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聚光太阳电池技术及产业进展

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聚光太阳电池技术 及产业进展
陈诺夫 二O一二年三月十四日

1

提 纲
一、聚光太阳电池的重要性 二、聚光太阳电池技术 三、聚光太阳电池产业 四、聚光太阳电池应用

2

一、聚光太阳电池的重要性
化石能源逐渐枯竭
环境污染日益严重

太阳

电池

中国的太阳能分布
West Abundant sunshine

East deficient sunshine

中国太阳能资源及其分布表
类 型 1





年辐射量 年日照时数 (千卡 (小时) /cm2· 年)
2800-3300 3000-3200 160-200 140-160

西藏西部、新疆东南部、青海西部、甘 肃西部 西藏东南部、新疆南部、青海东部、宁 夏南部、甘肃中部、内蒙古、山西北部 、河北西北部 新疆北部、甘肃东南部、山西南部、陕 西北部、河北东南部、山东、河南、吉 林、辽宁、云南、广东南部、福建南部 、江苏北部、安徽北部、 湖南、广西、江西、浙江、湖北、福建 北部、广东北部、陕西南部、江苏南部 、安徽南部、黑龙江 四川、贵州

2

3

2200-3000

120-140

4 5

1400-2200 1000-1400

100-120 80-100

展望

2004年欧洲JRC的预测

光伏电站对环境的影响
太阳光能量密度低:1kW/m2 影响一:占用土地
– 3kW太阳电池阵列面积20—30m2 – 10MW光伏电站占地约30万m2(450亩)

影响二:废弃物
– 镉(Cd) – 铅(Pb) – 砷(As)

聚光太阳电池的优越性
? ? ? ? ?

成本低 转换效率高 抗辐照能力强

聚光太阳电池在深空探测中意义重大
重量比功率大 探月飞行器 ? 火星探测飞行器

8

45 40 35
III-V Concentrator Tandem

30
Efficiency (%)

New Mater. Thin-Film Si

25 20 15
Cryst.Si

Organic CIGS a-Si

10 5

0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 Year

不同太阳电池转换效率的增长趋势

光伏发电成本分析
0.6 0.5 Concentrator Thin-Film Crystal Si

0.4

US $/KWh

0.3

0.2

0.1

1995

2000

2005 Year

2010

2015

2020

聚光光伏发电的电价将率先低于传统电价

Cited from: Nasser H. Karam, et al, Solar Energy Materials & Solar Cells 66 (2001) 453-466. 11

资料来源:FhG-ISE

建设环境友好型光伏电站
成本低
– 500倍聚光 – 电池用量500分之一

占地面积小 – 高倍聚光
10kW机组50m2 实际占地4m2 10MW电站用地30万m2 (450亩) 实际占地4000m2(6亩)

二、聚光太阳电池技术
太阳电池空间应用
第一代空间太阳电池: ? 单晶Si ? 转换效率:15-18% 第二代空间太阳电池: ? GaAs、GaAs/Ge ? 转换效率:18-21% 第三代空间太阳电池: ? GaInP/GaAs/Ge ? 转换效率:25-29% 第四代空间太阳电池: ? GaInP/GaAs/Ge聚光
14

主要太阳电池技术
– 单晶硅太阳电池 – 砷化镓太阳电池 – 多晶硅太阳电池 – 非晶硅太阳电池 – GaAs\InGaP二结太阳电池 – Ge\InGaAs\InGaP三结太阳电池 – a-Si\?-Si二结太阳电池 – CdTe太阳电池 – CuInGaSe太阳电池 – 染料敏化太阳电池 – 概念太阳电池

卫星上的聚光电池系统

ENTECH’s current space concentrator module uses a small silicone Fresnel lens (8.5 cm wide) to focus sunlight at 8.5X concentration onto radiation-cooled triple-junction photovoltaic cells (1.0 cm wide). 17

Four SolarRow Arrays
18

Amonix, USA, 35 kW total
19

反射式CPV

30

3
25

1

Efficiency, %

20 15 10 5 0

Efficiency versus concentration for the GaAs (1) top cell and GaSb (2) bottom cell with prismatic cover. Curve (3) is summarized efficiency for these space cells (AM0): Eff. = 29.8%, 100suns. Eff. = 32-33%, AM1.5d, 50-200 suns

2

1

10

100

Concentration, suns
26 Polytechnicheskaya, St. Petersburg 194021, Russia Phone: +7 (812) 2475649, 2479394 FAX: +7 (812) 2471017 E-mail: vmandreev@mail.ioffe.ru

Russian Academy of Sciences

光伏产业的发展前景

40.7% 的超高效率

美国Spectrolab公司效率为40.7%的聚光太阳电池阵列 ( 200倍聚光条件下)
24

美国特拉华大学牵头效率为42.8%的聚光太阳电池阵列
25

HCPV 电池

42.4%

电能输出稳定

工业硅的生产

CPV日发电曲线

Prospect of CPVS
Solar cell chip MJ

Fresnel lens

CPS
Tracker

Connection protection

2.5

AlP GaP AlAs

twojunction SC

fourjunction SC

2.0

Bandgap energy (eV)

Eg1 Eg1

1.5 GaAs 1.0 Si InP

AlSb Eg2 Eg2 GaSb Ge InAs GaNxAs1-x InNxP1-x 5.8 6.0 6.2 6.4 InSb 6.6 Eg3 Eg4

0.5

0.0 5.4

5.6

Lattice constant (A)

三、聚光太阳电池产业
?发展趋势

–提高转换效率 –降低制造成本 –扩大应用领域

30

国外早期聚光太阳电池研究机构
?

美国NREL和Spectrolab、Tecstar、Entech公司
已在航天器上采用聚光太阳电池作为辅助电源 特拉华大学等十几所研究机构

? ? ?

俄国约菲所 德国弗朗霍夫太阳能研究所 日本夏普 中国科学院半导体研究所 航天集团上海811所 中电集团十八所

国内早期聚光太阳电池研究机构
? ? ?

31

海外从事CPV 电池的企业
公司
Emcore Spectrolab SolFocus ENTECH Green Volts Spire Semiconductor Delta Electronics Bandgap Engineering Global Communication Semi Kopin Microlink Devices Cyrium Solar Systems IQE IMEC Azur Solar Centro Elettrotecnico S.Italiano Sharp
资料来源:招商证券

所在国家
美国 美国 美国 美国 美国 美国 美国 美国 美国 美国 美国 加拿大 澳大利亚 英国 比利时 德国 意大利 日本

国内研发生产CPV的机构(一)
公司名称 上 市 主营业务 与否 云南锗业 Y 锗矿 CPV 模 块 和 模 组 , 发电 控制了CPV产业链的最上游原材料, 系统 万家乐 Y 输配电产品及卫厨家用电 CPV模组和发电系统 器 三安光电 Y LED芯片 并有国家863计划的支持 从传统家电和电器设备生产到新 能源转型 CPV 模 块 和 模 组 , 发电 LED与CPV技术方面有相同之处, 进入CPV领域 特点

系统
哈高科 Y 大豆的深加工和制药

具有业务拓展的优势

3MW 太 阳 能 薄 膜 电 池组 同普尼太阳能公司合资成立普尼 件中试生产线,采用聚 太阳能(中国)有限公司, 光+薄膜技术

新华光

Y

光学玻璃生产企业

涉入CPV聚光玻璃市场

收购了天达光伏,参与100MW昆明

石林并网电站项目
水晶光电 Y 精密薄膜光学产品 光学模组配套设施制造 公司传统产品即薄膜光学产品, 技术上具有传统的优势 利达光电 东山精密 Y Y 透镜、棱镜等 精密钣金件 聚光光伏发电系统 模组框架 公司具有光学聚光镜的生产能力 下游客户为CPV优秀系统集成商

Solfocus
扬州中显 N 最早生产液压成套设备 拉砷化镓单晶半导体材 料

国内研发生产CPV的机构(二)
公司名称 上 市 主营业务 与否 钟顺科技 N 重点研发太阳能跟日系 西昌CPV项目获国家“十一五”863 统,以及以跟日系统为 计划支持,并在重庆和西昌都建有 *台的跟踪式高效太阳 CPV并网电站 能光伏发电系统 天津蓝天太阳科技 N 有限公司 经天津市政府与中国电子 蓝天太阳科技公司是具 一期已投资3亿元,于2009年底在 科技集团公司签订合作协 备从多结砷化镓太阳电 华苑产业区建成了20MW聚光光伏生 议,由天津电源研究所出 池到聚光光伏发电系统 产线。 资成立的国有独资公司 整条产业链生产能力的 高科技公司 上海聚恒 N 公司开发的500倍聚光光 在云南石林云电投光伏电站场落成 伏发电系统已应用在大 。总装机容量达20KW。 型光伏电站中. 北京北控绿色产业 Y 有限公司 在北京房山区投资了聚 房山区项目投资10亿元 光型光伏发电(CPV)芯 片及模组生产线 进入CPV领域 特点

台湾 CPV 应用发展
台湾是LED 重镇,在III-V 族太阳能电池及CPV 系统的发 展上也不遗余力,而主力的研发机构为原子能委员会核能 研究所(核研所),该机构从2003 年开始深入研究GaAs 太阳能,到07 年底已经取得台湾地区专利仅10 项。 在高聚光型 III-V 太阳电池领域,台湾目前已逐步发展出多 个富成效的团队: – 核研所为核心,包括上游的全新光电,中有的太聚能 源以及下游的华旭环能; – 台达电与 Spectrolab 合作开发下游接收器模组(后者 为波音公司子公司,全球最大的GaAs 太阳能芯片供 应商); – 佰鸿与砷化镓磊晶大厂 kopin 合作,发展III-V 族聚光 型太阳能晶片。

台湾核研所CPV 发电系统

半导体所研制的第一代聚光太阳电池

37

High Efficiency Concentrated Photovoltaic System

S=F· tg? If F=60 mm ?=1? S=1 mm

1? departure 1 mm shift

Accuracy of tracker Better than 1?

High Efficiency Concentrated Photovoltaic System

Useful component: Photofunnel—light guider

Fresnel lens

Photofunnel

Solar cell chip

High Efficiency Concentrated Photovoltaic System

?max from 1 ? to 5?

High Efficiency Concentrated Photovoltaic System

Heat sink

Unit of concentrated solar cell

光伏产业的发展前景

高效聚光光伏发电系统原型样机
42

光伏产业的发展前景

relative power output

1.0 0.8

入射角<4.5?
0.6 0.4 0.2 0.0 -15 -10 -5 0 5 10 15

输出功率下降 <10%

shift angle
相对输出功率随接收角的变化
43

中澳可再生能源研讨会留影
44

四、聚光太阳电池应用
?目前,太阳能发电已经进入技术成熟、能

够大规模推广的阶段。 ?日本已成为世界光伏发电的先导,2003年 底总计安装887兆瓦;是年该国光伏组件生 产占世界的50%,世界前10大厂商有4家在 日本; ?2004年,德国新安装的并网光伏发电系统 大约200兆瓦,总销售额超过10亿欧元,就 业人数约15000人。
45

?

世界光伏发电从1998年的154.9兆瓦增加到 2003年的742.28兆瓦,年*均增长率为 36.8%。 2004年,全球的光伏组件产量是7年前的10 倍。 如今,无论是日本、德国,还是美国、意 大利,光伏发电都已实现了并网发电。 数以千计的办公大楼、实验室和数以万计 的居民,在享用着稳定可靠、无污染、无 噪音、无任何废料排出的太阳能电力。
46

世界电池产量发展概况 (MWp)
47

中国太阳能的发展历程:
? 1981年建立太阳能光电实验室, ? 20世纪80年代中后期在太阳光伏发电领

域已经初具规模, ? 20世纪90年代以来进入快速发展时期。 在国际市场快速发展的支撑下,2003、 2004年我国太阳电池/组件的生产有了大 幅度增长, ? 2003年达到12兆瓦,约占世界的2.2%, ? 2004年估计达到35兆瓦,约占世界份额 的3%。
48

尽管在光伏发电技术上我国并不逊色, 但该技术和产品在本国的实际利用却让 人汗颜:
? 我国生产的太阳电池/组件中,90%以上都

出口到了国外,我国自己应用的少得可怜。

原因所在:
? 政策不到位

49

德国太阳电池发电鼓励政策:
? 太阳电池发电并入电网

? 企业(居民)安装太阳电池发电系统国

家补贴一半 ? 太阳能发电输入电网价:0.5欧元/kWh ? 民用电网电价: 0.27欧元/kWh ? 太阳电池发电系统从业利润:8%

50

Predicted solar electrical capacities till 2030 year

Installed Capacities [GW]

Year
51

国外CPV装机情况
完工时间
2008 年12 月 2008 年11 月

功率
10MV 10MV

地区
希腊 西班牙

所有者
Samaras Group EMPE Solar

2008 年9 月 2008 年9 月 2008 年7 月
2008 年6 月 2007 年9 月

3MV 300KW 200KW
7.6KW 2.5KW

西班牙 西班牙 西班牙
美国 美国

Institute of Concentration Photovoltaic Systems (ISFOC)

2007 年4 月

17KW

美国

KGO AM 810 Radio Transmitter Site National Energy Laboratory of Hawaii (NELHA) Palo Alto Regional Water Plant

资料来源:招商证券

国内CPV装机情况
完工时间
2011 年12 月
2011 年12 月

功率
3MV
1MW

地区
格尔木
格尔木

所有者
三安光电
聚恒太阳能

壹元电价的机遇与挑战
制约光伏电站发展的瓶颈1——价格过高
制约光伏电站发展的瓶颈2——电网稳定

低电价可以解决第一个光伏瓶颈?
光伏企业如何应对低电价带来的挑战?

光伏系统费用构成
土建及公用设施成本
其中:土地征地费、公用设施、其他建设费用

发电设施成本
其中:电池组件、支架、接线箱、各种固定五金具、电缆电 线、逆变器及相关设备

输变电设施成本
其中:升压变压器、断路器、避雷器、互感器和线路

数据采集和通讯系统 配套设施成本 工程项目费用

各项成本构成比例
26% 6% 9% 2% 土地征地费 公用设施 其他建设费用 电池组件总价 逆变器等相关配件 57%

?根据多晶硅组件240W最新报价(9月17日)为8.8元/W, ?而根据光伏发电系统成本构成,除组件其他成本大约 可以估算为6.2元/W,

?所以光伏发电系统总成本为15元/w。

这样我们可以得出10MWp多晶硅光伏系统(15元/W),

年化收益率为10.66%,
大约要7.92年收回投资成本,

之后12年完全进入盈利期。
如果考虑到资金的使用成本即按现在央行一年期贷款利率

6.65%,则回收期大约为12年,之后的8年进入稳定盈利
期。

24 22 20

22 20

18 16 14 12 10 8 6
2 4 6 8 10 12 14

16 14 12 10 8 6 4

电池组 件成本 ( 元/W)

上网电价为1元/度的情况下,电池组件成本价格对年化收益率 (黑线)及收回投资回报期(红线)的影响

收回投资 期( year)

当 前 成本 8.8元/w

18

年化收益率( %)

24 22 20

22

当 前 成本 15元/w

20

18 16 14 12 10 8 6
6 8 10 12 14 16 18 20

16 14 12 10 8 6 4 22

光伏 系统成本 ( RMB/W)

上网电价为1元/度的情况下,光伏系统成本价格对年化 收益率(黑线)及收回投资回报期(红线)的影响

收回投资 期( year)

18

年化收益率( %)

电站成本和上网电价共同决定的投资收益率

当光伏系统成本降到9元/W时(事实上现在国家金太阳工程给 予的补助使厂家已经达到这一成本),回收期仅仅需要八年, 而年化收益率则高达20%以上,将大大促进国家光伏产业的发 展。

壹元电价的市场应对
光伏电站系统成本:15元/W
– 收益率为10.66% – 回收期为12年

光伏电站系统成本:10元/W
– 收益率为18.02% – 回收期为8年

◆ 德国对光伏发电成本下降预测( 2007)

光伏发电

常规发电

2017年光伏发电成本与常规发电成本相交

◆美国对对光伏发电 成本下降的预测(2006 )

2015年前后光伏发电成本与常规发电成本相交

太 阳 能 综 合 利 用

制约光伏 电站发展 的瓶颈2 ——电网 稳定

海水利用
以太阳能为动力:
– 海水淡化 – 海水制氢 – 海水沙灌 – 海水储能

如果最初的想法不是荒谬的, 那么它就毫无希望。 ——阿尔伯特?爱因斯坦
地球表面三分之二是海洋

我们的工作

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谢谢
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