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1、,第1章,导论,第1章,导,论,“到处阳光到处电”是人类美丽的理想。太阳能光伏发电是指不通过热过程，直接将太 阳的光能变换成电能的太阳能利用方式。依靠光伏电池，把照射到光伏电池上的光能直接 转换成电能输出的光伏发电是太阳能光发电的主流。,1.1 1.2,太阳能光伏发电的主要优缺点 太阳能光伏发电的主要优点为： （1） 结构简单，体积小且轻； （2）易安装，易运输，建设周期短； （3）使用方便，维护简单，在-50-65 温度范围均可正常工作； （4）清洁能源，安全，无噪声，零排放； （5）可靠性高，寿命长； （6）太阳能几乎无处不有，所以光伏发电应用范围广，； （7）降价速度快，能量偿还时间有可
2、能缩短； （8）可以与蓄电池相配组成独立电源，也可以并网发电。 太阳能光伏发电的主要缺点是： （1）太阳能能量密度低，覆盖面积大； （2）光伏发电具有间歇性和随机性； （3）各个地区太阳能资源情况不通，所以光伏发电区域性强。 太阳能光伏电池分类,迄今为止，人们已经研究了100多种不同材料、不同结构、不同用途和不同型式的太 阳能电池（见表1.1）。目前大面积地面用太阳能电池仍以硅材料太阳能电池为主,主要有 单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池，此外还有部分化合物太阳能 电池（如硒铟铜薄膜太阳电池等）,化合物砷化镓太阳能电池主要应用于空间电源领域。用 于地面太阳能光发电系统的太阳能
3、电池，要求耐风霜雨雪的侵袭，有较高的功率价格比， 要求具有大规模生产的工艺可行性和材料来源。 表1.1 太阳电池与光伏组件的分类 A:按基本材料分类,-1-,1,1.3,第1章,导论,晶体硅光伏电池及组件 非晶硅薄膜光伏电池及组件 微晶硅薄膜光伏电池及组件 纳晶硅薄膜光伏电池及组件 硒光电池 化合物太阳电池:硫化镉,硒铟铜,碲化镉,砷化镓光伏电池及组件 染料电池. B: 按结构分类 同质结光伏电池及组件 异质结光伏电池及组件 肖特基结光伏电池及组件 复合结光伏电池及组件 液结光伏电池 及组件 C: 按用途分类 空间光伏电池及组件 地面光伏电池及组件 光伏传感器 D: 按使用状态分类 平板光伏电
4、池及组件 聚光光伏电池及组件 分光光伏电池及组件 E:按封装材料分类 刚性封装光伏电池及组件 半刚性封装光伏电池及组件 柔性衬底封装光伏电池及组件 太阳能光伏发电的发展历史和现状 自从1839年发现“光生伏打效应”和1954年第一块实用的光伏电池问世以来，太阳能 光伏发电取得了长足的进步，但是它的发展仍然比计算机和光纤通讯要慢得多。究其原因 或许是人们对于信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对于能源的需求。1973年,-2-,2,第1章,导论,的石油危机和九十年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电的发展。随着人们对后 续能源问题和环境质量的认识不断提高，加大了关于光伏发电的各项科研经
5、费的投入，而 科研成就转化为技术和生产规模不断增长，使得成本不断下降，政策刺激下的市场不断扩 大。自1998年以来，连续5年以30%以上的速度增长，至2002年已达540MW/年，2003年高达 约750MW，增长40%。由于德国、欧盟及日本太阳能屋顶项目的推动，2004年世界光伏年产 量达到1256MW，年增长率超过50%。应用范围也越来越广，尤其是各个国家的光伏计划，为 太阳能光伏发电展现了无限光明的前途。自1996年以来，世界光伏发电正在高速发展。主 要表现在: 光伏产量增长率持续走高。多年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域 之一，19992003年光伏组件的生长以3040的
6、速度甚至更高的递增速度发展，太 阳电池的产量从1999年的202MW增加到2004年的1256MW，如图1-1所示。 生产规模不断扩大，光伏产业向百兆瓦级规模和更高技术发展。目前光伏组件的生产 规模在5-20MW/年。许多公司在计划扩建和新建年产50-100MW级光伏组件生产厂。 新技术不断出现，电池效率持续攀升，成本明显降低。随自动化程度和技术水平的提 高，电池效率将由现在的水平（单晶硅13-15%，多晶硅11-13%）向更高水平（单晶硅 18-20%，多晶硅16-18%）发展。而在过去的30年中，光伏组件的成本已降低了2个数量 级，光伏组件的成本已降低了2个数量级，如图1-2所示。 200
7、22004年间，我国光伏产业迅猛发展，已经成为世界光伏产业和市场发展最快的 国家之一。 图1-1 世界太阳电池历年产量,-3-,3,第1章,导论,图1-2 世界光伏组件生产成本下降趋势 表1-2为历年太阳电池发货量，可以看到原来居太阳电池首位的美国。已 从1999年开始让位于日本。 表12：1993-2003年 世界太阳电池组件发货量（MW）,年度 日本 欧洲 美国 其它 合计,1993 17.0 17.0 21.0 5.5 61.4,1994 16.5 21.7 25.64 5.6.0 69.44,1995 16.4 20.1 34.75 6.35 77.6,1996 21.2 18.8 8
8、.85 9.75 8860,1997 35.0 30.4 51.0 9.4.0 125.80,1998 49.0 33.5 53.7 18.7 154.9,1999 80 40 60.8 20.5 201.30,2000 128.6 60.66 74.97 23.42 287.65,2001 171.22 86.38 100.32 32.62 390.54,2002 251.07 135.05 120.60 55.05 561.77,2003 365.4 202.3 96.3 85.7 749.7,国际太阳电池研究现状 迄今为止，已经研究了近100种太阳电池，表13，表14和表15为各种 太阳
9、电池世界最高水平的科研成果。,-4-,4,第1章,导论,表13 地面用太阳电池在标准测试条件下的效率 表14 地面用光伏组件在标准测试条件下的效率,-5-,5,第1章,导论,表15 地面用聚光太阳电池和组件在标准测试条件下的效率,1.4,中国的太阳能光伏发电,我国从1958年开始研究光伏发电，1971年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星 上。于1973年开始地面光伏系统应用。中国自制的光伏航标灯、太阳能灯塔和气象用光伏 电源、通讯用光伏电源在七十年代已开始使用，但规模很小，1977年中国光伏产量只有 1.1KW,价格高达200元/Wp,光电转换效率为610%。 八十年代开始先后引进了一批美
10、国的单晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池生产设备，使 得中国的光伏工业开始起步。至1987年，中国光伏产量达到100KW/年,晶体硅太阳电池的价 格 已 降 到 4045 元/Wp, 光 电 转 换 效 率 达 到 了 812% 。 九 十年 代 开 始 以 来 ， 全 国 已 形 成 5.0MWp/年的生产能力。 我国对于太阳电池的研究主要集中在实用型的单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非 晶硅太阳电池、砷化镓太阳电池、空间用的硅太阳电池及其系统、锡铟铜及碲化镉化合物 薄膜太阳电池和聚光太阳电池及系统。目前我国各种太阳电池的实验室最高效率见表1-6。,-6-,6,2,第1章,导论,表1-6 中国各种
11、太阳电池实验室研究的最高效率,类型 单晶硅电池 GaAs电池 多晶硅电池 聚光硅电池 CdS/CuxS电池 CuInSe2电池 CdTe电池 多晶硅薄膜电池 非晶硅电池 二氧化钛纳米有机电池,最高效率（） 20.4 20.1 14.53(2000年) 17 12 8.57 7 13.6 11.2(单结) 11.4（双结） 8.6 7.9 6.2 10,面积（cm ） 2*2 1*1 2*2 2*2 几个mm 1*1 3mm 1*1,非活性硅衬底上 几个mm 几个mm 10*10 20*20 30*30 1*1,进入21世纪，我国的光伏产业出现了新气象，老的国有企业重组焕发青春，大型上市 公司采
12、取多种形式加入，大型民营企业也开始涉足。2002年，国家计委启动了“西部省区 无电乡通电计划”，通过光伏和小型风力发电解决西部七省区（西藏、新疆、青海、甘 肃、内蒙、陕西和四川）780个无电乡的用电问题，光伏用量达到16.5MW。这一项目的启动 大大刺激了光伏工业，国内建起了几条太阳电池的封装线，使太阳电池的年生产量迅速达 到100MWP （2002年当年产量20MWP ）。截止2003年底我国太阳电池底累计装机已达到50MWP 。较大的生产规模和先进的技术使太阳电池的价格已从2000年的3640元/Wp，降为2003年 的30元/Wp。哈尔滨克罗拉太阳能电力公司及深圳拓日太阳能公司等2个工厂
13、生产的非晶硅 太阳电池价格为2325元/Wp,光电转换效率为46%。 对光伏的产量和价格的预测见表1-6。 表1-6 生产能力、产量、价格、系统价格、年产值预测,年度 2000 2003,组件生产能力 （MWP） 4.5 80,组件年产量 （MWP） 2.1 10,组件价格 (元/WP) 42 30,系统造价 (元/WP) 80 70,系统年产值 （亿元） 1.68 7,-7-,7,2,第1章,导论,2005 2010 2020,120 400 2000,50 150 1500,25 20 16,50 40 30,25 60 450,太阳电池的效率和成本预测见表1-7。 表1-7 太阳电池的效
14、率和成本预测 晶体硅太阳电池,年代,效率（） 单晶硅 多晶硅,成本 (元/WP),寿命（年）,2000 2005 2010 2020,11-13 12-14 13-15 16-20,10-11 11-13 12-14 15-18,25-30 18-22 15-20 12-15,15 20 25 30,单结非晶硅太阳电池,年代 2000 2005 2010 2020,效率（） 3-5 4-6 6-8 10-12,成本 (元/WP) 18-20 12-15 10-12 8-10,寿命（年） 5 7 10 15,随着光伏产业的发展壮大，光伏器件的效率逐步增加，组件和系统的价格逐步下降， 太阳能光伏发
15、电的应用范围愈来愈广，其市场需要也将愈来愈大。 附录： 中国光伏的生产能力 中国太阳电池片主要厂家和生产能力,产品类别 单晶硅,厂商名称 上海太阳能科技股份有限公司 云南半导体器件厂 上海国飞 -8-,生产能力(MW) 10 1,8,4,1,2,4,2,2,2,2,2,1,2,1,6,第1章,导论,宁波太阳能,多晶硅 非晶硅,无锡尚德 保定英利 哈尔滨克罗拉,25 3,合计,深圳创益 深圳日月环 深圳拓日 天津津能 北京世华 中国光伏组件主要厂家2003年生产能力,0.5 0.5 0.5 8 10 53.5,厂商名称 云南半导体 宁波太阳能 无锡尚德 上海国飞 保定英利 深圳能联 上海811
16、武汉日新 深圳先行 深圳珈玮 小计 合计,2003年生产能力（MW） 25 16 10 2 65 101.5 -9-,厂商名称 青海国飞 内蒙古国飞 西藏华冠 西安佳阳 深圳创意 天津日本京瓷 黄山朝阳（在建） 山东力诺（在建） 广州铨欣照明 其他 小计,2003年生产能力（MW） 0.5 0.5 10 10 1.5 36.5 9,6,12 2,33g,33cm,-3,4msec-2,6,10 -1 -2,-1,46 2,-2 -1,2,第 2 章 太阳和太阳能 第 2 章 太阳和太阳能 万物生长靠太阳, 太阳对地球来说是唯一永恒的能源。太阳和地球有着密切的关 系。地球上已发现的 109 种元素，除 17 种人造元素以外，其余 92 种元素太阳里都有.太阳 是距离地球最近的一颗恒星,日地距离为 1.49597892x108Km,太阳直径为 1.392 x106Km,是地 球的 109 倍;体积比地球大 130 多万倍,太阳平均密度为 1.4g/cm3,即比水的
