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Keywords:
Solarenergy;
Photovoltaicpowergeneration;
greenenergy
目录
1绪论1
2光伏发电的现状及前景展望2
2.1光伏发电历史2
2.2国外太阳能光伏发电的现状3
2.2.1德国光伏产业现状3
2.2.2日本光伏产业现状3
2.2.3美国光伏产业现状4
2.2.4其他各国光伏产业现状4
2.3我国光伏发电的现状与前景4
2.4太阳能发展前景展望6
3太阳能光伏发电系统8
3.1光伏发电概述8
3.2光伏发电系统的原理8
3.3光伏发电系统的组成及功能8
3.4光伏发电系统的分类9
3.5光伏发电系统的效率10
3.6发电与建筑照明一体化11
4太阳能路灯的设计探索11
4.1太阳能路灯的基本结构12
4.2太阳能路灯的原理12
4.3路灯设计所需的数据12
4.4关键部件选型12
4.4.1太阳电池组件12
4.4.2蓄电池(组)12
4.4.3控制器13
4.4.4光源的选择13
4.5LED使用注意事项13
4.6太阳能路灯注意事项14
5结束语15
谢辞16
参考文献17
1绪论
能源是人类经济及文化活动的动力来源。
在20世纪的世界能源结构中,人类所利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。
这些化石能源经过人类数千年,特别是近百年来的消费,已经日渐枯竭。
随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高,未来世界能源消费量将持续增长,世界上的化石能源消费总量总有一天将达到极限[1]。
此外,大量使用化石燃料已经为人类生存环境带来了严重的后果。
目前由于大量使用矿物能源,全世界每天产生约1亿吨温室效应气体,己经造成极为严重的大气污染。
如果不加控制,温室效应将融化两极的冰山,这可能使海平面上升几米,四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁。
当前人类文明的高度发展与地球生存环境的快速恶化己经形成一对十分突出的矛盾。
它向全世界能源工作者提出了严峻的命题和挑战[2]。
针对以上情况,开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展是人类必须采取的措施。
从能源供应的诸多因素考虑,太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想的绿色能源。
全球能源专家们认定,太阳能将成为21世纪最重要的能源之一[3,4]。
太阳能发电方式有太阳能热发电和太阳能光伏发电。
太阳能热发电就是利用太阳能将水加热,使产生的蒸汽去驱除汽轮机发电机组。
基本类型有三种,分别是槽式线聚焦系统、塔式系统和蝶式系统。
太阳能热发电效率很低而且成本很高,估计它的投资至少要比普通火电站还要贵5-10倍。
一座1000MW的太阳能热电站需要投资20-25亿美元,平均1kW的投资为2000-2500美元。
因此,目前只能小规模地应用于特殊的场合,而大规模利用在经济上很不合算,甚至还不能与普通的火电站或核电站相竞争。
而太阳能光伏发电具有:
(1)无污染:
绝对零排放——无任何物质及声,光,电,磁,机械噪音等“排放”;
(2)可再生资源无限,可直接输出高品位电能,具有理想的可持续发展属性;
(3)资源的普遍性:
基本上不受地域限制,只是地区之间有丰富与欠丰富之别;
(4)机动灵活:
发电系统可按需要以模块方式集成,可大可小,扩容方便;
(5)通用性,可存储性:
电能可以方便的通过输电线路传输,使用和存储;
(6)分布式电力系统:
将提高整个能源系统的安全性和可靠性;
(7)资源,发电,用电同一区域:
可望大幅度节省远程输变电设备的投资费用;
(8)光伏建筑集成:
节省发电基地使用的土地面积和费用等优点。
因此可以预料,太阳能光伏发电在人类社会的未来发展中必将占据越来越重要的地位。
太阳能光伏发电是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。
而太阳能电池组件(Solarcells)则是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置。
因为太阳电池的主要原料——硅的储量十分丰富,而且随着太阳电池研究的快速进程和转换效率的不断提高以及与其相关之系统技术的进展,发电成本己经呈现快速下降趋势。
因此太阳能光伏发电系统的应用将会普及的更广。
目前在广大的无电力网地区,该装置可以方便地为用户实现照明及生活供电,一些发达国家还可与区域电网并网实现互补。
在国内,从民用的角度看,为了真正的实现绿色照明,太阳能光伏发电系统除了适用于无电地区家庭照明用的小型太阳能发电系统之外,还可广泛地应用于城市和乡村道路、高速公路照明,公园、小区等亮化工程,形成了太阳能路灯、太阳能景观灯、太阳能庭院灯、太阳能草坪灯、太阳能水上灯、太阳能交通信号灯等系列产品。
而在国外技术研究趋于成熟且初具产业化的是"
光伏--建筑(照明)一体化"
技术。
因此,利用太阳能光伏发电是集开发利用绿色可再生能源、改善生态环境、改善人民生活条件于一体而面向21世纪人类发展的重大课题;
同时又是集光电子半导体、电力电子、现代电力系统、电机学、电化学和现代控制理论等高新技术于一体的交叉科研课题。
它具有巨大的经济、政治和社会效益,同时又含有丰富的学术研究价值和基础理论问题[4]。
2光伏发电的现状及前景展望
当今世界各国特别是发达国家对于光伏发电技术十分重视,针对其制定规划,增加投入,并加以大力发展。
20世纪80年代以来,即使是在世界经济处于衰退和低谷的时期,光伏发电技术产业一直保持以10%~15%的递增速度。
90年代后期,其发展更为迅速,并成为全球增长速度最快的高新技术产业之一[7]。
2.1光伏发电历史
对光伏发电技术的研究始于100多年前。
1839年,法国物理学家A.E.贝克勒尔意外地发现,用两片金属浸入溶液构成的伏打电池,光照时会产生额外的伏打电势,他把这种现象称为“光生伏打效应”(photovoltaiceffect)。
1873年英国科学家WiloughB.Smith就已经观察到了对光敏感的硒材料,并推断出在光的照射下,硒导电能力的增加正比于光通量。
1880年CharlesFritts开发出以硒为基础的光伏电池。
以后人们即把能够产生光生伏打效应的器件称为“光伏器件”。
半导体P-N结器件在阳光下的光电转换效率最高,通常称这类器件为“光伏电池”(solarcell)。
从1961年到1971年,硅光伏电池技术没有取得重大进展。
研究的重点放在提高抗辐射能力及降低成本方面。
在1972年到1976年之间研制出了各种空间用的光伏电池并以不同的商标出现。
在20世纪中期,研制出超薄单晶硅光伏电池。
从20世纪中后期开始,光伏技术得到不断的完善,成本不断降低,形成了不断发展的光伏技术产业,成为21世纪世界能源舞台上的主要成员之一。
2.2国外太阳能光伏发电的现状
2.2.1德国光伏产业现状
在这场阳光革命中领先的国家是德国,德国对太阳能的认知最早,位居前列。
上个世纪90年代,德国推出了“十万屋顶计划”。
政府鼓励居民在自家屋顶上安装太阳能光伏发电系统,发出的电由政府强制命令电网公司出资收购。
每个家庭安装太阳能发电设备后卖电的钱,不仅能回收成本,还能产生利润。
数十万个屋顶的独立太阳能发电系统,并网发出的电力很是可观。
政府或电网公司收购资金由社会公摊:
把太阳能或者风能发的电与水电、火电、核电等在电网上进行平摊,平均的结果,是居民的消费电价略有上涨,但上涨的幅度不高,平均每户每月只多花一个欧元。
德国为光伏产业提供10年期无息贷款。
2004年,德国共装配10万台新的太阳能发电设备,合计容量3000万千瓦,首次超过日本,居世界第一位。
面对强势竞争,德国太阳能产业依然傲视群雄,硕果累累。
2005年,业内企业营业额达37亿欧元,从业公司约5000家,从业人数包括研发和服务达42000人。
德国联邦太阳能经济协会有关人士说:
“全球范围内太阳能发电装机容量将从2005年的1210兆瓦上升至2010年的3000兆瓦,年增长率为22%”。
全球四分之一的太阳能电池产自德国,五年来德国所占全球市场份额始终保持在10%。
德国去年太阳能业的总产值达到20亿欧元,比前年增长60%。
2.2.2日本光伏产业现状
90年代初以来,日本在太阳能光伏发电方面取得了巨大的成功,通过推行可再生能源配额法和实行强补贴等政策,日本已经成为世界光伏发电的先导。
近五年来日本居民光伏屋顶系统年增长率为96.7%,成为目前世界上光伏发电最大的市场。
日本是一个自然资源极其匮乏的经济大国,太阳能利用设施的家庭普及率几乎是100%。
2002年全球太阳电池和光伏组件产量约600MW,其中日本占45%。
日本是光伏产业发展最快的国家,在不到10年的时间里超过了美国,2001年世界10大太阳电池生产厂,日本就有4家,分别是夏普、京都陶瓷、三洋和三菱。
1993年,包括太阳光在内的新能源消费量约占全日本能源消费的3%。
1997年到2003年间,日本的太阳能普及率始终保持着90%的增长率。
1997年到2004年间,日本政府向用于住宅屋顶上的太阳能电池板安装工程投入了1230亿日元的资助金。
政府的全力支持,使日本的太阳光伏发电产业很快跃居世界领先地位。
日本政府2008年11月发布了“太阳能发电普及行动计划”,确定太阳能发电量到2030年的发展目标是要达到2005年的40倍,并在3-5年后,将太阳能电池系统的价格降至目前的一半左右。
2009年还专门安排30亿日元的补助金,专项鼓励太阳能蓄电池的技术开发。
2.2.3美国光伏产业现状
1973年,美国制定了政府级阳光发电计划,太阳能研究经费大幅度增长,并且成立太阳能开发银行,促进太阳能产品的商业化。
1980年,又正式将光伏发电列入公共电力规划。
1994年度的财政预算中,光伏发电的预算达7800多万美元,比1993年增加了23.4%;
1997年美国和欧洲相继宣布“百万屋顶光伏计划”,虽受金融危机的影响,美国政府对光伏产业的扶持力度仍然没有降低,2008年9月16日,美国参议院通过了一揽子减税计划,其中将光伏行业的减税政策(ITC)续延2-6年。
美国计划到2010年安装1000-3000MW太阳能电池。
据国际能源网报道,根据美国环境Co-op非盈利组织最近的一份研究指出:
太阳能发电的成本将在十年内与传统化石能源发电成本对等。
随着太阳能发电成本的下降,煤炭、天然气和核电成本的上涨。
美国将在2015年抵达这一交叉点。
该报告预测:
到2025年,美国电力来源的10%将由太阳能电力提供,或者说有255000MW的太阳能电力安装产能。
2008年,美国太阳能光伏和光热发电已经从2003年的600MW提高到3000MW。
2.2.4其他各国光伏产业现状
另外,瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国,也纷纷制定光伏发展计划,并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。
印度、马来西亚等东南亚国家,也制定了国家的光伏发展计划。
近几年国际上光伏发电快速发展,2007年全球太阳能新装容量达2826MW,其中德国约占47%,西班牙约占23%,日本约占8%,美国约占8%。
2007年,在太阳能光电产业链中有大量的投资集中到新产能的提升上。
除此之外,太阳能光电企业在2007年间的贷款融资金额增长了近100亿美元,使得该产业规模不断扩大。
虽然受金融危机影响,德国、西班牙对太阳能光伏发电的扶持力度有所降低,但其它国家的政策扶持力度却在逐年加大。
2.3我国光伏发电的现状与前景
我国于1958年开始研究光伏电池,1972年首次成功地将光伏电池用于地面,1979年开始生产单晶硅太阳能电池。
中国的光伏产业的发展有两次跳跃,第一次是在上世纪80年代末,我国的改革开放正处于蓬勃发展时期,国内先后引进了多条太阳能电池生产线,使我国的太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百千瓦一下子上升到6个厂的4.5MW,引进的太阳电池生产设备和生产线的投资主要来自中央政府、地方政府、国家工业部委和国家大型企业。
第二次光伏产业的大发展在2000年以后,主要是受到国际大环境的影响、国际项目/政府项目的启动和市场的拉动;
例如:
2002年由国家发改委负责实施的“光明工程”送电到乡和即将实施的送电到村工程均采用了太阳能光伏发电技术。
由于我国西部人口密度小,居住分散,同时又拥有丰富的太阳能资源,所以太阳能光伏发电是既廉价又清洁的能源选择[8]。
近20年来,我国光伏产业的发展已初具规模,但在总体水平上我国同国外相比还有很大差距,主要表现为:
(1)生产规模小。
我国太阳电池制造厂的生产能力约为0.5~1兆瓦/年,比国外生产规模低一个多数量级。
(2)技术水平较低。
电池效率、封装水平同国外存在一定差距。
(3)专用原材料国产化经过“八五”攻关取得一定成果,但性能有待进一步改进,部分材料仍采用进口品。
(4)成本高。
目前我国电池组件成本约30元/瓦,平均售价42元/瓦,成本和售价都高于国外产品。
(5)市场培育和发展迟缓,缺乏市场培育和开拓的支持政策、措施。
我国目前尚有约30000个村庄,700万户,3000万农村人员还没有用上电,60%的有电县严重缺电,光伏市场潜力巨大。
在今后的十几年中,太阳电池的市场走向将发生很大的改变,到2010年以前中国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统,从2011年到2020年,中国光伏发电的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统,包括沙漠电站和城市屋顶发电系统[9]。
表1按照应用领域市场划分的预测(%)
应用领域
2000
2005
2010
2020
2050
农村电气化
40
55
60
10
5
通信和工业
50
20
15
8
太阳能商品和其它
并网发电
-
80
合计
100
2005年2月28日,第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过《中华人民共和国可再生能源法》,该法于2006年1月1日起正式实施。
可再生能源法规定国家将可再生能源开发利用的科学技术研究和产业化发展列为科技发展与高技术产业发展的优先领域,纳入国家科技发展规划和高技术产业发展规划,并安排资金支持可再生能源开发利用的科学技术研究、应用示范和产业化发展,促进可再生能源开发利用的技术进步,降低可再生能源产品的生产成本,提高产品质量。
国家鼓励和支持可再生能源并网发电。
为促进我国可再生能源和新能源技术及相关产业的发展,根据国家可再生能源中长期发展规划,国家发展和改革委员会决定在2005~2007年期间,实施可再生能源和新能源高技术产业化专项。
其中太阳能光伏发电、太阳能电池用硅锭/硅片以及高效低成本太阳能电池组件及系统控制部件的产业化成为可再生能源和新能源高技术产业化专项支持的重点领域之一。
2007年,中国光伏电池产量首次超过德国和日本,居世界第一位。
2008年的产量继续提高,达到了200万千瓦。
近5年来,中国光伏电池产量年增长速度为1-3倍,光伏电池产量占全球产量的比例也由2002年1.07%增长到2008年的近15%。
商业化晶体硅太阳能电池的效率也从3年前的13%-14%提高到16%-17%。
由于技术和成本问题,我国能源政策在今后很长一个时期都是以节能为主,效率为本。
煤炭和石油仍然是主要的能源,然后才是可再生能源的多元化发展,目前让光伏发电作为主力能源还不成熟。
但不可否认的是,煤炭和石油的价格逐步上升,光伏发电价格的逐步下降,在某一个时期会有一个交叉点出现,那时候,光伏发电就进入了成熟的发展期。
2.4太阳能发展前景展望
太阳能是大家公认的清洁能源,用之不尽,取之不竭,除非太阳走到生命的尽头。
太阳能发电完全是一种零排放的清洁能源,也是一种接近规模应用的现实能源,虽然存在着占地面积大,设备价格高的缺点,但未尝不是解
决世界各国局部电力紧缺的一种有效方式。
从全球可再生能源投资情况来看,虽然2008年金融危机的爆发影响了世界经济的发展,但是在新能源领域的投资并没有减少。
从现在起到2030年,针对可持续能源领域的投资有望在2012年达到每年4500亿美元的水平;
从2020年开始,投资有可能增加到每年6000亿美元。
同样在我国,随着我国能源需求日益增加,使我国的能源需求形势越来越紧张,如何解决能源危机成了国家亟需解决的重点。
根据我国中长期能源规划研究,2020年之前,我国将投入2万亿元用于可再生能源的应用与研究。
到2050年前后,非水能可再生能源的战略定位是主导能源之一,可以满足8.8亿到17.1亿吨标煤的能源需求,占全国能源需求的17%到34%;
含水能则可以提供13.2亿到21.5亿吨标煤,占全国能源需求的26%到43%。
太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位,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。
预计到2030年,可再生能源在总能源结构中将占到30%以上,而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上;
到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,太阳能发电将占到60%以上。
这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。
而且,世界各国对太阳能发电的发展都有自己的计划,一个是日本提出的创世纪计划。
准备利用地面上沙漠和海洋面积进行发电,并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全球供电。
据测算,到2000年、2050年、2100年,即使全用太阳能发电供给全球能源,占地也不过为65.11万平方公里、186.79万平方公里、829.19万平方公里。
829.19万平方公里才占全部海洋面积2.3%或全部沙漠的51.4%,甚至才是撒哈拉沙漠的91.5%。
因此这一方案是有可能实现的。
另一个是天上发电方案。
早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想,准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板,上面布满太阳电池,这样便可提供500万千瓦电力。
但这需要解决向地面无线输电的问题。
现已提出用微波束、激光束等各种方案。
目前虽已用模型样机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输
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