1、太阳能光伏原理及应用,内容提要,一、利用可再生能源的意义 二、可再生能源（太阳能）的利用 三、并网光伏系统应用 四、总结,一、利用可再生能源的意义,1、能源危机悄然逼近 油气资源的供不应求成为我国经济发展的瓶颈 2004年,我国生产原油1.75亿吨,进口原油1.2亿吨,对外依存度达到45.7%。我国的石油消耗在过去20年里以每年5%的速度增加，预计到2010年我国石油供需缺口将近1亿吨。,1、能源危机悄然逼近,电力供应同样不容乐观中国工业经济联合会提供的一份中国工业发展报告预测，到2020年，煤炭供需缺口可能超过约为3亿吨。 天然气用量迅速增长天然气消费在2004年也达到408亿立方米,年增长
2、速度11.8%。,2、建筑的高能耗及环境污染,全球能量的50%消耗于建筑的建造与使用过程 我国的建筑能耗量约占全国总用能量的1/4，居耗能首位。其中80民用商品能源是由煤炭提供的。 目前我国已建房屋有近400亿平方米属于高耗能建筑，新建房屋有95以上是高耗能建筑,2、建筑的高能耗及环境污染,2003年初，国务院发展研究中心关于建筑节能的调研报告称，“因建筑耗能高，仅北方采暖地区每年多耗标准煤1800万吨，直接经济损失达70亿元；多排二氧化碳52万吨。”,2、建筑的高能耗及环境污染,大量燃煤、环境污染严重1995年中国煤炭消费量占世界煤炭总消费量的29%，当年中国排放了30 亿吨CO2占当年全球
3、排量的13.6%,仅次于美国。（其中建筑用能，对全国的温室气体排放“贡献率”已经达到了25。）预计到2020年，中国将取代美国成为世界二氧化碳排放第一大国。,、我国建筑节能的不足,我国节能工作起步较晚 如我国的建筑采暖耗热量:外墙大体上为气候条件接近的发达国家的45倍，屋顶为2.55.5倍，外窗为1.52.2倍;门窗透气性为36倍;总耗能是34倍。 高耗能建筑大行其道，建筑能耗增长的速度将远远超过我国能源生产可能增长的速度，国家的能源生产势必难以长期支撑这种浪费型需求,二、太阳能的利用,1、太阳能光伏利用 太阳能利用的巨大潜力我国太阳能资源丰富，陆地每年接受的太阳辐射能，相当于2.41012t
4、ce，2/3国土面积的太阳能总辐射量超过0.6MJ/m2。如果将太阳能源充分加以利用，不仅有可能节省大量常规能源，而且有可能在某些区域完全利用太阳能采暖。,1、太阳能光伏利用,太阳能的主要利用形式目前，太阳能利用主要有两个途径，即光热和光电技术。光电技术指的是光伏发电，是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。光伏发电更高端，前景更好，在太阳能利用上将是主流，将成为代表太阳能应用最尖端、最先进、最有潜力的一种技术。,2、光伏利用的基本原理,基本原理太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，即一些半导体材料受到光照时，载流子数量会剧增，导电能力随之增强，这就是半导体的光敏
5、特性。,2、光伏利用的基本原理,以PN结为例，当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N区到P区的电流。,2、光伏利用的基本原理,然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。,、光伏建筑一体化,光伏建筑一体化 光伏与建筑一体化（BIPV-Building Integration PV system）提出了“建筑物产生能源”的新概念，即通过建筑物，主要是屋顶和墙面与光伏发电集成起来，使建筑物自身利用绿色、环保的太阳能资源生产电力。BIPV系统可以划分为光伏屋顶结构和光伏墙结构两种形式,、太阳能光伏利用,光伏与建筑的结合有两种方式：(1)建筑与光
6、伏系统相结合：把封装好的的光伏组件安装在居民住宅或建筑物的屋顶上，再与逆变器、蓄电池、控制器、负载等装置组成一个发电系统。,、太阳能光伏利用,光伏与建筑的结合有两种方式：(2)建筑与光伏器件相结合：将光伏器件与建筑材料集成一体，用光伏组件代替屋顶、窗户和外墙，形成光伏与建筑材料集成产品，既可以当建材，又能利用绿色太阳能资源发电。,、太阳能光伏利用,太阳能光伏发电系统有两种运行模式 :(1)独立供电方式：通过电池储能、与公共电网分路。特点：发电与用电可以不同步。我国绝大多数太阳能光伏发电系统采用电池储能的“独立供电方式”。,、太阳能光伏利用,太阳能光伏发电系统有两种运行模式 :(2)并网供电方式
7、：光伏发电系统所发出的直流电无论是否经过化学电池组，最终通过逆变器变换产生交流电，或者向公共电网输送电能，或者与公共电网同时端接输出到低压负载。特点：当时发电当时使用，太阳能发出的电量直接与公共电网并接。目前，美国、德国等西方先进国家大多采取可逆流的“并网供电方式”。,、太阳能光伏利用,太阳能光伏发电低压并网结构如下图所示：,、太阳能光伏利用,太阳电池与一般的平板式光伏组件不同，（BIPV）组件既然兼有发电和建材的功能，就必须满足建材性能的要求，如：隔热、绝缘、抗风、防雨、透光、美观，还要具有足够的强度和刚度，不易破损，便于施工安装及运输等。,、太阳能光伏利用,晶体硅太阳电池本身是不透光的，需
8、要透光时，只能将组件用双层玻璃封装，通过调整电池片之间的空隙来调整透光量。作为玻璃幕墙和天窗时，投影呈现不均匀的斑状。 非晶硅太阳电池可以制作成与茶色玻璃一样的效果，透光效果好，投影也十分均匀柔和。用作玻璃幕墙和天窗，效果更好。,、太阳能光伏利用,晶体硅和非晶硅作太阳电池幕墙的效果：,、太阳能光伏利用,太阳能电池的制造工序较复杂，制造成本高而且受到半导体材料供应的限制。 运用现有的太阳能电池技术，只能将15%的太阳能转化为电能这是因为照射在太阳能电池上的太阳光线有不同的波长，只有那些适合太阳能电池吸收的光线才会被转化成电能。,、太阳能光伏利用,逆变和控制器太阳电池方阵所发出的是低压直流电，要与
9、电网连接，必须变换成220 伏、380 伏甚至更高电压的交流电。对于电能质量如：电压、波动、频率、谐波和功率因素等参数都有严格的要求。目前我国在大功率逆变器上还需要进一步提高。这个部件最重要的指标是可靠性和转换效率。,、太阳能光伏利用,电量计量 建筑并网光伏系统中，光伏方阵所发出的电能，主要供给用户负载使用，多余部分输入电网。实际上由于各国政府对于开发利用新能源大多实行优惠政策，目前太阳能发电的上网电价要远大于用户的用电电价，常常用两块电表来分别计量，所以有“买入”电表和“卖出”电表的区别。,、太阳能光伏利用,数据采集及显示系统在建筑智能化系统中，开发并完成了太阳能光伏系统与建筑设备自动化监控
10、系统的接口和集成技术。,、太阳能光伏利用,实现了楼宇自动化系统对太阳能光伏发电系统的二次监控，配备了一定的数据采集系统。此外还包括摄像机对太阳能发电板的监视，进一步提高了太阳能光伏发电系统与公共电网之间的安全性。,三、并网光伏系统应用,、国际应用 当今世界太阳能发电有80%是并网发电,光伏与建筑一体化已经占整个世界太阳能发电最大比例。 早在1993年，美国能源部出资2500万美元，和国立再生能源实验室合作，实施“PV：BONUS”计划，发展与建筑相结合的光伏产品。,、国际应用,目前世界上最大的太阳能屋顶光伏系统安装在新慕尼黑贸易展览中心。 德国慕尼黑商贸中心的6座大厦都装光电屋顶，共有7812
11、个无框架光电板，每个光电板共有84个单晶硅太阳能电池，输出功率为130w，光电板总和峰值功率为1.016kw，光电板占屋顶面积58%。发出的直流电经过逆变电器送至2万伏中压电网，预计寿命20年，可减少2万吨的CO2排放量。,2、国内应用,太阳能光伏发电应用始于70年代，真正快速发展是在80年代。1983年1987年先后从美国、加拿大等国引进了七条太阳电池生产线，初步形成生产能力达到4.5MW太阳能光伏产业。,2、国内应用,光伏产业已形成了较好基础，但我国同国外相比还有很大差距 ：(1)生产规模小(2)技术水平较低(工业组件的转换效率单晶硅电池为11%13%, 多晶硅电池为5%6%。)(3)专用
12、原材料(虽已国产化,但性能有待能有待进一步改进)(4)市场不成熟,2、国内应用,(5)成本高 目前我国电池组件成本约30元/W，平均售价42元/W，成本和售价都高于国外产品。如以燃煤发电成本为1，光伏发电为煤电的1118倍。,3、21世纪光伏发电的特点,产业将继续以高增长速率发展 太阳电池组件成本将大幅度降低：系统安装成本每年以9%速率降低。1996年平均安装成本约7美元/W，预计2005年可降到3美元/W 技术水平发展：电池效率将由现在的水平（单晶硅13%15%，多晶硅11%13%）向更高水平（单晶硅18%20%，多晶硅16%18%）发展。,四、总结,、BIPV的优点 电能互补：在有日照时发
13、电，在阴雨天或晚间，则由电网向负载供电。 充分利用电能：可以随时向电网存取电能，不受蓄电池荷电状态的限制。 就地供电：就地供电，就地上网，避免了长距离输配电所造成的线路损耗。 调峰作用：夏天的太阳辐射强度大，太阳电池发的电能也多以满足夏天的用电高峰。,2、BIPV发展的障碍,并网供电方式：保证在电网低压接入时对公共供电网的影响最小；保证系统的输出电压、相位、频率等参数在满足实用要求的同时，能够随动公共电网的相关参数。 生产成本过高：光伏组件生产成本比国外高出约20。 缺乏具体规范：国际、国内都还没有统一的光伏电站和系统的设计和建设规范，这将无法保证光伏系统的建设质量和光伏发电的进一步推广。,3、在我国的前景,根据光伏工业自身的发展经验，生产量和规模每增加1倍，成本下降约20%，而价格通常比成本高30%。 2010年我国光伏组件年生产量将分别达到11MW和27MW，发电成本分别为1.14和0.96元，装机容量分别达到80MW和140MW。 光伏技术的发电成本在2020年估计在0.51.0元/(kWh)范围。 2030年光伏组件年生产量分别达到175MW和2 320MW，发电成本分别为0.57和0.28元。,
