太阳能光伏发电的现状与前景

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太阳能光伏发电研究现状与发展前景探讨
可再生能源,包括太阳能、风能、生物质能、水能、地热能、海洋能等,是取 之不尽、用之不竭、清洁环保、免费使用的能源,也是世界上最终可依赖的初级 [1] 能源 。 太阳能是一种清洁的可再生能源。 太阳能开发利用的巨大潜力推动着太阳能 光伏发电技术不断向前发展。 1893 年,法国科学家贝克勒尔发现 “光生伏打效应” , 即“光伏效应” 。1930 年,朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳能电池”,使 太阳能变成电能。1954 年,恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单 晶太阳能电池。 同年,韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应,并在玻璃上沉积硫化 镉薄膜,制成了第 1 块薄膜太阳能电池 。 随着世界经济的不断发展,全球能源短缺、 环境污染等问题日益严重,可再生 能源的应用受到了各国的普遍关注。 太阳能光伏发电作为可再生能源利用的重要 组成部分,得到了众多国家政府的大力扶持。20 世纪 70 年代以来,美国、德国、 日本等国政府陆续出台相关政策,加大太阳能光伏发电产业的发展力度,使得世 界光伏发电产业高速发展。 1997—2007 年,太阳能电池的产量由 125.8MW(该功率 为峰值功率,下同)增加到 4 000. 05MW,年平均增长率高达 41.3%。根据欧盟联合 研究中心的预测,到 2030 年太阳能光伏发电在世界总电力供应中将达到 10%以上, 到 2040 年这一比例将达到 20%以上,在不远的未来将成为世界能源供应的主体。
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1 太阳能光伏产业的发展现状
在技术进步和相关鼓励政策的双重推动下,太阳能光伏产业自 20 世纪 90 年 代后期进入了快速发展时期。截止 2007 年底,世界累计生产了 12. 64GW 太阳能 [3] 电池,由此推断,光伏发电的实际总装机应该接近 12GW 。 欧洲光伏市场是世界最大的光伏市场,而且在持续增长。 其中,德国光伏市场 份额全球最大, 2006 年占 51. 0%, 2007 年占 46. 99%。亚洲光伏市场近几年有 所萎缩(主要由于亚洲拥有最大光伏市场的日本结束了光伏补贴政策,导致市场 发展滞后),我国光伏市场份额更小。2006 年、2007 年亚洲太阳能电池产量约占 世界电池产量的 65%。由此可见,亚洲是太阳能电池的主要生产和输出地区。亚 洲的太阳电池生产主要集中在中国大陆、中国台湾和日本。2007 年中国大陆太 阳能电池产量达到 1 088MW,占全世界太阳能电池产量的 27. 2%。从产量看,我国 已经成为太阳能电池的第一生产国。
2 太阳能光伏发电的原理
光伏发电的基本原理如图 l 所示。半导体材料组成的 PN

结两侧因多数
载流 子(N 区中的电子和 P 区中的空穴)向对方的扩散而形成宽度很窄的空间电荷区 w, 建立自建电场 Ei。它对两边多数载流子是势垒,阻挡其继续向对方扩散,但它对 两边的少数载流子(N 区中的空穴和 P 区中的电子)却有牵引作用,能把它们迅速 拉到对方区域。稳定平衡时,少数载流子极少,难以构成电流和输出电能。但是,
当太阳光照射到 PN 结时,如图 l(a)、(b)所示,以光子的形式与组成 PN 结的原子 价电子碰撞,产生大量处于非平衡状态的电子-空穴对,其中的光生非平衡少数载 流子在内建电场 Ei 的作用下,将 P 区中的非平衡电子驱向 N 区,N 区中的非平衡 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 PN 结附 近就形成与内建电场方向相反的光生电场 Eph。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。 当接通外部电路时,就会产生电流,输出电能。 当把众多这样小的太阳能光伏电池 单元通过串并联的方式组合在一起构成光伏阵列,就会在太阳能作用下输出足够 [4] 大的电能 。
3 太阳能光伏发电的几个关键问题
发展太阳能光伏发电产业的关键问题包括光伏电池技术、光伏发电成本、光 伏发电政策以及光伏电网的接入等。 3.1 光伏电池技术 光伏电池是太阳能光伏发电系统的核心部件。 光伏电池大规模应用需要解决 2 大难题:提高光电转换效率和降低生产成本。太阳能光伏电池通常用晶体硅或 薄膜材料制造,前者由切割、 铸锭或者锻造的方法获得,后者是一层薄膜附着在低 [5] 价的衬背上 。晶体硅仍是当前太阳能光伏电池的主流。晶体硅电池包括单晶硅 太阳电池和多晶硅太阳电池。单晶硅电池的实验室最高转换效率可达 24. 7%,商 业化电池效率为 16% ~20%。多晶硅太阳能电池的实验室最高效率也超过了 20%, 商业化电池效率为 15% ~18%。除效率外,电池的厚度也很重要。降低硅片厚度是 减少硅材料消耗、降低晶硅太阳电池成本的有效技术措施。硅片的平均厚度已从 2003 年的 0. 23mm 减小到 2007 年的 0. 18mm。薄膜太阳能电池是在廉价的玻璃、 不锈钢或塑料衬底上附上非常薄的感光材料制成,比用料较多的晶体硅技术造价
更低,其价格优势可抵消低效率的问题。目前,已商业化的薄膜光伏材料有 3 种 (硅基薄膜,主要包括非晶硅(a-Si)、 微晶硅(μc-Si)及微非迭层(a-Si/μc-Si); 铜铟镓硒(CIGS);碲化镉(CdTe)),它们的厚度只有几微米。商业化硅基薄膜电池 的效率在不断提高,其中,单结非晶硅电池效率为 5% ~7%,双结非晶硅电池效率为 6% ~8%,非晶硅/微

晶硅迭层电池效率为 8% ~10%。商业化碲化镉薄
膜电池的转换 效率可以达到 10%,但是镉具有毒性、碲产量较少等因素都制约了其发展。商业 化铜铟镓硒薄膜电池的转换效率可以达到 10%以上,不过镓的短缺也可能成为该 技术发展的一个瓶颈。 目前,在 3 种商业化的薄膜光伏技术中,硅基薄膜的生产和 安装所占比重最大。2007 年世界前 10 大太阳能电池生产厂商及其在 2006 年和 2007 年的太阳电池产量见表 1。由表 1 可以看出,中国有无锡尚德(Suntech)、台 湾茂迪(Motech)、保定英利(Yingli) 3 家公司位列其中。表 2 是 2003—2007 年单晶硅、多晶硅和薄膜太阳能电池的产量。从表 2 可以看出,晶体硅太阳能电 池占据整个光伏市场份额 90%以上。但未来发展的重点可能是薄膜太阳能电池, 它因用材少、质量小、外表光滑、安装方便而更具发展潜力 。目前,国内外众 多太阳能电池厂商都把薄膜太阳能电池作为未来发展的重点。
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3.2 光伏发电成本 光伏发电何时达到平价上网(即光伏发电的成本达到常规能源发电电价的水 平)是一个备受关注的问题。 国家发改委能源研究所提出,所谓平价上网有 2 个概 念,即输电侧上网和配电侧上网。 配电侧上网也即分布式发电系统,分布式发电系 统应为净电表运行,就是自发自用,可以与电网销售电价比较(我国销售电价为 0. 5~1 元/(kW·h)),这表明光伏发电自用更容易实现“平价上网” 。但如果是输电 侧中高压并网,因我国常规电力上网电价一般仅为 0. 3 元/(kW·h),要在这个水 [7] 平上达到平价上网还有相当的难度 。 光伏发电系统成本的 60%以上来自太阳能电池。2006 年,并网光伏发电系统 成本约为 5 万元/kW,系统各部分成本比例见表 3。
我国最早在海外上市的太阳能企业无锡尚德公司于 2008 年 7 月宣布, 计划在 5 年内将太阳能发电成本降至 1 元/(kW·h)。目前来看,其在 2010 年就能 提前实现该目标,总体而言,到 2015 年以前实现光伏发电的配电侧平价上网是没 有问题的。基于薄膜技术的发展及其价格上的优势,薄膜太阳能电池有望最先达 到电网等价点。 3.3 光伏发电政策 政府的政策导向将决定光伏产业的发展水准和市场需求。 由于原材料硅的价 格下跌导致光伏发电价格从 2008 年 10 月快速下降,但目前光伏市场仍然是由政 府和政策驱动的。下面介绍一下我国光伏发电主要扶持政策。 中国的太阳能光伏市场总体发展速度比较缓慢。 “六五”和“七五”期间,
国家对光伏市场的发展给予支持, 2002 年国家计委启动的“西部省区无电乡通 电计划”也大大刺激了光伏产业的发展。中国太阳能电池的产量不断突破,截

止 到 2005 年底,中国太阳电池组件的生产能力就已经达到 400MW,当年产量达
到 140MW。 但国内的光伏市场发展却相对滞后,年装机量占年太阳能电池产量的比例 相当小,绝大部分太阳能电池需要出口国外。2007 年中国光伏系统的安装量总计 约 20MW,仅为当年太阳电池产量(1088MW)的 1. 84%,意味着太阳能电池产量的 98%需要出口。近期中国政府推出一系列的光伏发电刺激政策。2009 年 3 月,财 政部联合住房和城乡建设部发布了 《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行 办法》《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》,支持开展光电建筑应 、 用示范,实施“太阳能屋顶计划”; 6 月发布的《新能源产业振兴规划征求意见 稿》提出 2020 年建成 30GW 的光伏发电厂; 7 月,财政部、科技部、国家能源局 联合宣布在我国正式启动金太阳示范工程。 政府的大力支持使得各方普遍看好中 国光伏市场的前景。 3.4 电网接入问题 随着光伏发电的快速发展,如何接入电网成了一个关键的问题。对于光伏电 站的并网要求,国际上已经有了很多标准,中国的标准分散在一些传统标准之中, 大多只是对电压和电流的谐波、电压和频率偏差、电压波动和闪变、直流分量和 [8] 功率因数的要求。在光伏电站容量较小时,这些参数要求基本适用 。但是,当光 伏电站的规模越来越大(几十甚至上百兆瓦)时,就必须考虑光伏电站接受电网调 度以及参与电网管理等方面的因素,具体包括低电压穿越、无功补偿、有功功率 降额等。
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光伏发电技术的应用前景
近年来各国都将太阳能光伏发电摆在利用可再生能源的首位。特别是从 20 世纪末,在一些国家实施“太阳能屋顶计划”的推动下,1997 年以后全球太阳电 池产量每年以 30%以上的速度上升,自 2004 年以来,产品始终处于供不应求的状 态。2004 年世界产量达到 1256MW, 2005 年 1817.7MW,预计 2010 年 4GW,2020 年 15GW 以上;欧洲光伏工业协会预测 2020 年可达到 40GW,系统总装机容量将达到 195 GW,届时太阳能光伏发电量将达到 274Twh,占当时全球发电量的 1%[12-13]。 在太阳能光伏发电领域,德国、日本、美国一直保持着世界领先的位置。与发达 国家相比,我国的光伏产业还处于初级阶段,2006 年我国太阳能电池仅占世界总 产量的 6%左右。依照目前的经济发展趋势和中国的资源情况,到 2020 年的电力 供应单靠传统的煤、水是不够的,电力供给在 2020 年的缺口将达到 l0.70%,这部 分缺口将通过可再生能源来补充。因此,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 2020 年累计装机将达到 30GWp;2050 年将达到 100GWp。随 着光伏电池

技术的进步,其发电成本将会进一步降低,并能够和常规的化石能源 发电技术相竞争。 根据我国光伏发电的
发展情况。在今后一段时间。我国光伏发电主要应用在 以下几个方面:(1)城市并网光伏发电,(2)荒漠和海岛地区的供电,(3)边远地区
离网供电,(3)景观灯、LED 照明等商业应用。 太阳能光伏发电作为一种取之不尽、 用之不竭的清洁环保能源将得到前所未 有的发展。随着光伏发电产业化进程和技术开发的深化,它的效率、性价比将得 到提高,它在包括 BIPV 在内的各个领域都将得到广泛的应用,也将极大地推动中 国“绿色电力工程”的快速发展。

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