现代光电技术-8-光伏技术-1F

1、现代光电技术-5Company Logo太阳能电池（一）Company Logo（一）概述常规能源耗尽年份Company Logo各种发电方式温室气体排放量契机 全球变暖问题京都议定书的签订-1997 （1）核能 核电站的工作原理 原子核是由带正电的质子与不带电的中子组成的，质子与中子统称为核子。一般情况下，原子核为什么如此稳定，就是因为核子之间存在着强大的核力。要使原子核分裂或者重新组合相当困难，但是，一旦原子核分裂成新的原子核与其它粒子了，或者原子核与核子聚合成新的原子核与其它粒子了，都会产生巨大的能量，这种能量就称为核能，俗称“原子能”。前者的变化过程称为“裂变”，后者的变化过程称为“聚

2、变”。而且，聚变时产生的能量要比裂变时产生的能量大得多（就像氢弹爆炸时释放的能量要比原子弹爆炸时的能量大得多); 但是，聚变过程也更难控制。目前正常运行的核电站都是属于裂变核电站。1.新能源的利用 目前世界核电站的状况 经过50多年的发展，核电已成为30多个国家能源组成中不可或缺的部分。全世界正在运行的核动力堆已超过440座，总装机容量超过387千兆瓦，其中法国核电占其国内总电力的74.6%，比利时56.8%，韩国44.7%，瑞典39%，日本33.8%，德国30.6%，英国22%，美国20%，俄罗斯16%，中国仅为1.1%。 目前中国核电站的状况 已运行的核电站：1）秦山核电站（浙江嘉兴的杭州

3、湾畔）一期工程（30万KW， 1994年商业运行，）、二期工程（260万KW，2002年商业运行）、三期工程（270万KW）2）大亚湾核电站（广东深圳大亚湾） （2984MW）；3）田湾核电站（江苏连云港田湾）（2106万KW，05年建成投产）4）岭澳核电站（广东大亚湾西海岸大鹏半岛东南侧）（2100万KW 04年投入商业运行），二期工程正在建设中。 正在建设中的核电站有： 1）阳江核电站（广东西南沿海的阳江市东平镇沙环村）（6100万KW ）； 2）三门核电站（浙江台州市三门健跳镇猫头山半岛上南部）（6100万KW）； 3）海阳核电站（山东海阳冷家庄）; 4）宁德核电站（福建省宁德市辖福鼎市

4、秦屿镇的备湾村）； 5）福清核电站（福建三山镇前薛村） 6）红沿河核电站（辽宁瓦房店市东岗镇）。等等。特别要指出的是，正在建设中的核电站大多采用的是第三代核技术，技术含金量高，效率与安全系数高； 秦山一期核电站 秦山二期核电站 广东大亚湾核电站核电站的优点与不足 1）核电站的优点a) 核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中,因此核能发电不会造成空气污染,不会产生加重地球温室效应的二氧化碳； b) 核能发电所使用的是铀燃料，而全球铀的蕴藏量相当丰富； c) 核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年只

5、需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送； d) 核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。2）核电站缺点: a) 核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对大的政治困扰。 b) 核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境里，故核能电厂的热污染较严重 c) 核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高； d) 核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果设计不合理或操作不当而造成核泄漏事故，会对生态及民众造成伤害甚至严重伤害。前苏

6、联的切尔诺贝利核电站1986年4月的核泄漏事故对周边地区的生态环境造成了相当严重的影响。 （2）风能 风能是利用空气强烈的流动而形成的动能。严格说来，他是间接形式的太阳能，占到达地面太阳能的2%左右。虽然百分比不大，但绝对量可观，相当于10300亿吨煤蕴藏的能量。风能的利用分两种： 风能的动力利用：利用风力作为动力，直接带动各类机械系统。例如，风帆； 风能的发电利用：利用风力带动发电机发电。例如,风力发电机。 风力发电机的优点是明显的：成本低，污染少；但是缺点也是明显的：风力不稳定，受季节性影响大，储存与传输难等。风力发电从风力发电的技术状况以及实际运行情况表明，它是一种安全可靠的发电方式，随

7、着大型机组的技术成熟和产品商品化的进程，风力发电成本降低，已经具备了和其他发电手段相竞争的能力。 2005年，我国政府将2020年风电的发展目标从原来的2000万千瓦提高到3000万千瓦；2006年1月1日生效的可再生能源法亦为中国发展可再生能源，包括建立一套风电价格机制以促进风电发展提供了法律框架。现状分析目前全世界风电装机容量达到490万千瓦，而且还在以年均60的速度增长。我国风能资源丰富，这十几年来，对风能资源状况作了深入的勘测调查，全国可开发利用的风能资源总量为2.53亿千瓦。风电是以几十台、几百台，甚至几千台同时运转来实现风能大规模转换为电能的。具最新资料统计:美国风电装机容量己达1

8、87万千瓦，德国103万千瓦，丹麦61万千瓦，特别应该指出的是印度通过这两年的努力，风电已达60万千瓦。 2006 200720082010风能上马项目很多，但是发电量和上网电量都很少，大量风场资源被闲置。我国电力装机4250万千瓦，风电仅有123.89万千瓦，占2.9%。风电占比将达到5%，15年内，全国将实现电力资源风电互配的局面全国风能装机将达到2770万千瓦。分布我国风电装机主要分布在内蒙、吉林、辽宁、河北等21个省份（直辖市）新增地区与2006年相比2007年装机省份（直辖市）新增的有北京、山西、河南、湖南、湖北总量2007年我国装机总量为590万千瓦，与2006年相比增长了127%

9、新疆达板城风电站新疆达板城风电厂是中国第一个大型风电 厂。截止至 2008年安装有200多台风车，年发电量为1800万瓦。南澳风力发电站 截止至2007.12，南澳岛上已安装各型风力发电机组185台，总装机容量9.9万千瓦，年可发电2.2亿 千瓦时，为亚洲最大的海岛风电场。 风力发电酒泉建全球最大风力发电基地打造陆上三峡/news/view/1310458/我国风电制造业的发展产品结构中国目前风电场装机大都属于兆 瓦级以下的定桨定速型风机。市场需求趋势已向兆瓦级以上风电机组发展，其中主力机型是1.5MW 风电机组。重点企业目前中国风电机组整机开发和研制的内外资企业有40多家，其中内资企业主要有

10、新疆金风、北京华锐（大连重工）、东方汽轮机厂等。风电成本在国际上风电单位千瓦造价一般为1000美元，发电成本可做到67美分。国内大中型水电站的单位千瓦造价7000一8000元；火电站如果加上脱硫脱氮等环保设施的话，千瓦造价也要超过7000元。应该说风电具备了和其他电源比较的能力，它的造价和电价是可以接受的。风电发展存在的主要问题风能资源评价还不精细自主创新能力弱上网电价有待调整公共技术服务体系尚未建立风电技术标准认证尚需完善主要问题 （3）海洋能 海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能和海水温差能。海洋波浪能、海流能也可以用来发电，目前相对地说容量不大。 海洋潮汐能来源于月亮与太阳对地球海水的的吸引

11、力以及地球的自转引起海水会周期性地作有节奏的垂直涨落的现象。据统计，全球海洋潮汐能的储藏量在27亿千瓦左右，每年的发电量可达33480亿千瓦； 目前，法国、英国、美国、加拿大、俄罗斯和阿根廷等国度已经建造了潮汐发电站。我国也在浙江的江厦与广东的汕尾建立了潮汐电站。 葡萄牙的“海蛇”海浪发电站 浙江江厦潮汐电站 广东汕尾潮汐电站 由英国安装的世界首台潮汐发电机（4）地热能 地球是一个巨大的热库，通过火山爆发和温泉等途径将内部的热量地热能不断地输送到地面。据估计，每年输送到地面的热能相当于燃烧370亿吨煤释放的能量，数量相当惊人。 若严格的区分的话，地热能又分为地下热岩地热能与地下热液地热能两种。

12、 目前开发的大多是地下热液地热能。地热能既可以直接的地热供暖，也可以地热发电，例如，我国西藏的“羊八井”电站。 我国的地热资源比较丰富，主要分布在西藏、云南与台湾等地。我国每年直接利用的地热资源量居世界首位。 西藏“羊八井”地热电站 云南大理地热国 （5）生物物质发电 丹麦是世界上第一个研究开发生物质发电的国家。1973年的石油危机促使需要依靠大量石油进口的丹麦进行生物质发电的研发工作。在政府大力扶持下，于1987年丹麦建立了世界上第一个秸秆生物燃烧发电厂。到目前为止，丹麦已经有130多家秸秆发电厂。 我国是个农业大国，有着丰富的秸秆。 国家发改委大力支持发展生物质发 电项目。河北晋州的秸秆发

13、电项已经上马，其他省也紧紧跟上。不久的将来，我国生物质发电项目将会在全国遍地开花。 还有利用牛粪产生沼气发电也大有前途。 河北晋州的秸秆发电厂 广西隆安的生物质发电厂太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。太阳的总辐射能量约为 3.751026W。太阳能辐射到地球大气层上界达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。 太阳每三天向地球辐射的能量，就相当于地球所有矿物燃料能量的总和。 （6）太阳能 太阳向宇宙空间辐射出巨大的光热能量 此图根据蒲提斯的太阳系形成理论所绘 地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即

14、使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。 广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。 美国科学美国人杂志在1971年7月刊登的“地球的能量资源”一文中提供了如下数据：到达地球表面的太阳辐射能的几条主要去路：直接反射52000109kJ/s以热能方式离开地球81000109kJ/s水循环40000109kJ/s大气流动370109kJ/s光合作用40109kJ/s太阳能流图太阳能利用概况和特点太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/m2。地球赤道的

15、周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173,000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/m2，相当于有102,000TW的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外）虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。 太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.751026W）的22亿

16、分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。 它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：无枯竭危险；绝对干净；不受资源分布地域的限制；可在用电处就近发电；能源质量高；使用者从感情上容易接受；获取能源花费的时间短。Company Logo全球能源消费组成展望图太阳能-光伏发电是真正的最终解决途径！3.太阳能的利用Company Logo太阳能发电 户用光伏发电系统 ；建筑物一体化的屋顶太阳能并网光伏发电设施 ；较大规模的太阳能光伏电站和太阳能热发电电站。 太阳能热利用 太阳能一体化建筑；太阳能集中供热水工程；太阳能采暖和制冷示范工程。 42

17、（1） 太阳能热发电技术太阳能热发电的类型和特点太阳能热动力发电，利用反射镜或集热器将阳光聚集起来，加热水或其它介质，产生蒸汽或热气流以推动涡轮发电机发电；利用热能直接转换为电能的装置，将聚集的太阳光和热直接发电。例如温差发电、热离子发电和磁流体发电等。目前太阳能热发电技术主要为热动力发电系统。43太阳能高温利用示例集中热动力发电 44太阳能是一种能流密度很低的能源，若要提高经济效益，就必须提高热机效率和规模大型化。太阳辐射能很容易以极高的效率转换为热能，但把热能转变为功则受到限制。热力学第二定律和卡诺定律阐述了热转换为功的条件和最大转换效率，提高热机效率的主要途径是提高热源温度。45太阳能热

18、发电系统塔式电站碟式电站槽式电站太阳能烟囱发电系统46Power tower in Barstow, California 47Power tower in Barstow, California 48(a)塔式电站 Power Towers 塔式电站用一个中心吸收器取代火力发电站的锅炉。吸收器利用由许多反射镜聚集的阳光把其中的介质(如水)加热，并产生温度和压力都相当高的蒸汽。蒸汽驱动汽轮发电机组发电。 塔式电站的聚光倍数高(10003000)，其介质工作温度通常大于350，因此通常被称为高温太阳能热发电。 塔式电站的优点是聚光倍数高，容易达到较高的工作温度；能量集中过程由反射光一次完成，方法

19、简捷有效；吸收器散热器面积相对较小，光热转换效率高。 但塔式电站建设费用高，其中反射镜的费用占50%以上。太阳能塔式电站的总体效率可以达到20%。49 目前世界上较大的太阳能塔式电站功率已达到104kW，太阳能辐射通过多个反射镜聚集到放置在高塔顶的中心吸收器上。计算机控制每块反射镜都能独立的根据太阳的位置来调整各自的方位和倾角，这保障了每块反射镜都能随时把太阳能反射到吸收器上，但这无疑增加了成本。 塔式电站的致命缺点是太阳能电站规模越大，反射镜阵列的占的面积越大，吸收塔的高度也要提升。例如，一个计划中的1MW的塔式电站，要用2.93万块反射镜，单镜面积为30m2。这些反射镜布置在3km2的场地

20、上，塔的高度为305m。 50(b)碟式电站 Dish technology 采用碟状(也称盘状)抛物镜作集热器。 Small scale distributed applications 51Because they work best under direct sunlight, parabolic dishes must be steered throughout the day in the direction of the sun.Shading and land use considerations 52碟式电站缺点系统复杂抛物镜 如建立一个100MW的碟状抛物镜集热器分散布置的太

21、阳能电站，约需要12万个直径为6m的抛物镜。高温接收器管路及绝热材料跟踪控制系统53(3)槽式电站 Parabolic Troughs 槽式电站与碟式电站相似，它把聚焦器分散布置，使载热介质在单个分散的太阳能聚焦集热器中加热成蒸汽，再汇集至汽轮机。如采用双回路系统，则加热后的载热介质不直接送到汽轮机，而是集中在一个热交换器内，然后把热量传递给汽轮机回路中的工质。 （C）槽式电站54槽式聚光器Parabolic trough concentrator55槽式电站集热器示意图56Collectors in southern CA57塔式电站和碟式抛物镜集热器分散布置式电站均为点聚焦，聚光倍数高达5

22、00以上。但塔式电站的跟踪代价高，碟式电站的能量集中代价大，二者受到了目前技术水准的限制，实现商业化尚需时日。槽式电站是线聚焦，聚光倍数小于100。但槽式电站跟踪精度低，导致控制代价小，同时采用管状吸收器，工作介质受热流动同时集中能量。槽式电站的总体代价相对小，经济效益相对提高，所以目前槽式电站发展迅速。塔式、槽式和碟式三种电站技术比较： 58(4) 烟囱发电 Solar thermal chimney 太阳能烟囱发电系统由太阳能集热棚、太阳能烟囱和涡轮机发电机组3个基本部分所构成太阳能热风发电构想是由德国斯图加特大学的J.Schlaich 教授于1978 年提出59太阳能热风发电技术原理简图

23、 60太阳能集热棚建在一块太阳辐照强、绝热性能比较好的土地上。集热棚和地面有一定间隙，可以让周围空气进入系统；集热棚中间离地面一定距离处安装烟囱，在烟囱底部装有涡轮机。太阳光照射集热棚，集热棚下面的土地吸收透过覆盖层的太阳能辐射能，并加热土地和集热棚覆盖层之间的空气使集热棚内空气温度升高，密度下降，并沿着烟囱上升，集热棚周围的冷空气进入系统，从而形成空气循环流动。由于集热棚内的空间足够大，当集热棚内的空气流到达烟囱底部的时候，在烟囱内将形成强大的气流，利用这股强大的气流推动装在烟囱底部的涡轮机，带动发电机发电。太阳能热风发电技术原理 61（2） 光伏太阳能发电技术利用光生伏特效益产生电能的技术

24、Company Logo光伏电池成本下降曲线装机量每扩大一倍，成本就下降15%20%Company Logo居民电价变化情况太阳能发电成本与居民电价比较Company Logo建筑用电周期与光伏电池发电周期Company Logo光伏发电成本和电价的未来展望预计20202030年开始大规模进入主流能源市场Company Logo（3）全球光伏产业介绍国家相关政策目标德国可再生能源法，确定购电补偿法2010可再生能源发电量占12.5%日本2003年，”Renewable Portfolio Standard”; ”Science and Technology Policy 2006”2010年总

25、装机量达4820MW美国“California Solar Initivative”安装补贴2020年总装机量超过7GW西班牙购电补偿2010年总装机量达400MW意大利2005 年“Conto Energia”购电补偿 2015年总装机量达1000MW韩国购电补偿2004年“10万屋顶计划”2012年总装机量达1300MWCompany Logo市场主要集中在欧美日各国市场装机量变化Company Logo全球光伏市场年装机量各国占比比较Company Logo2005年全球太阳能电池产能分布2006年全球太阳能电池产能分布总产能：2.3GW总产能：3.2GWCompany Logo各公司出

26、货量占比2005（总量：1407MW）2006（总量：1982MW）德、美、日等政府具体政策与激励方式太阳能利用的前景 目前，太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种。单晶硅太阳能电池变换效率最高，已达以上，但价格也最贵。非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光电变换效率达到，每瓦发电设备价格降到美元时，便足以同现在的发电方式竞争。 当然，特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多。如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳能电池，光电变换效率可达，快赶上了燃煤发电的效率，但是由于它太贵，目前只能限于在卫星上使用。国内光伏发电的市场发展比较迟缓，我们的产业目前靠国际市场拉动。2005年全世界总的太阳能电池生产量是1800兆瓦，中国这一年，生产了145.7兆瓦，大概是8%的样子. 但是在国内的销售只有5兆瓦左右，所占比例不到4%，其余96%的太阳能电池出口到了国外市场。这就出现了一个产业和市场分离的现象。更严峻的问题是,根据德国的产业政策，到2007年底，德国所需的光伏电池和组件将有90%左右来自本国企业，引发本轮爆发式增长的市场大门将向中国企业逐渐关闭。德国太阳能发电的补贴价格是每度电不低于45.7欧分，安装在屋顶的太阳能电价则高于54欧分，太阳能发电的补贴价格超过普通电价10