太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

1、<p>　　太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用及研究現(xiàn)狀</p><p><b>　　秦延斌</b></p><p>　　(上海理工大學(xué)，上海 200082)</p><p>　　[摘 要]：以半導(dǎo)體光生伏打效應(yīng)為基礎(chǔ)的光伏發(fā)電技術(shù)，能滿足人類的需要。太陽能光伏發(fā)電作為一種即清潔又環(huán)保的綠色能源, 是近期急需的能源補充，又是未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。本文

2、在介紹太陽能光伏發(fā)電基本原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了太陽能光伏發(fā)電的相關(guān)重要技術(shù)，論述了太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的主要應(yīng)用方式和應(yīng)用領(lǐng)域，并分析了太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用前景。</p><p>　　[關(guān)鍵詞]：光伏發(fā)電，應(yīng)用，特性，太陽能電池</p><p>　　Application and studies status of solar photovoltaic power generation

3、</p><p>　　Qin Yanbin </p><p>　　(University of shanghai science and technology, Shanghai 200082,China)</p><p>　　[Abstract]: As a clearing energy, solar PV system is not only suppleme

4、ntary in the near future sources, but also is grounding in the future sources struction. Photovoltaic technology can be s atisfied with human being. On the base of introduction for the basic principle of solar energy PV

5、, the important technologies of solar energy PV are elaborated ,the applied method and area of solar photovoltaic technology are discussed .The prospect of development of solar energy PV technology is also anal</p>

6、<p>　　[Key words]:photovoltaic，application，characteristics，solar battery</p><p><b>　　0 前言</b></p><p>　　能源猶如人體的血液。隨著人類生活水平的提高，人們對能源的需求也日益提高。太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，具有儲量大、利用經(jīng)濟、清潔環(huán)保等優(yōu)點

7、。因此，太陽能的利用越來越受到人們的重視，而太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用更是人們普遍關(guān)注的焦點。一套基本的光伏發(fā)電系統(tǒng)一般是由太陽能電池板、太陽能控制器、逆變器和蓄電池組構(gòu)成。其中，太陽能控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分。太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，與其他新能源相比利用最大,是最理想的可再生能源。特別是近幾十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，太陽能及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)成為世界發(fā)展最快的行業(yè)之一。因為它具有以下的特點[1]：</p>

8、<p>　　1）數(shù)量巨大：每年到達(dá)地球表面能供人類利用的太陽輻射相當(dāng)于一顆原子彈爆炸時所發(fā)出的能量。</p><p>　　2）時間長久：用之不竭,太陽按目前功率輻射能量其時間約可持續(xù)億年。</p><p>　　3）普照大地：取之不盡,不需要開采和運輸。</p><p>　　4）清潔無污染：無任何物質(zhì)的排放,既不會留下污染物,也不會向大氣中排放</p&

9、gt;<p><b>　　廢氣。</b></p><p>　　以太陽能電池技術(shù)為核心的太陽能光伏利用成為太陽能開發(fā)利用中最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，利用太陽能發(fā)電，具有明顯的優(yōu)點[2]：</p><p>　　1）結(jié)構(gòu)簡單，體積小且輕。能獨立供電的太陽能電池組件和方陣結(jié)構(gòu)都比較簡單，輸出40~50W的晶體硅太陽能電池組件，體積約為450x985x45質(zhì)量為7Kg。&

10、lt;/p><p>　　2）容易安裝運輸，建設(shè)周期短。只要將太陽能電池支撐并面向太陽即可發(fā)電，宜于制成小功率移動電源一個6.5MW的太陽能電池發(fā)電站，占地約80Km2，不足10個月便可建成發(fā)電。</p><p>　　3）維護簡單，使用方便。如遇風(fēng)雨天，只需檢查太陽電池表面是否被站污、接線是否可靠、蓄電池電壓是否正常即可。大型光伏電站使用計算機控制運行，運行費用很低。</p>&l

11、t;p>　　4）清潔、安全、無噪聲。光伏發(fā)電本身不向外界排放廢物,沒有機械噪聲，是一種理想的能源。</p><p>　　5）可靠性高，壽命長，并且應(yīng)用范圍廣。晶體硅太陽能電池的壽命可以長達(dá)20~35年，在光伏系統(tǒng)中，只要設(shè)計合理、選型適當(dāng),蓄電池的壽命可以達(dá)到10多年。太陽能幾乎無處不在，太陽能電池在中國大部分范圍內(nèi)都能作為獨立的電源。</p><p>　　1 國內(nèi)外太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)

12、展現(xiàn)狀</p><p>　　1.1國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展</p><p>　　我國的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)起步較晚，但是發(fā)展速度很快。我國的光伏電池技術(shù)是從60年代發(fā)展空間用太陽能電池開發(fā)起步的，地面用光伏電池的生產(chǎn)是從1970年代初開始。80年代中期,我國光伏電池組件總生產(chǎn)能力達(dá)到4.5MW，光伏產(chǎn)業(yè)初步形成。經(jīng)過十年的努力，我國光伏發(fā)電技術(shù)有了很大的發(fā)展，光伏電池轉(zhuǎn)換效率不斷提高。此后，政府才

13、對其加大支持力度，2002年政府啟動了“光明工程”，重點發(fā)展太陽能光伏發(fā)電。2009年開始，又推出太陽能光電建筑應(yīng)用示范項目和金太陽示范工程。根據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會硅業(yè)分會的統(tǒng)計，從2002年至2010年，中國光伏裝機容量從20.3MW增加到500MW，增長了23.6倍，年均增長49.3%；光伏發(fā)電累計容量從45MW增加到797.5MW，增加了16.7倍。根據(jù)半導(dǎo)體設(shè)備暨材料協(xié)會（SEMI）的統(tǒng)計，2011年中國國內(nèi)新增光伏裝機容量2

14、.7GW，占到2011年全球新增光伏裝機容量的10%左右[3]。水利水電規(guī)劃總院的數(shù)據(jù)顯示，截至到2012年底，中國光伏發(fā)電容量已經(jīng)達(dá)到了7982.68MW，超越美國占據(jù)第三，但是最重要的還是集中在西部地區(qū)[4]。</p><p>　　到2013年底，中國累計光伏裝機將達(dá)到16.5GW，其中分布式光伏項目為5.7GW，地面光伏電站約10.8GW。圖1為我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域及份額[5]。</p>

15、<p>　　圖1 我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域及份額</p><p>　　自2007年起，我國的太陽能電池產(chǎn)量便穩(wěn)居世界第一位，是全球名副其實的光伏電池制造中心[6]。圖2為近年來我國光伏電池產(chǎn)量增長態(tài)勢與全球產(chǎn)量比較。低端產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)環(huán)節(jié)的重復(fù)建設(shè)，對產(chǎn)能擴張的盲目追求，使得產(chǎn)量嚴(yán)重過剩，為光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展埋下了極大隱患。雖然我國在太陽能電池產(chǎn)能與產(chǎn)量方面位居世界第一，但行業(yè)核心技術(shù)大多掌握在其他發(fā)達(dá)國家

16、的手中，產(chǎn)業(yè)核心競爭力不強，許多關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備對外依存度很高，如薄膜電池生產(chǎn)線、四氯化硅閉環(huán)回收裝置、自動電焊機等設(shè)備都主要依賴進口。這種技術(shù)設(shè)備方面的差距，導(dǎo)致光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展缺乏穩(wěn)定的基礎(chǔ)，直接致使我國光伏產(chǎn)品的生產(chǎn)成本偏高，市場競爭力不強。</p><p>　　圖2 我國光伏電池產(chǎn)量增長態(tài)勢與全球產(chǎn)量比較</p><p>　　此外，雖然與使用傳統(tǒng)能源相比，使用太陽能產(chǎn)生的固體廢物少、能源

17、消耗低，作為綠色能源的代表其在應(yīng)用環(huán)節(jié)具有無污染、無排放的環(huán)境友好型特征，但并非光伏產(chǎn)業(yè)鏈的每個環(huán)節(jié)都是無污染的。光伏電池的生產(chǎn)與制造環(huán)節(jié)是存在嚴(yán)重污染問題的，尤其是太陽能多晶硅的生產(chǎn)和鑄錠、切片所需的能源消耗較大，環(huán)境影響也較大。對于我國光伏企業(yè)而言，集中于電池制造環(huán)節(jié)且尚未掌握產(chǎn)業(yè)清潔發(fā)展技術(shù)的現(xiàn)狀，除了帶來低端生產(chǎn)環(huán)節(jié)的重復(fù)建設(shè)與產(chǎn)能過剩外，也對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了重大影響，有悖于綠色新能源應(yīng)用的初衷。</p><p

18、>　　1.2 世界光伏發(fā)電現(xiàn)狀</p><p>　　1954年美國貝爾研究所的Pearson等3位科學(xué)家在美國首次研制成功了實用的單晶硅太陽能電池，從此誕生了將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的實用光伏發(fā)電技術(shù)[7]。20世紀(jì)70年代，發(fā)達(dá)國家以國家級計劃積極研究開發(fā)太陽能發(fā)電，其中日本于1974年開始的國家“Sunshine計劃”尤為突出。20世紀(jì)80年代后期，太陽能電池的種類不斷增多，應(yīng)用范圍不斷擴大，20世紀(jì)90年代

19、光伏發(fā)電迅速發(fā)展。近10年太陽能電池組件的年平均增長率為33%，近5年的平均增長率為43 %。2012年全球多晶硅產(chǎn)能達(dá)到40萬噸，產(chǎn)量達(dá)到23.4萬噸，與2011年的24萬噸相比，略有下滑，其中電子級多晶硅產(chǎn)量約為2.5萬噸，其余為太陽能級多晶硅。我國以近7.1萬噸的產(chǎn)量位居全球首位，美國以5.9萬噸位居第二，接下來的韓國、德國和日本產(chǎn)量分別為4.1萬噸、4萬噸和1.3萬噸，其中我國和韓國主要生產(chǎn)太陽能級多晶硅，日本主要供應(yīng)電子級多晶

20、硅，美國和德國則兼而有之。在產(chǎn)能方面，我國以19萬噸的產(chǎn)能位居全球一，美國以近8.6萬噸的產(chǎn)能位居第二，韓國以5.7萬噸的產(chǎn)能位居第三，德國和日本約為5.5萬噸和1.9萬噸。從發(fā)展勢頭看，已逐漸形成中、</p><p>　　圖3 2007~2014年全球光伏累計裝機容量</p><p>　　圖4 2014年全球光伏新增裝機容量排名前十的國家占比</p><p>　　

21、2 太陽能光伏發(fā)電原理及特性</p><p>　　2.1 太陽能光伏發(fā)電原理</p><p>　　光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體材料光伏效應(yīng)直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電形式。早在1839年，法國科學(xué)家貝克勒爾就發(fā)現(xiàn)光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應(yīng)(Photovoltaic Effect)”，簡稱“光伏效應(yīng)”。然而，第一個實用單晶硅光伏電池(Solar

22、Cell)直到1954年才在美國貝爾實驗室研制成功，從此誕生了太陽能轉(zhuǎn)換為電能的實用光伏發(fā)電技術(shù)。光伏發(fā)電的基本原理如圖5所示，半導(dǎo)體材料組成的PN結(jié)兩側(cè)因多數(shù)載流子(N區(qū)中的電子和P區(qū)中的空穴)向?qū)Ψ降臄U散而形成寬度很窄的空間電荷區(qū)w，建立自建電場Ei。它對兩邊多數(shù)載流子是勢壘，阻擋其繼續(xù)向?qū)Ψ綌U散，但它對兩邊的少數(shù)載流子(N區(qū)中的空穴和P區(qū)中的電子)卻有牽引作用，能把它們迅速拉到對方區(qū)域。穩(wěn)定平衡時，少數(shù)載流子極少，難以構(gòu)成電流和輸

23、出電能。但是，當(dāng)太陽光照射到PN 結(jié)時，以光子的形式與組成PN結(jié)的原子價電子碰撞，產(chǎn)生大量處于非平衡狀態(tài)的電子-空穴對，其中的光生非平衡少數(shù)載流子在內(nèi)建電場Ei的作用下，將P區(qū)中的非平衡電子驅(qū)向N區(qū)，N區(qū)中的非平衡空穴驅(qū)向P區(qū)，從而使得N 區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩</p><p><b>　　圖5 光伏發(fā)電原理</b></p><p>　　太陽能光伏系統(tǒng)由太陽能電池

24、組件、充放電控制器、逆變器、監(jiān)測儀表、蓄電池或其他蓄能和輔助發(fā)電設(shè)備組成。根據(jù)其應(yīng)用場合的不同，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和混合系統(tǒng)3類。離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)廣泛建立于距離電網(wǎng)較遠(yuǎn)的偏遠(yuǎn)山區(qū)、無電區(qū)、海島、荒漠地帶等，向獨立的區(qū)域用戶供電。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是將用戶光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)相連的光伏發(fā)電系統(tǒng)，這種方式具有對電網(wǎng)調(diào)峰、減少建設(shè)投入、靈活性強等優(yōu)點，逐漸成為太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流趨勢，但是存在“孤島效

25、應(yīng)”，并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變器必須對電網(wǎng)進行監(jiān)控，一旦發(fā)生停電，能迅速停止向電網(wǎng)供電?；旌舷到y(tǒng)具有很強的適應(yīng)性，可以綜合利用各種發(fā)電方式的優(yōu)點，避免各自的缺點，達(dá)到對太陽能的充分利用，有較高的系統(tǒng)實用性，但也有其自身的缺點，如控制比較復(fù)雜、比獨立系統(tǒng)需要更多的維護等。</p><p>　　2.2 太陽能電池的材料及分類</p><p>　　在現(xiàn)在的太陽能電池產(chǎn)品中，以硅半導(dǎo)體材料為主，即單晶硅與多

26、晶硅電池板。由于它們原材料的廣泛性，較高的轉(zhuǎn)換效率和可靠性，被市場廣泛接受[10]。其中多晶硅太陽能電池性價比最高，是結(jié)晶類太陽能電池的主流產(chǎn)品，占現(xiàn)有市場份額70%以上。非晶硅在民用產(chǎn)品上也有廣泛的應(yīng)用(如電子手表，計算器等)，但是它的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率劣于結(jié)晶類半導(dǎo)體材料。多元化合物太陽能電池由于其材料的稀有性和部分材料具有公害，現(xiàn)階段尚未被市場廣泛采用。</p><p>　　單晶硅電池

27、 多晶硅電池 非晶硅電池</p><p>　　圖6 太陽能電池材料分類</p><p>　　2.3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行特性</p><p>　　太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行方式主要分為離網(wǎng)運行和聯(lián)網(wǎng)運行兩大類。離網(wǎng)運行系統(tǒng):未與公共電網(wǎng)相聯(lián)接，又稱為獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。主要應(yīng)用于遠(yuǎn)離公共電網(wǎng)的無電地區(qū)和一些特殊場所，如為

28、公共電網(wǎng)難以覆蓋的邊遠(yuǎn)農(nóng)村、海島、通信中繼站、邊防哨所等場合提供電源。聯(lián)網(wǎng)運行系統(tǒng)：與公共電網(wǎng)相聯(lián)接，共同承擔(dān)供電任務(wù)。它是太陽能光伏發(fā)電進入大規(guī)模商業(yè)化發(fā)電階段，成為電力工業(yè)組成部分之一的重要方向，也是當(dāng)今世界太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流趨勢。聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)具有許多獨特的優(yōu)越性：（1）可以對電網(wǎng)調(diào)峰，提高電網(wǎng)末端的電壓穩(wěn)定性，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，有效地消除電網(wǎng)雜波。(2)所發(fā)電能回饋電網(wǎng)，以電網(wǎng)為儲能裝置，省掉蓄電池。與獨立太

29、陽能光伏系統(tǒng)相比可減少建設(shè)投資35%~45 %，發(fā)電成本大大降低。(3)光伏電池與建筑完美結(jié)合, 既可發(fā)電又可作為建筑材料和裝飾材料，使資源充分利用，發(fā)揮多種功能。(4)出入電網(wǎng)靈活，既有利于改善電力系統(tǒng)的負(fù)荷平衡，又可降低線路損耗。光伏電池與建筑相結(jié)合的聯(lián)網(wǎng)屋頂太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是眾多發(fā)達(dá)國家競相發(fā)展的熱點，發(fā)展迅速, 市場廣闊, 前景誘人。聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在我國還處于實</p><p><b>

30、;　　3 結(jié)論及展望</b></p><p>　　光伏發(fā)電對于實現(xiàn)能源工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義?？焖侔l(fā)展的屋頂計劃、陽光計劃、各種減免稅政策、補貼政策以及逐漸成熟的綠色電力價格都強有力的支持了太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。根據(jù)我國光伏發(fā)電的發(fā)展情況，在今后一段時間，我國光伏發(fā)電主要應(yīng)用在以下幾點：(1)城市并網(wǎng)光伏發(fā)電， (2)荒漠和海島地區(qū)的供電，(3)邊遠(yuǎn)地區(qū)離網(wǎng)供電，(3)景觀燈、LED 照明

31、等商業(yè)應(yīng)用。此外，為使我國的光伏產(chǎn)品在世界的市場上有競爭性，就需要政府制定強有力的法規(guī)和政策來支持。政府應(yīng)該從以下幾方面來激勵、整合、發(fā)展我國的光伏產(chǎn)業(yè)[12]：</p><p>　　(1)聯(lián)合相關(guān)部委制定我國光伏產(chǎn)業(yè)完整的科研、生產(chǎn)、應(yīng)用和推廣計劃；</p><p>　　(2)考慮設(shè)立太陽能專項資金制度和多種形式的補貼政策。比如對投資直接補貼、提供貼息性貸款、根據(jù)光伏發(fā)電和可再生能源產(chǎn)品

32、產(chǎn)量進行直接補貼等；</p><p>　　(3)加強生產(chǎn)企業(yè)和科研機構(gòu)與國際間的合作, 積極引進國外科研新技術(shù)；</p><p>　　(4)加大對光伏產(chǎn)業(yè)科研的投入，拓展光伏技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的光伏技術(shù)和新產(chǎn)品；</p><p>　　(5)加大光伏發(fā)電的并網(wǎng)應(yīng)用工程，從發(fā)展戶用系統(tǒng)逐步過渡到發(fā)展并網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)；</p><p

33、>　　(6)光伏發(fā)電逐步取代部分常規(guī)能源要有一定的比例要求。</p><p>　　隨著光伏發(fā)電在各領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，其將會在中國的能源消費結(jié)構(gòu)中占據(jù)越來越多的份額，對于緩解中國能源緊張、改善生態(tài)環(huán)境具有特殊意義。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　孔娟. 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究[D]. 青島, 青島大學(xué),2

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