光伏发电的时代背景综述

综述光伏发电的时代背景在人类发展的前5000年，对能源的要求远远没有最近的三百年来得迫切。十八世纪，英国率先开始的工业革命，大大推动了人类社会生产力的发展，以机器生产为标志的生产力远远高于传统手工业生产，人类进入了现代文明时代，对此，人类急切的需求更多的能源以促进生产力的发展。然而，自然界的一次能源储量有限，能源危机迫在眉睫，根据对石油储量的综合估算可支配的传统能源从全球来看，已探明的石油储量只能用到20-40年，天然气也只能延续50-60年左右，即使是储量最丰富的煤炭最多也只能够维持二三百年。就连近代才发展起来的核能发电的原料铀的储量也是有限的，而且还存在安全和污染的难题，同样不能解决世电力的长期稳定供应问题。因此，如不尽早设法解决常规能源的替代能源，人类迟早将面临燃料枯竭的危险局面。同时，化石能源在开采、运输和使用过程中都会对空气和人类生存环境造成严重的污染。根据相关资料显示，目前，人类使用化学燃料己经为人类生存环境带来了严重的后果，由于大量使用化石能源，全世界每年产生约1亿吨温室效应气体，已经造成极为严重的大气污染，同时使得地球表面气温逐年升高，近二千年来，全球二氧化碳排放量迅速增长，如果不加以控制，温室效应将使南、北两极的冰山融化，这可能会使海平面上升几米，四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁。此外，由于环境恶化造成的“黑洞”己经使人类即将面临太阳紫外线的直接照射。光伏发电的优点太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比利用最大，是最理想的可再生能源。特别是近几十年来，随着科学技术的不断进步，太阳能及其相关产业成为世界发展最快的行业之一。因为它具有以下的特点：①储量巨大：太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。太阳放射的总辐射能量约是3.75x1023kW，是极其巨大的。其中到达地球的能量高达1.73x1014kw，穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为8.1x1013kW。在到达地球表面的太阳辐射能中，到达地球陆地表面的辐射能大约为1.7x1013kW，相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球能源的时间可以说是无限的。②取之不尽，不需要开采和运输。③清洁无污染，无任何物质的排放，既不会留下污染物，也不会向大气中排放废气。④清洁、安全、无噪声。太阳能发电本身不向外界排放废物，没有机械噪声，是一种理想的能源;⑤可靠性高，寿命长，并且应用范围广。晶体硅太阳能电池的寿命可以长达20-35年，在光伏系统中，只要设计合理、选型适当，蓄电池的寿命可以达到10多年。太阳能几乎无处不在，太阳能电池在中国大部分范围内都能作为独立的电源。由此可见，在能源危机即将爆发，环境逐渐恶化的今天，太阳能发电技术的研究具有很大的必要性。同时，太阳能发电技术也具有重要的研究价值和广阔的应用前景。新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源。在新世纪中，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。据资料显示，到2010年，全世界光伏产业将累计达到14-15GW，这表明世界光伏产业发展有着巨大的发展空间。总之，从能源利用的国际发展趋势来看，光伏发电最终将以替代能源的角色进入电力市场。预计到2030年，光伏发电在世界的总发电量中将占到5%-20%。国外光伏发电的现状技术方面，经过几十年的发展，澳大利亚新南威尔士人研制的单品硅光伏电池效率己达23.7%，多品硅电池效率突破19.8%。同时，研究人员正在探索用切薄硅片、扩大平面面积或者使用聚光的方法，力争把硅片的成本降低到0.8美元/WP。据预测，在今后15-20年间利用这几种方法有望把硅片的成本降低到0.5美元/WP，这样，光伏系统的价格可以降低到接近3美元/WP。薄膜电池是在廉价衬底上采用低温设备技术沉积半导体薄膜的光伏器件，材料与器件设备同时完成，工艺技术简单，便于大面积连续化生产;设备能耗低，缩短了回收期。太阳能电池实现薄膜化，大大节省了昂贵的半导体材料，具有大幅度降低成本的潜力，是当前国际上研究开发的主要方向。除了光伏电池以外，当前国际上最新的研发热点主要集中在低成本、高效率、高稳定性的光伏逆变器件和光伏建筑集成应用系统等方面，专用逆变设备和相关系统的最佳配置涉及到多项技术。美国、德国、荷兰、日本、澳大利亚等国家在光伏屋顶计划的激励下，许多企业和研究机构成功地推出了多种不同的高性能逆变器。产业化方面，光伏发电发展的初期主要是依靠各国政府在政策及资金方面的大力支持，现在己逐步商业化，进入了一个新的发展阶段。光伏发电的市场前景吸引了一批国际知名企业或企业财团介入光伏电池制造业。这些大公司的介入，使产业化进程大大加快。预计今后10年，光伏组件的生产将以每年增长20%-30%甚至更高的递增速度发展，到2010年将可能达到4600MW/年的生产量，总装机容量将可能达到1SGW。国际光伏产业在过去10年中的平均年增长率为20%，1998年世界太阳能电池组件生产量为155MW，2000年增长到288MW，2002年达到54OMW。截止到2006年底，世界光伏发电累计总装机容量达到了1300MW。目前全球太阳能光伏电池产业的销售收入超过20亿美元。预计到2050年左右，太阳能光伏发电将达到世界总发电量10%-20%，成为人类的基本能源之一。同时，世界光伏市场发生了很大变化，开始由主要为边远农村地区和通信设备、气象台站、航标等特殊应用领域解决供电问题，逐步向并网发电和与建筑相结合的常规供电方向及商业化应用方向发展。从上世纪70年代起，许多国家掀起了太阳能光伏发电热潮，美国、日本、欧盟、印度等国家纷纷制定雄心勃勃的中长期发展规划推动光伏技术和光伏产业的发展，推动这一新能源产业的发展。目前，世界光伏产业正以31.2%的平均年增长率高速发展，是全球增长率最高的产业，己成为当今世界最受关注、增长幅度最快的能源产业之一。自上个世纪90年代以来，国外发达国家掀起了发展“屋顶光伏发电系统”的研发高潮，屋顶光伏发电系统不单独占地，将太阳电池安装在现成的屋顶上，非常适应太阳能能量密度较低的特点，而且其灵活性和经济性都大大优于大型光伏并网发电，有利于普及，有利于战备和能源安全，所以受到了各国的重视。1993年，德国首先开始实施由政府补贴支持的“2000个光伏屋项计划”，同时制定了“可再生能源电力供应法”，极大地刺激了光伏发电市场。日本在光伏发电与建筑相结合的市场方面己经做出了十几年的努力，预计到2010年光伏屋顶发电系统总容量达到7600MW。日本光伏屋顶发电系统的特点是:太阳电池组件和房屋建筑材料形成一体，如“太阳电池瓦”和“太阳电池玻璃幕墙”等，这样太阳电池就可以很容易地被安装在建筑物上，也很容易被建筑公司所接受。1997年6月，美国前总统克林顿宣布实施“百万个太阳能屋顶计划”，计划到2010年安装100万套太阳能屋顶。许多其他发达国家也都有类似的光伏屋项发电项目或计划，如荷兰、瑞士、芬兰、奥地利、英国、加拿大等。属于发展中国家的印度也在1997年12月宣布到2020年将建成，50万套太阳能屋顶发电系统。光伏发电的行业标准方面，虽然现在还没有IEC(国际电工委员会)标准，但各国都颁布了相应的试行标准，如美国SANDIA国家实验室的光伏并网发电系统标准等。国内光伏发电的现状技术方面，经过十多年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池技术不断进步，与发达国家相比有差距，但差距在不断缩小。光伏电池转换效率不断提高，目前单晶硅电池实验室效率达20%，批量生产效率为14%，多晶硅实验室效率为12%。在2000年之后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生产，其效率与发达国家相比，差距在不断缩小。产业化方面，2000年以后，我国光伏产业进入快速发展期，但整体发展水平仍然落后于国际先进水平，参与国际竞争有一定的难度。2003年国内光伏电池的生产能力约20MW，但光伏组件的封装能力约50MW，远大于光伏电池的生产能力。虽然到2002年底，我国己有近20MW的光伏电池生产能力，但实际生产量仅为4MW左右，占世界光伏电池实际生产量的1%左右。在2002-2003年国家实施的总装机容量20MW的“光明工程”项目中，国内生产的光伏电池的应用量不足10%，错过了这一市场时机。近期内我国光伏发电市场仍将是为无电地区供电为主，有一定的市场潜力，但也有局限性。2001年及以前，我国光伏产品的年销售量均保持在3-4MW，其中单品硅产品占80%，非单品硅产品占20%。2005年，光明工程项目使市场年销售量猛增到20MW，光伏系统保有量达到40MW左右。从市场份额上石，光伏发电在2000年前的主要应用领域是:通讯行业占40%一50%，农村电气化行业(主要包括户用光伏系统和乡村级光伏发电)占40%左右，其它领域占10%左右。但2007年当年农村电气化领域的市场份额占到85%以上。目前，国内光电池硅片的生产能力己达4.5M瓦，在西藏7个无水无电县中已全部建成了光伏发电，其中功率最大的100KW。综上所述，我国的光伏市场和光伏企业面临严峻的挑战，如果把我国光伏产业的发展放到国际光伏发展的大环境中考虑，世界光伏产业每年以31%的速度发展，而我国的光伏产业每年只有15%的增长率，光伏企业的发展靠市场，光伏市场的发展靠政策。光伏发电成本高，无法与常规能源竞争，所以更需要政府制定强有力的法规和政策支持以驱动我国光伏产业的商业化发展。然而，我国的光伏企业虽然弱小，但经过努力已经有了一定的基础，当前，对光伏企业的发展来说机遇和挑战并存。另外，我国的太阳能资源非常丰富，据统计，太阳能年辐照总量大于502万千焦/平方米，年日照时数在2200小时以上的地区约占国土面积的2/3以上。随着电力电子元器件的发展、数字信号处理技术的应用以及先进的控制方法的提出，电力电子能量变换发生了巨大的变化。首先，元器件正向着低导通损耗、快速化、智能化、封装合理化等几个方向发展。低导通损耗将有助于并网型逆变器系统提高效率;减少发热;快速化将减小开关应力;智能化将有助于提高系统可靠性;封装的改进将减少寄生参数、有效散热、保持高机械强度。其次，数字信号处理技术的应用有助于减少并网逆变器输出的直流成分;提高开关频率;减小滤波器体积;改善输出波形;改善THD;快速响应电网瞬态变化。最后，先进的控制方法将有助于改善输出波形质量，从而减小滤波环节的体积;提高系统的动态响应性能。因此，并网型逆变器的发展必将沿着数字化、高频化的方向进行。