畢業設計（論文）題目光伏發電與資源環境學生姓名學號專業供用電技術班級指導教師評閱教師完成日期2011年10月17日1目錄摘要2關鍵詞21引言22光伏發電與資源環境33光伏發電的現狀與未來531光電轉換效率632光伏發電成本逐步下降633光伏電池產量與裝機總量逐年增加834較大型光伏電站日益增多，并網發電是發展方向104我國的特殊現狀115結束語12致謝13參考文獻142光伏發電與資源環境摘要能源替代形式的迫切性和環境保護的嚴峻性使得太陽能光伏發電技術倍受矚目。本文針對目前光伏發電技術的現狀進行了詳盡的介紹與分析，同時結合全球太陽能資源分布、光伏材料資源的分布及政府的扶持政策對其發展前景進行了展望。最后對光伏發電技術在提供大電力的同時對我們賴以生存的環境資源保護予以肯定。關鍵詞太陽電池；光伏電站；環境；資源1引言家經過填密測算，煤、石油、天然氣這些積蓄了億萬年的化石能源，經過數百年的巨大消耗，已經不可逆轉地走向枯竭。世界各國的能源研究機構和專得出了比較一致的結論全球化石燃料的生產和消耗峰值將出現在20302040年之間一“1給出了中國主要能源儲量和世界能源儲量對比。與此同時，全球氣候變暖問題日趨嚴重。過去大半個世紀以來，二氧化碳氣體每年的增加水平大約為13PPM到上世紀90年代，這個數據增加到I6PPM，到2002年和2003年增加到20PPM。但中國主要能源儲量和世界能源儲量對比是2005年前10個月的未公開的數據顯示這個數字已經增長到22PPM。近日由獨立報公布的相關資料顯示，二氧化碳是全球氣候變暖問題的主要原因。專家認為不斷上升的溫度警示自然界正在釋放出越來越多的溫室氣體，變暖問題己進入一個新的階段，而且會進一步加劇。傳統礦物資源的枯竭和環境問題的日益惡化，促使人類將目光轉向取之不盡、用之不竭、清潔無污染、隨時可開發利用的太陽能資源。據統計計算，太陽能每秒鐘到達地面的能量高達80萬千瓦，如果把地球表面01的太陽能轉化為電能，以S的轉換效率計算，每年發電量可達56X10千瓦小時，相當于目前世界上能耗的40倍4。因此，光伏發電技術是近年來發展最快，最具活力的研究領域之一。自1839年法國BECQUERA第一次在化學電池中觀察到光伏效應后，科學工作者不斷地探索研究各種太陽電池501954年，貝爾實驗室CHAPIN等人開發出效率為6的單晶硅太陽電池，成為現代太陽電池開始的劃時代標志6。目前，以澳大利亞新南威爾士大學鈍化發射區電池，德國FRAUNHOFER太陽能研究所的局部背場電池及美國斯坦福大學的背面點接觸電池等為典型代表的第一代晶體硅高效電池，這類電池的實驗室效率已達到247大規模生產商用產品的效率為17以上睜7多晶硅太陽電池的實驗室效率也突破了20。第二代薄膜太陽電池也取得了令人矚目的成就，CUINSE和CDTE等薄膜電池的實驗3室效率目前分別為195和165。其他新型電池，如燃料敏化電池、有機電池也不斷刷新以往的記錄，更高效率的新概念電池也受到廣泛重視。表1列出了已報道的各種太陽電池的最高轉換效率能源替代形式的迫切性、環境保護的嚴峻性、電池效率的攀升、及德、日、美等國的扶持政策使得光伏裝機量近年來急劇攀升，并網發電的應用比例迅速提升，并成為光伏發電的主導市場。據全球光伏市場調研機構SOLARBUZZ日前發布的最新版的世界光伏市場報告顯示，盡管全球仍然深陷金融危機漩渦，但全球太陽電池產量從2007年的344GW增長到2008年的685GW2008年世界光伏市場的裝機量仍達到了創紀錄的595GW，相比上一年度增幅達到110。此外，薄膜電池產量也大幅提高，2008年增幅為123，達到089GW0。值得注意的是，中國太陽能電池廠商包括臺灣省的市場占有率逐年提升，中國光伏產業在過去的幾年中每年以200的速度增長，目前己經成為世界第一大太陽電池生產國，年產值2000億元，就業人數20萬川。世界光伏產業和市場的蓬勃發展，使得光伏發電在世界能源消費中占據了越來越重要的席位。根據歐盟聯合研究中心的預測，太陽能光伏發電在不遠的將來不但要替代部分常規能源，而且將成為世界能源供應的主體。與發達國家相比，我國雖然近年來光伏產業迅猛發展且技術日趨成熟，但是依然存在著制約產業迅速發展的不利因素和障礙。面對新的機遇和挑戰，我們如何抓住有利時機，我國政府、科學工作者及光伏企業任重而道遠。基于此，本文對光伏發電技術和現有資源儲量的關系進行了分析，以此為基礎，分析了光伏發電技術的現狀，并對其發展前景進行了展望最后針對我國的特殊現狀予以分析并給予一定的建議。2光伏發電與資源環境4盡管各種新概念太陽電池不斷涌現，效率也不斷攀升，但是現階段進入民用領域的太陽電池主要是晶體硅太陽電池，占目前產量的90以上，并且可以確定這種情況在短期內不會發生根本的改變。這是因為硅在地殼中的含量高達277，是地殼中第二大儲量元素，資源及其豐富14。在半導體材料中，人們對它的研究最多，其制造工成熟、產品性能穩定、對環境污染少。但從技術上講，晶體硅并不是最佳材料，其光電轉換效率亦不是最佳另一方面，從成本上來說，晶體硅電池成本偏高，其市場價格約為3/WP4/WP，這其中約70是180300M厚的硅片成本。因此，進一步發展高轉換效率和低成本的太陽電池成為光伏領域必然的發展趨勢。光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經過串聯后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發電裝置。光伏發電的優點是較少受地域限制，因為陽光普照大地光伏系統還具有安全可靠、無噪聲、低污染、無需消耗燃料和架設輸電線路即可就地發電供電及建設周期短的優點。從光電轉換效率來說，GAAS基多結太陽電池的轉換效率己經突破358LS，是目前所有太陽電池中效率最高的，但是GA,IN,P,GE等都屬于稀有元素，其成本遠大于硅電池的材料成本，而電池片的價格是光伏系統成本最主要的部分。因此，較高的發電成本制約了其大規模地面應用。為了進一陽電池材料的消耗，采用聚光技術是一項可行的措施，即在聚光條件下，一方面使得電池芯片單位面積接收的輻射功率密度大幅度地增加，太陽電池光電轉換效率得以提高另一方面，對于給定的輸出功率，可以大幅度降低太陽電池芯片的消耗，從而減少GA,IN,P,GE等材料的消耗，進而降低系統的成本1920從降低成本來說，薄膜技術近年來異軍突起，世界第二大光伏生產商FIRSTSOLAR主要以薄膜太陽電池為主。薄膜太陽電池是在廉價的玻璃、不銹鋼或塑料襯底上附上非常薄的感光材料制成，它們的厚度只有兒微米，比用料較多的晶體硅技術造價更低，其價格優勢可抵消低效率的問題，目前也成為光伏發電技術未來發展趨勢之一F21。目前已商業化的薄膜太陽電池有三種非晶硅ASI、銅錮硒CIS,CIGS和磅化福CDTE。另一類更有希望的薄膜太陽電池是多晶硅薄膜太陽電池。傳統晶體硅太陽電池的制造程序為I西門子法還原多晶硅，2多晶硅重熔、鑄錠，3多晶硅切片，4多晶硅表面處理，5擴散法制PN結，6制減反射膜，7制上、下表面電極。而多晶硅薄膜太陽電池的制造程序為1新工藝還原多晶硅生長PN結，2制減反射膜，3制上、下表面電極。5比較兩種制造程序不難看出制造多晶硅薄膜太陽電池，省掉了傳統晶體硅太陽電池的2多晶硅重熔、鑄錠，3多晶硅切片，4多晶硅表面處理，5擴散法制PN結等四道工藝。其中工藝2和5是非常耗能的過程，工藝4要用大量的酸和堿，稍有不慎就會對環境造成污染，工藝3的切片過程要損耗30的硅材料。目前，硅片的厚度一般為180M，而有效的硅厚度僅為SOM。因此，與傳統多晶硅太陽電池相比，制造多晶硅薄膜電池可以節省硅材料70以上、減少能耗60以上，可以顯著降低電池制中的碳排放。因此，研制多晶硅薄膜太陽電池具有重大的經濟效益和社會效益。向大氣釋放的CO中，80以上來自于傳統礦物能源的消耗，而COZ作為最主要的溫室氣體，是導致氣候變化的罪魁禍首ZZ。南北半球的高山冰川和積雪消融加速、全球海平面上升加速、極端天氣日益頻繁的出現，越來越多的警示告訴我們必須節能減排，必須大力扶持綠色可再生能源的發展。光伏發電最重要的特征是保護氣候。光伏發電在發電過程中基本不排放COZ，可以為減緩氣候變化作出貢獻。據統計，光伏發電系統發電1億KWH，可以節省標準煤4萬噸，可以減少45萬噸CO的排放、減排粉塵486噸、減排灰渣約1萬噸、減排二氧化硫約756噸。其次光伏發電不產生傳統發電技術例如燃煤發電帶來的污染物排放和安全問題，沒有廢氣、廢渣和噪音污染。除了磅化福CDTE電池以外，光伏系統報廢后也很少有環境污染的遺留問題，這對改善環境具有積極的意義。而且電池板、安裝材料可循環使用，制造光伏設備的能源投入可以進一步降低，同時可以節約相當一部分用來治理環境的資金。此外，光伏電站可以很多形式存在，在提供大量電力供應的同時，避免占用更多的土地資源。其典型的應用就是光伏建筑一體化，即將光伏陣列置于屋頂或墻壁上，這意味著在公共、私人和工業建筑的屋頂和墻面上都有巨大的安裝潛力。其優點在于1節約土地資源，特別是土地昂貴的城市建筑尤為重要2原地發電、原地使用，能節省電站并入電網的投資3降低建筑的受熱，避免了墻面溫度和屋頂溫度過高，降低了空調負荷，并改善了室內環境4光伏電池陣列墻作為建筑物的玻璃幕墻，可以節約昂貴的外飾材料，使建筑外觀更具魅力，同時可減少建筑物的整體造價等。3光伏發電的現狀與未來光伏發電技術的開發始于20世紀50年代，并隨著傳統礦物資源的日益枯竭而于近年得到迅速發展。特別是得益于德、日、美等發達國家的政策扶持而迎來了一個美好的春天。631光電轉換效率逐步提高、新概念太陽電池不斷涌現從第一塊單晶硅太陽電池發展至今，太陽電池所用材料涉及到幾乎所有半導體材料，包括硅、無機化合物半導體、有機半導體，甚至一些金屬材料。結構上也豐富多樣，有同質結、異質結、平面結、垂直結、疊層、集成、薄膜等。伴隨著電池種類的增多、結構的優化及制備工藝的改善，太陽電池的效率也節節攀升，特別是80年代初期，得益于半導體技術的迅猛發展，太陽電池光電轉換效率迅速提高。迄今，單晶硅太陽電池的實驗室效率為247多晶硅太陽電池的實驗室效率為203GAAS基太陽電池的實驗室效率為358，而聚光條件下GAAS基多結電池的效率更是高達40以上。伴隨著電池實驗室效率的提高，商業化電池的效率也穩步提升，單晶體太陽電池的效率為1620，多晶體硅電池的效率巧以上。薄膜太陽電池的研究工作自1987年以來發展迅速，成為世界關注的新熱點。非晶硅薄膜電池實驗室穩定效率達到了13、銅錮硒CIS的實驗室效率達到195。此外，新概念太陽電池不斷涌現，如近幾年迅速發展的染料敏化太陽電池和有機聚合物太陽電池也備受人們關注，前者實驗室最高光電轉換效率為11AFZ3，后者為724。圖3給出了不同種類太陽電池效率不斷攀升的概況ZS。多晶硅薄膜太陽電池的制備技術一旦獲得突破，其應用前景不可估量。32光伏發電成本逐步下降發電成本的降低是推動光伏發電技術進入能源市場的主要動力。經過近30年的努力，太陽電池廠的生產規模不斷擴大、自動化程度持續提高、技術水平逐步改進，及光伏市場的有效開拓促使光伏發電成本不斷降低。目前，太陽電池單廠生產規模已經由20世紀80年代的幾MW上升到目前的幾百MW，且商業化電池7效率也得以顯著提高。這些因素共同促使光伏發電成本顯著降低。圖4給出了自1995年至今，不同種類太陽電池發電成本的對比曲線，并對未來十年光伏發電成本進行了預測。由圖4可見，2000年晶體硅太陽電池的發電成本約為057/W2005年不足025/W，發電成本下降了一倍，而且未來十年還會有顯著地降低。在各種太陽電池中，聚光太陽電池的發電成本是最低的。此外，世界各國的光伏激勵政策及相關法律的保障對降低光伏發電成本的作用也不可忽視。圖5給出了美國能源部對光伏價格的預測結果，其中SAI為美國太陽能先導計劃，從這個圖可以看出政策的扶持對光伏發電成本的降低具有十分顯著的作用26。不難想象，當光發電成本與常規能源發電成本相當的時候，它的市場將會更加廣闊，圖6給出了2004年歐盟聯合研究中心JRCJOINTRESEARCHCENTRE預測的各種能源在未來能源消耗中的戰略地位。如圖所示，到2030年可再生能源在總能源結構中將占到30以上，太陽能光伏發電在世界總電力的供應中將達到10以上2040年可再生能源將占總能耗的50以上，太陽能光伏發電將占總電力的20以上到21世紀末可再生能源在能源結構中將占到80以上，太陽能光伏發電將占到60以上，并顯示出其重要的戰略地位。833有效的扶持政策使得光伏電池產量與裝機總量逐年增加近30年來，光伏市場蓬勃發展，特別是最近10年，太陽電池及組件生產的年平均增長率達到33，最近5年的年平均增長率達到43Z,2006年世界太陽電池產量達到2500MWP,2007年全球太陽電池產量達到344GW,2008年增至685GWIOLA圖7給出了世界太陽電池歷年產量的柱形圖，可以看出光伏發電己經從“候補能源”逐步向“替代能源”過渡，這其中離不開政策的扶持。眾所周知，目前光伏發電成本較傳統能源發電來說，成本相對較高，單純市場的拉動不可能使光伏產業發展如此迅猛，這主要得益于德國、日本、美國和西班牙各國的鼓勵政策，如德國的可再生能源法與“十萬屋頂計劃，、美國的凈電量計量法與“購買降價”、日本的“新陽光計劃”等，即通過信貸支持、財政補貼、稅收優惠等措施調動人民群眾的積極性，從而使得光伏發電技術得到大規模的推廣應用2A。西班牙是一個快速崛起的光伏市場。9據2008年歐洲光伏產業協會EPIA發布的世界太陽能市場排名顯示，目前歐洲仍然是全球太陽能市場最重要的地區，占到總裝機量份額的8202008年全球太陽能光伏市場裝機總量由2007年的24GW增長至55GW，其中，西班牙占了近一半的新機裝容量，285的年增幅使其超過德國，居世界第一位。德國新裝15GW的新增裝機容量居第二，美國新裝342MW，位居第三。韓國由于去年市場的快速發展己經上升到第四位，緊隨其后的是意大利和日本O,Z9全球光伏市場2007年總收入達到了159億美元，2008年總收入達到了371億美元，新的機遇和挑戰創造出了一個有一個的財富神話30。圖8給出了2008年世界太陽電池生產廠商前二十五位。需要特別指出的是，近年來中國光伏產業的發展如日中天。中國2004年太陽電池的年產量超過SOMW，是前一年的4倍2005年產量達到130MWP2006年為369SMWP，緊隨日本和德國之后，位居世界第三大光伏電池生產國。2007年產量超過1GW,2008年超過2GW，居世界第1位31J然而，遺憾的是我們的產品大都銷往歐美等發達國家。這主要是因為到目前為止，電力部門還沒有正式接受光伏發電上網，有效的導引政策還沒有明確實施。但是國家已然意識到這個問題，2006年起頒布了可再生能源法2007年8月31日，國家發改委印發10了可再生能源中長期發展規劃，提出了2020年前可再生能源發展的指導思想、基本原則、發展目標、重點領域和保障措施2008年3月18日，國家又出臺了可再生能源發展“十一五”規劃，進一步明確了到2020年底我國可再生能源發展的目標和方向。我們也充分的相信在不久的將來，政府會制定強有力的政策以驅動我國光伏產業的蓬勃發展。34較大型光伏電站日益增多，并網發電是發展方向1976年美國麻省理工學院研制出60KW光伏電站用于農業，1982年美國又率先建成IMW光伏電站并網運行。現在，世界上己有不少兆瓦級光伏電站在各地運行。美國已有65MW的光伏電站與常規電網聯接在希臘的克里特島正在建設50MW的光伏電站，建成后將為10萬人提供電力32最近，日本、意大利、韓國、挪威、奧地利、西班牙、瑞典及瑞士八國，計劃合作在亞洲內陸和非洲沙漠，建設34處世界上規模最大的太陽能發電站，其規模最小的也可達MW，最大將達到數GW，他們的目標是將占全球陸地面積的1/4沙漠地區長時間的日照資源有效地利用起來。我國目前已經建成了幾個MW級的光伏示范電站33，最近我們又欣喜地看到我國首個大型光伏并網發電項目一國投敦煌1OMW已經開始投產發電34世界光伏產業發展的另一個顯著特點是并網比例迅速增加，并將成為未來光伏發電的主趨勢35。并網發電即使光伏發電系統與地方電網連接，使得發出的富余電量都可出售給電網，夜晚則可從電網買電。在德國和西班牙等國，實行強制性收購政策和結合固定電價的政策調動人民的積極性，電力公司購買太陽能電費遠高于用戶從電力公司購電的價格，從而推動了可在生能源的優先發展。并網光伏發電技術是光伏技術進入大規模發電、成為電力工業組成部分之一的重大技術步驟。就全球來講，截至2007年底，世界光伏系統累計裝機約24GW，其中并網光伏發電達2GW，占總市場份額的G336。圖9給出了光伏并網發電占總裝機容量的比值。實踐證明，并網太陽能發電站可以對電網調峰，提高電網末端的電壓穩定性，改善電網的功率因數和有效地消除電網雜波，具有很多優越性。11此外，太陽光伏發電系統還可以與其它發電系統組成聯合供電系統，如光一風互補系統光一風一油互補系統等。風力發電系統的成本較光伏發電成本低，又由于風能與太陽能具有互補性，可以減少蓄電池的容量，互補系統能比單獨太陽光發電系統節省投資。在遠離電網的偏遠地區和農村多為離網系統，這些小型光伏戶用系統通常為單個家庭用電，光伏發電系統通過充電控制器與蓄電池連接，生產的電可蓄存起來供以后使用。4我國的特殊現狀近年來，中國大陸太陽能企業強勢崛起，涌現了如無錫尚德、天威英利、晶澳等世界前十大太陽電池生產商，對世界光伏發電技術的推廣應用起到了十分積極的作用，同時也大度提高了我國光伏發電技術和產業的水平，縮短了光伏發電制造業與國際水平的差距。但是，目前依然也存在以下幾個問題值得我們深思37381關鍵設備依賴于進口，專用原材料如銀漿、密封玻璃、EVF1等依賴于進口，這也導致了我國光伏組件成本相對較高2光伏發電的配套技術還不成熟。如大功率并網逆變/控制產品還沒有實現自主研發商業化生產，產品可靠性低、主要依賴進口獨立系統中的蓄電池技術還不過關，壽命較低。3市場培育政策欠缺，國內光伏產業發展遲緩。盡管鼓勵光伏發展的政策相繼出臺，但在市場培育和開拓方面缺乏必要的激勵措施，如并網電價等4近年來，國內太陽電池生產能力迅速膨脹，造成一定程度的產能過剩，產品質量有待提高。除了上述問題，目前還存在光伏產業無序發展的狀況。特別是多晶硅產業，12缺乏核心成套技術，存在產能過剩、產量不足的奇怪現象。新技術研發投入不足也是值得我們重視的問題。5結束語光伏發電的利用和產業己經進入蓬勃發展時期，根據現有資源儲量和技術水平，各國政府、光伏科技工作者和企業廠商應抓住有利時機，迎接能源可持續發展的挑戰，繼往開來，開創一個全新的光伏時代13致謝為期一個學期的畢業論文（設計）已讓我非常痛苦的接近尾聲了，我的三年大學生涯也即將圈上一個句號。此刻我的心中卻有些悵然若失，因為那些熟悉的師生們。三年間，每次走進會計系教研室都會讓我感受到一種親切熱情的氛圍。無論是學習、工作生活上的問題，恩師們都會悉心給以指導解答，讓我倍受感動。也就是在這里，給我的大學生涯設計點上了第一個逗號。我的學術論文創作的開始，也是從這里起步的。從某種意義上可以說，今日的畢業論文（設計）其實從大一時已經開始了。會計系的老師們，給我三年的學習、成長創造了一個良好的環境，引導我充分利用學校的學習資源，去發展、充實自我，而不曾虛度光陰。在此，我真誠的向你們道一聲“謝謝”。時光飛逝，轉眼問二年半的大學生活即將結束。在論文完稿之際，首先要感謝我的導師韓緒鵬教授韓緒鵬老師在電力方面深厚的造詣，豐富的實踐經驗令我大開眼界、受益匪淺；導師嚴謹的治學態度，務實的工作作風，忘我的工作熱情時刻影響著學生；他的那種樂觀豁達的處世態度，平易近人的為人風格，虛懷若谷的高尚品德更是令學生銘記于心兩年多來，學生所取得的點滴進步與成績，無不凝聚著導師的心血和汗水在此，謹向尊敬的韓老師致以崇高的敬意和最誠摯的謝意在課題設計期間，同專業的同學以及師兄等，給了我許多的關心與幫助，在此向他們表示真誠的感謝在三峽電力職業學院兩年半的求學生涯中，結下了許多志同道合的朋友，他們給予我了在生活上的關照，人生道路上的啟迪以及學習上的幫助在此，祝愿他們的明天更加燦爛輝煌最后，還得把深深的感激送給我的父母，他們對我的關心與支持，伴我度過了浸漫的求學路；他們的鼓勵與鞭策，更是我勇往直前的動力源泉感激之情無以言表，謹以此文獻給他們14參考文獻1AMARTI,ALUQUENEXTGENERATIONPHOTOVOLTAICS,HIGHEFFICIENCYTHROUGHFULLSPECTRUMUTILIZATIONRBRISTOLANDPHILADEPHIA,INSTITUTEOFPHYSICSPUBLISHING,2002。2趙玉文太陽電池新進展J物理，VO133NO23HTTP/NEWSINDEPENDENTCOUK/ENVIRONMENT/ARTICLE338689ECEGLOBALWARMINGTOSPEEDUPASCARBONLEVELSSHOWSHARPRISEDB4狄丹太陽能光伏發電是理想的可再生能源J華中電力，VO121NOB,2008595MAGREEN,K