太阳能光伏发电系统及应用前景不可限量啊!

                             

随着全球经济的快速发展、人类的进步,人们对能源提出了越来越高的要求,开发新的能源已经成为当前人类面临的迫切课题。 

因为火电需要燃烧煤、石油等化石燃料,一方面化石燃料蕴藏量有限,正面临着枯竭的危险。另一方面燃烧燃料将排出CO2和硫的氧化物,会导致温室效应和酸雨,恶化地球环境。水电要淹没大量土地,有可能导致生态环境破坏,而且大型水库一旦溃崩,后果将不堪设想,另外,一些国家的水力资源也是有限的,而且还要受季节的影响。核电在正常情况下固然是干净的,但万一发生核泄漏,后果同样是可怕的。

述问题都迫使人们去寻找新的能源。新能源要同时符合两个条件:一是蕴藏丰富,不会枯竭;二是安全、干净,不会威胁人类和破坏环境。目前找到的新能源有:太阳能,风能,燃料电池。

照射在地球上的太阳,能量非常巨大,太阳能照射在地球上大约40分钟,便足以供全球人类一年能量的消费。可以说,太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。而且太阳能发电绝对干净,不产生公害。所以太阳能发电是应用广泛,前景光明的理想能源。

二、太阳能发电的原理

太阳能发电是利用太阳能和半导体材料的电子学特性实现发电的。

1、太阳能发电的原理(光伏发电): 太阳光照在半导体p-n结上,形成新的空穴电子对,在p-n结电场的作用下,空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区,接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。(如图:)

2、太阳能发电两种方式:一种是光—热—电转换方式,另一种是光—电直接转换方式。

a、光—热—电转换方式:通过利用太阳辐射产生的热能发电,一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气,再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程;后一个过程是热—电转换过程,与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高,估计它的投资至少要比普通火电站贵5~10倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资20~25亿美元,平均1kW的投资为2000~2500美元。因此,目前只能小规模地应用于特殊的场合,而大规模利用在经济上很不合算,还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

b、光—电直接转换方式(光伏发电):利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能。光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件,是一个半导体光电二极管,当太阳光照到光电二极管上时,光电二极管就会把太阳的光能变成电能(如图),这种方式容易实现,且成本较低,已被广泛应用。

能产生光伏效应的材料:单晶硅,多晶硅,非晶硅,砷化镓,硒铟铜等。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅,形成P-N结。晶体硅为基本的电池材料。以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括:单晶硅太阳电池,铸造多晶硅太阳能电池,非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。单晶硅电池具有电池转换效率高,稳定性好,但是成本较高;非晶硅太阳电池则具有生产效率高,成本低廉,但是转换效率较低,而且效率衰减得比较快;铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定的转换的效率,而且性能价格比最高;薄膜晶体硅太阳能电池处在研发阶段。硅系列太阳能电池中,单晶硅和多晶硅电池继续占据光伏市场的主导地位,单晶硅和多晶硅的比例已超过80%。

太阳能电池生产过程大致可分为五个步骤:a、提纯过程 b、拉棒过程 c、切片过程 d、制电池过程 e、封装过程。

3、太阳能发电的过程:

现以晶体为例描述光发电过程。 当光线照射太阳能电池表面时,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子,使电子发生了越迁,自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差,当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。当许多个电池串联或并联起来就可以形成有较大输出功率的太阳能电池方阵。

三、太阳能发电系统

1、太阳能发电系统的组成:太阳能发电系统主要由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池构成。(如图)下面对各部分的功能做一个简单的介绍:

太阳能电池板:作用是将太阳能光直接转换成直流电,供负载使用或存贮于蓄电池内备用。一般根据用户需要,将若干太阳电池板按一定方式连接,组成太阳能电池方阵,再配上适当的支架及接线盒组成。

充电控制器:充电控制器主要由专用处理器CPU、电子元器件、显示器、开关功率管等组成。在太阳发电系统中,充电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压,快速、平稳、高效的为蓄电池充电,并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命;同时保护蓄电池,避免过充电和过放电现象的发生。同时记录并显示系统各种重要数据,如充电电流、电压等。控制器的性能不好时,对蓄电池的使用寿命影响很大,并最终影响系统的可靠性。

逆变器:作用就是将太阳能电池方阵和蓄电池提供的直流电逆变成交流电,供给交流负载使用和并入电网。效率是选择逆变器的重要标准之一,效率越高,意味着在将光电组件产生的直流电转换成交流电的过程中产生的电量损耗就越少。逆变器的质量决定了发电系统的效益,它是太阳能发电系统的核心。

蓄电池组:作用是将太阳电池方阵发出直流电贮能起来, 供负载使用。在光伏发电系统中, 蓄电池处于浮充放电状态。白天太阳能电池方阵给蓄电池充电,同时方阵还给负载用电,晚上负载用电全部由蓄电池供给。因此, 要求蓄电池的自放电要小, 而且充电效率要高, 同时还要考虑价格和使用是否方便等因素。

2、  太阳能发电系统运行方式:太阳能发电系统有直流供电、交流供电、交直流供电、

离网运行、并网运行、风光互补运行几种运行方式(如图)

直流供电系统:太阳能发电控制器对发出的电能进行调节控制后,直接送给直流负载,多余部分送蓄电池储存。

交流供电系统:太阳能发电控制器对发出的电能进行调节控制后,经过逆变器后送往交流负载,多余的能量送往蓄电池组储存。

离网发电系统:太阳能发电控制器(光伏控制器和风光互补控制器)对所发的电能进行调节和控制,一方面把调整后的能量送往直流负载或经过逆变器送往交流负载,另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存,当所发的电不能满足负载需要时,控制器又把蓄电池的电能送往负载。(图4中的直流供电、交直流供电、风光互补发电都属于离网发电系统)

并网发电系统:将太阳能发电产生的电能不经过蓄电池储能,通过并网逆变器直接馈入电网的发电系统。因为直接将电能输入电网,免除配置蓄电池,省掉了蓄电池储能和释放的过程,可以充分利用太阳能发出的电力,减小能量损耗,降低系统成本。并网发电系统能够并行使用市电和太阳能发电作为本地交流负载的电源,降低整个系统的负载缺电率。同时,并网系统可以对公用电网起到调峰作用。并网发电系统是太阳能发电的发展方向,代表了21世纪最具吸引力的能源利用技术。

四、太阳能发电的特点:

1、优点:

① 太阳能是永久性能源,无枯竭危险;

② 太阳能是清洁能源,绝对干净环保,没有公害,用户感情上容易接受;

③ 太阳能发电运用灵活,不受资源分布和地域的限制,可在用电处就近发电;

④ 太阳能电池寿命长,可以一次投资长期使用,太阳能电池可以大中小并举,大到百万千瓦的中型电站,小到只供一户用的太阳能电池组;

⑤ 太阳能发电可靠性高,能源质量高;

⑥ 获取能源花费的时间短。

2、缺点:

① 照射的能量分布密度小,需要占用巨大面积;

② 获得的能源受四季、昼夜及阴晴等气象条件的影响。

五、太阳能发电的应用和发展前景

1、太阳能发电的应用:

随着太阳能电池的种类不断增多、应用范围日益广阔、市场规模逐步扩大。早期,太阳能的使用主要用于军事领域、航天领域。目前,太阳能已进入工业、商业、农业、 通信、家用电器以及公用设施等部门。太阳能发电应用分为几个方面:家庭用小型太阳能电站、大型并网电站、建筑一体化光伏玻璃幕墙、太阳能路灯、风光互补路灯、风光互补供电系统等,例如:太阳能庭院灯;太阳能发电用户系统;特别是村寨供电的独立系统,可以在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用,以节省造价昂贵的输电线路;还有光伏水泵(饮水或灌溉);通信电源;石油输油管道阴极保护;光缆通信站电源;海水淡化系统;城镇中路标;高速公路路标等。(如图)

2、太阳能发电的研究现状及发展前景

a、国外太阳能光伏发电现状及前景:

目前全世界共有136 个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95 个国家正在大规模地进行太阳能发电及太阳能电池的研制开发,积极生产各种相关的节能新产品,已有近200家公司生产太阳能电池,1998年,全世界生产的太阳能电池,其总的发电量达1000兆瓦,1999年达 2850兆瓦。2000年,全球已有近4600 家厂商向市场提供光电池和以光电池为电源的产品。全世界太阳能电池的生产量平均每年增长近40%。生产规模从1~5兆瓦/年发展到5~25兆瓦/年,并正在向50兆瓦甚至100兆瓦扩大。

本世纪以来,一些发达国家纷纷制定了发展包括太阳能电池在内的可再生能源计划。太阳能电池的研究和生产在欧洲、美洲、亚洲大规模铺开。印度处于领先地位,累计装机容量约40兆瓦。美国和日本争相出台太阳能技术的研究开发计划,2010年,美国计划累积安装4600兆瓦(含百万屋顶计划);日本计划累计安装5000兆瓦(NEDO日本新阳光计划)。最近的光伏行业调查表明,到2010年,光伏产业的年发展速度仍保持在30%以上。派克研究公司预测,光伏发电将在2010年底带来120亿瓦的产能,完全超过派克研究公司预计的2010年101亿瓦的需求。

在太阳能发电技术方面,各国都有新的发明和设想,例如:

美国德州仪器公司和SCE公司开发出一种新的太阳电池,每一单元是直径不到1毫米的小珠,分布在柔软的铝箔上,在大约50平方厘米的面积上分布有1,700个小单元。它特点是,虽然变换效率只有8%—10%,但价格便宜、铝箔底衬柔软结实,可随意折叠且经久耐用,挂在向阳处便可发电,使用方便。成本低,每瓦发电能力的设备只要15至2美元,每发一度电的费用为14美分左右,完全可以同普通电厂产生的电力竞争。将这种电池挂在向阳的屋顶、墙壁上,每年就可获得一二千度的电力。

日本提出的创世纪计划:准备利用地面上沙漠和海洋面积进行发电,并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全球供电。据测算,到2000年、2050年、2100年,即使全用太阳能发电供给全球能源,占地也不过为 65.11万平方公里、 186.79万平方公里、829.19万平方公里。829.19万平方公里才占全部海洋面积 2.3%或全部沙漠的51.4%,这一方案是有可能实现的。

美国宇航局和能源部提出设想:在空间建设太阳能发电站,准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板,上面布满太阳电池,这样便可提供500万千瓦电力。但这需要解决向地面无线输电问题。但离真正实用还有漫长的路程。

b、国内太阳能光伏发电的现状及发展前景:

中国的太阳能发电产业已具备相当的规模,技术条件已趋于成熟,太阳能利用将是中国能源变革最可行的解决方案。

我国早在七五期间,非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题;八五和九五期间,我国把研究开发的重点放在大面积太阳能电池等方面。2003年10月,国家5年太阳能资源开发计划,筹资100亿元用于推进太阳能发电技术的应用,2005年全国太阳能发电系统总装机容量达到了300兆瓦。

2002年,国家启动了"西部省区无电乡通电计划",通过了太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。

20世纪90年代,国内光伏市场平稳发展,年增长速度在20%左右;进入21世纪,国内光伏市场呈现加速发展趋势,2001~2003年平均增长速度都在30%以上。按照我国制订的《新能源和可再生能源发展规划》规划,中国2003~2009年在农村电网建设中每年安装70兆瓦光伏系统,2010~2020年将普及推广应用,年平均安装100兆瓦。

目前,中国已经是国际光伏发电应用产品生产基地。已有10条太阳能电池生产线,年生产能力约为4.5MW,专家预测,从2011年开始,我国光伏市场年需求量将大于20MW。

在今后的十几年中,太阳电池的市场走向将发生很大的改变,2010年以前中国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统,从2011年到2020年,中国光伏发电的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统,包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。

六、小结

太阳能光伏发电的发展潜力巨大。是最具可持续发展的可再生能源技术之一。

目前我国的太阳能光伏发电技术虽已日趋成熟,要使太阳能发电被真正利用,为这一新能源的长远发展提供原动力,还必须提高以下几个方面:

1、加大生产规模、提高技术水平、提高产品质量;

2、提高太阳能光电变换效率、降低产品的生产成本;

3、真正实现太阳能发电与现有电网并网运行。

大力发展新能源和可再生能源是我国未来的能源发展战略要求。由于世界能源的日趋紧张和光伏技术的不断发展,最大限度地开发利用太阳能将是人类新能源利用方面的科技发展方向。只有依靠更加先进的科技,才可能为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。