的天文观察卫星装备了1kw光伏方阵1969年 薄膜硫化镉太阳电池效率达到了 8%1972年法国在尼日尔乡村学校安装了一套硫化镉光伏系统。同年 罗非斯基研制出紫光电池，效率达到了16%1973年德拉瓦大学建立了世界上第一个光伏与光热混合的户用屋顶系统: “太阳一号” ，实现了并网运行。同年砷化镓太阳电池效率达到15%1974年日本制定了发展光伏的“阳光计划 ” 同年Tyco实验室应用定边喂膜法制成了宽度为1英寸、 18英寸长的的硅带同年COMSAT研究所提出无反射绒面电池，硅太阳电池效率达到1

14、8%1976年 多晶硅太阳电池效率达到10%1976年卡尔松等制成了第一个非晶硅太阳电池，在面积3.5平方厘米上效率为1.1%19761985年和19921995年美国NASA刘易斯研究中心项目在世界各地安装了83套不同用途的光伏系统，如为疫苗冷藏、房间照明、通讯、水泵和教室的电视等提供电力2022/7/17281.3.1 光伏发展历史1977年世界光伏产量超过了500KW1978年NASA在亚利桑那州巴巴哥印第安人保留区安装了3.5KW光伏系统，为水泵和15户居民提供电力，这是世界上第一个乡村光伏系统,1985年通电网后，该系统专为社区水泵供电。同年 美国建成100KW太阳能地面电站1980

15、年单晶硅太阳电池效率达20%；砷化镓太阳电池效率达到22.5%；多晶硅太阳电池效率达到14.5%；硫化镉太阳电池效率达到 9.15%。同年美国ARCO Solar公司年产量超过1MW1981年5月在沙特阿拉伯吉达安装了8KW用于海水淡化装置1982年世界太阳电池产量超过了9.3MW。同年7月在美国达拉斯机场安装了20KW光伏和140KW光热混合系统。同年12月美国安装1MW光伏电站，使用了108个双轴跟踪装置1983年功率为1KW的太阳能汽车在澳大利亚用不到20天跑完了4000km ，最大时速72km/h ，平均24km/h。同年ARCO Solar公司在美国加州卡利萨平原建成6MW光伏电站，

16、占地120英亩，电力输入太平洋煤气电力公司电网，足够20002500户家庭使用。同年世界光伏产量超过21.3MW ，销售额超过2.5亿美元2022/7/17291.3.1 光伏发展历史1984年美国萨克拉门托市政公用公司管辖区(SMUD)关闭了核电站后，建成了第一个1MW光伏电站。同年英国BP Solar公司在南安普敦建成了30KW并网光伏系统1985年澳大利亚新南威尔士大学马丁格林等研制的硅太阳电池，效率超过了20%1986年6月ARCO Solar公司推出了世界第一个“ G-400”商业薄膜动力用太阳电池组件1990年 德国提出“ 1000个太阳能屋顶”计划，每个屋顶安装35KW太阳电池1

17、992年在南极洲安装了一套0.5kw光伏系统，配备2.4kwh蓄电池，为实验设备，照明，个人电脑，打印机和小型微波炉提供电力1995年 高效聚光砷化镓太阳电池效率达到32%1996年 BP Solar公司宣布碲化镉技术进入商业化生产。同年5月7日图森电力公司宣布已具备铜铟硒电池生产能力同年7月世界上第一架太阳能动力飞机穿越德国,机身上安装了3000片高效太阳电池,总面积21平方米2022/7/17301.3.1 光伏发展历史1997年 美国提出“百万太阳能屋顶”计划，到2010年要安装100万套同年，日本提出“新阳光计划” ，提出到2010年将生产43亿W太阳电池同年， 欧盟提出“百万太阳能屋

18、顶”计划，到2010年要生产37亿W太阳电池1998年单晶硅太阳电池效率达24.7%；全球多单晶硅太阳电池产量第一次超过单晶硅太阳电池1999年 日本太阳电池产量首次超过美国而居世界第一位2000年 全球太阳电池产量达278MW。日本三洋公司的非晶硅/单晶硅/非晶硅双异质结太阳电池效率超过21%2001年“太阳神号” (Helios)光伏动力飞机飞行高度超过了海拔30km ，创造了新的记录2022/7/17311.3.2 中国光伏的发展1958年天津十八所、中科院半导体所分别设立太阳电池研究课题。1960年天津十八所用酸洗冶金硅粉熔成多晶硅锭，制成的太阳电池雏形，效率为1%。1962年天津十八

19、所和半导体所各自试制成P+/n型单晶硅电池，效率6-8%。1963年-1964年间，十八所和半导体所紧密交流合作，P+/n电池效率突飞猛进。1020mm2电池效率稳定在12-13%。1968年半导体所承担空间太阳电池预先研究。十八所开展地面应用研究,曾为海岛驻军和唐古拉山无人气象站试制过1020瓦级组件。1969年半导体所停止硅太阳电池研发。我国第一颗装备太阳电池的卫星实践1号由天津十八所完成研制生产，卫星上装有1400多片1020mm2P型1.cm电池，AMO效率10% 。萌芽期（1958-1980年）2022/7/17321.3.2 中国光伏的发展1971年实践1号发射升空，在整个8年的寿

20、命期内，太阳电池功率衰降不到15%。1971年西安交通大学开始晶体硅太阳电池研究。1973年天津十八所为天津航道局装备十多只太阳电池航标灯，每只1千瓦，首次使用硅橡胶囊封构，成功地运行在高盐雾环境数年之久1973年天津十八所，长春应化所等开展以聚酰亚胺膜为衬底的硫化镕薄膜电池研究，效率最高6%。但在潮湿环境下衰降难以克服，几年后先后终止了研发。70年代中期，上海长宁电池厂开始搞太阳电池，经十多年发展壮大，后来组成上海航天局811所，先后为我国风云一号气象卫星，资源一号卫星，风云三号卫星等低轨道卫星研制生产太阳电池阵。天津十八所重点为东方红二号、东方红三号、东方红四号系列地球同步轨道卫星研制生产

21、太阳电池阵。1975年南开大学开始进行非晶硅薄膜太阳电池的研究。1975年宁波、开封先后成立太阳电池厂，电池制造工艺模仿十八所早期生产空间电池工艺。真空蒸发Ag-Al制作电极，蒸发一氧化硅作减反射膜。光电转換效率达10%。2022/7/17331.3.2 中国光伏的发展1975-1976年西安交通大学为华山气象站研制二台气象站用光伏电源1977年美籍学者方宝贤博士（波士顿学院教授）回国探亲，扶植起1971年成立的云南师范大学太阳能研究所，研发成功绒面、双面化学镀镍电极的低成本电池。1979年中国太阳能学会成立大会在西安召开。光伏专委会成立。1418所李文滋总工任首任专委会主任。1980年光伏委

22、员会在杭州举办首届学术会议。2022/7/17341.3.2 中国光伏的发展1981年首届中国光伏大会在北京举行。由中国航天学会光电专委会、中国电源学会物理电池专委会联合发起。1981年光伏专委会在云南师范大学举办首届光伏培训班。1982年高教部成立“地面太阳电池协作组”。西安交通大学、南开大学、四川大学、北京大学、浙江大学、南京工学院、北京工业大学、兰州大学、山东大学、武汉大学十所高教部直屬大学参加。进行地面用低成本晶体硅电池和非晶硅薄膜电池的研究。1982年国家科委制定“1981-1985年第六个五年计划”中首次列入光伏科技攻关项目。1982年国家科委成立“中国光电技术中心”原浙江科委昌金

23、銘副主任首任中心主任，开始了单晶硅/多晶硅电池和光伏系统应用的研究。幼苗明（1981-2000年）2022/7/17351.3.2 中国光伏的发展80年代后期开始引进太阳电池设备，丝网印刷电极取代蒸发或化学镀电极华美光伏电子公司引进Spire公司一兆瓦生产线云南半导体厂引进加拿大1MW生产线 宁波及开封购进1MW产能部分设备 哈尔滨克罗拉公司购进1MW非晶硅设备1986年国家计委在农村能源“1986-1990年第七个五年计划”中列出专题太阳电池，全国有6所大学和6个研究所参加。进行了晶体硅电池、配套及应用系统的研究。 1986年科技部组织北京有色总院、南开大学、山东大学等进行非晶硅薄膜电池科技

24、攻关。1986年由电子部六所建造的第一个056风光互补系统在内蒙赤峰建成1989年由电子部六所建造的第一个10光伏电站在西藏高原落成。2022/7/17361.3.2 中国光伏的发展从1986至2000年，中科院电工所做了许多小型户用光伏发电系统和100独立光伏电站等。1996年在上海交通大学举行了第五届中国光伏大会1998年在九华山举行了第六届中国光伏大会2000年在云南师范大学举行了第七届中国光伏大会1990-2000年间，一批新兴的光伏公司应运而生。中国各种光伏应用产品大量出口，在珠江三角洲一帶形成了出口加工基地。同时也引起了长三角地区和内地对光伏产业的兴趣。1998年开始执行世界银行/

25、中国可再生能源商业化项目，成立国家发改委世行项目办和中国可再生能源产业协会。极大地推动了中国光伏技术，尤其是产业化技术和应用技朮的进步。2022/7/17371.3.2 中国光伏的发展2000年以来，中国光伏技术实现了飞跃式的发展：由空间光伏 地面光伏独立电源并网发电从光伏作坊光伏工厂由国内市场国际市场 尚德率先在美国上市，带动了一批海内外光伏上市公司2007年中国出口了1GW的光伏电池，这说明了中国的光伏技术已经得到了世界的承认 2013年3月18日，无锡尚德太阳能电力有限公司债权银行联合向无锡市中级人民法院递交无锡尚德破产重整申请。据介绍，截至2月底，包括工行、农行、中行等在内的9家债权银

26、行对无锡尚德的本外币授信余额折合人民币已达到71亿元。3月20日，无锡市中级人民法院依据破产法裁定，对无锡尚德太阳能电力有限公司实施破产重整。成长期 （2000至今 ）2022/7/17381.3.3 世界光伏生产与市场 历年世界太阳电池产量年份197719821983198419851986198719881989产量MW0.59.321.625.024.427.529.135.042.22022/7/17391.3.3 世界光伏生产与市场2004年世界太阳电池产量美国日本欧洲其他共计百分比 %单晶硅平板电池85111115.829.6341.429多晶硅电池14.2393.51581046

27、69.256非晶硅室外应用14108.6739.6非晶硅室内应用7.57.5晶体硅聚光电池0.50.5硅带电池1625413.4碲化镉电池67131.1铜铟硒电池330.3微晶硅/单晶硅20201.7异质结电池(HIT)60605总计(MW)139602314.41401195.21002022/7/17401.3.3 世界光伏生产与市场世界光伏应用领域1993199619971998199920002001200220032004消费产品18222630354045606570美国离网户用58910131519202530世界离网户用8151924313845607580通讯应用162328

28、31354046607580离网商业应用10121620253036455065并网户用/商业27273660120199270360610中心电站(100kw)22222555820总计(MW/y)61891261532012883955206589552022/7/17411.3.3 世界光伏生产与市场世界光伏市场的发展2022/7/17421.3.3 世界光伏生产与市场2030年世界光伏应用分类预测2022/7/17431.3.3 世界光伏生产与市场2003年 主要太阳电池生产公司所占份额 2022/7/17441.4 一些国家的太阳屋顶计划1. 美国 1997年6月26日美国总统克林顿

29、宣布，为了达到2012年使温室气体排放量比1990年减少7 的目标，采取的一项重要措施是实施“百万太阳能屋顶计划” ，在2010年前，要在全国的的住宅、学校、商业建筑和政府机关办公楼屋顶上安装100万套太阳能装置，光伏组件累计用量将达到3025MW，产生的电力相当于新建35个燃煤的发电厂。 美国百万屋顶计划指标2022/7/17451.4 一些国家的太阳屋顶计划2. 欧盟：在1997年提出目标到2010年要由可再生能源提供总能源消耗的12%和电力供应的21%。为此在欧盟范围内要安装100万套太阳能光伏发电系统，其中50万套为屋顶并网光伏系统，另外50万套是独立光伏系统，为乡村供电。在 2010年前要累计安装太阳能光伏系统3000MW，大约是1995年产量的100倍，发电量大约2.43.5TWh。3. 德国：在1990年率先宣布并实施“1000屋顶”计划，开始并不顺利，后来政府实行补贴政策，在结束时安装了2056套， 超额完成。在此基础上，1999年开始实施“十万屋顶”计划，实行低息贷款，并且以0.5