第2-3次课程太阳光伏发电技术发展现状及前景_许洪华

第1页太阳光伏发电技术发展现状与趋势许洪华研究员中国科学院电工研究所2010年9月17日2010年第四届世界太阳城大会第2页一、发展光伏发电的必要性和迫切性二、太阳光伏发电发展形势三、太阳光伏技术发展现状与趋势四、结束语内容第3页一、发展光伏技术的必要性和迫切性1、光伏发电是未来最可能的主导能源，大力发展光伏可满足未来能源增长的需要2、光伏发电环境友好，可满足能源、生态的可持续发展3、发展光伏是国家能源安全的需要第4页世界能源现状及展望1、世界能源形式紧迫，是世界10大焦点问题（能源、水、食物、环境、贫穷、恐怖主义和战争、疾病、教育、民主和人口）之首。2、全球人口2006年是65亿，能源需求折合成装机是14.5TW；到2050年全世界人口大概要达到100亿，按照每人每年GDP增长1.6%，GDP单位能耗按照每年减少1％，则能源需求装机将是大约30-60TW，届时主要要靠可再生能源来解决。3、可是，世界上潜在水能资源4.6TW，经济可开采资源只有0.9TW；风能实际可开发资源2-4TW；生物质能3TW（加起来总共8TW）。“只有太阳能是唯一能够保证人类未来需求的能量来源”，其潜在资源120000TW，实际可开采资源高达600TW。（核能的争议很大，是裂变还是聚变还没有定论，即NuclearFission）注：TW＝109kW，来源：美国能源部OfficeofScience报告.2005.4.1、发展光伏是满足未来能源需求的需要第5页1,300,000km28,600,000km2Coveredby=14%PVmodules(50%spacefactorassuming10%systemenergyefficiency)用效率14%的光伏组件，利用50%的戈壁，系统效率10%每年发电量(=107PWh/y=107×1012kWh/y)384EJ/yearPVElectricityWorldPrimaryEnergySupplyIn2002=379EJ/year2002年世界一次能源供给：379EJTotalLandSurface陆地面积Sahara（撒哈拉）TotalEarthSurface地球表面积Gobi戈壁(1EJ=1018J)世界荒漠面积对比第6页PHASEIMay2003（2003年5月，第一阶段）PreliminaryReport,March19991999年3月初始报告EnergyfromtheDesertIII2009edition2009年版本PHASEIIJan.200７2007年1月，第二阶段第7页PVpotentialworldmap/世界光伏潜能0%5%10%15%20%25%30%35%40%45%50%GobiSaharaTharNegevSonoraGreatSandySuperiorsteppezoneInferiorsteppezoneDesertzoneSahara315Thar13Gobi67Sandy18Sonora6PVpotentialworldmap(TW)Negev1.4420.1103TWhintotal(400103TWh:WorldTPESin2100)(400103TWh:2100年世界能源需求)SolarPVResourcesAssessmentbySatelliteRemoteSensing/卫星遥感得到太阳光伏资源评估第8页太阳能所占比例：2020年1%，2030年10%，2050年25%，2100年50%世界能源发展趋势（PVNET2003）资料来源：EUJRCPVRoadmap2004。欧盟联合研究中心2004年光伏路线图第9页我国能源储量与世界比较第10页种类我国资源可开发量折合标准煤（亿tce）太阳能17000亿tce17000风能10亿kW8水能经济可开发4.0亿kW技术可开发5.4亿kW4.8-6.4生物质能生物质发电3亿吨秸秆+3亿吨林业废弃物1.5+2.0=3.5液体燃料5000万吨0.5沼气800亿m30.6总计4.6地热能33亿tce33（但适于发电的少）资料来源：《可再生能源中长期发展规划》，国家发改委，2007年8月.太阳能是洁净能源，且我国资源丰富太阳能：能源可持续发展的战略选择之一第11页年代年总发电量亿度总装机容量亿千瓦/%煤电容量亿千瓦/%水电容量亿千瓦/%核电容量亿千瓦/%1950460.019/1000.017/90.90.0017/9.1/19605940.12/1000.10/83.70.019/16.3/197011590.24/1000.175/73.80.0623/26.2/198030060.66/1000.456/69.20.204/30.8/199062301.38/1001.02/73.90.36/26.1/1995100232.17/1001.63/75.00.52/24.10.021/0.92000134723.19/1002.37/74.30.794/25.00.021/0.62001148383.38/1002.53/74.90.83/24.60.021/0.62002165423.57/1002.66/74.50.86/24.10.046/1.292003190323.91/1002.90/74.00.95/24.20.064/1.682004219724.42/1003.30/74.51.05/23.80.07/1.592005249405.17/1003.91/75.71.27/22.70.074/1.862006285886.22/1004.84/77.81.29/20.70.071/1.182007325897.13/1005.54/77.71.45/20.30.089/1.22050年展望12000024.0/100*9.6/403.6/152.6/11已有发电方式大力发展仅能满足2050年总装机的66%，气电发展估计不会超过5%，则尚有近30%，按5000小满发约7亿千瓦的装机容量要依靠非水可再生能源发电，考虑可再生能源的满发小时低，实际装机容量要大几倍！我国电力的发展与展望第12页2、光伏发电环境友好可满足能源、生态的可持续发展第13页任何可再生能源设备的生产都是要消耗常规能源的，关键在于它的能量回收期与能源回报率。相对于批量化生产的非晶、碲化镉和铜铟锡电池，生产晶硅太阳电池消耗的能源最多。按目前国内普遍生产水平，晶硅电池的耗能和能量回收期计算如下：（接下一页）（1）晶硅光伏电池生产能耗与能量回收期第14页TP=EP/ES式中：TP（年）为光伏发电系统能量回收期EP为制造光伏系统所消耗的能量（kWh/Wp）ES为光伏发电系统的年发电量（kWh/Wp.年）EP=EP1+EP2+EP3+EP4+EP4+EP5+EP6其中：EP1为硅砂到冶金硅的能耗：13kwh/kgEP2为冶金硅转化为多晶硅的能耗200kwh/kg（按改良西门子法国内一般水平，国外先进水平为150kwh/kg）EP3为多晶硅到多晶硅锭、硅片的能耗18kwh/kg（多晶硅铸锭重量270kg，并使用多线切割机切片能耗水平）EP4为多晶硅片到多晶硅光伏电池的能耗0.2kwh/WpEP5为光伏电池到光伏组件的能耗0.15kwh/Wp（含封装材料（钢化玻璃，EVA，TPT等）的生产能耗）EP6为光伏组件到光伏系统的能耗0.15kwh/Wp含并网控制逆变器、电缆、开关、支架、仪表等的生产能耗）光伏发电（晶体硅电池）能量回收期计算第15页多晶硅产率＝多晶硅料/冶金硅料＝1kg/1.3kg=0.77即每生产1kg高纯多晶硅需要1.3kg冶金硅1kg高纯多晶硅拉制1kg硅棒，或浇铸1kg硅锭的产率为0.8，即1kg硅锭/硅棒需要1.25kg高纯多晶硅；1kg硅棒或硅锭可以切50-60片125×125mm的硅片，按照56片计算，每片平均制造2.4Wp太阳电池，合计为：134.4Wp/kg;则：134.4Wp太阳电池需要的高纯多晶硅为＝1/0.8=1.25kg1250g/134.4Wp=9.3g/Wp134.4Wp太阳电池需要的冶金硅为＝1/0.8×1.3=1.625kg1625g/134.4Wp=12.1g/Wp太阳电池组件产率＝98％(即封装成品率)根据上述参数，得到：EP1=13kwh/kg×0.0121kg/Wp=0.157kwh/WpEP2=200kwh/kg×0.0093kg/Wp=1.86kwh/WpEP3=18kwh/kg÷134.4Wp/kg=0.134kwh/Wp计算中的相关参数第16页EP=EP1+EP2+EP3+EP4+EP4+EP5+EP6=2.651kwh/WpEs=1.35kwh/Wp年（按照全国平均太阳能有效峰值时数1350小时计算）TP=EP/ES≈2.0年太阳电池的使用寿命超过30年，能源回报率高达15倍，随着太阳级硅材料能耗下降（200kwh/kg100kwh/kg），光伏电池效率继续提高（15%20%），基片继续减薄，能量回收期还会更短。光伏发电能量回收期第17页（1）冶金硅生产的环境影响不大；（2）提纯多晶硅的副产物易于处理；（3）硅光电池生产的副产物稳定、无毒；（2）太阳电池生产过程的污染问题第18页冶金硅生产主要排放一氧化碳和二氧化碳。2006年中国冶金硅产量达100万吨，可以生产近6700万千瓦的多晶硅电池，约相当于计划中2020年全国的光伏总装机容量2000万千瓦的3倍多。也就是说，4个月的冶金硅产量即可满足今后十余年中国光伏系统的市场需求。可见光伏发电中，冶金硅生产造成的环境影响是很小的。冶金硅生产的环境影响不大第19页在多晶硅生产过程中有大量的废液和废气产生，主要的废液是四氯化硅（SiCl4）,三氯氢硅（SiHCl3）,二氯氢硅（SiH2Cl2）等，主要的废气是氯化氢（HCl，其水合物是盐酸）。这两种化合物，无论是回收利用还是无公害处理都不存在技术问题，可以回收作为其他化学工业的原料。从已经开工生产的多晶硅厂看，通过尾气回收、无公害处理、物料循环使用和综合利用，完全可以做到零排放和清洁生产。如果不能进行物料循环使用和综合利用，废弃物不做处理，对环境影响大提纯多晶硅的副产物易于处理第20页RhoneResch,presidentoftheSolarEnergyIndustriesAssociation(SEIA)，says.Weareouttosolveenvironmentalproblems-notcreatethem.“太阳能工业联盟主席，RhoneResch说：“在解决环境问题上我们已经出局了，不要在制造污染了。”1、能耗指标（国际先进130-150kWh/Kg，国内200-300kWh/Kg);2、环保问题（全物料循环，清洁生产，防止污染）；3、不注意将会影响整个光伏产业。中国多晶硅材料生产应注意的问题第21页晶体硅光伏电池生产过程中主要副产物是在腐蚀硅片过程中产生的，主要有硅酸钠、氟化物等，均是稳定且无毒的化合物，只要处理得当，均不会造成对环境或人的危害。硅光电池生产的副产物稳定、无毒第22页电解铝耗电大约14.5kWh/Kg（我国2006年电解铝产量935万吨，总耗电1467亿kWh）；铁合金耗电10-12kWh/kg;铸钢耗电1kWh/Kg；每公斤电石3-4kWh；每公斤烧碱2-3kWh；每吨水泥能耗30-60kWh。从沙子到冶金硅为13kWh/Kg；多晶硅生产的耗能为150-250kWh/Kg；硅锭/硅片为18kWh/Kg同其它高耗能产业横向相比，单位能耗的确是高的：晶体硅太阳电池从沙子到系统的生产总能耗大约2.65kWh/W，即使每年生产并安装10GW光伏系统，总能耗也只有265亿kWh，仅占2007年全国总发电量为32559亿kWh的0.8%（而电解铝总耗电占到约5%，钢铁占到14%），总能耗是不高的。随着多晶硅和太阳电池的技术进步，这一指标一定会进一步下降。再来看看总能耗：（3）光伏发电与其它产业耗能的比较第23页1m2PV=66k