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太阳能光伏发电的发展及应用:国际太阳能光伏发电技术的发展

:2022-08-13 :赞晨科技 :97865574

早在1839年,法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现,光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应”,简称“光伏效应”。1954年,美国科学家恰宾(Chapin)等人在美国贝尔实验室首 次制成了实用的单晶硅太阳能电池,诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。


  太阳能应用奠定科学基础的著 名科学家


  20世纪70年代后,随着现代工业的发展,全球能源危机和大气污染问题日益突出,传统的燃料能源正在一 天天减少,对环境造成的危害日益突出,同时全球约有20亿人得不到正常的能源供应。这时,全世界都把目光投向了可再生能源,希望可再生能源能够改变人类的能源结构,维持长远的可持续发展。太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源,是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。


  20世纪80年代后,太阳能电池的种类不断增多、应用范围日益广阔、市场规模也逐步扩大。

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  太阳能电板


  20世纪90年代后,光伏发电技术快速发展。2006年,世界上已经建成10多座MW级光伏发电站。美国是早制定光伏发电发展规划的国家,1997年又提出“百万屋顶”计划。日本于1992年就启动了新阳光计划,2003年日本光伏组件生产占世界的50%,世界前十大厂商有4家在日本。德国新的可再生能源法规定了光伏发电上网电价,大大推动了光伏发电市场和产业发展,使德国成为继日本之后世界光伏发电发展快的国家。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国,也纷纷制订光伏发电发展计划,并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。


  20世纪90年代后期,光伏发电发展更加迅速,1990-2005年世界光伏组件年平均增长率约为15%,1999年光伏组件生产达到200MW。商品化太阳能电池效率从10%-13%提高到13%-15%,生产规模从1-5MW/a发展到5-25MW/a,并向50MW/a甚100MW/a扩大;光伏组件的生产成本降到3美元/W以下。


  太阳能电池板


  国际上目前很难确定选择哪一种太阳能电池佳,虽然目前晶体硅电池的销大,但公认今后薄膜电池具有潜力。另外,不同太阳能电池的特性各不相同,在光伏市场中各有其不同的应用领域。例如,非晶硅电池主要应用于商用电子方面,多晶硅电池主要用于光伏屋顶,单晶硅电池主要在高功率应用上。近几年,国际上对多晶硅薄膜电池的研究较活跃,但采用哪种工艺方案较佳尚难断定。近几年,有机纳米太阳能电池的效率有较大提高,受到一定的关注。


  发达国家近几年来主要开拓的市场是屋顶式并网太阳能光伏发电系统,其原因是发达国家的电网分布巳很密集,电网峰值用电的电费高,而并网太阳能光伏发电不用蓄电池,太阳光好的地区采用光伏发电的电价巳接近商品电价。人们预测10年后屋顶并网太阳能光伏发电系统将大规模推广应用。


  太阳能电池技术


  并网太阳能光伏发电系统应用始于20世纪80年代初,美国、日本、德国、意大利等国都为此做出了努力,当时建造的都是较大型的并网太阳能光伏电站,规模从100kW-1MW不等,而且都是由政府投资建设的试验性电站。但试验结果并不十分理想,由于当时太阳能电池很贵,接受。


  自20世纪90年代以来,国外发达国家重新掀起了发展并网太阳能光伏发电系统的 ** ,这次不是建造大型并网太阳能光伏电站,而是发展屋顶并网太阳能光伏发电系统。屋顶并网太阳能光伏发电系统充分利用了阳光的分散性特点,将太阳能电池安装在现有建筑物的屋顶上,其灵活性和经济性都大大优于大型并网太阳能光伏电站,受到了各国的重视。


  太阳能发电并网


  1993年,德国首先开始实施由政府投资支持、认可的1000屋顶计划,继而扩展为2000屋顶计划,现在实际建成的屋顶并网太阳能光伏发电系统已经超过5000座。这些屋顶并网太阳能光伏发电系统均不带蓄电池,对并网光伏发电系统发出的电予以收购,大大 ** 了这一领域的商业性发展和技术上的完善。德国政府于1999年开始实施10万套太阳能屋顶(每户约3-5kW)计划,政府给用户35%左右的补助及10年的无息贷款。


  日本在太阳能光伏发电与建筑结合方面已经做了十几年的努力,尤其在1996年以后更是突飞猛进,每年新建的屋顶并网太阳能光伏发电系统达几万套。日本屋顶并网太阳能光伏发电系统的发展有一个特点,是将太阳能电池组件制作成建筑材料的形式,如瓦和玻璃等,使太阳能电池能很容易地安装在建筑物上,也接受。


  太阳能瓦片


  20世纪80年代初,美国就已经开始了并网太阳能光伏发电的努力,制订了PV—USA计划,即太阳能光伏发电规模应用计划,主要是建立100kW以上的大型并网太阳能光伏发电系统,大的系统计划达10MW,但是由于成本高,电力不可调度,不受欢迎。


  1996年,在美国能源部的支持下,又开始了一项“光伏建筑物计划(PV—BONUS)”,计划投资20亿美元。


  光伏建筑物


  美国目前电力的2/3用于包括为民用住宅在内的各类建筑物供电,光伏建筑物计划的目标是采用太阳能光伏发电缓解建筑物的峰值负荷,并探求未来清洁的建筑物供电途径。此项计划将有助于开发新型的光伏建筑材料,包括玻璃、天窗、墙体等,有助于开发屋顶并网太阳能光伏发电系统的模块和可由电力部门很容易安装的光伏调峰电力模块等。计划分为三步实施:概念开发、产品开发和市场开发。这项计划的内容很丰富,其中典型的开发项目包括以下几点。


  (1)DsM系统(按需求安排发电的系统),即带有蓄电池的电力可以调度的光伏发电系统。这种并网太阳能光伏发电系统在今后几年内仅在美国国内就会有300MW的市场。


  (2)由太阳能热水器和非晶硅太阳能电池联合构成的光伏、光热系统,可以为用户同时提供电力和热水。由于非晶硅太阳能电池不像晶体硅太阳能电池那样当温度升高后输出功率会降低,所以特别适合于这种系统。


  (3)光伏屋顶建筑材料(柔性的和非柔性的),如透明光伏玻璃、聚光电池供电供水系统、光伏墙体、光伏智能窗帘等。


  太阳能电池新技术开发


  除了屋顶并网太阳能光伏发电系统外,一些发达国家还在其他光伏技术应用方面做了大量工作,主要有以下几个方面。


  (1)风光柴互补发电系统。为了进一步降低可再生能源的发电成本,国外在风光柴混合发电系统上做了大量的示范工作和经济对比。还开发了混合发电系统的优化软件,利用该软件可根据当地资源设计合理、经济的供电方案。


  (2)未来与汽车配套的太阳能光伏发电系统。太阳能光伏发电系统在汽车行业有很大的


  潜在市场,国外已经开发出较成功的可以为电动汽车蓄电池充电的太阳能快速充电系统、太阳能汽车空调板、太阳能汽车换气扇、太阳能空调和冷饮箱等。


  (3)太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统。芬兰的NAPs已经完成这一发电系统的示范工程。太阳能电池将太阳能转变成电能,通过电解水,产生氢气和氧气,氧气排放到空气中,氢气储存到储氢罐中。使用时氢气再与空气中的氧气通过燃料电池发电,氢气和氧气在发电过程中又化合成水。该系统属于清洁的再生能源发电系统,在未来具有巨大的市场,尤其对于冬夏太阳能辐射差异很大、采用蓄电池极不经济的高纬度地区,通过这种办法利用太阳能将会十分有效。此外,随着电动汽车的发展,这一发电系统也会变得更为重要。


  (4)再生能源海岛供电系统。海岛是一个特殊的环境,由于其淡水的缺乏、燃料的昂贵,使得可再生能源有了用武之地。国外已经对海岛上应用风光柴混合发电系统做了大量示范工程,为海岛供应电力和淡水。此外,由于岛上渔民需要用冰来储存和运送新鲜的鱼虾,海岛的可再生能源制冰系统也得到了推广应用。


  (5)太阳能发电专用直流负载。为了提高太阳能光伏发电系统效率,减少故障环节,国外开发了许多不需要采用逆变器、可以直接由太阳能电池和蓄电池供电的直流负载,包括直流电视机、直流电冰箱、直流空调等,这类专用负载特别适合于车辆、船只和流动性的单位,如旅游团、地质队、部队等。


  内容摘自:《太阳能光伏发电系统设计与应用实例》


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