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1、太阳能光伏发电系统及其应用,三峡电力职业学院 李耀坤,教材,第一章 绪论,1.1 太阳及太阳能概述 1.1.1 太阳的物理特性 1.1.2 太阳能辐射与吸收 1.1.3 我国的太阳能资源 1.1.4 太阳能利用的基本形式 1.2 太阳能光伏发电现状与发展前景 1.2.1 世界光伏发电的发展现状 1.2.2 中国光伏发电的发展现状 1.2.3 太阳能光伏发电的发展前景,太阳能：是由太阳中的氢经过聚变而产生的，包括太阳内 部热核反应所释放出的光能、热能及辐射能量。 它每天辐射到地球上的能量达1813亿吨标准 煤，相当于全世界年需要能量总和的5000倍， 是地球上最大的能源。,1.1 太阳及太阳能概
2、述,太阳,太阳结构图,太阳能概述,其中我国陆地面积每年接收的太阳辐射能相当于24000亿吨标煤。按照目前太阳质量消耗速率计，太阳内部的热核反应足以维持600亿年，相对于人类发展历史的有限年代而言，可以说是“取之不尽、用之不竭”的能源。,资源分布,地球上太阳能资源的分布与各地的纬度、海拔高度、地理状况和气候条件有关。资源丰度一般以全年总辐射量（单位为千焦/米2年）和全年日照总时数表示。 就全球而言，美国西南部、非洲、澳大利亚、中国西藏、中东等地区的全年总辐射量或日照总时数最大，为世界太阳能资源最丰富地区。,我国太阳能资源,我国属太阳能资源丰富的国家之一，辐射总量在3.31038.4106千焦/米
3、2年之间。全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时。 我国西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原的总辐射量和日照时数均为全国最高，属世界太阳能资源丰富地区之一；我国东部、南部、及东北为资源中等区；四川盆地、两湖地区、秦巴山地是太阳能资源低值区。,其中，青藏高原地区海拔高、空气稀薄、太阳辐射强，加之晴天多，年日照时数在3000 小时以上，太阳能资源最为丰富。拉萨素有“日光城”之说，其日照时数比东部纬度相近的九江、重庆等地多30%一100%。,我国太阳能资源,太阳能的利用,对太阳能的利用，中国是世界上最早的国家之一。远在3000多年前的西周时代（公元前11世纪），就已有了“阳燧取火”技
4、术的记载。 所谓“阳燧”，就是形似凹面镜的金属圆盘，对着太阳聚光，在聚光点点燃艾绒等易燃物，取得火种。这是一种最古老的太阳能聚光器。,青铜镜,凹面镜,太阳能的利用,1990年第11届亚运会火炬的火种，就是于8月7日下午，在距拉萨市以北100多公里的念青唐古拉峰下，由15岁的藏族少女达娃央宗用木柴从抛物面聚光太阳灶上获得的。 原理与古代阳燧差不多，唯聚光所用的材料有较大的差别。阳燧取火技术在世界太阳能利用科学史上占有重要的地位。,太阳能的利用,国外认为阿基米德是利用太阳能最早的人之一。约在公元前215210年间，古罗马帝国的舰队侵占了西西里岛，派了一支舰队攻打希库扎港，著名的学者阿基米德，为了保
5、卫家乡，他让每个士兵用擦亮的铜盾，排列在城堡上，把太阳光聚集反射到入侵的罗马舰船上，结果使舰船起火，敌人仓惶逃跑。,以上说明太阳能利用技术古已存在。但人类自觉地把太阳能作为一种能源利用，还是起于1615年。法国考克斯是世界上第一个把太阳能转化为机械能的人。从此，太阳能利用进入了一个新的历史时期,太阳能的利用,利用太阳能主要形式,人类直接利用太阳能有三大技术领域，即光热转换、光电转换和光化学转换，此外，还有储能技术。 太阳光热转换技术的产品最多。例如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷、温室与太阳房、太阳灶和高温炉、海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具。,光热转换,即利用太阳辐射能加热
6、集热器，把吸收的热能直接加以利用。如果集热器匹配不同用途也就有不同名称，如太阳能热水器、太阳灶、太阳能干燥器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调等。,光电转换,太阳光电转换，主要是各种规格类型的太阳电池板和供电系统。,太阳能电池,太阳能电池是把太阳光直接转换成电能的一种器件。 太阳电池的光电效率约01，其产品类型主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅。,硅,光电转换原理,光电转换原理,光电转换原理,太阳能电池线路连接,测开路电压试验,太阳能化学转换,太阳电池的应用范围很广。例如人造卫星、无人气象站、通讯站、电视中继站、太阳钟、电围杆、黑光灯、航标灯、铁路信号灯等。 太阳能化学转换包括：光合作用、光电化学作用
7、、光敏化学作用及光分解反应，目前该技术领域尚处在实验研究阶段。,我国的开发现状和前景,中国能源研究会理事长黄毅诚近日提出，应加速开发无污染、可再生的太阳能资源，力争到年建成万千瓦的太阳能发电容量，使太阳能成为我国最大的可再生能源。 北京太阳能研究所研究员赵玉文用“近有实效，前有远景”来形容太阳能资源在我国的开发现状和前景。,我国的开发现状,我国目前具有.万千瓦的太阳能发电容量，虽然光电成本仍然高于煤电，但在边远地区，与拉设电网相比，小型太阳能发电设施仍然相对便宜适用，在西藏地区已经有个县靠太阳能解决了用电困难。 另外，太阳能热水器已经成为国内太阳能利用中应用最为广泛、产业化发展最迅速的领域，年
8、我国的热水器产量就已占据世界第一位，去年这个产业的总销售额达到亿元。,我国的开发前景,随着当前世界光电技术及其应用材料的飞速发展，光电材料成本大幅下降，光电转换率不断提高，这将带来太阳能发电成本的大幅度下降。据黄毅诚预计，不到年，太阳能发电的成本就会接近或低于煤电，这将有利于我国太阳能资源的开发。,1、世界光伏发电的发展现状,据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近年来的事。 20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。 20世纪的100年间，
9、太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段。,1.2 太阳能光伏发电现状与发展前景,太阳能利用经过的历史阶段,近年来，由于全球气候变暖、生态环境恶化、常规能源短缺等问题，发展可再生能源得到各国政府的重视和支持。在技术进步的推动和各国政府的激励政策驱动下，太阳能光伏发电产业和市场得以迅速发展。 在 2001 年2008 年期间，全球光伏发电新增容量持续快速增长，年均增速达50.2%，2008 年全球新增光伏发电容量为5.95GW，同比增长110%左右。2000年至2008年，全球太阳电池产量年均复合增长率为47%，2008年产量达到6.4GW。同期，以欧美为主的全球太阳能光伏发电应用市场也以45%的年
10、均复合增长率快速增长。2008年全球累计装机总量已接近15GW。,1. 世界各国光伏应用历史概况,2008年世界光伏安装量达到5.95GW, 在总安装量中欧洲占据82%；2008年全球光伏产量为6.85GW,比2007年的3.44GW增长近100%。,发达国家非常重视光伏产业发展，目前美国、欧洲和日本制订的中长期光伏发展目标如表所示。按照这一计划，到2010 年全球光伏装机容量将达到28GW，是2008 年累计装机18.25GW 的1.53 倍，相当于需求年增4.87GW；2020 年将达到200GW，是2008 年的10.95 倍，相当于在这个10 年里需求年增17.2GW；2030 年将达
11、到1850GW，是2008 年的99.72 倍，相当于在这个10 年里需求年增16.5GW。随着技术的进步，或许未来的实际进程将超出这一规划。,1.世界各国中长期规划,欧洲截止2009年以近16GW的安装量遥遥领先，占据约70%的光伏发电总量。而日本和美国分别以2.6GW和1.6GW紧随其后。中国进入全球十大光伏市场之列，预计未来数年将扮演重要角色。 光伏市场已经从2003年的不足1GW发展到超过7.2GW，期间2007年至2008年的复合年均增长率(CAGR)高达160%,虽然受金融危机影响，但光伏市场在2009年又有了15%的增长。,全球光伏 历年累计安装量,2010年下半年起太阳能产业再
12、度恢复增长。太阳能板的报酬率改善、太阳能板安装量增加、各国政府更新太阳能产业鼓励办法等因素，促使太阳能需求再度攀高。,全球市场的增长预测,全球市场在政策激励的局面下2010年安装了15.5GW，比之前估计的12.7GW要高。而温和局面下的2014年年安装量可能为13.7GW，政策驱动下预计能达到30GW。,世界光伏安装区域分布主要在欧洲、美国、日本，中国将来的开发市场发展很快，2014预计全球总量能达到30GW。,世界各国光伏发展政策,全球主要国家光伏政策变化对比,日本光伏市场规模化需求最早形成。早在1974 年第一次石油危机后，日本政府便开始“阳光计划”支持可再生能源的研究，其中包括光伏技术
13、。1993 年，2002 年又有专项光伏技术研发计划出台。日本政府出台新的政策刺激光伏产品需求，使2010 年全国新增容量增长30%左右，达到530MW， 到2020 年预计实现28GW 的目标 。,1.2.2、中国光伏发电的发展现状,2009 年，我国进行了首次光伏并网电站招标，由于业内企业的积极参与，该项目装机容量由计划的10MW 增加为20MW。之后，随着金太阳工程和光伏屋顶计划补贴的有序进行，根据不完全统计，2009 年全国新增容量达到140150 MW左右。 2009年，全球装机量为7.3GW ，2010年，全球装机量达到14GW。 2009 年7 月16 日，财政部、科技部及国家能
14、源局共同发出了关于实施金太阳示范工程的通知，新能源产业被作为国家新兴战略型产业，受到中央的重视和支持。,中国光伏市场特点（1）,2000年以后，全球太阳能电池产量以年均40左右的速度增长。我国光伏产业近5 年平均年增长率为49.5%，2007 年增长56.2%，成为全球太阳能第一生产大国，占全球产量的26.6%。2007 年世界前16 家太阳能电池公司中，中国已经占有了6家。2008年，中国超过了之前一直居全球市场份额首位的日本，成为全球第一大生产国。而这一年的全球产量约为7GW，中国的太阳能电池产能约为3.3GW，产量超过了2GW。因此中国的份额超过了30。2009年中国的太阳能电池产量达到
15、了4.3GW，占的全球份额已达到4成。,生产大国、消费小国,中国光伏市场特点（2）,一直以来，我国的光伏产业始终受到“两头在外”的双重制约。以每兆瓦太阳能电池需多晶硅1011 吨计算，2007 年国内太阳能多晶硅需求达1.2万吨左右，而2007 年国内太阳能多晶硅产量不足1000 吨。原料自给率不足10%。 同时，2007 年生产电池1180 兆瓦中，出口达了1000 兆瓦，比例超过90%。 同时，我国的光伏产业需求相对增长较慢，造成了我国光伏产业发展和应用市场发展出现极大的不平衡。2007 年我国累计装机容量仅有100兆瓦，不足全球的1%。2008 年，我国当年新增光伏装机40MW，国内需求
16、量仅占当年产能的2%，比例与07 年基本持平。98% 的光伏产品靠出口，使得我国的光伏产业过度依赖海外市场。,两头在外的市场格局,中国光伏市场特点（3）,技术层面，光伏应用中存在系统效率低、可靠性低，受自然条件限制大，光伏系统专用蓄电池的研发成本高等问题。光伏产业尚未建立起全面的研发和创新体系，也缺乏一些高新制造产业的支撑，因此我国的太阳电池关键生产设备基本依赖进口。 这种现状导致我国光伏产业被打上“代工车间”的烙印。另外，光伏生产技术更新换代较快，光伏技术已经在朝着全产业链优化、自动化的方向发展，而我国目前主要靠进口生产线、并且各产业链单兵作战。,研发和创新能力薄弱,中国光伏市场特点（4）,国内光伏发电市场迟迟不能启动的主要原因是光伏发电的成本还是太高 ,影响了大规模推广。我国光伏发电成本为1.3 元/度-2.0 元/度，远高于普通火电平均不到0.30 元/度左右的发电成本15。如此高昂的成本，一直以来都是制约我国乃至世界光伏产业发展的瓶颈。 但是，随着电池转化效率的提高、制备技术的改进
