太阳能光伏发电及其发展

2007年9月JOURNALOFJIANGXIBLUESKYUNIVERSITYSeptember.2007

太阳能光伏发电及其发展

吴瑜之

(江西蓝天学院瑶湖公教部

江西南昌邮编330098)　　摘　要:论述开发利用太阳能的重要性和光伏发电在未来能源结构中的重要地位。介绍最近太阳能电池和光伏发电在

世界和中国的发展情况,并讨论开发太阳能利用产品来发展阳光经济的前景。关键词:太阳能光伏发电发展中图分类号:F407.61文献标识码:B文章编号:123(2007)03-027-06

1太阳能—未来的能源支柱能源短缺和地球生态环境污染已经成为人类面临的最大问题。据估计全球剩余煤炭只能维持约216年、石油只能维持45年、天然气只能维持61年,用于核发电的铀也只能维持71年,而我国的能源更是缺少,根据已经探明的储量,煤炭只能维持约105年、石油只能维持15年、天然气只能维持30年,铀也只能维持50年,如图1所示。而且随着工农业的发展和人民生活水平的提高,能源消耗不断增加。仅就电力消耗而言,2005年我国的电力装机容量为5亿千瓦(其中煤电3.3亿千瓦,水电1亿千瓦,核电800万千瓦),预计2020年将达到12亿千瓦,2050年达到25-30亿千瓦。因此能源短缺是社会经济发展的大问题。另一方面,煤炭、石油等矿物能源的使用,产生大量的CO2、SO2等温室气体,造成全球变暖、冰川融化、海平面升高、暴风雨和酸雨等自然灾害频繁发生,给人类带来无穷的烦恼。根据计算,现在全球每年排放的CO2已经超过500亿吨。我国能源消费以煤为主。CO2的排放量占世界的15.1%,仅次于美国,为世界第二。所以减少排放CO2、SO2等温室气体,已经成为刻不容缓的大事。因此推广使用太阳辐射能、水能、风能、生物质能等可再生能源是今后的必然趋势。广义地说太阳光的辐射能、水能、风能、生物质能、潮汐能都属于太阳能,它们随着太阳和地球的活动,周而复始地循环,几十亿年内不会枯竭,因此我们把它们称为可再生能源。

图1我国和全世界主要常规能源储量预见图

太阳的光辐射可以说取之不尽、用之不竭的能源。太阳与地球的平均距离为1亿5千万公里。在地球

2

大气圈外,太阳辐射的功率密度为每平方米1.353千瓦(即1.353kW/m),称为太阳常数。到达地球表面时,部分太阳光被大气层吸收,光辐射的强度降低。在地球海平面上,正午垂直入射时,太阳辐射的功率密

2

度约为每平方米1千瓦(即1kW/m),通常被作为测试太阳电池性能的标准光辐射强度。太阳光辐射的能

12

量非常巨大,从太阳到地球的总辐射功率若换算为电功率约为177×10千瓦,比目前全世界的平均消费电力还要大数十万倍。每年到达地球的辐射能相当于49000亿吨标准煤的燃烧能。太阳能不但数量巨大、用

收稿日期:2007-03-18

作者简介:吴瑜之(1968—),男,江西余干人,江西蓝天学院公教部,在读博士。研究方向:可再生能源应用。

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吴瑜之:太阳能光伏发电及其发展(2007)

之不竭,而且是不会产生环境污染的绿色能源,所以大力推广太阳能的应用是世界性的趋势。

目前太阳能的利用主要分为两个方面。其一是利用光热效应,也即把太阳光的辐射能转换为热能,太阳能热水器和太阳灶就是典型的例子。现在太阳能热水器的普及率不断增加,根据统计2005年我国太阳能热水器的年产量已经达到1500万平方米,累计保有量达到7500万平方米,年产值150余亿元。

太阳能利用的另一主要方面是利用光生伏特效应,简称光伏(photovoltaic.PV)效应,也可以称为光生电动势效应,即将太阳光的辐射能直接转变为电能,太阳电池就是具有这种性能的半导体器件。由于太阳电池是利用光生伏特效应的原理来工作的,所以太阳电池又称光伏器件。中国的太阳能资源非常丰富,特别是在西藏、新疆、青海、甘肃、宁夏等西北高原地区,日光强而且下雨天少,年平均日照时间长,太阳能资源特别丰富。如果按年平均日照时间来分,中国大致可分为5个不同的地区。按照中国太阳能资源各地区的太阳能的总辐射量来表示,例如我国西藏地区的年平均总辐射量为5800兆焦耳/平方米,上海是4600兆焦耳/平方米。2　太阳电池的优点及性能太阳电池可以将光能直接转变为电能,应用非常方便,所以受到全世界的重视。利用太阳电池发电不需要消耗燃料和水等其他物质,不会造成空气污染。太阳电池只要有日光照射就能发电,所以地球上大多数地方都能使用。特别是在日照强烈、下雨天少的高原和沙漠地区,太阳电池能发的电就更多。另外,太阳电池发电装置的规模可大可小,小的可以是数瓦或数十瓦,作为庭院灯、路灯或农牧民家用电器的电源,大的可以是数兆瓦或数十兆的大型发电站。特别是近年来小型半导体逆变器(将直流电变为交流电的器件)的出现,使太阳电池发电系统很易和电网连接,实现并网发电,应用就更加方便了。

太阳电池可以用单晶硅、多晶硅、非晶硅和微晶硅等半导体硅材料制造,也可以用砷化镓、磷化铟等化合物半导体制造。硅是地球上第二位最丰富的元素,而且无毒性,用它制作的太阳电池效率也比较高,因此它是最适于制作太阳电池的半导体材料。目前世界上生产的太阳电池95%以上都是硅太阳电池。

太阳电池的发电能力通常以它的发电功率来计算,计量单位是瓦(W)、千瓦(KW)或兆瓦(MW)。现在硅太阳电池的使用寿命已经可以达到30年以上。太阳电池的优劣主要以它的光电转换效率(即将光能转

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变为电能的效率)来衡量。例如在标准入射光强(1kW/m)下,光电转换效率为15%的一平方米太阳能电池,就可以有150瓦的发电能力,若太阳能电池的效率只有10%,则只能有100瓦的发电能力。可见制造高效率的太阳电池非常重要。现在,单晶硅太阳电池的实验室最高效率已经达到24.7%,大规模生产的硅太阳电池的效率为13%至18%。砷化镓多结太阳电池的实验室最高效率已经达到37%左右。表1列出了目前各种太阳电池的世界最高效率。表2列出了我国太阳电池的实验室最高效率与规模生产效率。

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表1目前各种太阳电池的世界最高效率(AM1.5,100mw/cm,25C)

电池种类单晶硅电池

背接触聚光单晶硅电池

GaAs多结电池

转换效率(%)24.7±0.526.8±0.834.7±1.720.3±0.530.28±1.214.5±0.7(初始)12.8±0.7(稳定)

19.5±0.616.5±0.516.6±0.410.1±0.211.0±0.5

研制单位

澳大利亚新南威威尔士大学

美国SunPOwer公司

Spectrolab

面积与备注4cm

2

96倍聚光333倍聚光1.002cm4cm

222

多晶硅太阳电池InGaP/GaAs非晶硅太阳电池含镓的铜铟电池碲化镉电池多晶硅薄膜电池纳米硅太阳电池二氧化钛纳米电池

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德国弗朗霍夫研究所日本能源公司美国USSC公司美国国家可再生能源实验室美国国家可再生能源实验室

德国斯图加特大学日本钟渊公司

EPFL

0.27cm

0.410cm1.032cm4.017cm0.25cm

222

2微米厚膜

2

江西蓝天学院学报(2007)

表2

电池类型单晶硅电池多晶硅电池多晶硅电池薄膜电池非晶硅薄膜电池

中国太阳电池的实验室最高效率与规模生产效率

最高与规模效率(%)

20.415.0-17.016.514.0-16.013.6

11.2(singlejunction)11.4(multi-junction)8.557.886.17

电池面积

2cm×2cm

125cm×125cm(规模生产)

2cm×2cm125cm×125cm(规模生产)

1cm×1cmAfewmm

2

10cm×10cm20cm×20cm30cm×30cm1cm×1cm3cm×4cm1cm×1cm1cm×1cm

砷化镓电池镉衬底砷化镓单结电池铜铟硒电池

二氧化钛毫微米有机电池

20.12038.5710.0

太阳电池的实际发电量依据使用地的日照时间等自然条件而不同。根据实际测量,在上海、德国、日本等地区,每一瓦太阳电池的年发电量大约为1千瓦时(即通常说的1度电)。因此在上海,如果在自己家的房顶上安装3千瓦的太阳电池(面积约20平方米),则全年可发电3000多度电,就大致够一家应用了。在西藏高原,因日照强烈,下雨天少,所以一瓦太阳电池的年发电量大约可达到1.8千瓦时,几乎是上海的一倍。可见在我国的西藏、青海、新疆的等高原地区,特别适宜使用太阳电池发电设备。

3　世界各国太阳电池的发展情况

由于全世界的能源日趋紧张,加以太阳电池生产技术的日臻完善,最近几年全世界太阳电池的产量增加很快,被称为朝阳工业。据统计,2000年全世界太阳电池的年产量为387兆瓦,2002年为540兆瓦,2003年为742兆瓦,2004年为1195兆瓦,2005年为1700兆瓦,年增幅达到30%-60%。图2表示全世界太阳电池产量的增长速率(单位:兆瓦)。表3是世界前十名太阳电池生产厂2005年及2006(估计)产量。

图2全世界太阳电池年产量的增长速率

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吴瑜之:太阳能光伏发电及其发展(2007)

表3

公司夏普Q-Cells京瓷三洋三菱肖特BP太阳能尚德茂迪Detschecell包括壳牌太阳能世界前十名太阳电池生产厂2005年及2006(估计)产量2005年产量(MW)

4281661421251009586826096排名12345678910

2006年产量(MW)

500234175150125110105150110110

排名12346710477

壳牌太阳能59

4　中国太阳电池生产的发展情况

我国的太阳电池工业最近几年也得到快速发展,短短的3-4年中,太阳电池的年产量已经从1999年的5兆瓦增加到2005年的120兆瓦以上,估计到2006年底我国太阳电池的生产能力已达到1000兆瓦(包括电池和组件)以上,而由于原材料等条件限制,实际产量大约可达到250兆瓦。表4列出了中国主要太阳电池工厂2005年产量和2006年的预期生产能力。表5列出了2005年我国主要太阳电池工厂的组件封装能力及实际产量。

表4中国主要太阳电池工厂2005年产量和2006年的估计生产能力

公司名称

无锡尚德太阳能电力有限公司宁波太阳能电源有限公司浙江向阳葵光能科技有限公司浙江环球太阳能科技发展有限公司中电电气(南京)光伏有限公司常州天合光能有限公司天威英利新能源有限公司云南天达光伏科技有限公司江苏林洋新能源有限公司深圳市拓日电子科技有限公司深圳市日月环

柏玛微电子(常州)有限公司

深圳嘉伟实业

无锡尚品太阳能电力科技有限公司

上海太阳能科技有限公司江苏天保光伏能源有限公司上海交大太阳绿色能源有限公司・30・

2005年实际生产量(MW)2006年底生产能力(MW/年)

82200050331

9.6(晶硅3,非晶硅6.6)

2(非晶硅)

000007

3001001008075505050100

35(晶硅15,非晶硅20)

2(非晶硅)

504030502525

江西蓝天学院学报(2007)

中轻太阳能电池有限责任公司苏州阿特斯

江阴浚鑫科技有限公司杉杉尤利卡太阳能科技有限公司北京世华创新科技有限公司浙江公元太阳能科技有限公司江苏中盛光电有限公司天津津能电池科技有限公司深圳创益科技发展有限公司

北京桑普阳光

广东铨欣照明有限公司(草坪灯用电池)合计00000002.1(非晶硅)2(非晶硅)09145.7

(晶硅133,非晶硅12.7)

252525202015157.5(非晶硅)5(非晶硅)

5201449.5

(晶硅1415,非晶硅34.5)

表52005年我国主要太阳电池工厂的组件封装能力及实际产量

企业名称

无锡尚德太阳能电力有限公司上海太阳能科技有限公司保定天威英利新能源有限公司

BP佳阳太阳能公司宁波太阳能电源有限公司江苏林洋新能源有限公司常州天合光能有限公司深圳市拓日电子科技有限公司云南天达光伏科技有限公司上海交大太阳绿色能源有限公司京瓷天津太阳能有限公司武汉日新科技有限公司深圳先行电子有限公司北京哈博工贸有限责任公司深圳市能联电子有限公司深圳创益科技发展有限公司天津津能电池科技有限公司

其　　他合　　计

认证TUVTUVTUVTUV

年产能(MW)

1201005050505050101010

实际产能(MW)

784513815610465888332260284

TUV101010510210300857

5　对我省开展可再生能源研究与实践的几点看法

从目前看,江西省在开发利用太阳能等可再生能源方面,与相邻省份比较相对较弱。原因是有人认为

江西地区太阳能、风能等可再生能源资源贫乏,所以研究太阳能等可再生能源意义不大。这种观点未免偏颇和过于悲观。对此,我们应该从以下几个方面去正确认识:

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吴瑜之:太阳能光伏发电及其发展(2007)

5.1　国务院已经批准了《可再生能源中长期发展规划》,重点对水电,风电,太阳能和生物质能4个领域给出了明确发展目标。《规划》指出,我国将加快发展水电,太阳能,沼气等技术成熟的可再生能源,尽快使优良资源得到合理开发利用;积极推进资源潜力巨大,技术基本成熟的风力发电,生物质发电,太阳能发电,生物质液化等可再生能源技术的发展,以规模化建设带动产业化发展。按《规划》指出的要求,我省也应该认

真贯彻。5.2　浙江、江苏和我省都是相邻省份,而且这三个省份的太阳能资源状况相似,都属于第四类地区。然而,浙江、江苏两地域对太阳能的开发利用都非常好,同时,发展也非常快。从这一事实看,我省同样具备开发利用太阳能等可再生能源的基本条件。且我省农村地区广阔,有着良好的开发前景。5.3　江西省目前尚未有太阳能开发利用方面的专门研究机构。这说明江西对太阳能等可再生能源的研究还需引起足够的重视。5.4　关于可再生能源的发展,我省“十一.五”规划明确指出,在“十一.五”期间逐步开展太阳能光伏项目的研究。重视可再生能源技术开发和示范,可以选择一些地区集中开展风电,生物液体燃料,太阳能示范,通过示范项目建设带动可再生能源的全面发展。【参　考　文　献】

【1】YangLugang:ProceedingofShanghaienvironmentprotectionandRenewableEnergyInternationalform.p.50.Shang,China

,2003.

【2】ArnulfJager-Waldau:PVStatusReport2004,(EuropeanCommissionJointResearchCenter),2004.【3】ShiDinghuan:Proceedingof15InternationalPhotovoltaicScienceandEngineeringConference,Shanghai,Chian,Octtober2005.

【4】第九届全国光伏会议论文集(2006)[C].

(责任编辑:潘振勇)

PVgeneratoranddevelopmentofsolarenergy

WUYu-zhi

(DepartmentofRequisitestudies,JiangxiBlueSkyUniversity,Nanchang330098,China)

Abstract:ThispaperfirstexpoundsontheimportanceofsolarenergydevelopmentandutililizationandthesignificantrolePVgeneratorplaysinthefutureenergystructure.Then,thedevelopmentprocessofsolarcellandPVgeneratorintheworldandinChinaisanalyzedrespectively.Thisisfollowedbythediscussionontheprospectofsunlighteconomyadvancementpushedbythesolarenergydevelopmentanditsproductinvention.

KeyWords:solarenergy;PVgenerator;development

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