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1、太阳能光伏发电概述,张立强2009.5.5,本课内容,光伏发电简介及应用世界光伏发电发展历史我国光伏发展历史太阳能光伏产业组成太阳能光伏发电现状及展望我国太阳能发电规划,1、光伏发电简介及应用,目前人类对石油和煤炭等传统常规能源的依赖性过大，太阳能等新能源开发利用则严重不足。世界传统常规能源正处于开采和使用高峰期并将逐步走向衰落，能源结构必须发生根本性变革可再生能源所占比例将逐步上升。作为最具可持续发展特征的太阳能光伏发电，将成为未来基础能源的重要组成部分。,光伏技术简介,通过太阳能光伏电池将太阳能转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统（或太阳能电池发电系统）。太阳能电池是太阳能光伏发电的
2、基础和核心，是一种利用光生伏打效应将光能转变为电能的器件，又叫光伏器件。目前广发采用的光电转化器件是晶体硅太阳能电池，生产工艺成熟，已经进入大规模产业化阶段。,太阳能光伏发电技术应用途径,太阳能光伏发电系统的运行方式可分为离网运行和联网运行两类。未与公共电网相联接的太阳能光伏发电系统称为离网太阳能光伏发电系统，又称独立太阳能光伏发电系统，主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如偏僻农村、牧区、海盗、高原、沙漠的农牧渔民提供照明、看电视、听广播等基本生活用电，为通信中继站、沿海与内河航标、输油输气管道阴极保护、气象台站、边防哨所等特殊处所提供电源。,与公共电网相联接的太阳能光伏发电系统
3、称为联网太阳能光伏发电系统，它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分之一的重要方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。其中光伏电池与建筑相结合的联网屋顶太阳能光伏发电系统是各国发展的热点。,我国目前的光伏产业主要在两方面发挥作用：一是国家示范项目、民心工程和国际合作项目，如“西藏无电县建设”、“送电到乡”、“光明工程”等项目的建设。另外，就是无电地区通信、卫星信号的传输和接收，以及输油、输气管道的阴极保护等系统所用的电源。还有极少部分用作带有“科技示范效应”的路灯、广告牌、草坪灯等电源。,太阳能汽车,太阳能手机,光伏灯源,光伏系统,屋顶太阳能光伏系统,Rail
4、way station in Germany.,光伏发电站与跟踪装置,One-axis solar tracking system usually generate 30%more energy,Two-axis system got even more.,空间太阳能电站,2、光伏电池的发展历史,太阳能光伏发电的最核心的器件是太阳能电池。太阳能电池已经经过了160多年的漫长的发展历史。从总的发展来看，基础研究和技术进步都起到了积极推进的作用，至今为止，太阳能电池的基本结构和机理没有发生改变。,1839年法国实验物理学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应，简称为光伏效应1877年制作第
5、一片硒太阳能电池。1883年美国发明家CharlesFritts描述了第一块硒太阳能电池的原理。1904德国物理学家爱因斯坦发表关于光电效应的论文。1921年由于提出的解释光电效应的理论获得诺贝尔物理奖。,1951年生成p-n结，实现制备单晶锗电池。1955年西部电工开始出售硅光伏技术商业专利，1958年美国信号部队制成n/p型单晶硅光伏电池，单晶硅电池效率达到9%；第一个光伏电池供电的卫星先锋1号发射，光伏电池100c，0.1W,为一备用的5mW话筒供电。,1960年实现单晶硅电池效率达到14%。1963年Sharp公司成功生产光伏电池组件；日本在一个灯塔安装242W光伏电池阵列，在当时是世
6、界最大的光伏电池阵列。1973年美国特拉华大学建成世界第一个光伏住宅。1974年日本推出光伏发电的“阳光计划”；,1979年世界太阳能电池安装总量达到1MW1982年世界太阳能电池年产量超过9.3MW1983年世界太阳能电池年产量超过21.3MW；名为SolarTrek的1KW光伏动力汽车穿越澳大利亚，20天内行程达到4000Km1990年世界太阳能电池年产量超过46.5MW1998年世界太阳能电池年产量超过151.7MW2004年世界太阳能电池年产量超过1200MW,3、我国太阳能光伏发展历史,1958年我国开始研制太阳能电池。1959年中国科学院半导体研究所研制成功第一片具有实用价值的太阳
7、能电池1971年3月在我国发射的第二颗人造卫星科学实验卫星实践一号上首次应用太阳能电池1979年我国开始利用半导体工业废次硅材料生产单晶硅太阳能电池,1980年1990年期间我国引进国外太阳能电池关键设备、成套生产线和技术到20世纪80年代后期，我国太阳能电池生产能力达到4.5MW/年，初步形成了我国太阳能电池产业2004年我国太阳能电池产量超过印度，年产量达到50MW以上20052006年，我国的太阳能电池组件产量在10MW/年以上，我国成为世界重要的光伏工业基地之一，初步形成一个以光伏工业为源头的高科技光伏产业链,随着我国“可再生能源法”的实施，我国太阳能光伏发电将得到快速发展。预计在35
8、年内我国在太阳能光伏电池研发、生产、应用产品开发将形成一个世界级的产业基地，并将在国际太阳能光伏工业产业中占据重要的地位,4、太阳能光伏产业组成,4.1 完整产业链的构成：,4.2 生产过程,太阳能电池需要高纯的原料，要求硅材料的纯度至少99.99998%。即一万个硅原子中最多允许2个原子存在,一般采用7个9的硅。硅片尺寸：100mmX100mm，厚度220、240、330微米。原料：二氧化硅将此熔化并除去杂质就可制取粗级硅，也称冶金级硅材料提纯处理相当昂贵和生产成本很高,金属合金需要的冶金级硅杂质约1-2%）大约8-10元/kg,而太阳电池用的硅材料价格要高几十倍.,从二氧化硅到适用于制作太
9、阳电池用的硅片，要经过漫长的生产过程，涉及多个生产工艺和过程，一般可大致分为：二氧化硅冶金级硅高纯三氯氢硅 高纯多晶硅原料单晶硅棒或多晶硅锭硅片太阳电池电池组件。,二氧化硅冶金级硅,二氧化硅是硅材料的原料，我国高氧化含量的石英和硅石藏量丰富，分布很广，全国各地几乎都发现有高品位的含氧化硅矿的含量大都在99%以上。工业上是通过电弧炉，将二氧化硅通过与还原剂炭反应形成初级硅，也称冶金级硅，具体反映如下：SiO2+2C=Si+2CO 电弧炉中反应，液态硅，凝固并粉碎得到冶金级硅粉，纯度97-98%，含有大量的金属杂质：铁、镍、铜、锌等，主要用于冶金和化学工业。冶金级硅电能消耗为12KWh/kg.,多
10、晶硅,为了得到高纯的硅材料，工业上是将冶金级硅经过破碎研磨后成为硅粉，通过酸洗，再通过化学反应变成硅的氯化物或氢化物，然后通过化学或物理提纯方法纯化氯化物或氢化物，最后采用氢还原法或热分解法，将高纯的硅的氯化物或氢化物转变成高纯硅。早期生产采用SiCl4，经精馏法，利用混合液中各种成分沸点不同将SiCl4与其他组分分离。也可采用硅烷（SiH4）经精馏、吸附等提纯三氯氢硅提纯反应,采用流化床工艺，将硅粉与氯化氢反应生成三氯氢硅液体，由于液体可通过蒸馏去除杂质，工业上采用蒸馏塔，经过多重精馏，可得到12个9纯度的三氯氢硅，这是半导体和太阳电池工业的高纯多晶硅材料的原料。,目前，高纯多晶硅生产工业上
11、广泛采用三氯氢硅还原法，也称西门子法。将高纯SiHCl3液体用高纯气体送入含有大量氢气的还原炉中，还原炉中设置细长硅芯，硅反应后沉积在硅芯表面，经过大约一周的时间8mm的硅芯生长到150mm左右多晶硅经过熔化、提拉制作单晶硅棒,单晶硅棒用多线锯切割为0.2-0.3mm的硅片目前多用多晶硅制作太阳能电池，成本低，产量大经过多晶硅浇铸炉制成多晶硅锭，切割成不同规格的硅砖：100mm,125mm或150mm。硅砖经多线切割制成硅片。,硅片经扩散制成PN型半导体材料封装组合制成太阳能电池,4.3 我国多晶硅产业现状,最近5年，世界太阳电池产量年平均增长率为49.5%。我国太阳能电池的产量近几年持续保持
12、高速增长，2007年 中 国 太 阳 电 池 产 量 达 到1088MW，占世界总产量的27.2%，一跃成为世界第一大生产国。根据中国可再生能源学会预测，我国2010年太阳能电池产量将达到2500MW，需要太阳能级高纯硅材料约2.5万吨。我国多晶硅产量2005年仅有60吨，2006年也只有287吨，2007年为1156吨。市场严重供不应求。,在2005年以前，全球多晶硅的总产量在2.8万3万吨之间，供需基本平衡，绝大部分供给电子工业当时供给电子工业的多晶硅市场价为3035美元/千克，供给光伏产业的多晶硅市场价为2025美元/千克。自2005年开始，全球光伏产业的多晶硅使用量首次超过了电子工业。
13、由于市场需求旺盛，多晶硅出现了全球性的短缺，价格一路上扬，最高时竟达到500美元/千克(国内以人民币交易时达到3500元/千克)。这使得多晶硅的价格严重背离其价值。,受经济利益驱使，自2005年年初至2008年10月，全国约有16个省市参与了多晶硅项目的招商引资、审批立项和开工建设，有33个项目已进入实质性的实施阶段，已有10多个项目陆续建成和投产，预计已建成的多晶硅总产能在3万吨/年以上。我国多晶硅的年产量在2007年首次突破1000吨大关，当年实际产量约1100吨。,多晶硅提纯技术被美国、日本、德国垄断，尤其是改良西门子法，采用闭环生产，能耗低、污染小、成本低。国内上马的多晶硅生产工艺多从
14、俄罗斯引进，高能耗、高污染、高成本。甚至国内成本价高于国外售价，随着供需逐渐平衡，对国内多晶硅产业造成重大的打击。,5、近年光伏工业发展现状及发展预测,世界光伏工业1997年至2001年，年的平均年增长率达35.5 到2004年底，世界光伏发电的累计装机容量达到4330。在产业化方面，光伏企业的生产规模从1050MW/a，发展到50100MW/a商品化晶体硅光伏电池的效率，从1013提高到1317。近年来，世界光伏电池组件的生产成本降低三分之一左右，为2.53.0美元/Wp,36,2007年太阳能光伏发电增长迅速-生产量达到了400万千瓦,37,日本、欧洲和中国主导了世界光伏发电产业-中国成为
15、世界光伏电池生产大国,38,我国光电制造业和市场需求,39,2008年发展现状的初步分析,光伏发电继续快速增长光伏电池产量达到600万千瓦增速达到45%中国达到了250万千瓦，约占世界产量的40%,金融危机对可再生能源产业的影响,有喜有忧，喜忧参半,41,世界主要媒体对金融危机对可再生能源影响的评价,金融危机给可再生能源产业制造了障碍，也许它给可再生能源留下了一堆泡沫,波兰商业杂志，2008年11月7日在金融危机的背景下，大家都在寻求可再生能源的投资机会，印度加尔各答邮报，2008年10月10日。风电的发展追随油价波动而转向，2008年10月20日华尔街杂志中国清洁能源行业可能受到金融危机的屏
16、蔽,42,世界主要媒体对金融危机对可再生能源影响的评价,金融危机给可再生能源产业发展是沉重的打击，亚洲能源，2008年10月14日银行的危机再大也打不过环境危机，德意志银行，2008年10月绿色能源可能随着金融危机恢复本来面目经济下滑将会对清洁能源技术的发展投下阴影，经济学报，2008年11月6日,43,全球清洁能源投资趋势,Source:New Energy Finance,44,2004-2008风投的行业投入,Source:New Energy Finance,45,可再生能源的资本金投入,Source:New Energy Finance,46,可再生能源市场价格指数变化趋势,47,2
17、003-2008可再生能源价格指数与油价变化的相关性,Triple Whammy:Early stage Capital hungry Exposure to energy prices,Source:New Energy Finance,48,趋势分析,积极因素利率降低原材料价格下降风投增加美国政策推动就业气候变化能源安全,不利因素借贷困难缺乏长期信贷资本金短缺股市低迷碳交易价格低迷油价下滑缺少流动性,49,不确定性,需求变化的不确定性 信贷危机持续多久 油价降到何时 长期信贷利率高低 投资回报率的期待水平 对发展中国家的影响有多大 气候变化和千年目标是否改变,50,国际能源署对油价的预测,
18、51,近几个月来石油价格的变化情况（截止到2009年2月24日）,52,总体形势的判断,金融危机的影响覆巢之下无完卵，影响是肯定的主要表现在开发商融资困难但是影响不大，主要原因是世界各国的政策没有大幅度调整对可再生能源支持和补贴费用与金融海啸的损失不是一个数量级可再生能源将是实体经济投资追捧的热点,53,当前，世界各国支持可再生能源发展的政策没有变化，可再生能源产业发展增长趋势不会发生大的变化,54,美国,首先是美国国会延长了可再生能源发电补贴政策，2009年风电等可再生能源发电上网的退税政策得以延续，美国可再生能源发电市场的发展得到了法律的保障；奥巴马的救市计划包括了大约500亿美元的新能源
19、项目，其中100亿美元用于可再生能源项目的担保。,55,欧盟,二是，欧盟各国的可再生能源发展目标得到各自政府的批准，可再生能源市场需求得到保障,56,日本,三是，日本恢复了停滞了两年的光伏发电补贴政策，日本光伏发电市场将重新启动，上网电价每千瓦时从原来的23日元提高到50日元,57,中国,四是，中国政府进一步规范了可再生能源发电上网电价（国家发改委价格司核准了10多省区、70多个项目的风电和光伏发电项目的上网电价和提高了生物质发电上网电价），规划6个千万千瓦的风电基地，启动了大型光伏并网发电项目的特许权招标，可再生能源发电市场环境得到一定的改善国家发改委发批复核定内蒙古鄂尔多斯伊泰集团205千
20、瓦太阳能聚光光伏电站和上海崇明前卫村太阳能光伏电站上网电价为每千瓦时4元(含税)。,58,遭受金融危机冲击最大的也可能是光伏发电企业,与年初相比，在美国上市的光伏发电企业的市值下降幅度均在80%以上，大型企业的快速扩张可能受阻；中小型企业的增长将更加困难，除少数具有价格竞争优势的企业之外，国内一批多晶硅原材料生产企业，可能面临更加残酷的市场竞争。2009年我国和世界光伏发电市场虽然会仍然保持增长的势头，但是，增速将大幅度下降，进而转变为消化近年来形成的市场泡沫，整个行业开始重新洗牌不无可能。,59,2009-2012年主要行业的发展判断,主要的发展趋势光伏发电增速将继续维持在25%上下，200
21、9年总产量将达到750-800，2010年可望达到1000万千瓦，增速由原来的40%左右下降为20-30%,60,未来发展趋势的估计,2015-2020年期间，光伏发电成本下降到1.5-2元/千瓦时左右，具备了大规模发展的基础聚光太阳能发电商业化加速，某些专家认为，2015年左右可能与风电相比较,德国的光伏发电市场及其发展趋势,62,美国2015年光伏发电规模与成本,63,对美国光伏市场的判断,许多人期望奥巴马的可再生能源计划将进一步推动美国的光伏产业发展。在小布什时代，已批准的八年退税优惠政策为美国的光伏产业发展开了个好头，专家们预测美国的光伏市场将有50的增长，关键就在于美国经济何时恢复。
22、但是即便加州和整个美国的市场在09年增长达100，至多才达到与西班牙相同的500兆瓦水平 克林顿时代的百万屋顶计划小布什在新能源方面的贡献也很大,64,世界光伏市场的发展展望,6、我国可再生能源发展规划,主要依据：可再生能源法可再生能源中长期发展规划可再生能源发展十一五规划,6.1 我国太阳能现状,到2005年底，全国光伏发电的总容量约为7万千瓦，主要为偏远地区居民供电。20022003年实施的“送电到乡”工程安装了光伏电池约1.9万千瓦，对光伏发电的应用和光伏电池制造起到了较大的推动作用。,基本原则,1、坚持开发利用与经济、社会和环境相协调2、坚持市场开发与产业发展互相促进3、坚持近期开发利
23、用与长期技术储备相结合4、坚持政策激励与市场机制相结合,发展目标总体目标,1、提高可再生能源比重，促进能源结构调整2、解决无电人口的供电问题，改善农村生产、生活用能条件。3、清洁利用有机废弃物，推进循环经济发展。4、规模化建设带动可再生能源新技术的产业化发展。,发展目标具体目标,1、充分利用水电、沼气、太阳能热利用和地热能等技术成熟、经济性好的可再生能源，加快推进风力发电、生物质发电、太阳能发电的产业化发展，逐步提高优质清洁可再生能源在能源结构中的比例，力争到2010年使可再生能源消费量达到能源消费总量的10%，到2020年达到15%。2、因地制宜利用可再生能源解决偏远地区无电人口的供电问题和
24、农村生活燃料短缺问题，并使生态环境得到有效保护。按循环经济模式推行有机废弃物的能源化利用，基本消除有机废弃物造成的环境污染。3、积极推进可再生能源新技术的产业化发展，建立可再生能源技术创新体系，形成较完善的可再生能源产业体系。到2010年，基本实现以国内制造设备为主的装备能力。到2020年，形成以自有知识产权为主的国内可再生能源装备能力。,发挥太阳能光伏发电适宜分散供电的优势，在偏远地区推广使用户用光伏发电系统或建设小型光伏电站，解决无电人口的供电问题。在城市的建筑物和公共设施配套安装太阳能光伏发电装置，扩大城市可再生能源的利用量，并为太阳能光伏发电提供必要的市场规模。为促进我国太阳能发电技术
25、的发展，做好太阳能技术的战略储备，建设若干个太阳能光伏发电示范电站和太阳能热发电示范电站。到2010 年，太阳能发电总容量达到30万千瓦，到2020年达到180万千瓦。建设重点如下：,(1)采用户用光伏发电系统或建设小型光伏电站，解决偏远地区无电村和无电户的供电问题，重点地区是西藏、青海、内蒙古、新疆、宁夏、甘肃、云南等省(区、市)。建设太阳能光伏发电约10万千瓦，解决约100万户偏远地区农牧民生活用电问题。到2010年，偏远农村地区光伏发电总容量达到15万千瓦，到2020年达到30万千瓦。,(2)在经济较发达、现代化水平较高的大中城市，建设与建筑物一体化的屋顶太阳能并网光伏发电设施，首先在公
26、益性建筑物上应用，然后逐渐推广到其它建筑物，同时在道路、公园、车站等公共设施照明中推广使用光伏电源。“十一五”时期，重点在北京、上海、江苏、广东、山东等地区开展城市建筑屋顶光伏发电试点。到2010年，全国建成1000个屋顶光伏发电项目，总容量5万千瓦。到2020年，全国建成2万个屋顶光伏发电项目，总容量100万千瓦。,(3)建设较大规模的太阳能光伏电站和太阳能热发电电站。“十一五”时期，在甘肃敦煌和西藏拉萨(或阿里)建设大型并网型太阳能光伏电站示范项目；在内蒙古、甘肃、新疆等地选择荒漠、戈壁、荒滩等空闲土地，建设太阳能热发电示范项目。到2010年，建成大型并网光伏电站总容量2万千瓦、太阳能热发
27、电总容量5万千瓦。到2020年，全国太阳能光伏电站总容量达到20万千瓦，太阳能热发电总容量达到20万千瓦。,存在的主要问题,(1)政策及激励措施力度不够(2)市场保障机制还不够完善。(3)技术开发能力和产业体系薄弱。,我国太阳能光伏发电主要问题,产能过剩两头在外关键技术缺乏,政策与措施,开发新能源，一靠政策、舆论，二靠科技、示范，三靠资金、资助。只有各级政府都在观念上重视太阳能的开发利用，才能制定优惠政策，才能想方设法加大资金投入进行科研、示范和推广。发达国家如美国、日本、德国等非常重视太阳能等新能源的开发利用，不惜投入重金，这当然与他们强大的经济实力有关，美国国会延长了可再生能源发电补贴政策
28、，2009年风电等可再生能源发电上网的退税政策得以延续，美国可再生能源发电市场的发展得到了法律的保障；奥巴马的救市计划包括了大约500亿美元的新能源项目，其中100亿美元用于可再生能源项目的担保；欧盟各国的可再生能源发展目标得到各自政府的批准，可再生能源市场需求得到保障；日本恢复了停滞了两年的光伏发电补贴政策，日本光伏发电市场将重新启动，上网电价提高了每千瓦时从原来的23日元提高到50日元。,印度是发展中国家，人口众多，与我国的国情相似，但印度政府非常重视新能源的开发利用，为此专门成立了非常规能源部，主管太阳能、风能等新能源的开发利用，使印度的新能源发展突飞猛进，令世界瞩目。,采取财政和税收的优惠政策，通过转移支付，设立专项资金，适当予以价格补贴，以支持太阳能聚光发电，为太阳能产业化积累技术和资金。应鼓励太阳能光伏建筑一体化应用的发展，给太阳能光伏技术建筑应用提供相应的补贴。技术方面，要降低单晶硅的成本，这是降低太阳能聚光发电成本的关键，要提高上游产业高纯度多晶硅及单晶硅的自主研制能力。,
