太阳能光伏发电综述

太阳能光伏发电综述

电工材料2006No.3李春鹏等:太阳能光伏发电综述

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太阳能光伏发电综述

李春鹏1,张廷元2,周封

1

(1.哈尔滨理工大学电气电子工程学院,哈尔滨2.山东滨州渤海活塞股份有限公司,山东滨洲

150040;256602)

摘要:在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天,人们渴望用“取之不尽,用之不竭”的可再生能源来代替资源有限、污染环境的常规能源。以半导体光生伏打效应为基础的光伏发电技术,能满足人类的需要。太阳能光伏发电作为一种即清洁又环保的绿色能源,是近期急需的能源补充,又是未来能源结构的基础。本文介绍了太阳能光伏发电的原理、光伏发电系统的运行方式及国内外光伏发电的现状,提出了发展太阳能光伏发电的建议。

关键词:太阳能;光伏发电;光伏系统;清洁能源中图分类号:TM615

文献标志码:A

文章编号:1671-8887(2006)03-0045-04

SummarizationofSolarLIChun-peng,ZHANGTiy,HOUFeg

1

(1.CollegeofElectical&rEngig,rbinUniversity

ofbin,150080,China;

2.ShanonCo.,Ltd.ShandongBinzhou256602,China)

Abstract:Today,energysourcesdriedupandenvironmentalpollutionismoreandmoreseverepeoplearelongforthatrenewableenergysourcestaketheplaceofruleenergysources.Butphotovoltaictechnologycanbesatisfiedwithhumanbeing.Asaclearingen2ergy,solarPVsystemisnotonlysupplementaryinthenearfuturesoures,butalsoisgroundinginthefuturesourcesstruction.Intheworld,manycountriesarestudyinglargelysolarPVtehnology.Bynow,solarcellmeanannualrateofincreaseispercent33.PVisbecomingthemostoneoftherapidtechnologyindustry.

Keywords:solarenergy;PVgenerateelectricity;photovoltaicsystem;clearingsources

引言

随着全球工业化的进程,人类对能源需求在不断增长。回顾100年间能源工业的发展历史,可以

1的主要原因之一。面对全球范围内的能源危机和环境压力,人们渴望用可再生能源来代替资源有限、污染环境的常规能源。研究和实践表明,太阳能是资源最丰富的可再生能源,它分布广泛,可再生,不污染环境,是国际公认的理想替代能源。在长期能源战略中,太阳能光伏发电将成为人类社会未来能源的基石,世界能源舞台的主角。它在太阳能热发电、风力发电、海洋发电、生物质能发电等许多可再生能源中具有更重要的地位。现在世界上许多国家都加大了对太阳能光伏发电技术的研究,并制定了相关的政策鼓励太阳能产业的发展。近几年,世界太阳能电池组件的年平均增长率为33%,光伏产业已成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。

清楚地看到,整个能源工业的消耗主要以化石能源为主。人类正在消耗地球50万年历史中积累的有限能源资源。煤和石油作为能源的载体,极大地解放了生产力,推动了全世界工业化的进程,同时也向人类敲响了常规能源已面临枯竭的警钟。以化石能源为主体的能源结构,对人类环境的破坏显而易见,它是造成大气和其他类型环境污染与生态破坏

作者简介:李春鹏(1976-),男,哈尔滨人,硕士研究生,主要从事电力系统及其自动化的研究,(电子信箱)945702@。收稿日期:2006-05-10

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李春鹏等:

太阳能光伏发电综述电工材料2006No.3

全球的能源形势

据国际能源权威年鉴《BP世界能源统计2005》

太阳能光伏发电的原理主要是利用半导体的光生伏打效应。太阳能电池实际上是由若干个p-n结构成。当太阳光照射到p-n结时,一部分被反射,其余部分被p-n结吸收,被吸收的辐射能有一部分变成热,另一部分以光子的形式与组成p-n结的原子价电子碰撞,产生电子空穴对,在p-n结势垒区内建电场的作用下,将电子驱向n区,空穴驱向p区,从而使得n区有过剩的电子,p区有过剩的空穴。这样在p-n结附近就形成与内建电场方向相反的光生电场。光生电场除一部分抵消内建电场外,还使p型层带正电,n型层带负电,在n区和p区之间的薄层产生光生电动势,这种现象称为光生伏打效应。若分别在p型层和n型层焊上金属引线,接通负载,在持续光照下,外电路就有电流通过,如此形成一个电池元件,经过串并联,就能产生一定的电压和电流,

6月发布的数据显示,2004年世界一次能源消耗量

10

为1.02×10t石油当量。到2005年底,世界石油

可采量为45年,天然气可采量为61年,煤炭可采量为230年。图1为我国与世界主要常规能源储量预测图[1]。

图1我国与世界主要常规能源储量预测图

。

从图1可以看出,指可数约为世界总储量的,,可以无限期使用,因此世界上许多发达国家和部分发展中国家都十分重视太阳能在未来能源供应中的重要作用。太阳能光伏发电与传统发电方式相比具有下列优点:

(1)数量巨大。每年到达地球表面的太阳辐射

14能约为1.8×10t标准煤,即约为目前全世界所消4费的各种能量总和的1×10倍。

太阳能光伏发电系统的运行方式主要分为离网

运行和联网运行两大类。

离网运行系统:未与公共电网相联接,又称为独立太阳能光伏发电系统。主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所,如为公共电网难以覆盖的边远农村、海岛、通信中继站、边防哨所等场合提供电源。

联网运行系统:与公共电网相联接,共同承担供电任务。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段,成为电力工业组成部分之一的重要方向,也是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。联网太阳能光伏发电系统具有许多独特的优越性:

(1)可以对电网调峰,提高电网末端的电压稳定

(2)清洁干净。太阳能安全卫生,对环境无污

染,不损害生态环境,是当之无愧的“清洁能源”。

(3)获取方便。太阳能分布广泛,既不需开采和

挖掘,又不用运输,对解决边远山区以及交通不便的乡村、海岛的能源供应具有很大的优越性。

(4)时间长久。只要有太阳,就有太阳辐射能,

性,改善电网的功率因数,有效地消除电网杂波。

(2)所发电能回馈电网,以电网为储能装置,省

因此是取之不尽,用之不竭的能源。

据权威机构预计,2020年光伏发电在世界电力生产中所占比例将达1%左右,2050年约占25%。可以断言,光伏发电正在快速进入电力能源结构,并且将逐步成为其重要的组成部分。谁掌握了可再生能源和太阳能发电技术,谁就掌握了未来发展的主动权[2]。

3

掉蓄电池。与独立太阳能光伏系统相比可减少建设投资35%～45%,发电成本大大降低。

(3)光伏电池与建筑完美结合,既可发电又可作

为建筑材料和装饰材料,使资源充分利用,发挥多种功能。

(4)出入电网灵活,既有利于改善电力系统的负

荷平衡,又可降低线路损耗。

光伏电池与建筑相结合的联网屋顶太阳能光伏发电系统是众多发达国家竞相发展的热点,发展迅

太阳能光伏发电原理

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电工材料2006No.3李春鹏等:

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速,市场广阔,前景诱人。联网太阳能光伏发电系统在我国还处于实验示范的起步阶段,远远落后于美国、欧洲、日本等发达国家。1990年德国首先开始实施由政府投资支持、被电力公司承认的“1000屋顶计划”,继而扩展为“2000屋顶计划”,又于1998年提出“10万屋顶计划”,到2004年底,累计建设10万套,光伏组件总装机容量达300MWp。我国太阳能电池多数是用于独立光伏发电系统,到2010年以前这种现象不会有很大改变,仍然是以独立发电系统为主。从2011年到2020年,中国光伏发电的市场将会由独立发电系统转向并网发电系统,包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。

5

[4]

中国光伏发电产业于20世纪70年代起步,90年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。到2005年底,中国光伏电池总产量超过250MW,光伏组件总产量超过400MW。中国光伏发电市场的发展为:90年代初期,光伏发电主要应用在通信和工业领域,包括微波中继站、卫星通信地面站、程控电话交换机、水闸和石油管道的阴极保护系统等。从1995年开始主要应用在特殊应用领域和边远地区,逐步建立了较大型的光伏发电应用系统,建成各种规模的县、乡、村级光伏电站40多座,推广应用家用光伏电源系统约15万套。2000年以后,中国的光伏技术已步入大规模并网发电阶段,开始建造100kWp级的光伏并网示范系统。图2为目前中国光伏发电产业的应用领域及份额[1]。

光伏发电现状世界光伏发电现状

世界光伏发电正在由边远农村和特殊应用向

5.1

并网发电和与建筑结合供电的方向发展,光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。近几年,发电市场发展迅速。近10平均增长率为33%,,

2004年比上一年增长,。2004年世界光伏电池/组件产量达到1200MW,其中日本生产

610MW,欧洲320MW,美国135MW,其他国家135MW。2004年世界光伏系统的总装机容量超过4GW。现在世界实力大国都制定了雄心勃勃的光伏

图2

中国光伏发电产业的应用领域及份额

虽然我国光伏发电产业发展很快,但与世界光伏产业的发展相比,国内的光伏产业还处于规模小、基础薄弱的阶段,应用市场不够稳定,同时还缺乏长期稳定的激励政策和长效发展机制;太阳能光伏发电并网应用还不多;光伏系统和相关部件的产品质量和技术水平还有待进一步提高;光伏发电成本还需不断降低。在2004年10月中国可再生能源发展项目办公室所作《中国光伏产业研究报告》中,对国内太阳级多晶硅的描述是“我国光伏专用太阳级硅材料的研制和生产是空白”。在系统工程方面,由于受到技术、经济等多种因素的制约,许多具有市场潜力的应用领域,如大型(>1000kWp)光伏或风-光

-柴互补电站系统、光伏海水淡化系统、太阳能水泵

发电近期发展规划:到2010年日本计划累计装机容量将达到5GWp,欧盟3GWp(其中德国

2.7GWp),美国4.7GWp,澳大利亚0.75GWp,印

度、中国等发展中国家估计为1.5～2GWp。统计资料表明,到2010年,世界光伏系统累计装机容量预计将达到14～16GWp。长期发展目标见表1[3]。

表1世界光伏发展目标(累计装机容量,GWp)

国家(地区)

日本欧盟美国其它国家总计

2010年534.7315.7

2020年3015151070

2030年72302523150

滴灌工程、太阳能电动车、光伏制氧系统以及较大规模的光伏并网发电等都还没有真正发展起来。因此,我国的太阳能光伏产业还有大量工作亟待完成。

5.2中国光伏发电现状

太阳能光伏发电综述

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李春鹏等:

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电工材料2006No.3

展望与建议

近几年随着国家经济的迅猛发展,全国出现电

并网,优惠上网电价和全社会分摊费用,设立可再生能源财政专项资金等。它的正式实施被看作是我国绿色能源发展的风向标。

力供应严重不足的现象。按照目前的经济发展趋势和中国的资源情况,预测2010年～2020年的电力供应单靠传统的煤电、水电、核电是不够的,仍然存在一定的缺口,这就需要由可再生能源发电来填补。表2为2010和2020年中国发电装机预测(电力科学院统计)。

表2

年份

2010

2010和2020年中国发电装机预测(GW)

煤电

40068.40%59262.30%

水电

13523.10%22023.20%

核电

12.52.10%363.80%

缺口

376.40%10210.70%

总计

584.5100%950100%

图42020年常规发电装机和缺口预测

我国的太阳能光伏产业既面临着严峻的挑战又面临着发展的机遇。为使我国的光伏产品在世界的市场上有竞争性,。、整合、2020

光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色,预计到2010机容量将达到600MWp,达到30GWp,2050p科学院的预测,到占到全国总电力装机的25%,其中光伏发电将占

5%。图3、4分别是我国2010年、2020年常规发电

、应用和推广计划;

(2)考虑设立太阳能专项资金制度和多种形式

的补贴政策。比如对投资直接补贴、提供贴息性贷款、根据光伏发电和可再生能源产品产量进行直接补贴等;

(3)加强生产企业和科研机构与国际间的合

装机和缺口预测。

[1]

作,积极引进国外科研新技术;

(4)加大对光伏产业科研的投入,拓展光伏技

术的应用领域,开发出具有我国自主知识产权的光伏技术和新产品;

(5)加大光伏发电的并网应用工程,从发展户

用系统逐步过渡到发展并网应用系统;

(6)光伏发电逐步取代部分常规能源要有一定

图3

2010年常规发电装机和缺口预测

的比例要求。参考文献:

[1]

可见,无论从近期还是远期,太阳能光伏发电都极具吸引力。特别是2006年1月1日正式实施的《中华人民共和国可再生能源法》将极大地促进我国光伏市场和光伏产业的发展。此法明确规范了政府和社会在可再生能源开发利用方面的责任与义务,确立了包括中长期总量目标与发展规划,鼓励可再生能源产业发展和技术开发,支持可再生能源

王文静主编.中国光伏产业发展研究报告[R].北京:中国可再生能源发展项目办公室,2004.

马胜红,赵玉文.光伏发电在我国电力能源结构中的战略地位和未来发展方向[J].太阳能,2005(4):10-16.

罗运俊,何梓年,王长贵.太阳能利用技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

[2][3]

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zvz1.html