太陽能光伏發電系統及應用前景不可限量啊!

                             

隨著全球經濟的快速發展、人類的進步,人們對能源提出了越來越高的要求,開發新的能源已經成為當前人類面臨的迫切課題?!?/p>

因為火電需要燃燒煤、石油等化石燃料,一方面化石燃料蘊藏量有限,正面臨著枯竭的危險。另一方面燃燒燃料將排出CO2和硫的氧化物,會導致溫室效應和酸雨,惡化地球環境。水電要淹沒大量土地,有可能導致生態環境破壞,而且大型水庫一旦潰崩,后果將不堪設想,另外,一些國家的水力資源也是有限的,而且還要受季節的影響。核電在正常情況下固然是干凈的,但萬一發生核泄漏,后果同樣是可怕的。

述問題都迫使人們去尋找新的能源。新能源要同時符合兩個條件:一是蘊藏豐富,不會枯竭;二是安全、干凈,不會威脅人類和破壞環境。目前找到的新能源有:太陽能,風能,燃料電池。

照射在地球上的太陽,能量非常巨大,太陽能照射在地球上大約40分鐘,便足以供全球人類一年能量的消費??梢哉f,太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源。而且太陽能發電絕對干凈,不產生公害。所以太陽能發電是應用廣泛,前景光明的理想能源。

二、太陽能發電的原理

太陽能發電是利用太陽能和半導體材料的電子學特性實現發電的。

1、太陽能發電的原理(光伏發電):?太陽光照在半導體p-n結上,形成新的空穴電子對,在p-n結電場的作用下,空穴由n區流向p區,電子由p區流向n區,接通電路后就形成電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。(如圖:)

2、太陽能發電兩種方式:一種是光—熱—電轉換方式,另一種是光—電直接轉換方式。

a、光—熱—電轉換方式:通過利用太陽輻射產生的熱能發電,一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換成工質的蒸氣,再驅動汽輪機發電。前一個過程是光—熱轉換過程;后一個過程是熱—電轉換過程,與普通的火力發電一樣.太陽能熱發電的缺點是效率很低而成本很高,估計它的投資至少要比普通火電站貴5~10倍.一座1000MW的太陽能熱電站需要投資20~25億美元,平均1kW的投資為2000~2500美元。因此,目前只能小規模地應用于特殊的場合,而大規模利用在經濟上很不合算,還不能與普通的火電站或核電站相競爭。

b、光—電直接轉換方式(光伏發電):利用光電效應,將太陽輻射能直接轉換成電能。光—電轉換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件,是一個半導體光電二極管,當太陽光照到光電二極管上時,光電二極管就會把太陽的光能變成電能(如圖),這種方式容易實現,且成本較低,已被廣泛應用。

能產生光伏效應的材料:單晶硅,多晶硅,非晶硅,砷化鎵,硒銦銅等。P型晶體硅經過摻雜磷可得N型硅,形成P-N結。晶體硅為基本的電池材料。以晶體硅材料制備的太陽能電池主要包括:單晶硅太陽電池,鑄造多晶硅太陽能電池,非晶硅太陽能電池和薄膜晶體硅電池。單晶硅電池具有電池轉換效率高,穩定性好,但是成本較高;非晶硅太陽電池則具有生產效率高,成本低廉,但是轉換效率較低,而且效率衰減得比較快;鑄造多晶硅太陽能電池則具有穩定的轉換的效率,而且性能價格比最高;薄膜晶體硅太陽能電池處在研發階段。硅系列太陽能電池中,單晶硅和多晶硅電池繼續占據光伏市場的主導地位,單晶硅和多晶硅的比例已超過80%。

太陽能電池生產過程大致可分為五個步驟:a、提純過程 b、拉棒過程 c、切片過程 d、制電池過程 e、封裝過程。

3、太陽能發電的過程:

現以晶體為例描述光發電過程?!‘敼饩€照射太陽能電池表面時,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量傳遞給了硅原子,使電子發生了越遷,自由電子在P-N結兩側集聚形成了電位差,當外部接通電路時,在該電壓的作用下,將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。當許多個電池串聯或并聯起來就可以形成有較大輸出功率的太陽能電池方陣。

三、太陽能發電系統

1、太陽能發電系統的組成:太陽能發電系統主要由太陽電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池構成。(如圖)下面對各部分的功能做一個簡單的介紹:

太陽能電池板:作用是將太陽能光直接轉換成直流電,供負載使用或存貯于蓄電池內備用。一般根據用戶需要,將若干太陽電池板按一定方式連接,組成太陽能電池方陣,再配上適當的支架及接線盒組成。

充電控制器:充電控制器主要由專用處理器CPU、電子元器件、顯示器、開關功率管等組成。在太陽發電系統中,充電控制器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓,快速、平穩、高效的為蓄電池充電,并在充電過程中減少損耗、盡量延長蓄電池的使用壽命;同時保護蓄電池,避免過充電和過放電現象的發生。同時記錄并顯示系統各種重要數據,如充電電流、電壓等??刂破鞯男阅懿缓脮r,對蓄電池的使用壽命影響很大,并最終影響系統的可靠性。

逆變器:作用就是將太陽能電池方陣和蓄電池提供的直流電逆變成交流電,供給交流負載使用和并入電網。效率是選擇逆變器的重要標準之一,效率越高,意味著在將光電組件產生的直流電轉換成交流電的過程中產生的電量損耗就越少。逆變器的質量決定了發電系統的效益,它是太陽能發電系統的核心。

蓄電池組:作用是將太陽電池方陣發出直流電貯能起來,?供負載使用。在光伏發電系統中,?蓄電池處于浮充放電狀態。白天太陽能電池方陣給蓄電池充電,同時方陣還給負載用電,晚上負載用電全部由蓄電池供給。因此,?要求蓄電池的自放電要小,?而且充電效率要高,?同時還要考慮價格和使用是否方便等因素。

2、??太陽能發電系統運行方式:太陽能發電系統有直流供電、交流供電、交直流供電、

離網運行、并網運行、風光互補運行幾種運行方式(如圖)

直流供電系統:太陽能發電控制器對發出的電能進行調節控制后,直接送給直流負載,多余部分送蓄電池儲存。

交流供電系統:太陽能發電控制器對發出的電能進行調節控制后,經過逆變器后送往交流負載,多余的能量送往蓄電池組儲存。

離網發電系統:太陽能發電控制器(光伏控制器和風光互補控制器)對所發的電能進行調節和控制,一方面把調整后的能量送往直流負載或經過逆變器送往交流負載,另一方面把多余的能量送往蓄電池組儲存,當所發的電不能滿足負載需要時,控制器又把蓄電池的電能送往負載。(圖4中的直流供電、交直流供電、風光互補發電都屬于離網發電系統)

并網發電系統:將太陽能發電產生的電能不經過蓄電池儲能,通過并網逆變器直接饋入電網的發電系統。因為直接將電能輸入電網,免除配置蓄電池,省掉了蓄電池儲能和釋放的過程,可以充分利用太陽能發出的電力,減小能量損耗,降低系統成本。并網發電系統能夠并行使用市電和太陽能發電作為本地交流負載的電源,降低整個系統的負載缺電率。同時,并網系統可以對公用電網起到調峰作用。并網發電系統是太陽能發電的發展方向,代表了21世紀最具吸引力的能源利用技術。

四、太陽能發電的特點:

1、優點:

①?太陽能是永久性能源,無枯竭危險;

②?太陽能是清潔能源,絕對干凈環保,沒有公害,用戶感情上容易接受;

③?太陽能發電運用靈活,不受資源分布和地域的限制,可在用電處就近發電;

④?太陽能電池壽命長,可以一次投資長期使用,太陽能電池可以大中小并舉,大到百萬千瓦的中型電站,小到只供一戶用的太陽能電池組;

⑤?太陽能發電可靠性高,能源質量高;

⑥?獲取能源花費的時間短。

2、缺點:

① 照射的能量分布密度小,需要占用巨大面積;

② 獲得的能源受四季、晝夜及陰晴等氣象條件的影響。

五、太陽能發電的應用和發展前景

1、太陽能發電的應用:

隨著太陽能電池的種類不斷增多、應用范圍日益廣闊、市場規模逐步擴大。早期,太陽能的使用主要用于軍事領域、航天領域。目前,太陽能已進入工業、商業、農業、?通信、家用電器以及公用設施等部門。太陽能發電應用分為幾個方面:家庭用小型太陽能電站、大型并網電站、建筑一體化光伏玻璃幕墻、太陽能路燈、風光互補路燈、風光互補供電系統等,例如:太陽能庭院燈;太陽能發電用戶系統;特別是村寨供電的獨立系統,可以在邊遠地區、高山、沙漠、海島和農村使用,以節省造價昂貴的輸電線路;還有光伏水泵(飲水或灌溉);通信電源;石油輸油管道陰極保護;光纜通信站電源;海水淡化系統;城鎮中路標;高速公路路標等。(如圖)

2、太陽能發電的研究現狀及發展前景

a、國外太陽能光伏發電現狀及前景:

目前全世界共有136?個國家投入普及應用太陽能電池的熱潮中,其中有95?個國家正在大規模地進行太陽能發電及太陽能電池的研制開發,積極生產各種相關的節能新產品,已有近200家公司生產太陽能電池,1998年,全世界生產的太陽能電池,其總的發電量達1000兆瓦,1999年達?2850兆瓦。2000年,全球已有近4600?家廠商向市場提供光電池和以光電池為電源的產品。全世界太陽能電池的生產量平均每年增長近40%。生產規模從1~5兆瓦/年發展到5~25兆瓦/年,并正在向50兆瓦甚至100兆瓦擴大。

本世紀以來,一些發達國家紛紛制定了發展包括太陽能電池在內的可再生能源計劃。太陽能電池的研究和生產在歐洲、美洲、亞洲大規模鋪開。印度處于領先地位,累計裝機容量約40兆瓦。美國和日本爭相出臺太陽能技術的研究開發計劃,2010年,美國計劃累積安裝4600兆瓦(含百萬屋頂計劃);日本計劃累計安裝5000兆瓦(NEDO日本新陽光計劃)。最近的光伏行業調查表明,到2010年,光伏產業的年發展速度仍保持在30%以上。派克研究公司預測,光伏發電將在2010年底帶來120億瓦的產能,完全超過派克研究公司預計的2010年101億瓦的需求。

在太陽能發電技術方面,各國都有新的發明和設想,例如:

美國德州儀器公司和SCE公司開發出一種新的太陽電池,每一單元是直徑不到1毫米的小珠,分布在柔軟的鋁箔上,在大約50平方厘米的面積上分布有1,700個小單元。它特點是,雖然變換效率只有8%—10%,但價格便宜、鋁箔底襯柔軟結實,可隨意折疊且經久耐用,掛在向陽處便可發電,使用方便。成本低,每瓦發電能力的設備只要15至2美元,每發一度電的費用為14美分左右,完全可以同普通電廠產生的電力競爭。將這種電池掛在向陽的屋頂、墻壁上,每年就可獲得一二千度的電力。

日本提出的創世紀計劃:準備利用地面上沙漠和海洋面積進行發電,并通過超導電纜將全球太陽能發電站聯成統一電網以便向全球供電。據測算,到2000年、2050年、2100年,即使全用太陽能發電供給全球能源,占地也不過為?65.11萬平方公里、?186.79萬平方公里、829.19萬平方公里。829.19萬平方公里才占全部海洋面積?2.3%或全部沙漠的51.4%,這一方案是有可能實現的。

美國宇航局和能源部提出設想:在空間建設太陽能發電站,準備在同步軌道上放一個長10公里、寬5公里的大平板,上面布滿太陽電池,這樣便可提供500萬千瓦電力。但這需要解決向地面無線輸電問題。但離真正實用還有漫長的路程。

b、國內太陽能光伏發電的現狀及發展前景:

中國的太陽能發電產業已具備相當的規模,技術條件已趨于成熟,太陽能利用將是中國能源變革最可行的解決方案。

我國早在七五期間,非晶硅半導體的研究工作已經列入國家重大課題;八五和九五期間,我國把研究開發的重點放在大面積太陽能電池等方面。2003年10月,國家5年太陽能資源開發計劃,籌資100億元用于推進太陽能發電技術的應用,2005年全國太陽能發電系統總裝機容量達到了300兆瓦。

2002年,國家啟動了"西部省區無電鄉通電計劃",通過了太陽能和小型風力發電解決西部七省區無電鄉的用電問題。

20世紀90年代,國內光伏市場平穩發展,年增長速度在20%左右;進入21世紀,國內光伏市場呈現加速發展趨勢,2001~2003年平均增長速度都在30%以上。按照我國制訂的《新能源和可再生能源發展規劃》規劃,中國2003~2009年在農村電網建設中每年安裝70兆瓦光伏系統,2010~2020年將普及推廣應用,年平均安裝100兆瓦。

目前,中國已經是國際光伏發電應用產品生產基地。已有10條太陽能電池生產線,年生產能力約為4.5MW,專家預測,從2011年開始,我國光伏市場年需求量將大于20MW。

在今后的十幾年中,太陽電池的市場走向將發生很大的改變,2010年以前中國太陽電池多數是用于獨立光伏發電系統,從2011年到2020年,中國光伏發電的市場主流將會由獨立發電系統轉向并網發電系統,包括沙漠電站和城市屋頂發電系統。

六、小結

太陽能光伏發電的發展潛力巨大。是最具可持續發展的可再生能源技術之一。

目前我國的太陽能光伏發電技術雖已日趨成熟,要使太陽能發電被真正利用,為這一新能源的長遠發展提供原動力,還必須提高以下幾個方面:

1、加大生產規模、提高技術水平、提高產品質量;

2、提高太陽能光電變換效率、降低產品的生產成本;

3、真正實現太陽能發電與現有電網并網運行。

大力發展新能源和可再生能源是我國未來的能源發展戰略要求。由于世界能源的日趨緊張和光伏技術的不斷發展,最大限度地開發利用太陽能將是人類新能源利用方面的科技發展方向。只有依靠更加先進的科技,才可能為人類未來大規模地利用太陽能開辟廣闊的前景。