光伏发电的实践问题
来源: 作者: 发布时间:2014-11-24 15:30:02 浏览量:
一、机电换能效率
自然界存在多种天然能源,这些能源包括热能、风能、水能、核能、太阳能、势能、潮汐能等等,统称为自然能,用W自然能表示。
在用自然能进行发电的过程中,动力机先把自然能变成机械能,发电机再把机械能变成电能:
W自然能 → η1 → W机械能 → η2 → W电能
由于发电机换能效率很高,一般在99.5%以上,最高可达99.8%,这样η2近似为1,换能效率就可以简化表达为:W自然能 → η → W电能 。
动力机包括水轮机,汽轮机,风力机,以及光伏板等等,它们对天然能的利用系数差别很大,所以研究能源转换效率,主要是研究动力机把自然能转换为机械能的效率问题。而机械能转换成电能的效率近似为100%。
下面是各种天然能转换为电能效率的比较:
1) 水电机组:小型机70%--85%;
中型机75%--85%;
大型机85%--95%;(三峡机组效率可达90%以上)
2) 火电机组:目前平均效率大约为34%;(西门子燃煤成套机组最好效率达40%)
3) 风电机组:最大风能利用系数CPMAX可达59%,6m/s风速下三翼典型值为36%;
4) 光伏机组:单晶硅量产水平18%,最高水平25%;
多晶硅量产水平13%,最高水平18%;
多结硅量产水平32%,最高水平40%。
(注:最高水平通常指实验室水平,并且还在不断进步。)
光伏机组的转换效率,从实用化量产水平来看,目前的转换效率是最低的。但由于是绿色可再生能源,无燃料成本,有利于温室气体减排,受到政府鼓励。但商业化生存讲的是效益,要成为其它能源的替代,必须依靠技术进步来降低成本,才有出路。
二、光伏发电的种种难题
光伏电厂的装机容量,是指在标准条件(输入光功率为1000W/M2,AM为1.5,温度为250C)下,机组输出的最大电功率,称为峰瓦,表示为Wp。
一定装机容量的光伏电站,其最大输出电功率将达到标称装机容量。因此,当我们说一个光伏电站的装机容量为100MW时,它在最好条件下的输出电功率就能达到100MW(10万千瓦),相当于一台小型的火电机组。所不同的是,火电机组完全受调度人员控制,可以使其平稳输出指定功率。光伏机组则是受天气的控制,在晴好天气,一天中能够以接近装机容量输出的时段不会超过一两个小时。
从上面我们看到,与其它各种自然能发电机组相比,光伏机组的转换效率是最低的,即使最先进的大型光伏电站,其效率也不会超过20%,保守核算一般都在15%以下。就是说,有八成以上的太阳光能没有转换为电能。所以,提高转换效率,降低组件成本,是未来光伏产业的最重大课题。然而,这前者与后者又是矛盾的,高效率的组件价格肯定高,低成本的组件价格就便宜,鱼和熊掌不可兼得,这样就导致向两个方向发展,一种是在技术上追求高转换率,比如多结硅,价格高的问题留待后面通过技术的进步来解决;另一种是大力降低价格,做到易安装,综合成本更低,比如薄膜电池。就当前的技术导向看,还分不出优劣,企业则肯定是随着经济指标的指挥棒走。
单晶硅组件通常比多晶硅转换效率高5%左右,相对于多晶硅,在同样条件下单晶硅将多发35%的电能,这是非同小可的。然而,当前组件市场仍然以多晶硅为主,因为生产成本差的太多,综合经济指标还是多晶硅占优。即使前瞻技术进步,单晶硅也不可能替代多晶硅,原因是单晶硅的提纯对杂质浓度的要求非常高。请想想,单晶硅是用来做CPU的,那么小的一粒芯子就要卖上千块,与其用来做光伏电池,不如拿去做CPU。
但多晶硅也遇到了严峻挑战,对手是薄膜电池。薄膜电池虽然转换效率仅为7%左右,但其生产成本很低,而且安装方便,不一定要用硬支架,做成窗帘挂在窗户上也能发电。诸如薄膜大棚、屋顶河滩、荒坡野山,摊开就发电,晚上卷起来。其核心优势就是价格低廉,不到多晶硅的一半,加上安装简单,综合成本更低。
所以从长远看,多晶硅和薄膜电池,是大规模光伏战场上的两支劲旅。其余各路可能会在应用场合的不同上找出路,比如太空电池板,稳定可靠、高的转换效率是首要,价格则是第二位的,那么多结硅就可能入选。
多结硅目前的实验室水平能达到40%的转换效率,是因为它通吃了太阳光谱的所有频段。
我们知道绿色植物也是通过光伏发电去生产淀粉和糖类的,但其转换效率超低,只有0.2%,那是因为它只接受太阳光谱中很窄的一个频段---绿色光,其余光能都没有利用,当然,其它频段的热能效应在保持环境温度方面,对合成淀粉也是有贡献的,但就光电转换而言,它的效率很低。
多结硅的原理,是反绿色植物之道而行之。它在同一片基上分几层针对不同光谱进行光电转换,相当于一个芯片上装了几个电池。目前通常为三结,就是一片顶三片,加起来效率当然就高了。但它遇着与单晶硅同样的制造成本问题。那么多结要在基片上把籽晶、二氧化硅蒸发沉淀上去,技术强度堪比硅平面工艺,制造成本自然不低,但它是目前技术最先进、转换效率最高的一根标杆。
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要不你组织一下语言。
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