新型太阳能发电技术有哪些
太阳能发电根据利用太阳能的方式主要有通过热过程的太阳能热发电(塔式发电、抛物面聚光发电、太阳能烟囱发电、热离子发电、热光伏发电及温差发电等)和不通过热过程的光伏发电、光感应发电、光化学发电及光生物发电等。
主要应用的是直接利用太阳能的光伏发电(PV,Photovoltaic)和间接利用太阳能的太阳能热发电(CSP,Concentrating Solar Power)两种方式。其中直接利用光能进行发电的光伏发电由光伏(PV)电池、平衡系统组成;间接利用光能是将太阳能转换成热能,由储热进行发电的太阳能热发电(光=热-电),CSP根据收集太阳能设备的布置方式可分为槽式( Linear CSP)、塔式(Power Tower CSP)和盘式(Dish/EngineCSP)三种类型。
(1)光伏发电。
光伏发电站[photovoltaic (PV) power station]是将太阳辐射能通过光伏电池组件直接转换成直流电能,并通过功率变换装置与电网连接在一起,向电网输送有功功率和无功功率的发电系统,一般包括光伏阵列(将若干个光伏电池组件根据负载容量大小要求,串、并联组成的较大供电装置)、控制器、逆变器、储能控制器、储能装置等。
并网型光伏发电系统是指将光伏电池输出的直流电力,经过并网光伏逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波交流电流,接人电网以实现并网发电功能。光伏发电的发电原理是由组成光伏方阵的光伏电池决定。光伏电池工作原理是利用光伏电池的光生伏特效应(又称光伏效应)进行的能量转换,其中光伏效应是利用半导体p-n结的光生伏特效应,当光照射到半导体上时,太阳光的光子将能量提供给电子,电子跳跃到更高的能带,激发出电子空穴对,电 ,子和空穴分别向电池的两端移动,此时光生电场除了抵消势垒电场外,还使p区带正电,n区带负电,在n区和p区间形成电动势,既光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生了电位差。这样,如果外部构成通路,就会产生电流,形成电能。
光伏电池根据其使用的材料可分为:硅系光伏电池、化合物系光伏电池、有机半导体系光伏电池。硅系光伏电池可分为结晶硅系和非晶硅系光伏电池。其中结晶硅系光伏电池又可分为单晶硅和多晶硅光伏电池。
比较成熟且广泛应用的是晶硅类电池。晶硅材料光伏电池优点是原材料非常丰富,可靠性较高,特性比较稳定,一般可使用20年以上。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面,晶硅光伏电池的单晶硅光伏电池在硅材料光伏电池中转换效率最高,转换效率的理论值为24%~26%,多晶硅的转换效率略低,转换效率的理论值为20%,但价格更便宜;同时单晶硅和多晶硅电池又优于非晶硅电池。大规模工业化生产条件下,单晶硅电池的转换效率已达到了16%~18%,多晶硅电池的转换效率为12%~14%。采用多薄层、多p—n结的结构形式的薄膜电池可实现40%~50%以上的光电转换效率,基本原理是在非硅材料衬底上铺上很薄的一层光电材料,大大减少了光电材料的硅半导体消耗,降低了光伏电池的成本。硅薄膜光伏电池由于原材料储量丰富,且无毒,无污染,因此更具持续发展的前景。
(2)太阳能热发电。
太阳能热发电,也叫聚焦型太阳能热发电(Concentrating Solar Power,简称CSP),与传统发电站不一样的是,它们是通过大量反射镜以聚焦的方式将太阳能光直射聚集起来,加热工质,产生高温高压的蒸汽,将热能转化成高温蒸汽驱动汽轮机来发电。当前太阳能热发电按照太阳能采集方式可划分为:槽式太阳能热发电、塔式太阳能热发电和碟式太阳能热发电。
行业主要上市公司:隆基股份(601012)晶澳科技(002459)晶科能源(688223)通威股份(600438)天合光能(688599)等
本文核心数据:光伏发电板块上市公司研发费用光伏发电相关论文发表数量
全文统计口径说明:1)论文发表数量统计以“solar pv”、“solar
photovoltaic”为关键词,选择“中国”、“论文”筛选。2)统计时间截至2022年8月29日。3)若有特殊统计口径会在图表下方备注。
光伏发电行业技术概况
1、技术原理及类型
(1)光伏发电行业技术原理
光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术,其发电原理如下。
(2)光伏发电种类
光伏发电一般分为两类:集中式发电和分布式发电,集中式发电主要为大型地面光伏系统分布式发电主要应用于商业/工业、建筑屋顶。
2、技术全景图:主要为光伏电池技术路线
光伏发电行业的产业链中游为电池片、电池组件和系统集成,其中各类光伏电池技术为重点技术路线。根据半导体材料的不同,光伏电池技术主要包括晶硅电池、薄膜电池以及叠层和新结构电池(第三代电池)。
晶硅电池是研究最早、最先进入应用的第一代太阳能电池技术,按照材料的形态可分为单晶硅电池和多晶硅电池,其中单晶硅电池根据基体硅片掺杂不同又分为P型电池和N型电池。目前应用最为广泛的单晶PERC电池即为P型单晶硅电池,而TOPCon、HJT、IBC等新型太阳能电池技术主要是指N型单晶硅电池。
薄膜光伏电池分为硅基薄膜电池和化合物薄膜电池,以铜铟稼硒(CIGS)、锑化镉(CdTe)和砷化镓(GaAs)等的化合物薄膜电池为代表。
叠层、新结构电池包括有机太阳能电池、铜锌锡硫化物电池、钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池等。
光伏发电行业技术发展历程:电池技术路线演变拉动
光伏发电行业技术发展主要是由光伏电池技术路线演变拉动的,从以硅系电池为代表的第一代光伏电池、到以铜铟稼硒(CIGS)、锑化镉(CdTe)和砷化镓(GaAs)等材料的薄膜电池为代表的第二代光伏电池,如今光伏电池技术已发展至第三代,第三代光伏电池技术主要包括有机太阳能电池、铜锌锡硫化物电池、钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池等,具有薄膜化、转换效率高、原料丰富且无毒的优势。
光伏发电行业技术政策背景:政策加持技术水平提升
近年来,我国出台一系列光伏发电技术及研发的相关政策,通过政策指导,行业加快光伏发电技术的推广和革新,促进光伏发电产业的快速发展。
光伏发电行业技术发展现状
1、光伏发电行业技术科研投入现状
(1)国家重点研发计划项目
据已公开的国家重点研发计划项目,2018-2021年我国光伏发电技术相关国家重点研发计划项目共计15项。
注:2019年未公布光伏发电技术相关国家重点研发计划项目。
(2)A股上市企业研发费用
光伏发电行业经过多年发展,产品相对成熟,但行业整体研发投入水平较高。从A股市场来看,2017-2021年,我国光伏板块上市公司研发总费用逐年增长,2022年第一季度,光伏板块上市公司研发总费用约281.13亿元。
2、光伏发电技术科研创新成果
(1)论文发表数量
从光伏发电相关论文发表数量来看,2010年至今我国光伏发电相关论文发表数量呈现逐年递增的趋势,可见光伏发电科研热度持续走高。截至2022年8月,我国已有18289篇光伏发电相关论文发表。
注:统计时间截至2022年8月。
(2)技术创新热点
通过创新词云可以了解光伏发电行业内最热门的技术主题词,分析该技术领域内最新重点研发的主题。通过智慧芽提取该技术领域中近约5000条专利中最常见的关键词,其中,光伏组件、太阳能、光伏板、太阳能板、光伏发电、太阳能电池板、逆变器等关键词涉及的专利数量较多,说明光伏发电行业研发和创新重点集中于光伏组件和光伏板等领域。
(3)专利聚焦领域
从光伏发电专利聚焦的领域看,目前光伏发电专利聚焦领域较明显,其主要聚焦于太阳能、光伏板、太阳能电池、光伏组件等。
主要光伏电池技术对比分析
从技术水平来看,硅、砷化镓、磷化铟、碲化镉和铜铟硒多元化合物(铜铟镓硒是其典型代表)是可选光伏材料中综合性能的最佳集合。而它们各方面性能的优劣,直接导致了目前光伏电池技术百花齐放的现状。
注:平均转换效率均只记正面效率。
光伏发电行业技术发展痛点及突破
1、光伏发电行业技术发展痛点
(1)硅基光伏电池:P型电池转换效率低
由于电池片的光电转换效率直接影响整个光伏系统的效益,因此光伏电池的光电转换效率十分重要,光电转换效率的提升主要依靠技术更新换代。现阶段,晶硅光伏电池面临着转换效率较低的问题,尤其是P型电池。
据德国哈梅林太阳能研究所(ISFH),PERC电池的理论极限效率为24.5%,PERC产线的量产效率已经达到23%,逐步逼近理论极限效率。
(2)薄膜电池量产转换效率低
薄膜光伏电池具有衰减低、重量轻、材料消耗少、制备能耗低、适合与建筑结合(BIPV)等特点,但薄膜电池面临着量产转换效率低的问题,性价比较低。
2、光伏发电行业技术发展突破
(1)N型电池技术突破P型电池极限转换效率
相较于P型电池,N型电池技术少子寿命高、无光致衰减、弱光效应好且温度系数小,转换效率更高。面临P型电池逐步逼近理论效率极限,N型电池技术能够突破P型电池的理论效率极限并达到更高转换效率。据中国光伏行业协会(CPIA),2022-2023年N型电池技术的平均转换效率就可以达到PERC电池的理论极限效率(24.5%)。
(2)钙钛矿电池可实现高转换效率
钙钛矿电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的第三代太阳能电池,钙钛矿材料的吸光能力强于晶硅材料,因此钙钛矿电池能够实现高转换效率。除了拥有高转换效率,钙钛矿电池还具备价格低、投资小、制备简单等优势。
光伏发电行业技术发展方向及趋势:降本增效
2022年8月,工信部五部门联合印发的《加快电力装备绿色低碳创新发展行动计划》,提出通过5-8年时间,在太阳能装备方面重点发展高效低成本光伏电池技术,包括推动TOPCon、HJT、IBC等晶体硅太阳能电池技术和钙钛矿、叠层电池组件技术产业化,开展新型高效低成本光伏电池技术研究和应用等。
可见,未来光伏发电技术将向着降本增效方向发展,一方面由于现有光伏电池逐渐逼近最高理论转换效率,因此更高转换效率的电池将成为光伏电池技术发展方向另一方面,光伏组件转换效率的提升以及制造成本的降低,是降低光伏电站建设成本,并最终降低光伏发电成本的关键因素。
「前瞻碳中和战略研究院」聚焦碳中和领域的政策、技术、产品等开展研究,瞄准国际科技前沿,服务国家重大战略需求,围绕“碳中和”开展有组织、有规划科研攻关,促进碳中和技术成果转化和推广应用,为企业创新找到技术突破口,为各级政府提供碳达峰、碳中和的战略路径管理咨询和技术咨询。院长徐文强博士毕业于美国加州大学伯克利分校,二十余年来一直深耕于低碳清洁能源和绿色材料领域的基础研究、产品开发和产业化,拥有55项专利、33篇论文,并已将30多种产品推向市场,创造商业价值50+亿元,专注于氢能、太阳能、储能等清洁能源研究。
以上数据参考前瞻产业研究院《光伏发电行业技术趋势前瞻及投资价值战略咨询报告》。
行业主要上市公司:隆基股份(601012)晶澳科技(002459)晶科能源(688223)通威股份(600438)天合光能(688599)等
本文核心数据:光伏发电板块上市公司研发费用光伏发电相关论文发表数量
全文统计口径说明:1)论文发表数量统计以“solar pv”、“solar
photovoltaic”为关键词,选择“中国”、“论文”筛选。2)统计时间截至2022年8月29日。3)若有特殊统计口径会在图表下方备注。
光伏发电行业技术概况
1、技术原理及类型
(1)光伏发电行业技术原理
光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术,其发电原理如下。
(2)光伏发电种类
光伏发电一般分为两类:集中式发电和分布式发电,集中式发电主要为大型地面光伏系统分布式发电主要应用于商业/工业、建筑屋顶。
2、技术全景图:主要为光伏电池技术路线
光伏发电行业的产业链中游为电池片、电池组件和系统集成,其中各类光伏电池技术为重点技术路线。根据半导体材料的不同,光伏电池技术主要包括晶硅电池、薄膜电池以及叠层和新结构电池(第三代电池)。
晶硅电池是研究最早、最先进入应用的第一代太阳能电池技术,按照材料的形态可分为单晶硅电池和多晶硅电池,其中单晶硅电池根据基体硅片掺杂不同又分为P型电池和N型电池。目前应用最为广泛的单晶PERC电池即为P型单晶硅电池,而TOPCon、HJT、IBC等新型太阳能电池技术主要是指N型单晶硅电池。
薄膜光伏电池分为硅基薄膜电池和化合物薄膜电池,以铜铟稼硒(CIGS)、锑化镉(CdTe)和砷化镓(GaAs)等的化合物薄膜电池为代表。
叠层、新结构电池包括有机太阳能电池、铜锌锡硫化物电池、钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池等。
光伏发电行业技术发展历程:电池技术路线演变拉动
光伏发电行业技术发展主要是由光伏电池技术路线演变拉动的,从以硅系电池为代表的第一代光伏电池、到以铜铟稼硒(CIGS)、锑化镉(CdTe)和砷化镓(GaAs)等材料的薄膜电池为代表的第二代光伏电池,如今光伏电池技术已发展至第三代,第三代光伏电池技术主要包括有机太阳能电池、铜锌锡硫化物电池、钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池等,具有薄膜化、转换效率高、原料丰富且无毒的优势。
光伏发电行业技术政策背景:政策加持技术水平提升
近年来,我国出台一系列光伏发电技术及研发的相关政策,通过政策指导,行业加快光伏发电技术的推广和革新,促进光伏发电产业的快速发展。
光伏发电行业技术发展现状
1、光伏发电行业技术科研投入现状
(1)国家重点研发计划项目
据已公开的国家重点研发计划项目,2018-2021年我国光伏发电技术相关国家重点研发计划项目共计15项。
注:2019年未公布光伏发电技术相关国家重点研发计划项目。
(2)A股上市企业研发费用
光伏发电行业经过多年发展,产品相对成熟,但行业整体研发投入水平较高。从A股市场来看,2017-2021年,我国光伏板块上市公司研发总费用逐年增长,2022年第一季度,光伏板块上市公司研发总费用约281.13亿元。
2、光伏发电技术科研创新成果
(1)论文发表数量
从光伏发电相关论文发表数量来看,2010年至今我国光伏发电相关论文发表数量呈现逐年递增的趋势,可见光伏发电科研热度持续走高。截至2022年8月,我国已有18289篇光伏发电相关论文发表。
注:统计时间截至2022年8月。
(2)技术创新热点
通过创新词云可以了解光伏发电行业内最热门的技术主题词,分析该技术领域内最新重点研发的主题。通过智慧芽提取该技术领域中近约5000条专利中最常见的关键词,其中,光伏组件、太阳能、光伏板、太阳能板、光伏发电、太阳能电池板、逆变器等关键词涉及的专利数量较多,说明光伏发电行业研发和创新重点集中于光伏组件和光伏板等领域。
(3)专利聚焦领域
从光伏发电专利聚焦的领域看,目前光伏发电专利聚焦领域较明显,其主要聚焦于太阳能、光伏板、太阳能电池、光伏组件等。
主要光伏电池技术对比分析
从技术水平来看,硅、砷化镓、磷化铟、碲化镉和铜铟硒多元化合物(铜铟镓硒是其典型代表)是可选光伏材料中综合性能的最佳集合。而它们各方面性能的优劣,直接导致了目前光伏电池技术百花齐放的现状。
注:平均转换效率均只记正面效率。
光伏发电行业技术发展痛点及突破
1、光伏发电行业技术发展痛点
(1)硅基光伏电池:P型电池转换效率低
由于电池片的光电转换效率直接影响整个光伏系统的效益,因此光伏电池的光电转换效率十分重要,光电转换效率的提升主要依靠技术更新换代。现阶段,晶硅光伏电池面临着转换效率较低的问题,尤其是P型电池。
据德国哈梅林太阳能研究所(ISFH),PERC电池的理论极限效率为24.5%,PERC产线的量产效率已经达到23%,逐步逼近理论极限效率。
(2)薄膜电池量产转换效率低
薄膜光伏电池具有衰减低、重量轻、材料消耗少、制备能耗低、适合与建筑结合(BIPV)等特点,但薄膜电池面临着量产转换效率低的问题,性价比较低。
2、光伏发电行业技术发展突破
(1)N型电池技术突破P型电池极限转换效率
相较于P型电池,N型电池技术少子寿命高、无光致衰减、弱光效应好且温度系数小,转换效率更高。面临P型电池逐步逼近理论效率极限,N型电池技术能够突破P型电池的理论效率极限并达到更高转换效率。据中国光伏行业协会(CPIA),2022-2023年N型电池技术的平均转换效率就可以达到PERC电池的理论极限效率(24.5%)。
(2)钙钛矿电池可实现高转换效率
钙钛矿电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的第三代太阳能电池,钙钛矿材料的吸光能力强于晶硅材料,因此钙钛矿电池能够实现高转换效率。除了拥有高转换效率,钙钛矿电池还具备价格低、投资小、制备简单等优势。
光伏发电行业技术发展方向及趋势:降本增效
2022年8月,工信部五部门联合印发的《加快电力装备绿色低碳创新发展行动计划》,提出通过5-8年时间,在太阳能装备方面重点发展高效低成本光伏电池技术,包括推动TOPCon、HJT、IBC等晶体硅太阳能电池技术和钙钛矿、叠层电池组件技术产业化,开展新型高效低成本光伏电池技术研究和应用等。
可见,未来光伏发电技术将向着降本增效方向发展,一方面由于现有光伏电池逐渐逼近最高理论转换效率,因此更高转换效率的电池将成为光伏电池技术发展方向另一方面,光伏组件转换效率的提升以及制造成本的降低,是降低光伏电站建设成本,并最终降低光伏发电成本的关键因素。
「前瞻碳中和战略研究院」聚焦碳中和领域的政策、技术、产品等开展研究,瞄准国际科技前沿,服务国家重大战略需求,围绕“碳中和”开展有组织、有规划科研攻关,促进碳中和技术成果转化和推广应用,为企业创新找到技术突破口,为各级政府提供碳达峰、碳中和的战略路径管理咨询和技术咨询。院长徐文强博士毕业于美国加州大学伯克利分校,二十余年来一直深耕于低碳清洁能源和绿色材料领域的基础研究、产品开发和产业化,拥有55项专利、33篇论文,并已将30多种产品推向市场,创造商业价值50+亿元,专注于氢能、太阳能、储能等清洁能源研究。
以上数据参考前瞻产业研究院《光伏发电行业技术趋势前瞻及投资价值战略咨询报告》
1、《太阳能终端实战》(太阳能厂商专用书藉)
2、《太阳能直销员导购实务》(太阳能营销书藉)
3、《太阳热水器购用指南》(实用手册或促销品)
4、《太阳能世界》(全彩大型科普书籍)
5、《太阳能世界》、《太阳能终端实战》、《太阳能直销员实务》太阳能图片库光盘
6、《太阳能光伏发电实用技术》(缺货)
7、《太阳能利用技术》(缺货)
8、《太阳能热水器原理、制造与施工》(缺货)
9、《民用建筑太阳能热水器系统工程技术手册》(缺货)
10、《太阳能光伏发电技术》(缺货)
11、《太阳能热利用产业报告》
以上书目详细内容、价格及购买方式详见本网“太阳界书店”栏目。
光伏发电是利用半导体材料页面的少子安培效用而将光能立即变化为电磁能的一种技术性。这类技术性的重要元器件是太阳能电池。太阳能电池通过串连后开展封口维护可产生大规模的太阳锂电池组件,再相互配合上输出功率控制模块等构件就产生了光伏发电设备。
假如光源直射在太阳能电池上而且光在页面层被消化吸收,具备一定动能的光量子可以在P型硅和N型硅里将电子器件从化学键中激起,以至造成电子器件-空穴对。页面层周边的电子器件和空穴在复合型以前,将经由空间电荷的静电场功效被互相分离出来。电子器件向带正电荷的N区和空穴向带负电荷的P区健身运动。
太阳阳光照射在半导体材料p-n结上,产生新的空穴-价电子,在p-n结静电场的效果下,空穴由n区流入p区,电子器件由p区流入n区,接入电源电路后就产生电流量。这就是康普顿效应太阳能电池的原理。
太阳能发电量有二种方法,一种是光—热—电转换方法,另一种是光—电立即转换方法。光—热—电转换方法根据利用太阳辐射源造成的热量发电量,一般是由太阳能热板将所吸取的热量转换成蒸汽参数的蒸汽,再推动汽轮发电机发电量。前一个全过程是光—热转换全过程;后一个全过程是热—电转换全过程,与一般的火力发电厂一样.太阳能热发电量的不足之处是速度很低而成本费很高,可能它的成本最少要比一般火力发电贵5~10倍。
光伏发电是利用半导体材料页面的少子安培效用而将光能立即变化为电磁能的一种技术性。这类技术性的重要元器件是太阳能电池。太阳能电池通过串连后开展封口维护可产生大规模的太阳锂电池组件,再相互配合上输出功率控制模块等构件就产生了光伏发电设备。
包括晶体硅组件 非晶硅组件 以及化合物组件
就目前量产的情况来说 晶体硅的效率最高 电池片效率可达到18%以上(实验室效率不做为准)
化合物薄膜电池为新的研发热点 他具有成本低 弱光适应性强等优点 如碲化镉太阳电池、砷化镓太阳电池、铜铟硒太阳电池等,效率已接近晶体硅水平,发展前景不错
随便写了点 希望对你有帮助 还有疑问 可站内M我
这种再生能源每单位面积的输出功率密度低,所需要的面积大约为烧煤电站的20倍。因此,它不适用于像日本这样的小国由一家电力公司进行中央供电。这种发电应大规模在建筑物上使用,如住宅、工厂、学校和办公室的屋顶。在日本,白天用电量最高;在中午太阳电池的输出功率也最高,因此,这种发电技术最适合。根据日本环境报学中心进行的研究,在日本太阳能电池的市场潜力为1.34亿千瓦,相对应的市场规模为每年670万千瓦。在美国和印度,沙漠面积巨大,目前正在进行的计划是建造188兆(美国)或50兆瓦(印度)的光伏发电厂。由于世界上许多地区适用于大规模光伏发电,作为“新日照计划”的一部分,发展一种全球性的干净能源系统,即世界能源网(WENEF)正在进行中,该计划的目的是在这些地区实现中央光伏发电,用所发出的电使水分解产生氢,氢既可用做能源,又可用做蓄能和输能介质。从保护全球环境和能量生产角度看,实现这一计划很重要。
太阳电池可粗分为4类:单晶、多晶、化合物半导体和非晶。目前发电最常用且实际应用比例最高的应推晶体型。单晶型的光伏转换效率为15%,多晶型为13%,而非晶型为8%,目前正在研究如何提高效率的问题。