光伏發(fā)電的時代背景綜述

綜述光伏發(fā)電的時代背景在人類發(fā)展的前5000年，對能源的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有最近的三百年來得迫切。十八世紀(jì)，英國率先開始的工業(yè)革命，大大推動了人類社會生產(chǎn)力的發(fā)展，以機器生產(chǎn)為標(biāo)志的生產(chǎn)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)手工業(yè)生產(chǎn)，人類進入了現(xiàn)代文明時代，對此，人類急切的需求更多的能源以促進生產(chǎn)力的發(fā)展。然而，自然界的一次能源儲量有限，能源危機迫在眉睫，根據(jù)對石油儲量的綜合估算可支配的傳統(tǒng)能源從全球來看，已探明的石油儲量只能用到20-40年，天然氣也只能延續(xù)50-60年左右，即使是儲量最豐富的煤炭最多也只能夠維持二三百年。就連近代才發(fā)展起來的核能發(fā)電的原料鈾的儲量也是有限的，而且還存在安全和污染的難題，同樣不能解決世電力的長期穩(wěn)定供應(yīng)問題。因此，如不盡早設(shè)法解決常規(guī)能源的替代能源，人類遲早將面臨燃料枯竭的危險局面。同時，化石能源在開采、運輸和使用過程中都會對空氣和人類生存環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。根據(jù)相關(guān)資料顯示，目前，人類使用化學(xué)燃料己經(jīng)為人類生存環(huán)境帶來了嚴(yán)重的后果，由于大量使用化石能源，全世界每年產(chǎn)生約1億噸溫室效應(yīng)氣體，已經(jīng)造成極為嚴(yán)重的大氣污染，同時使得地球表面氣溫逐年升高，近二千年來，全球二氧化碳排放量迅速增長，如果不加以控制，溫室效應(yīng)將使南、北兩極的冰山融化，這可能會使海平面上升幾米，四分之一的人類生活空間將由此受到極大威脅。此外，由于環(huán)境惡化造成的“黑洞”己經(jīng)使人類即將面臨太陽紫外線的直接照射。光伏發(fā)電的優(yōu)點太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，與其他新能源相比利用最大，是最理想的可再生能源。特別是近幾十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，太陽能及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)成為世界發(fā)展最快的行業(yè)之一。因為它具有以下的特點：儲量巨大：太陽能是取之不盡的可再生能源，可利用量巨大。太陽放射的總輻射能量約是3.75x1023kW，是極其巨大的。其中到達(dá)地球的能量高達(dá)1.73x10i4kw,穿過大氣層到達(dá)地球表面的太陽輻射能大約為 8.1x1013kW。在到達(dá)地球表面的太陽輻射能中，到達(dá)地球陸地表面的輻射能大約為 1.7x1013kW，相當(dāng)于目前全世界一年內(nèi)消耗的各種能源所產(chǎn)生的總能量的三萬五千多倍。太陽的壽命至少尚有40億年，相對于人類歷史來說，太陽可源源不斷供給地球能源的時間可以說是無限的。取之不盡，不需要開采和運輸。清潔無污染，無任何物質(zhì)的排放，既不會留下污染物，也不會向大氣中排放廢氣。清潔、安全、無噪聲。太陽能發(fā)電本身不向外界排放廢物，沒有機械噪聲，是一種理想的能源；可靠性高，壽命長，并且應(yīng)用范圍廣。晶體硅太陽能電池的壽命可以長達(dá)20-35年，在光伏系統(tǒng)中，只要設(shè)計合理、選型適當(dāng)，蓄電池的壽命可以達(dá)到10多年。太陽能幾乎無處不在，太陽能電池在中國大部分范圍內(nèi)都能作為獨立的電源。由此可見，在能源危機即將爆發(fā)，環(huán)境逐漸惡化的今天，太陽能發(fā)電技術(shù)的研究具有很大的必要性。同時，太陽能發(fā)電技術(shù)也具有重要的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。新能源是二十一世紀(jì)世界經(jīng)濟發(fā)展中最具決定力的五大技術(shù)領(lǐng)域之一。太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源。在新世紀(jì)中，各國政府都將太陽能資源利用作為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。據(jù)資料顯示，到2010年，全世界光伏產(chǎn)業(yè)將累計達(dá)到14-15GW，這表明世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著巨大的發(fā)展空間?？傊瑥哪茉蠢玫膰H發(fā)展趨勢來看，光伏發(fā)電最終將以替代能源的角色進入電力市場。預(yù)計到2030年，光伏發(fā)電在世界的總發(fā)電量中將占到5%-20%。國外光伏發(fā)電的現(xiàn)狀技術(shù)方面，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，澳大利亞新南威爾士人研制的單品硅光伏電池效率己達(dá)23.7%，多品硅電池效率突破19.8%。同時，研究人員正在探索用切薄硅片、擴大平面面積或者使用聚光的方法，力爭把硅片的成本降低到0.8美元/WP。據(jù)預(yù)測，在今后15-20年間利用這幾種方法有望把硅片的成本降低到0.5美元/WP,這樣，光伏系統(tǒng)的價格可以降低到接近3美元/WP。薄膜電池是在廉價襯底上采用低溫設(shè)備技術(shù)沉積半導(dǎo)體薄膜的光伏器件，材料與器件設(shè)備同時完成，工藝技術(shù)簡單，便于大面積連續(xù)化生產(chǎn)a殳備能耗低，縮短了回收期。太陽能電池實現(xiàn)薄膜化，大大節(jié)省了昂貴的半導(dǎo)體材料，具有大幅度降低成本的潛力，是當(dāng)前國際上研究開發(fā)的主要方向。除了光伏電池以外，當(dāng)前國際上最新的研發(fā)熱點主要集中在低成本、高效率、高穩(wěn)定性的光伏逆變器件和光伏建筑集成應(yīng)用系統(tǒng)等方面，專用逆變設(shè)備和相關(guān)系統(tǒng)的最佳配置涉及到多項技術(shù)。美國、德國、荷蘭、日本、澳大利亞等國家在光伏屋頂計劃的激勵下，許多企業(yè)和研究機構(gòu)成功地推出了多種不同的高性能逆變器。產(chǎn)業(yè)化方面，光伏發(fā)電發(fā)展的初期主要是依靠各國政府在政策及資金方面的大力支持，現(xiàn)在己逐步商業(yè)化，進入了一個新的發(fā)展階段。光伏發(fā)電的市場前景吸引了一批國際知名企業(yè)或企業(yè)財團介入光伏電池制造業(yè)。這些大公司的介入，使產(chǎn)業(yè)化進程大大加快。預(yù)計今后10年，光伏組件的生產(chǎn)將以每年增長20%-30%甚至更高的遞增速度發(fā)展，到2010年將可能達(dá)到4600MW/年的生產(chǎn)量，總裝機容量將可能達(dá)到1SGW國際光伏產(chǎn)業(yè)在過去10年中的平均年增長率為20%,1998年世界太陽能電池組件生產(chǎn)量為155MW，2000年增長到288MW，2002年達(dá)到54OMW。截止到2006年底，世界光伏發(fā)電累計總裝機容量達(dá)到了1300MW。目前全球太陽能光伏電池產(chǎn)業(yè)的銷售收入超過20億美元。預(yù)計到2050年左右，太陽能光伏發(fā)電將達(dá)到世界總發(fā)電量10%-20%，成為人類的基本能源之一。同時，世界光伏市場發(fā)生了很大變化，開始由主要為邊遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)和通信設(shè)備、氣象臺站、航標(biāo)等特殊應(yīng)用領(lǐng)域解決供電問題，逐步向并網(wǎng)發(fā)電和與建筑相結(jié)合的常規(guī)供電方向及商業(yè)化應(yīng)用方向發(fā)展。從上世紀(jì)70年代起，許多國家掀起了太陽能光伏發(fā)電熱潮，美國、日本、歐盟、印度等國家紛紛制定雄心勃勃的中長期發(fā)展規(guī)劃推動光伏技術(shù)和光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推動這一新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，世界光伏產(chǎn)業(yè)正以31.2%的平均年增長率高速發(fā)展，是全球增長率最高的產(chǎn)業(yè)，己成為當(dāng)今世界最受關(guān)注、增長幅度最快的能源產(chǎn)業(yè)之一。自上個世紀(jì)90年代以來，國外發(fā)達(dá)國家掀起了發(fā)展“屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)”的研發(fā)高潮，屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)不單獨占地，將太陽電池安裝在現(xiàn)成的屋頂上，非常適應(yīng)太陽能能量密度較低的特點，而且其靈活性和經(jīng)濟性都大大優(yōu)于大型光伏并網(wǎng)發(fā)電，有利于普及，有利于戰(zhàn)備和能源安全，所以受到了各國的重視。1993年，德國首先開始實施由政府補貼支持的“2000個光伏屋項計劃”，同時制定了“可再生能源電力供應(yīng)法”，極大地刺激了光伏發(fā)電市場。日本在光伏發(fā)電與建筑相結(jié)合的市場方面己經(jīng)做出了十幾年的努力，預(yù)計到2010年光伏屋頂發(fā)電系統(tǒng)總?cè)萘窟_(dá)到7600MW。日本光伏屋頂發(fā)電系統(tǒng)的特點是：太陽電池組件和房屋建筑材料形成一體，如“太陽電池瓦”和“太陽電池玻璃幕墻''等，這樣太陽電池就可以很容易地被安裝在建筑物上，也很容易被建筑公司所接受。1997年6月，美國前總統(tǒng)克林頓宣布實施“百萬個太陽能屋頂計劃”，計劃到2010年安裝100萬套太陽能屋頂。許多其他發(fā)達(dá)國家也都有類似的光伏屋項發(fā)電項目或計劃，如荷蘭、瑞士、芬蘭、奧地利、英國、加拿大等。屬于發(fā)展中國家的印度也在 1997年12月宣布到2020年將建成，50萬套太陽能屋頂發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面，雖然現(xiàn)在還沒有IEC國際電工委員會）標(biāo)準(zhǔn)，但各國都頒布了相應(yīng)的試行標(biāo)準(zhǔn)，如美國SANDIA國家實驗室的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)等。國內(nèi)光伏發(fā)電的現(xiàn)狀技術(shù)方面，經(jīng)過十多年的努力，我國光伏發(fā)電技術(shù)有了很大的發(fā)展，光伏電池技術(shù)不斷進步，與發(fā)達(dá)國家相比有差距，但差距在不斷縮小。光伏電池轉(zhuǎn)換效率不斷提高，目前單晶硅電池實驗室效率達(dá)20%，批量生產(chǎn)效率為14%，多晶硅實驗室效率為12%。在2000年之后，多晶硅產(chǎn)品逐步走出實驗室，開始形成規(guī)模生產(chǎn)，其效率與發(fā)達(dá)國家相比，差距在不斷縮小。產(chǎn)業(yè)化方面，2000年以后，我國光伏產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展期，但整體發(fā)展水平仍然落后于國際先進水平，參與國際競爭有一定的難度。2003年國內(nèi)光伏電池的生產(chǎn)能力約20MW，但光伏組件的封裝能力約50MW，遠(yuǎn)大于光伏電池的生產(chǎn)能力。雖然到2002年底，我國己有近20MW的光伏電池生產(chǎn)能力，但實際生產(chǎn)量僅為4MW左右，占世界光伏電池實際生產(chǎn)量的1%左右。在2002-2003年國家實施的總裝機容量20MW的“光明工程”項目中，國內(nèi)生產(chǎn)的光伏電池的應(yīng)用量不足10%，錯過了這一市場時機。近期內(nèi)我國光伏發(fā)電市場仍將是為無電地區(qū)供電為主，有一定的市場潛力，但也有局限性。2001年及以前，我國光伏產(chǎn)品的年銷售量均保持在3-4MW，其中單品硅產(chǎn)品占80%，非單品硅產(chǎn)品占20%。2005年，光明工程項目使市場年銷售量猛增到 20MW，光伏系統(tǒng)保有量達(dá)到40MW左右。從市場份額上石，光伏發(fā)電在2000年前的主要應(yīng)用領(lǐng)域是：通訊行業(yè)占40%—50%，農(nóng)村電氣化行業(yè)（主要包括戶用光伏系統(tǒng)和鄉(xiāng)村級光伏發(fā)電）占40%左右，其它領(lǐng)域占10%左右。但2007年當(dāng)年農(nóng)村電氣化領(lǐng)域的市場份額占到85%以上。目前，國內(nèi)光電池硅片的生產(chǎn)能力己達(dá)4.5M瓦，在西藏7個無水無電縣中已全部建成了光伏發(fā)電，其中功率最大的 100KW。綜上所述，我國的光伏市場和光伏企業(yè)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如果把我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展放到國際光伏發(fā)展的大環(huán)境中考慮，世界光伏產(chǎn)業(yè)每年以31%的速度發(fā)展，而我國的光伏產(chǎn)業(yè)每年只有15%的增長率，光伏企業(yè)的發(fā)展靠市場，光伏市場的發(fā)展靠政策。光伏發(fā)電成本高，無法與常規(guī)能源競爭，所以更需要政府制定強有力的法規(guī)和政策支持以驅(qū)動我國光伏產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化發(fā)展。然而，我國的光伏企業(yè)雖然弱小，但經(jīng)過努力已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，當(dāng)前，對光伏企業(yè)的發(fā)展來說機遇和挑戰(zhàn)并存。另外，我國的太陽能資源非常豐富，據(jù)統(tǒng)計，太陽能年輻照總量大于 502萬千焦/平方米，年日照時數(shù)在2200小時以上的地區(qū)約占國土面積的2/3以上。隨著電力電子元器件的發(fā)展、數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用以及先進的控制方法的提出，電力電子能量變換發(fā)生了巨大的變化。首先，元器件正向著低導(dǎo)通損耗、快速化、智能化、封裝合理化等幾個方向發(fā)展。低導(dǎo)通損耗將有助于并網(wǎng)型逆變器系統(tǒng)提高效率；減少發(fā)熱；/