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太陽(yáng)能光伏

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統是利用太陽(yáng)電池半導體材料的光伏效應,將太陽(yáng)光輻射能直接轉換為電能的一種新型發(fā)電系統。

什么是太陽(yáng)能光伏

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統是利用太陽(yáng)電池半導體材料的光伏效應,將太陽(yáng)光輻射能直接轉換為電能的一種新型發(fā)電系統,有獨立運行和并網(wǎng)運行兩種方式。獨立運行的光伏發(fā)電系統需要有蓄電池作為儲能裝置,主要用于無(wú)電網(wǎng)的邊遠地區和人口分散地區,整個(gè)系統造價(jià)很高;在有公共電網(wǎng)的地區,光伏發(fā)電系統與電網(wǎng)連接并網(wǎng)運行,省去蓄電池,不僅可以大幅度降低造價(jià),而且具有更高的發(fā)電效率和更好的環(huán)保性能。

什么是太陽(yáng)能光伏技術(shù)  

太陽(yáng)是能量的天然來(lái)源。地球上每一個(gè)活著(zhù)的生物之所以具有發(fā)揮作用的能力,甚至于是它的生存,都是由于直接或間接來(lái)自于太陽(yáng)的能量。我們的地球處在離太陽(yáng)差不多有一億英里的地方。它所截取的輻射能少到難以置信 (大約千萬(wàn)分之三),這么小的一點(diǎn)能量, 實(shí)際上比整個(gè)世界目前現有的發(fā)電能力還大十萬(wàn)倍。目前全世界尤其是工業(yè)發(fā)達國家開(kāi)始感到能量短缺,因此,人們開(kāi)始求助于太陽(yáng)能,以解決能源危機。

太陽(yáng)能每天都能無(wú)限供應,而且數量龐大。如果在大的電廠(chǎng)利用,就減少了溫室效應,有些能源專(zhuān)家和環(huán)境保護的專(zhuān)家則認為,在滿(mǎn)足人類(lèi)今后能量需要方面,太陽(yáng)能的熱影響比任何其他替換品的熱影響要小得多。作為一種不污染環(huán)境,又取之不盡的新能源,它無(wú)處不在。尤其是在電力供力方面,太陽(yáng)能的利用有被動(dòng)式利用(光熱轉換,如太陽(yáng)能熱水器)和光電轉換(如光伏發(fā)電)兩種方式。有專(zhuān)家認為,太陽(yáng)能發(fā)電最終將在電力供應中占20%。

太陽(yáng)能是一種輻射能,太陽(yáng)能發(fā)電意味著(zhù)---要將太陽(yáng)光直接轉換成電能,它必須借助于能量轉換器才能轉換成為電能。將光能直接轉換成電能的過(guò)程確切地說(shuō)應叫光伏效應。不需要借助其它任何機械部件,光線(xiàn)中的能量被半導體器件的電子獲得,于是就產(chǎn)生了電能。這種把光能轉換成為電能的能量轉換器,就是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池也同晶體管一樣,是由半導體組成的。它的主要材料是硅,也有一些其他合金。用于制造太陽(yáng)能電池的高純硅,要經(jīng)過(guò)特殊的提純處理制作。太陽(yáng)能電池只要受到陽(yáng)光或燈光的照射,就能夠把光能轉變?yōu)殡娔?,使電流從一方流向另一方,一般就可發(fā)出相當于所接收光能的10~20% 的電來(lái)。

一般來(lái)說(shuō),光線(xiàn)越強,產(chǎn)生的電能就越多。為了使太陽(yáng)能電池板最大限度地減少光反射,將光能轉變?yōu)殡娔?,一般在它的上面都蒙上一層可防止光反射的膜?使太陽(yáng)能板的表面呈紫色。它的工作原理的基礎是半導體PN結的光生伏打效應。所謂光生伏打效應就是當物體受光照時(shí),物體內的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢和電流的一種效應。當太陽(yáng)光或其他光照射半導體的PN結時(shí),就會(huì )在PN結的兩邊出現電壓(叫做光生電壓)。這種現象就是著(zhù)名的光生伏打效應。使PN結短路,就會(huì )產(chǎn)生電流。

太陽(yáng)能發(fā)電的主要優(yōu)點(diǎn)在于:太陽(yáng)能電池可以設置在房頂等平時(shí)不使用的空間,無(wú)噪音、壽命長(cháng),而且一旦設置完畢就幾乎不要需要調整?,F在只要將屋頂上排滿(mǎn)太陽(yáng)能電池,就可以實(shí)現家中用電的自給?,F今太陽(yáng)能的主要用途已不再是小規模的,從性質(zhì)上來(lái)說(shuō),是專(zhuān)業(yè)化的。它從軍事領(lǐng)域、通信領(lǐng)域到城市建設領(lǐng)域等都起到了重大的作用。委內瑞拉還推出廉價(jià)太陽(yáng)能車(chē)、歐洲科學(xué)家研制出輕便的可穿在身上的太陽(yáng)能電池。目前,太陽(yáng)能的利用存在著(zhù)巨大的發(fā)展空間,有關(guān)的技術(shù)有可能在短時(shí)間內實(shí)現突破。它已被許多發(fā)達國家作為其能源戰略的一個(gè)重要組成部分。

1、太陽(yáng)能電池發(fā)電原理  

太陽(yáng)電池是一對光有響應并能將光能轉換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應的材料有許多種,如:單晶硅,多晶硅,非晶硅,砷化鎵,硒銦銅等。它們的發(fā)電原理基本相同,現以晶體為例描述光發(fā)電過(guò)程。P型晶體硅經(jīng)過(guò)摻雜磷可得N型硅,形成P-N結。

當光線(xiàn)照射太陽(yáng)電池表面時(shí),一部分光子被硅材料吸收;光子的能量傳遞給了硅原子,使電子發(fā)生了越遷,成為自由電子在P-N結兩側集聚形成了電位差,當外部接通電路時(shí),在該電壓的作用下,將會(huì )有電流流過(guò)外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過(guò)程的的實(shí)質(zhì)是:光子能量轉換成電能的過(guò)程。

2、晶體硅太陽(yáng)電池的制作過(guò)程:

“硅”是我們這個(gè)星球上儲藏最豐量的材料之一。自從19世紀科學(xué)家們發(fā)現了晶體硅的半導體特性后,它幾乎改變了一切,甚至人類(lèi)的思維,20世紀末.我們的生活中處處可見(jiàn)“硅”的身影和作用,晶體硅太陽(yáng)電池是近15年來(lái)形成產(chǎn)業(yè)化最快。生產(chǎn)過(guò)程大致可分為五個(gè)步驟:a、提純過(guò)程 b、拉棒過(guò)程 c、切片過(guò)程 d、制電池過(guò)程 e、封裝過(guò)程。

3、太陽(yáng)電池的應用:

上世紀60年代,科學(xué)家們就已經(jīng)將太陽(yáng)電池應用于空間技術(shù)——通信衛星供電,上世紀末,在人類(lèi)不斷自我反省的過(guò)程中,對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切,不僅在空間應用,在眾多領(lǐng)域中也大顯身手。如:太陽(yáng)能庭院燈、太陽(yáng)能發(fā)電戶(hù)用系統、村寨供電的獨立系統、光伏水泵(飲水或灌溉)、通信電源、石油輸油管道陰極保護、光纜通信泵站電源、海水淡化系統、城鎮中路標、高速公路路標等。在世紀之交前后期間,歐美等先進(jìn)國家光伏發(fā)電并入城市用電系統及邊遠地區自然界村落供電系統納入發(fā)展方向。太陽(yáng)電池與建筑系統的結合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢。

4、太陽(yáng)電池基本性質(zhì):

a 、光電轉換效率 η% 評估太陽(yáng)電池好壞的重要因素。
  目前:實(shí)驗室 η ≈ 24%,產(chǎn)業(yè)化:η ≈ 15%。

b、單體電池電壓 V:0.4V——0.6V由材料物理特性決定。

c、填充因子FF%:評估太陽(yáng)電池負載能力的重要因素。 FF=(Im×Vm)/(Isc×Voc)
  其中:Isc—短路電流,Voc—開(kāi)路電壓,Im—最佳工作電流,Vm—最佳工作電壓;

d、標準光強與環(huán)境溫度 地面:AM1.5光強,1000W/m2 ,t = 25℃;

e、溫度對電池性質(zhì)的影響,例如:在標準狀況下,AM1.5光強,t=25℃某電池板輸出功率測得為100Wp,如果電池溫度升高至45℃時(shí),則電池板輸出功率就不到100Wp

太陽(yáng)能電池發(fā)電歷史 

自從1954年第一塊實(shí)用光伏電池問(wèn)世以來(lái),太陽(yáng)光伏發(fā)電取得了長(cháng)足的進(jìn)步。但比計算機和光纖通訊的發(fā)展要慢得多。其原因可能是人們對信息的追求特別強烈,而常規能源還能滿(mǎn)足人類(lèi)對能源的需求。1973年的石油危機和90年代的環(huán)境污染問(wèn)題大大促進(jìn)了太陽(yáng)光伏發(fā)電的發(fā)展。其發(fā)展過(guò)程簡(jiǎn)列如下:

  1839年 法國科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現“光生伏特效應”,即“光伏效應”。
  1876年 亞當斯等在金屬和硒片上發(fā)現固態(tài)光伏效應。
  1883年 制成第一個(gè)“硒光電池”,用作敏感器件。
  1930年 肖特基提出Cu2O勢壘的“光伏效應”理論。同年,朗格首次提 出用“光伏效應”制造“太陽(yáng)電池”,使太陽(yáng)能變成電能。
  1931年 布魯諾將銅化合物和硒銀電極浸入電解液,在陽(yáng)光下啟動(dòng)了一個(gè)電動(dòng)機。
  1932年 奧杜博特和斯托拉制成第一塊“硫化鎘”太陽(yáng)電池。
  1941年 奧爾在硅上發(fā)現光伏效應。
  1954年 恰賓和皮爾松在美國貝爾實(shí)驗室,首次制成了實(shí)用的單晶太陽(yáng)電池,效率為6%。同年,韋克爾首次發(fā)現了砷化鎵有光伏效應,并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜,制成了第一塊薄膜太陽(yáng)電池。
  1955年 吉尼和羅非斯基進(jìn)行材料的光電轉換效率優(yōu)化設計。同年,第一個(gè)光電航標燈問(wèn)世。美國RCA研究砷化鎵太陽(yáng)電池。
  1957年 硅太陽(yáng)電池效率達8%。
  1958年 太陽(yáng)電池首次在空間應用,裝備美國先鋒1號衛星電源。
  1959年 第一個(gè)多晶硅太陽(yáng)電池問(wèn)世,效率達5%。
  1960年 硅太陽(yáng)電池首次實(shí)現并網(wǎng)運行。
  1962年 砷化鎵太陽(yáng)電池光電轉換效率達13%。
  1969年 薄膜硫化鎘太陽(yáng)電池效率達8%。
  1972年 羅非斯基研制出紫光電池,效率達16%。
  1972年 美國宇航公司背場(chǎng)電池問(wèn)世。
  1973年 砷化鎵太陽(yáng)電池效率達15%。
  1974年 COMSAT研究所提出無(wú)反射絨面電池,硅太陽(yáng)電池效率達18%。
  1975年 非晶硅太陽(yáng)電池問(wèn)世。同年,帶硅電池效率達6%~%。
  1976年 多晶硅太陽(yáng)電池效率達10%。
  1978年 美國建成100kWp太陽(yáng)地面光伏電站。
  1980年 單晶硅太陽(yáng)電池效率達20%,砷化鎵電池達22.5%,多晶硅電池達14.5%,硫化鎘電池達9.15%。
  1983年 美國建成1MWp光伏電站;冶金硅(外延)電池效率達11.8%。
  1986年 美國建成6.5MWp光伏電站。
  1990年 德國提出“2000個(gè)光伏屋頂計劃”,每個(gè)家庭的屋頂裝3~5kWp光伏電池。
  1995年 高效聚光砷化鎵太陽(yáng)電池效率達32%。
  1997年 美國提出“克林頓總統百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計劃”,在2010年以前為100萬(wàn)戶(hù),每戶(hù)安裝3~5kWp。光伏電池。有太陽(yáng)時(shí)光伏屋頂向電網(wǎng)供電,電表反轉;無(wú)太陽(yáng)時(shí)電網(wǎng)向家庭供電,電表正轉。家庭只需交“凈電費”。
  1997年 日本“新陽(yáng)光計劃”提出到2010年生產(chǎn)43億Wp光伏電池。
  1997年 歐洲聯(lián)盟計劃到2010年生產(chǎn)37億Wp光伏電池。
  1998年 單晶硅光伏電池效率達25%。荷蘭政府提出“荷蘭百萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)光伏屋頂計劃”,到2020年完成。

中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

中國太陽(yáng)能資源非常豐富,理論儲量達每年17000億噸標準煤。太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用的潛力非常廣闊。中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)于20世紀70年代起步,90年代中期進(jìn)入穩步發(fā)展時(shí)期。太陽(yáng)電池及組件產(chǎn)量逐年穩步增加。經(jīng)過(guò)30多年的努力,已迎來(lái)了快速發(fā)展的新階段。在“光明工程”先導項目和“送電到鄉”工程等國家項目及世界光伏市場(chǎng)的有力拉動(dòng)下,中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。

2007年,中國光伏電池產(chǎn)量首次超過(guò)德國和日本,居世界第一位。2008年的產(chǎn)量繼續提高,達到了200萬(wàn)千瓦。近5年來(lái),中國光伏電池產(chǎn)量年增長(cháng)速度為1-3倍,光伏電池產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的比例也由2002年1.07%增長(cháng)到2008年的近15%。商業(yè)化晶體硅太陽(yáng)能電池的效率也從3年前的13%-14%提高到16%-17%。

因美國次貸問(wèn)題而引發(fā)的金融危機,從華爾街迅速向全球蔓延,致使部分金融機構轟然倒塌,證券市場(chǎng)持續低迷,石油價(jià)格大幅下滑。中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)近年發(fā)展迅速,成為政府重視、股市活躍、風(fēng)投青睞、各行各業(yè)蜂涌相聚的世界太陽(yáng)谷。由于設備、原料和市場(chǎng)三頭在外,它對美國、歐洲和日本等國際市場(chǎng)存在很大依存度。隨著(zhù)這場(chǎng)金融危機特別是國際油價(jià)的大幅下挫,對中國光伏發(fā)電業(yè)的投資資金、出口訂單等方面產(chǎn)生重大影響,但金融危機對光伏產(chǎn)業(yè)的巨大影響一定會(huì )在未來(lái)的某個(gè)時(shí)間得到消化。長(cháng)遠來(lái)看,世界光伏市場(chǎng)的政策推動(dòng)力依然存在,光伏產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)成長(cháng)依然強勁。

中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)與企業(yè)責任透析

隨著(zhù)《可再生能源法》的頒布及實(shí)施,可再生能源發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)的基本原則已變得透明。光伏發(fā)電成本較高的呼聲也似乎有所減少,但并沒(méi)有發(fā)生實(shí)質(zhì)性改變。據此,有業(yè)內人士說(shuō)這仍是一個(gè)誤會(huì ),如果用環(huán)保和可持續發(fā)展的標準來(lái)計算和衡量,與火電相比,光伏發(fā)電其實(shí)并算不上昂貴。況且隨著(zhù)國家鼓勵發(fā)展綠色能源產(chǎn)業(yè)政策的扶持,隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步,光伏發(fā)電的成本將進(jìn)一步降低。在“關(guān)于制定階梯電價(jià)和促進(jìn)我國光伏發(fā)電發(fā)展的議案”建議稿中,我國太陽(yáng)能方面的幾位專(zhuān)家一致認為:“從資源的數量、分布的普遍性、技術(shù)的可靠性來(lái)看,光伏發(fā)電比其他可再生能源更具有優(yōu)越性,目前成本較高的障礙正在隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步和大規模生產(chǎn)而減小,光伏發(fā)電將成為未來(lái)電力的重要構成是勿庸質(zhì)疑的。”

如能得到穩定的政策扶持,中國太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展潛力將是巨大的。根據權威機構發(fā)布的《中國光伏發(fā)展報告》中的數據可以預計:到2030年,中國太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機容量將達到1億千瓦,年發(fā)電量可達1300億千瓦時(shí),相當于少建30多個(gè)大型煤電廠(chǎng)??赡苓@個(gè)指標同歐美等國家的目標相比差距還頗大,但要想達到這個(gè)目標,必須要排除諸多障礙。作為可再生能源應用的重要組成部分,近年來(lái)全球光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)以平均30%以上的速度迅猛增長(cháng)。預計在各國減排行動(dòng)和優(yōu)惠政策的拉動(dòng)下,產(chǎn)業(yè)發(fā)展將進(jìn)一步加快。在中國,只要培育規范的規模市場(chǎng)、加大投入、加速能力建設,國內光伏發(fā)電企業(yè)完全有條件依托國內市場(chǎng)挺進(jìn)國際市場(chǎng)。

光明無(wú)限,然而前路漫漫。發(fā)展的先決條件就是政府出臺行之有效的激勵及扶持政策。近年來(lái),德、日、美等國家光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的事實(shí)證明,政府采用優(yōu)惠政策扶持光伏發(fā)電市場(chǎng),靠規模市場(chǎng)拉動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步,依賴(lài)技術(shù)進(jìn)步和規模生產(chǎn)降低生產(chǎn)成本,通過(guò)提高質(zhì)量和降低價(jià)格贏(yíng)得更大市場(chǎng)的方針和策略是正確和成功的,值得中國借鑒。

光伏發(fā)電成為未來(lái)電力的重要構成要經(jīng)歷多長(cháng)時(shí)間?政府和公眾的認可度如何?諸多問(wèn)題困擾著(zhù)中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)。相對歐美等國家,中國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步較晚,還面臨著(zhù)諸多困境及瓶頸有待進(jìn)一步突破,這些注定中國光伏發(fā)電企業(yè)的商業(yè)化道路將坎坷崎嶇。

 中國的太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)需要提速,中國的光伏發(fā)電企業(yè)需要崛起。自2002年開(kāi)始,產(chǎn)業(yè)的壯大及光伏發(fā)電企業(yè)規模的擴大給相關(guān)設備企業(yè)也提供了難得的市場(chǎng)機遇。目前,我國光伏裝備產(chǎn)業(yè)已具有一定的規模和水平,在國內用戶(hù)中已建立起良好的信譽(yù)。通過(guò)和一流電池企業(yè)合作并融合了先進(jìn)的工藝技術(shù),國產(chǎn)的太陽(yáng)能電池關(guān)鍵設備相繼在國內大生產(chǎn)線(xiàn)上得到應用且逐漸成為主流選擇,使我國基本具備了晶體硅太陽(yáng)能電池制造設備的整線(xiàn)供給能力。受此拉動(dòng),我國電子專(zhuān)用設備行業(yè)也呈現出多年未有的蓬勃發(fā)展景象。在引領(lǐng)國產(chǎn)電池制造設備技術(shù)及市場(chǎng)的同時(shí),硅材料加工設備如多晶硅鑄錠爐、單晶爐、坩堝烘烤爐等也受到了市場(chǎng)的積極追捧。

這是一條上下求索尋求突破之路。近年來(lái),太陽(yáng)能光伏發(fā)電領(lǐng)域不斷涌現出新技術(shù)。但過(guò)高的電價(jià)仍是困擾產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問(wèn)題。目前太陽(yáng)能電池上網(wǎng)電價(jià)約是火力發(fā)電的10倍。有專(zhuān)家指出,隨著(zhù)環(huán)保成本的增加,火力發(fā)電的電價(jià)變換將呈上升曲線(xiàn),而薄膜太陽(yáng)能電池上網(wǎng)電價(jià)將隨著(zhù)大規模量產(chǎn)和轉換效率的提高逐漸下降,兩條曲線(xiàn)預計將在2012-2015年之間相交。

另外,市場(chǎng)前景也是不容忽視的問(wèn)題。而克服這些困難必須依靠企業(yè)和政府的協(xié)同努力。從長(cháng)期來(lái)看,積極拓展產(chǎn)業(yè)鏈上游業(yè)務(wù)是中國光伏發(fā)電企業(yè)面臨的挑戰,而中國光伏發(fā)電企業(yè)的責任是加快研發(fā)進(jìn)度、加快技術(shù)創(chuàng )新,通過(guò)提高技術(shù)水平不斷降低光伏發(fā)電的成本;另外,國家應盡快出臺合理的并網(wǎng)發(fā)電政策,盡快解決結算方法的問(wèn)題,并對生產(chǎn)企業(yè)、用戶(hù)和設備制造商予以適當的補貼等等。同時(shí),公眾也應該加強對環(huán)境問(wèn)題的認識,增強使用可再生能源的意愿。而這其中有不得不提的一點(diǎn),轉變觀(guān)念是當務(wù)之急,更是問(wèn)題關(guān)鍵所在。相信在政府、企業(yè)與全民的共同努力下,中國“陽(yáng)光計劃”的實(shí)現不會(huì )是夢(mèng)。


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