太阳能发电原理及应用讲座1概论

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1、太阳能发电原理及应用,杨 金 焕 2005.12.,第一章 绪论 一. 开发利用太阳能的战略意义,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。如果到时所有人

2、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。,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,世界油气资源的开采峰值对化石燃料开采峰值有决定性影响，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(见下图)；,ASPO对世界油气开采峰值的最新预测 峰值位于 2010,Shell 的预测, 2001， BP，World Energy Forum

3、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本世纪2030年代,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,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5

4、00亿吨，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。 “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。,尽管“京都议定书”没有对我国的温室气体排放量规定具体的指标，但是我国的情况相当突出。 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 S O2、C O2、N Ox和烟尘分别占全国相应排放量的87%、71%、

5、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。,2003年全球一次能源消耗结构比例,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。,3常规电网存在局限性 现在全球还有将近20亿人口没有用上电，我国到在2000年也还有大约3000万人口没有电力供应，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

6、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。,二. 太阳能发电的特点,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

7、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。,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。,三. 太阳能发电的分类,太阳能光发电(光伏) 太阳能热发电 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,槽式太阳能热发电,槽

8、式太阳能热发电原理图,塔式太阳能热发电,近代太阳塔热发电,太阳塔热发电原理,碟式太阳能热发电,四. 太阳能光伏发电的发展历史,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

9、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 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,美国贝尔实验室制成的第一批太阳电池,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/W 1957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到了9% 1958年3月17日 太阳电池首

10、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14W,1962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242W 1964年发射的大型气象卫星上装备了470 W光伏方阵,1965年 格拉瑟提出了建造

11、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18%,1976年 多晶硅太阳电池效率达到10% 1976年

12、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,1977年世界光伏产量超过了500KW 1978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.

13、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1MW,1981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，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

14、界光伏产量超过21.3MW ，销售额超过2.5亿美元,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 1992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

15、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,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

16、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,历年世界太阳电池产量,2004年世界太阳电池产量,世界光伏应用领域,世界光伏市场的发展,2030年世界光伏应用分类预测,2003年 主要太阳电池生产公司所占份额,世界光伏生产公司排名表(产量MW),五. 中国光伏发电市场的发展,中国于1958年开始进行太阳能光伏发电的研究 1971年首次将太阳电池成功地应用在”东方红二号”人造卫星上 1973年开始将太阳电池应用于地面，在天津港用于航标灯 1977年全国太阳电池产量约1.1KW ，价格为200元/W,中国光伏产业的发展的两次飞跃:,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设备，年生产能力猛增到4.5MW，销售