太阳能光伏发电系统概论

主讲人：宫力电气与电子工程学院光伏系统原理第1章绪论背景开发利用太阳能的重要意义近年来世界光伏产业的发展状况中国光伏产业的发展部分国家和国际组织发展光伏发电的规划和展望太阳能光伏发电系统的知识结构太阳能发电的特点和类型一、开发太阳能的重要意义

世界能源危机

保护生态环境

常规电网局限性1、世界能源危机——一次能源需求兴旺国家需求增长较少，开展中国家需求增长较大全球能源消费量在1971-2000年的平均年增长率是2%，在2001-2004年为3.7%，其中2003-2004年为4.3%。增长率不断提高世界能源危机——一次能源需求根据美国能源部能源信息管理综合分析及预测办公室〔EIA〕于2021年9月报告估计，世界能源消费量在2006-2035年间将增加近60%。占较大份额的：石油、天然气、煤炭世界能源危机——一次能源需求兴旺国家增长缓慢，开展中国家增长迅速中国能源消费量中国的经济正在高速开展，能源消耗量在过去10年中大幅度上升，占预测的全球能源使用增长的36%，2000-2021年中国能源消费量比20世纪90年代10年间的增加了4倍多。近年来，由于受到世界金融风暴和全球经济衰退的影响，世界许多地区的能源需求都放慢了脚步，2021年美国的能源消费量下降了5.3%。而中国经济持续强劲增长，能源消费量也不断攀升，需求量在2021-2035年间将会上升75%。2021年中国已超过美国成为世界上最大的能源消费国。EIA预计到2035年中国占世界的能源消费量将会上升到22%，届时美国的能源消费量只有中国的68%。中国能源消费量中国石油进口量2021年，中国的石油消费量估计为830万桶/天，而中国生产石油量估计为400万桶/天，石油进口约430万桶/天，也就是约有一半石油需要进口，首次超过日本成为世界第二大石油进口国，而且预计在2021年中国将超过美国成为世界最大的进口国。中国石油进口量能源危机根据世界卫生组织估计，到2060年全球人口将达100亿~110亿，如果到时所有人的能源消费量都到达今天兴旺国家的人均水平，那么地球上主要的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、煤炭和铀。2、保护生态环境由于人类活动，主要是化石燃料的燃烧，造成环境污染，增加了温室气体排放量，导致全球气候变暖、冰山融化、海平面上升、沙漠化日益扩大等现象，自然灾害频发。京都议定书中控制的6种温室气体为：二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化合物、全氟碳化合物、六氟化硫。2、保护生态环境联合国政府间气候变化专门委员会发表的?气候变化2007综合报告?指出：要在2050年长期限制全球平均气温升高在2.0~2.4°C之间，需要在2000年根底上降低全球CO2排放量的50%~85%。较高的排放水平将导致更加显著的气候变化。目前研究发现气候变化比过去预期的更快，即使在2050年全球CO2排放量降低50%，也缺乏以防止危险的温度上升。2、保护生态环境表4CO2排放量与气候变化的关系温度上升/℃全部温室气体/×10-6（等效CO2）CO2当量浓度/×10-62050年CO2排放量相当于2000年的百分数（%）2.0~2.4445~490350~400-85~-502.4~2.8490~535400~440-60~-302.8~3.2535~590440~485-30~+53.2~4.0590~710485~570+10~+604.0~4.9710~885570~660+25~+854.9~6.1885~1130660~790+90~+1402006~2035年世界CO2排放量的年平均增长率是1.3%，而中国的数据是2.6%，超过了1倍。虽然中国的CO2人均排放量不算高，但由于中国人口众多，排放总量在2007年就已经超过美国成为世界第一。而且，中国能源利用率不高，能源消费易燃煤为主，煤炭中的硫等有害成分含量很高，所以受到普遍关注。据世界银行估计，到2021年中国由于空气污染造成的环境和健康损失，将到达GDP总量的13%。太阳能是清洁无公害的新能源，光伏发电不排放任何废物。大力推广光伏发电将减少大气污染，有效防止全球气候变化。3、常规电网局限性——覆盖面有限根据国际能源署〔IEA〕发表的Worldenergyoutlook2021披露，到2021年，全世界还有13亿人没有用上电，约占全球人口的20%，主要分布在非洲和亚洲的开展中国家。其中，84%的人口都居住在农村，尤其是在撒哈拉以南的非洲国家，占全球总人口的12%。无电人口大局部生活在经济不兴旺的遥远地区，由于居住分散，交通不便，很难通过延伸常规电网的方法来解决用电问题。2004年发表的?波恩世界可再生能源大会宣言?提出了要利用太阳能为10亿无电人口提供电能的目标。3、常规电网局限性——覆盖面有限二、太阳能发电的特点和类型太阳能取之不尽、用之不竭；太阳能资源随处可得，就近供电，不必远距离传输〔防止损失〕；太阳能发电不用燃料，运行本钱低〔一次性投资较大〕；太阳能发电没有运动部件，不易损坏，维护简单；太阳能发电不产生任何废弃物，没有污染，绿色环保；太阳能发电系统建设周期短，方便灵活，可根据负荷增减，任意添加或减少太阳能电池方阵容量，防止浪费；优点能量密度低〔太阳能利用实际上是低密度能量收集、利用〕；占地面积大〔每10kW光伏发电功率占地约需100mm2建筑集成光伏系统BIPV〕；光电转换效率低〔瓶颈〕；间歇性、随机性、受地理/气候环境因素影响大〔需配蓄电池→污染〕；系统本钱高，由于效率较低，光伏发电的本钱仍然是常规发电方式的几倍〔制约光伏发电广泛应用的最主要因素〕；晶体硅电池的制造过程高污染、高耗能；缺点技术开展方向类型太阳能热发电通过大量反射镜以聚焦的方式将太阳能直接光聚集起来，加热工质〔水/水蒸气、空气、导热油、液态金属、熔盐等〕，产生高温高压的蒸汽，再驱动汽轮机发电。有一些实际应用，但技术还有待完善，尚未到达大规模商业化应用的水平。槽式塔式碟式显著优点：能够将太阳能热能储存起来独立〔离网〕光伏发电系统特点：在自己的闭路系统内部形成电路，系统中太阳能电

池方阵是唯一的能量来源。独立〔离网〕光伏发电系统目前面临的三个问题能量密度和整体利用效率较低，前期投资较大；独立发电系统的储能装置-铅酸蓄电池初始本钱高〔占25%左右〕，运行本钱也大；供电稳定性、可靠性差。并网光伏发电系统特点：系统中存在太阳能电池方阵和电网两个能量来源。卖电、买电三、近年来世界光伏产业的开展状况太阳电池生产很长时间内，太阳电池产量根本上一直是美国第一位，1999年开始被日本超过，此后8年中日本长期保持领头地位，到2007年，中国迅速崛起，产量超过日本而成为世界第一位。在2021年，尽管受国际金融风暴的影响，不少西方国家减少了对光伏产业的财政支持，但光伏产业还是得到了快速开展。据估计，2021年在IEA_PVPS〔国际能源署光伏电力系统工程〕国家，太阳能电池产量约为29.9GW，比2021年增加了70%。中国仍然是最大的太阳电池生产国家。表72006-2010年全球太阳电池产量（单位：MW）年度国家/地区20062007200820092010中国大陆40010882600400010800中国台湾—45090010003400欧洲6571062.8200028003127日本928920130018002182美国202266界其他3142136685003274总计2501400079001070023899注：2006年中国台湾的产量统计在“世界其他”中表8世界商业化生产单晶硅电池效率最高的前10名制造商名单（截止2012年7月30日）名次制造商效率电池型号尺寸/mm21SunPower（美国）22.5%MaxeonCellTechnology130×1302SanyoElectric（日本）20.2%HITSolarCellStructure110×1103晶澳太阳能（中国）20.0%JACM6SLSecium156×1564尚德（中国）19.7%PlutoCell156×1565Suniva（美国）19.4%ARTisunSelect156×1566Shinsung（韩国）19.4%SH-1940S3156×1567益通（中国台湾）19.3%MonoCell3BB156×1568茂迪（中国台湾）19.2%XSI56B3-200RX-Cells156×1569新日光（中国台湾）19.2%Perfect19156×15610昇陽（中国台湾）19.1%SR-156-3156×156SolarPlaza〔〕统计数据SolarPlaza〔〕统计数据表9世界商业化生产单晶硅组件效率最高的前10名制造商名单（截止2012年7月30日）名次制造商组件效率组件型号功率/W尺寸/mm21SunPower（美国）20.4%E20/333SOLARPANEL3331559×10462友达光电（中国台湾）19.5%PM318B003181559×10463SanyoElectric（日本）19.0%HIT-N240SE101901580×7984珈伟（中国）18.3%JW-S1001001037×5275CrownRenewableEnergy（美国）18.3%Summit100LM1001537×5276IdeaSolar（匈牙利）17.52%IS-M234(BIPV)20420×2657有成精密（中国台湾）17.15%WSP-285M62851665×9098PVTAustria（奥地利）16.88%PVT-2××MAE-A2552551451×10449晶澳（中国）16.84%JAM5(L)-72-215/SI2151580×80810赛德克（中国）16.84%ZT215S2151580×808SolarPlaza统计数据表10世界商业化生产多晶硅组件效率最高的前10名制造商名单（截止2011年12月12日）名次制造商组件效率组件型号功率/W尺寸/mm21SollandSolar（荷兰）16.00%Sunweb2501613×9842Siliken（西班牙）15.70%SLK72P6L-3053051960×9903赛维（中国）15.67%LDK-200P-24(s)2001580×8084Vikram（印度）15.63%Eldora280(300)3001955×9825Wiosun（德国）15.54%E300P3001950×9906茂阳（中国台湾）15.50%P3-235-60(250)2501630×9997东营光伏（中国）15.40%CNPV-300P3001965×9928LatitudeSolar（瑞典）15.30%LatitudeP6-60/6(250)2501940×9809晶澳（中国）15.29%JAP6-60-2502501650×99110中电电气光伏（中国）15.24%CSUN295-72P2951956×990光伏应用市场自20世纪70年代光伏发电开始在地面应用以来，在相当长时期内，主要是在无电地区离网应用：偏远地区农、牧民的根本生活用电、航标灯、微波通信中继站、铁路信号、太阳能水泵德国“一千个太阳能屋顶方案〞〔1990年〕、“十万屋顶方案〞〔1999年〕。在居民住宅屋顶上安装容量为1~5kW的光伏并网系统2021年全球光伏安装量到达了27.7GW，增长率到达了70%，欧洲是主要的光伏市场排名前10国家的安装总量超过了90%。全球累计光伏安装量超过了67.4GW，每年发电量超过85TW·h〔109kW·h〕，可满足2000万户家庭的用电需要光伏应用市场的开展在所有的可再生能源的开展中是超常水平离网系统、并网系统的市场情况光伏在地面应用，开始主要是离网系统，20多年来一直占统治地位。从一些国家实施太阳能屋顶方案后，并网光伏系统开始逐渐推广，2000年并网光伏系统的用量就超过了离网光伏系统。近年来，由于很多国家大量兴建光伏电站，使得并网光伏所占份额迅速扩大。如今累计安装并网光伏系统的容量已占总容量的95%以上。离网系统、并网系统的市场情况表11全球离网和并网光伏系统累计安装量及年增长率年度离网系统并网系统合计累计安装量/MW增长率(%)累计安装量/MW增长率(%)累计安装量/MW增长率(%)2000277144017767844200131915647619664220023541198352133738200341016140843181836200445010242672287658200548583758554243482006535105148375683342007663247356438019412008741121345283141937720098371319543452036144来源：IEA-PVPST1-19:2010四、中国光伏产业的开展开展历程1958年开始进行太阳能光伏发电的研究开发；1971年首次将太阳电池成功地应用于“东方红二号〞人造卫星；1973年开始将太阳电池应用于地面，首先在天津港用于航标灯电源；1977年全国太阳电池产量只有1.1kW，价格为200元/W左右；80年代中期，先后引进了5条单晶硅和1条非晶硅太阳电池生产线，年生产能力猛增到4.5MW，价格降到50元/W左右；四、中国光伏产业的开展开展历程2002年国家国家启动了“送电到乡〞工程，在西部各省区建成了721座光伏或风光互补电站，总容量15.5MW。2003年全国太阳电池的产量到达12MW。“送电到乡〞工程的实施带动了国内光伏产业的开展，也造就了国内一大批光伏企业，促进了中国光伏产业的人才培养和能力建设，对开展中国的光伏产业起到了巨大的促进和推动作用。中国的太阳电池产品的90%以上供出口，2021年出口额到达202亿美元；中国光伏市场相对太阳电池产量的飞速开展，中国的光伏市场开展却远远落后2007年尽管光伏系统的安装量比2006年增加了一倍，到达了20MW，但与当年的太阳电池产量1088MW相比，只占有1.84%，累计太阳电池安装量还不到世界总量的1%；2005年?可再生能源法?公布以后，对于光伏市场产生了积极影响，各地也都在努力开展光伏应用，兴建了一批光伏工程，推广了大量应用产品；2021年政府加大了扶植太阳能光伏发电的力度，相继出台了?太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行方法?和?关于实施金太阳示范工程的通知?等政策，并先后启动了两批总计290MW的光伏电站特许权招标工程，使得光伏应用得到了快速开展；中国光伏市场截止到2021年，中国累计光伏装机量超过了800MW，当年新增装机容量到达5