光伏发电与资源环境毕业设计-solarbe文库

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毕业设计（论文）题目光伏发电与资源环境学生姓名学号专业供用电技术班级指导教师评阅教师完成日期 2011 年 10 月 17 日1 目录摘要 . 2关键词 . 21 引言 . 22 光伏发电与资源环境 . 33 光伏发电的现状与未来 53.1 光电转换效率 . 6 3.2 光伏发电成本逐步下降 . 6 3.3 光伏电池产量与装机总量逐年增加 . 8 3.4 较大型光伏电站日益增多，并网发电是发展方向 10 4 我国的特殊现状 115 结束语 12致谢 . 13参考文献 . 142 光伏发电与资源环境摘要能源替代形式的迫切性和环境保护的严峻性使得太阳能光伏发电技术倍受瞩目。本文针对目前光伏发电技术的现状进行了详尽的介绍与分析，同时结合全球太阳能资源分布、光伏材料资源的分布及政府的扶持政策对其发展前景进行了展望。最后对光伏发电技术在提供大电力的同时对我们赖以生存的环境资源保护予以肯定。关键词太阳电池；光伏电站；环境；资源1. 引言家经过填密测算，煤、石油、天然气这些积蓄了亿万年的化石能源，经过数百年的巨大消耗，已经不可逆转地走向枯竭。世界各国的能源研究机构和专得出了比较一致的结论全球化石燃料的生产和消耗峰值将出现在 2030-2040 年之间 [ ’一“ 1 给出了中国主要能源储量和世界能源储量对比。与此同时，全球气候变暖问题日趋严重。过去大半个世纪以来，二氧化碳气体每年的增加水平大约为 1.3 ppm; 到上世纪 90 年代，这个数据增加到 I .6 ppm ，到 2002 年和 2003年增加到 2.0 ppm 。但中国主要能源储量和世界能源储量对比 . 是 2005 年前 10个月的未公开的数据显示这个数字已经增长到 2.2 ppm。近日由独立报公布的相关资料显示，二氧化碳是全球气候变暖问题的主要原因。专家认为不断上升的温度警示自然界正在释放出越来越多的温室气体，变暖问题己进入一个新的阶段，而且会进一步加剧。传统矿物资源的枯竭和环境问题的日益恶化，促使人类将目光转向取之不尽、用之不竭、清洁无污染、随时可开发利用的太阳能资源。据统计计算，太阳能每秒钟到达地面的能量高达 80 万千瓦，如果把地球表面 0.1的太阳能转化为电能，以 S的转换效率计算，每年发电量可达 5.6X 10 千瓦小时，相当于目前世界上能耗的 40 倍 [[4] 。因此，光伏发电技术是近年来发展最快，最具活力的研究领域之一。自 1839年法国 Becquera 第一次在化学电池中观察到光伏效应后，科学工作者不断地探索研究各种太阳电池 [5] 0 1954 年，贝尔实验室 Chapin 等人开发出效率为 6的单晶硅太阳电池，成为现代太阳电池开始的划时代标志[[6] 。目前，以澳大利亚新南威尔士大学钝化发射区电池，德国 Fraunhofer 太阳能研究所的局部背场电池及美国斯坦福大学的背面点接触电池等为典型代表的第一代晶体硅高效电池，这类电池的实验室效率已达到 24.7 . 大规模生产商用产品的效率为 17以上睁 7}; 多晶硅太阳电池的实验室效率也突破了 20。第二代薄膜太阳电池也取得了令人瞩目的成就， CuInSe 和 CdTe等薄膜电池的实验3 室效率目前分别为 19.5和 16.5[}] 。其他新型电池，如燃料敏化电池、有机电池也不断刷新以往的记录，更高效率的新概念电池也受到广泛重视。表 1 列出了已报道的各种太阳电池的最高转换效率能源替代形式的迫切性、环境保护的严峻性、电池效率的攀升、及德、日、美等国的扶持政策使得光伏装机量近年来急剧攀升，并网发电的应用比例迅速提升，并成为光伏发电的主导市场。据全球光伏市场调研机构 Solarbuzz 日前发布的最新版的世界光伏市场报告显示，尽管全球仍然深陷金融危机漩涡，但全球太阳电池产量从 2007 年的 3.44 GW增长到2008 年的 6.85 GW } 2008 年世界光伏市场的装机量仍达到了创纪录的 5.95 GW，相比上一年度增幅达到 110。此外，薄膜电池产量也大幅提高， 2008 年增幅为123，达到 0.89 GW[ 0] 。值得注意的是，中国太阳能电池厂商包括台湾省的市场占有率逐年提升，中国光伏产业在过去的几年中每年以 200的速度增长，目前己经成为世界第一大太阳电池生产国，年产值 2000 亿元，就业人数 20 万川。世界光伏产业和市场的蓬勃发展，使得光伏发电在世界能源消费中占据了越来越重要的席位。根据欧盟联合研究中心的预测，太阳能光伏发电在不远的将来不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。与发达国家相比，我国虽然近年来光伏产业迅猛发展且技术日趋成熟，但是依然存在着制约产业迅速发展的不利因素和障碍。面对新的机遇和挑战，我们如何抓住有利时机，我国政府、科学工作者及光伏企业任重而道远。基于此，本文对光伏发电技术和现有资源储量的关系进行了分析，以此为基础，分析了光伏发电技术的现状，并对其发展前景进行了展望 ; 最后针对我国的特殊现状予以分析并给予一定的建议。2 光伏发电与资源环境4 尽管各种新概念太阳电池不断涌现，效率也不断攀升，但是现阶段进入民用领域的太阳电池主要是晶体硅太阳电池，占目前产量的 90以上，并且可以确定这种情况在短期内不会发生根本的改变。这是因为硅在地壳中的含量高达27.7，是地壳中第二大储量元素，资源及其丰富 [14] 。在半导体材料中，人们对它的研究最多，其制造工成熟、产品性能稳定、对环境污染少。但从技术上讲，晶体硅并不是最佳材料，其光电转换效率亦不是最佳 ; 另一方面，从成本上来说，晶体硅电池成本偏高，其市场价格约为 3/Wp-} 4/Wp ，这其中约 70是180-300}m 厚的硅片成本。因此，进一步发展高转换效率和低成本的太阳电池成为光伏领域必然的发展趋势。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装臵。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地 ; 光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。从光电转换效率来说， GaAs 基多结太阳电池的转换效率己经突破35.8}ls] ，是目前所有太阳电池中效率最高的，但是 Ga, In, P, Ge 等都属于稀有元素，其成本远大于硅电池的材料成本，而电池片的价格是光伏系统成本最主要的部分。因此，较高的发电成本制约了其大规模地面应用。为了进一阳电池材料的消耗，采用聚光技术是一项可行的措施，即在聚光条件下，一方面使得电池芯片单位面积接收的辐射功率密度大幅度地增加，太阳电池光电转换效率得以提高 ; 另一方面，对于给定的输出功率，可以大幅度降低太阳电池芯片的消耗，从而减少 Ga, In, P, Ge等材料的消耗，进而降低系统的成本 [19-20] 从降低成本来说，薄膜技术近年来异军突起，世界第二大光伏生产商 First solar 主要以薄膜太阳电池为主。薄膜太阳电池是在廉价的玻璃、不锈钢或塑料衬底上附上非常薄的感光材料制成，它们的厚度只有儿微米，比用料较多的晶体硅技术造价更低，其价格优势可抵消低效率的问题，目前也成为光伏发电技术未来发展趋势之一 [f21 ] 。目前已商业化的薄膜太阳电池有三种非晶硅 a-Si 、铜锢硒 CIS, CIGS和磅化福 CdTe。另一类更有希望的薄膜太阳电池是多晶硅薄膜太阳电池。传统晶体硅太阳电池的制造程序为 I 西门子法还原多晶硅， 2 多晶硅重熔、铸锭， 3 多晶硅切片， 4 多晶硅表面处理， 5 扩散法制 p-n 结， 6 制减反射膜， 7 制上、下表面电极。而多晶硅薄膜太阳电池的制造程序为 1 新工艺还原多晶硅生长p-n 结， 2 制减反射膜， 3 制上、下表面电极。5 比较两种制造程序不难看出制造多晶硅薄膜太阳电池，省掉了传统晶体硅太阳电池的 2 多晶硅重熔、铸锭， 3 多晶硅切片， 4 多晶硅表面处理， 5扩散法制 p-n 结等四道工艺。其中工艺 2 和 5 是非常耗能的过程，工艺 4要用大量的酸和碱，稍有不慎就会对环境造成污染，工艺 3 的切片过程要损耗30的硅材料。目前，硅片的厚度一般为 180}m，而有效的硅厚度仅为 SO}m。因此，与传统多晶硅太阳电池相比，制造多晶硅薄膜电池可以节省硅材料 70以上、减少能耗 60以上，可以显著降低电池制中的碳排放。因此，研制多晶硅薄膜太阳电池具有重大的经济效益和社会效益。向大气释放的 CO中， 80以上来自于传统矿物能源的消耗，而 COz作为最主要的温室气体，是导致气候变化的罪魁祸首 [}zz} 。南北半球的高山冰川和积雪消融加速、全球海平面上升加速、极端天气日益频繁的出现，越来越多的警示告诉我们必须节能减排，必须大力扶持绿色可再生能源的发展。光伏发电最重要的特征是保护气候。光伏发电在发电过程中基本不排放 COz，可以为减缓气候变化作出贡献。据统计，光伏发电系统发电 1 亿 kWh，可以节省标准煤 4 万吨，可以减少 4.5 万吨 CO的排放、减排粉尘 486 吨、减排灰渣约 1 万吨、减排二氧化硫约 756 吨。其次光伏发电不产生传统发电技术例如燃煤发电带来的污染物排放和安全问题，没有废气、废渣和噪音污染。除了磅化福 CdTe 电池以外，光伏系统报废后也很少有环境污染的遗留问题，这对改善环境具有积极的意义。而且电池板、安装材料可循环使用，制造光伏设备的能源投入可以进一步降低，同时可以节约相当一部分用来治理环境的资金。此外，光伏电站可以很多形式存在，在提供大量电力供应的同时，避免占用更多的土地资源。其典型的应用就是光伏建筑一体化，即将光伏阵列臵于屋顶或墙壁上，这意味着在公共、私人和工业建筑的屋顶和墙面上都有巨大的安装潜力。其优点在于 1 节约土地资源，特别是土地昂贵的城市建筑尤为重要 ;2 原地发电、原地使用，能节省电站并入电网的投资 ;3 降低建筑的受热，避免了墙面温度和屋顶温度过高，降低了空调负荷，并改善了室内环境 ;4 光伏电池阵列墙作为建筑物的玻璃幕墙，可以节约昂贵的外饰材料，使建筑外观更具魅力，同时可减少建筑物的整体造价等。3 光伏发电的现状与未来光伏发电技术的开发始于 20 世纪 50 年代，并随着传统矿物资源的日益枯竭而于近年得到迅速发展。特别是得益于德、日、美等发达国家的政策扶持而迎来了一个美好的春天。6 3.1 光电转换效率逐步提高、新概念太阳电池不断涌现从第一块单晶硅太阳电池发展至今，太阳电池所用材料涉及到几乎所有半导体材料，包括硅、无机化合物半导体、有机半导体，甚至一些金属材料。结构上也丰富多样，有同质结、异质结、平面结、垂直结、叠层、集成、薄膜等。伴随着电池种类的增多、结构的优化及制备工艺的改善，太阳电池的效率也节节攀升，特别是 80 年代初期，得益于半导体技术的迅猛发展，太阳电池光电转换效率迅速提高。迄今，单晶硅太阳电池的实验室效率为 24.7多晶硅太阳电池的实验室效率为 20.3 . GaAs 基太阳电池的实验室效率为 35.8，而聚光条件下 GaAs基多结电池的效率更是高达 40以上。伴随着电池实验室效率的提高，商业化电池的效率也稳步提升，单晶体太阳电池的效率为 16}}20} ，多晶体硅电池的效率巧以上。薄膜太阳电池的研究工作自 1987 年以来发展迅速，成为世界关注的新热点。非晶硅薄膜电池实验室稳定效率达到了 13、铜锢硒 CIS 的实验室效率达到 19.5 。此外，新概念太阳电池不断涌现，如近几年迅速发展的染料敏化太阳电池和有机聚合物太阳电池也备受人们关注，前者实验室最高光电转换效率为11 a fz3} ，后者为 7[24]。图 3 给出了不同种类太阳电池效率不断攀升的概况 [zs} 。多晶硅薄膜太阳电池的制备技术一旦获得突破，其应用前景不可估量。3.2 光伏发电成本逐步下降发电成本的降低是推动光伏发电技术进入能源市场的主要动力。经过近 30年的努力，太阳电池厂的生产规模不断扩大、自动化程度持续提高、技术水平逐步改进，及光伏市场的有效开拓促使光伏发电成本不断降低。目前，太阳电池单厂生产规模已经由 20 世纪 80 年代的几 MW上升到目前的几百 MW，且商业化电池7 效率也得以显著提高。这些因素共同促使光伏发电成本显著降低。图 4 给出了自 1995 年至今，不同种类太阳电池发电成本的对比曲线，并对未来十年光伏发电成本进行了预测。由图 4 可见， 2000 年晶体硅太阳电池的发电成本约为 0.57/W } 2005 年不足0.25/W，发电成本下降了一倍，而且未来十年还会有显著地降低。在各种太阳电池中，聚光太阳电池的发电成本是最低的。此外，世界各国的光伏激励政策及相关法律的保障对降低光伏发电成本的作用也不可忽视。图 5 给出了美国能源部对光伏价格的预测结果，其中 SAI 为美国太阳能先导计划，从这个图可以看出政策的扶持对光伏发电成本的降低具有十分显著的作用 [[26] 。不难想象，当光发电成本与常规能源发电成本相当的时候，它的市场将会更加广阔，图 6 给出了2004 年欧盟联合研究中心 JRC Joint ResearchCentre 预测的各种能源在未来能源消耗中的战略地位。如图所示，到 2030 年可再生能源在总能源结构中将占到 30以上，太阳能光伏发电在世界总电力的供应中将达到 10以上 ;2040 年可再生能源将占总能耗的 50以上，太阳能光伏发电将占总电力的 20以上 ; 到21 世纪末可再生能源在能源结构中将占到 80以上，太阳能光伏发电将占到 60以上，并显示出其重要的战略地位。8 3.3 有效的扶持政策使得光伏电池产量与装机总量逐年增加近 30 年来，光伏市场蓬勃发展，特别是最近 10 年，太阳电池及组件生产的年平均增长率达到 33，最近 5 年的年平均增长率达到 43 } [Z}}, 2006 年世界太阳电池产量达到 2500 MWp, 2007 年全球太阳电池产量达到 3.44 GW , 2008年增至 6.85GW[iola 图 7 给出了世界太阳电池历年产量的柱形图，可以看出光伏发电己经从“候补能源”逐步向“替代能源”过渡，这其中离不开政策的扶持。众所周知，目前光伏发电成本较传统能源发电来说，成本相对较高，单纯市场的拉动不可能使光伏产业发展如此迅猛，这主要得益于德国、日本、美国和西班牙各国的鼓励政策，如德国的可再生能源法与“十万屋顶计划，，、美国的净电量计量法与“购买降价” 、日本的“新阳光计划”等，即通过信贷支持、财政补贴、税收优惠等措施调动人民群众的积极性，从而使得光伏发电技术得到大规模的推广应用 [2A] 。西班牙是一个快速崛起的光伏市场。9 据 2008 年欧洲光伏产业协会 EPIA 发布的世界太阳能市场排名显示，目前欧洲仍然是全球太阳能市场最重要的地区，占到总装机量份额的 820 2008 年全球太阳能光伏市场装机总量由 2007 年的 2.4GW增长至 5.5GW，其中，西班牙占了近一半的新机装容量， 285的年增幅使其超过德国，居世界第一位。德国新装1.5GW的新增装机容量居第二，美国新装 342MW，位居第三。韩国由于去年市场的快速发展己经上升到第四位，紧随其后的是意大利和日本 [[ } o,z9} 全球光伏市场 2007 年总收入达到了 159 亿美元， 2008 年总收入达到了371 亿美元，新的机遇和挑战创造出了一个有一个的财富神话 [30] 。图 8 给出了2008 年世界太阳电池生产厂商前二十五位。需要特别指出的是，近年来中国光伏产业的发展如日中天。中国 2004 年太阳电池的年产量超过 SOMW，是前一年的 4 倍 ;2005 年产量达到 130MWp} 2006年为 369.SMWp，紧随日本和德国之后，位居世界第三大光伏电池生产国。 2007 年产量超过 1 GW , 2008 年超过 2GW，居世界第 1 位 [[31j 然而，遗憾的是我们的产品大都销往欧美等发达国家。这主要是因为到目前为止，电力部门还没有正式接受光伏发电上网，有效的导引政策还没有明确实施。但是国家已然意识到这个问题， 2006 年起颁布了可再生能源法 ;2007 年 8 月 31 日，国家发改委印发10 了可再生能源中长期发展规划，提出了 2020 年前可再生能源发展的指导思想、基本原则、发展目标、重点领域和保障措施 2008 年 3 月 18 日，国家又出台了可再生能源发展 “十一五” 规划，进一步明确了到 2020 年底我国可再生能源发展的目标和方向。我们也充分的相信在不久的将来，政府会制定强有力的政策以驱动我国光伏产业的蓬勃发展。3.4 较大型光伏电站日益增多，并网发电是发展方向1976 年美国麻省理工学院研制出 60 kW 光伏电站用于农业， 1982 年美国又率先建成 IMW光伏电站并网运行。现在，世界上己有不少兆瓦级光伏电站在各地运行。美国已有6.5 MW的光伏电站与常规电网联接 ; 在希腊的克里特岛正在建设 50 MW的光伏电站，建成后将为 10 万人提供电力 [32]; 最近，日本、意大利、韩国、挪威、奥地利、西班牙、瑞典及瑞士八国，计划合作在亚洲内陆和非洲沙漠，建设 3}4 处世界上规模最大的太阳能发电站，其规模最小的也可达 MW，最大将达到数 GW，他们的目标是将占全球陆地面积的 1/4 沙漠地区长时间的日照资源有效地利用起来。我国目前已经建成了几个 MW级的光伏示范电站[33] ，最近我们又欣喜地看到我国首个大型光伏并网发电项目一国投敦煌 1 OMW已经开始投产发电 [34] 世界光伏产业发展的另一个显著特点是并网比例迅速增加，并将成为未来光伏发电的主趋势 [35] 。并网发电即使光伏发电系统与地方电网连接，使得发出的富余电量都可出售给电网，夜晚则可从电网买电。在德国和西班牙等国，实行强制性收购政策和结合固定电价的政策调动人民的积极性，电力公司购买太阳能电费远高于用户从电力公司购电的价格，从而推动了可在生能源的优先发展。并网光伏发电技术是光伏技术进入大规模发电、成为电力工业组成部分之一的重大技术步骤。就全球来讲，截至 2007 年底，世界光伏系统累计装机约 2.4GW，其中并网光伏发电达 2GW，占总市场份额的 g3[36]。图 9 给出了光伏并网发电占总装机容量的比值。实践证明，并网太阳能发电站可以对电网调峰，提高电网末端的电压稳定性，改善电网的功率因数和有效地消除电网杂波，具有很多优越性。11 此外，太阳光伏发电系统还可以与其它发电系统组成联合供电系统，如光一风互补系统 ; 光一风一油互补系统等。风力发电系统的成本较光伏发电成本低，又由于风能与太阳能具有互补性，可以减少蓄电池的容量，互补系统能比单独太阳光发电系统节省投资。在远离电网的偏远地区和农村多为离网系统，这些小型光伏户用系统通常为单个家庭用电，光伏发电系统通过充电控制器与蓄电池连接，生产的电可蓄存起来供以后使用。4 我国的特殊现状近年来，中国大陆太阳能企业强势崛起，涌现了如无锡尚德、天威英利、晶澳等世界前十大太阳电池生产商，对世界光伏发电技术的推广应用起到了十分积极的作用，同时也大度提高了我国光伏发电技术和产业的水平，缩短了光伏发电制造业与国际水平的差距。但是，目前依然也存在以下几个问题值得我们深思[[37-38] 1} 关键设备依赖于进口，专用原材料如银浆、密封玻璃、 EVf1 等依赖于进口，这也导致了我国光伏组件成本相对较高 ; 2 光伏发电的配套技术还不成熟。如大功率并网逆变 / 控制产品还没有实现自主研发商业化生产，产品可靠性低、主要依赖进口 ; 独立系统中的蓄电池技术还不过关，寿命较低。3 市场培育政策欠缺，国内光伏产业发展迟缓。尽管鼓励光伏发展的政策相继出台，但在市场培育和开拓方面缺乏必要的激励措施，如并网电价等 ; 4 近年来，国内太阳电池生产能力迅速膨胀，造成一定程度的产能过剩，产品质量有待提高。除了上述问题，目前还存在光伏产业无序发展的状况。特别是多晶硅产业，12 缺乏核心成套技术，存在产能过剩、产量不足的奇怪现象。新技术研发投入不足也是值得我们重视的问题。5 结束语光伏发电的利用和产业己经进入蓬勃发展时期，根据现有资源储量和技术水平，各国政府、光伏科技工作者和企业厂商应抓住有利时机，迎接能源可持续发展的挑战，继往开来，开创一个全新的光伏时代 13 致谢为期一个学期的毕业论文（设计）已让我非常痛苦的接近尾声了，我的三年大学生涯也即将圈上一个句号。此刻我的心中却有些怅然若失，因为那些熟悉的师生们。三年间，每次走进会计系教研室都会让我感受到一种亲切热情的氛围。无论是学习、工作生活上的问题，恩师们都会悉心给以指导解答，让我倍受感动。也就是在这里，给我的大学生涯设计点上了第一个逗号。我的学术论文创作的开始，也是从这里起步的。从某种意义上可以说，今日的毕业论文（设计）其实从大一时已经开始了。会计系的老师们，给我三年的学习、成长创造了一个良好的环境，引导我充分利用学校的学习资源，去发展、充实自我，而不曾虚度光阴。在此，我真诚的向你们道一声“谢谢”。时光飞逝，转眼问二年半的大学生活即将结束。在论文完稿之际，首先要感谢我的导师韩绪鹏教授．韩绪鹏老师在电力方面深厚的造诣，丰富的实践经验令我大开眼界、受益匪浅；导师严谨的治学态度，务实的工作作风，忘我的工作热情时刻影响着学生；他的那种乐观豁达的处世态度，平易近人的为人风格，虚怀若谷的高尚品德更是令学生铭记于心．两年多来，学生所取得的点滴进步与成绩，无不凝聚着导师的心血和汗水．在此，谨向尊敬的韩老师致以崇高的敬意和最诚挚的谢意在课题设计期间，同专业的同学以及师兄等，给了我许多的关心与帮助，在此向他们表示真诚的感谢在三峡电力职业学院两年半的求学生涯中，结下了许多志同道合的朋友，他们给予我了在生活上的关照，人生道路上的启迪以及学习上的帮助．在此，祝愿他们的明天更加灿烂辉煌最后，还得把深深的感激送给我的父母，他们对我的关心与支持，伴我度过了浸漫的求学路；他们的鼓励与鞭策，更是我勇往直前的动力源泉．感激之情无以言表，谨以此文献给他们 14 参考文献[1] A. 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