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太阳能光电技术发展的现状及前景

作者:LYLD.COM 2007-03-03

50年代研制成第一块实用的硅太阳电池、60年代太阳电池进入空间应用、70年代进入了地面应用,太阳能发电技术已历经了半个世纪。发展到今天,世界太阳电池组件的年产量达200MWP以上,已投入应用的各种太阳能光电系统的累计容量已超过1100Wp。

一、 国外太阳能光电技术的发展情况

首先,这些年来在太阳电池及其组件的制造枝术方面有了长足的进步。目前占主流的太阳电池是硅太阳电池,它又分单品硅人阳电池、多晶硅太阳电池(总称晶体硅太阳电池)和非晶硅太阳电池。此外,还有CaAs 太阳电池、 CdTe太阳电池和CuInSe2 (CIS)太阳电池等。单晶硅太阳电池组件的平均效率己达到3%一15%, 实验室最高效率已达到2个4%(澳大利亚新南威尔士大学)。多晶硅太阳电池组件的平均效率也有12%一14%儿实验室最高效率己达到19.8%。由于生产规模扩大,生产工艺的改进,晶体硅太阳电池组件的制造成本已降到3.0~3·5美元/wp,组件的售价也相应降到3.5一4.5美元/Wp左右,光电系统成本约为7~9美元/Wp 对于非晶硅太阳电池由于其稳定性问题长期得不到解决,一度曾放慢了开发速度。然而近来由于引入了引C之类的功能材料和研制成了叠层非晶硅电池,其稳定性得到了显著的改善,重新获得了人们的重视。目前单结非晶硅太阳电池的光电转换效率稳定值已达到5%~7% ,实验室最高效率为13.2人多结电池为7%~9%,实验室最高效率为15.3% 单结非晶硅电池组件原材料成本0.3美元/Wp,售价3.0一3.5美元/WP;多结电池组件的成本差别较大,售价为3.5~4.5Wp。

在新型电池方面,瑞+Michel Graetzel博士发明了有机纳米晶太阳电池。这种电池由于具有潜在的高效低造价前景而引起了人们的广泛关注。然而,就现有的研究趋向来看,光电界的主要兴趣仍集中在晶体硅薄膜太阳电池的研究上,并已取得了不同程度的进展。 1995毛澳大利亚太平洋能源公共场所司宣称已研制 成一种晶体硅薄膜太阳电池,拟在7年时间内实现产业化,建立20MWp生产线,届时电池成本将降到1澳元/Wp以下。

与此同时,太阳能光电技术应用系统方面,在历经了交通信号、通信、管网保护和边远无电、缺电地区的居民家庭供电等方面的特殊场合应用以后,现在正在迈向较向较大规模的商业应用。一方面,兆瓦级阳光电站不断出现,在已建成兆瓦级电站中,最大的已达到6.5MWp(美国加州)。目前正在建造阳光电站规模达到50MWp(希腊克里特岛),而准备建造的更大的阳光电站规模将达到100MWp(美国);另一方面,近年来许多国家的政府都非常重视屋顶阳光发电系统的发展。这些系统以家庭为单位进行安装供电,同时为了降低造价省去储能部件(蓄电池),与大电网相联,互相补充电能。1990年德国政府率先推出“一千屋顶计划”,至1997年已完成近万套屋顶系统,每套容量1~5KWp,累计安装量已达33MWp。1998年德国政府进一步提出了10万套屋顶计划,今年将完成0。6万套。日本政府1994年开始实施“朝阳七年计划”,到2000年将安装16.2万户屋顶系统,总容量达185MWp,1997年又再次宣布实施“七万屋顶计划”,每套容量扩大4KWp,总容量为280MWp。意大利1998年也开始实行“全国太阳能屋顶计划”,将于2002年完成,总投入5500亿里拉,总容量50MWp。甚至印度也于1997年12月宣布在2002年前推广150万套太阳能屋顶系统。

在这类系统中,最典型的是1997所6月美国总统克林顿宣布的美国“百万太阳能屋顶计划”,按照这一计划,到2010年美国将安装101.4万套太阳能住宅和建筑光电系统,总安装量将达到3025MWp。届时每年CO2排放量将减少351万吨,其主要指标见下表。

根据美国世界观察研究所的研究报告,进入90年代以业,太阳能光电主品的市场销量以年均16%的辐度递增,1997年的增同近40%.1998年,增辐虽然有所回落,但仍有29%的增长,太阳电池组件的总销售量达到157.4MWp,已成了全球发展速度最快的能源.根据HOTOVOLTAIC Insider's Report,自1993年以来,世界光电组件发货量的增长情况见表二.1997年和1998年世界光电组件生产情况见表三.

据估计,目前世界太阳电池组件市场的价值已达6亿美元以上,而整个光电系统市场的价值为15亿美元.

自1993年以来,美国太阳能光电技术的发展,一直处于世界领先地位,1998年总销售量为58.2MWp,占世界总量的37%.因此美国的发展计划具有代表意义,表四列出了美国1996制订的光电发展计划.

根据加拿大矿物和能源技术中心(CANMET)的国际太阳能光电市场研究报告预测,到2010年,光电组件总销售量将达到0.8-1.0GWp(1000MWp).澳大利亚国立大学的一项研究报告预测,世界太阳电池销售量将保持每年20%的速度增长,到2010年总销售量将达到1.6GWp.此外有人作过更乐观的估计.在今后十年内将以平均30%的速度增长,到2010年将达到4.6GWp,累计容量将达到20GWp.到下世纪中叶,阳光发电量将占世界总发电量的15%~20%,超过核电,成为人类的基本能源之一。图一是NREL按太阳电池发展规划所作的1990一2030年太阳能光电j统的电价竞争力。

在这样的发展态势下,尽管现有的太阳能光电的成本远高于常规电源,近期内阳光发电产业的利润十分微薄,有的公司甚至赔本经营,但下个世纪的市场前景已明确地展现在人j的眼前。一些大的国际对团,如西门子公司、荷兰壳牌石油公司、英国BP公司、美国阿莫科石油公司、阿料石油公司、安然天然气公司等都相继介入这一领域,竞相开发与制造大1电池及其相关产品。其中壳牌公司、BP公司和西门子公司的太阳电池生产能力均己超,10MWp,正在逐步控制世界太阳能光电市场。

二、国内太阳能光电技术的发展情况

我国的太阳能允电技术自70年代以来也有相应的发展。现有主要生产厂有六家:宁波太阳能电源厂、云南半导体器件厂,秦皇岛华美光电设备总公司、哈尔滨一克罗拉太阳能电力公司,深圳字康电子有限公司。

目前国内生产的太阳电池组件年销售量为2.5一3. 0MW。,单晶硅太阳电池的效率已达到12%一14%,实验室效率最高为20人草结非晶硅电池的稳定效率为5.0%~ 5.5%,实验室最高效率为8.35%(南开大学),单晶硅太阳电池组件制造成本为30~35元/WP,市场售价42叫元/WP;单结非晶硅太阳电池组件的原材料成本约为3元川。,售价为为24元/儿。历年来太阳能光电系统的总安装容量在10MW。以上,多数用于交通信号、通信和阴极保护等方面,纠占60%以上,其余用于我国西部和西北部阳光资源比较丰富的迫远地区,如新疆、青海、甘肃、西藏和内蒙古等省区供1民家庭用电。这些家用小隶统的功率多在50W。以下,估计生国己有10万套以上。现有最大的阳光电站容量为100kWp(西藏安多)。并网屋倾光电系继也已起步,在深圳和北京分别安装了17kWp和7kWp.

根据电力部制定的1996~2020年国家太阳能光电(PV)发展计划,我国在2000年和2020年太阳能先电总容量将分别达到66MWp和300MWp,其中家用阳光电源分别为15MWp和50Mwp。在联网阳光电站建设方面,计划2000年完成二座500KWp的阳光电站, 2020年前建成5座兆瓦级阳光电站

以上可见,我国的太阳能光电发展也相当快,但与国外一些国家相比,其发展速度实在不尽如人意, 1998年,我国太阳电池组件的销售量为3.0一3. 5MWp,仅占当年世界总销售量的2%左右,多晶硅太阳电池及组件的规模生产尚属空白。应用系统的商品化程度很忧实验室的研究工作与国际先进的水平差距正在扩大。总之,无论是太阳电池组件,还是阳光发电应用系统,与国外先进国家相比,在研究和开发水平、产业化规模,商品化程度上上匀有根大的差距。

我国有960万km2白土地,其中有2/3地区年日照时数在2200h以上,具有丰富的阳个资源,我国有12.5亿人口,其中还有近0.6亿人生活在无电地区。目前我国的年消费量约为15亿吨标煤,其中煤炭占75%以上, 由于燃煤造成的烟尘排放量和CO2排放量均在2000万吨左右。至2020年,预测我国能源的年需求量将达到30~ 40亿吨标准煤,环保问题比较突出。因此,无论从当前来看,还是从长远来看在我国都存在着巨大的太阳能光电市场。

出于对全球环境问题的关心和商业上市场竞争的需要,世界银行和国外的一些大公司都热衷于开拓中国的光电市场。最近在GEF/世界银行中国可再生能源商业化发展促进项目技术讨论会上商定:世界银行将向中囚提供总额相当于1亿美元的贷款和总额相当于3500万美元的GEF信托基金赠款。赠款中的2200万美元用于补贴光电项目, 1000万美元用于包括光电和风电的技术开发项目。这一项目经国务院批准后,将由国家经贸委组织执行。另外,联合国开发计划署/全球环境基金加速中国可再生能源商业化能力建设项目己开始执行,该项目的总资金额为1583 万美元。这些年来,日本、美国和欧盟一些国家的政府和公司都以不同的规模向我国赠送过示范光电系统。毫无疑问,国外这些活动促进了我国光电事业的发展,但是,我们应该清醒地看到,如果不积极发展我国自己的光电产业,那么我国现有的小得可怜的光电产业很可能会在激烈的国际竞争中被吞并或淘汰,从而损失掉潜在的巨大的国内外市场和商业利润。

三、几点建议

面对如此严峻的挑战,我们国家该怎么办?

象我国其他行业一样,首先人们拌会期望由国家制订强有力的扶助政策,积极鼓励我国的一些大对团如国家电力公司和一些石油公司等尽快介入太阳能光电领域,重组现有的光电企业,引进国外先进设备和技术,建立10MW级太阳能电池组件生产线,去适应国际竞争的需要。

这确是一条途径,但当前实施起来可能会比较困难,其原因是由于太阳能先发电成本远高于常规能源而不可能在近期内有校高的商业利润,其真正的得益要等到2010年,甚至2020年以后。

再者,根据现有的技术,阳光发电设备(主要是太阳电池纽件)的生产成本,其规模效应非常明显,没有5一10MW,以上的生产规模难以获利;此外一些配套工业,如硅原材料生产也需要巨额投资。根据我们国家现有的能源布局和财力情况,没有特别的社会发展(如环保等)方面的理由,政府和企业家都很难决策化几亿甚至几十亿元人民币去组建一个十年甚至二十年后才能有高额回报的企业。

另一种考虑是现有的太阳能光电技术尚存在相当大的缺陷,在太阳电池的光电转换效率等方面的性能,特别是电池组件的造价和光电系统发电成本,欲与现有的常规能源相竞争还有大的差距,这一行业在技术上远没有达到究美成熟的地步。这就给我们一个会,就是说只要我们能另辟奚径,研制出低造价高性能的新颖丈阳电池和阳光发电装置,我们就有可能以较低的投入和较短的时间达到较高的发展水平。然而,由于某些原因,这种考虑也不现实。

目前,比较现实的考虑仍然是延用自“六五”至“九五”所采用的思路,即沿着国外走过的技术路线,发展我国的太阳能光电技术。以上继基点,对我国“十五”光电计划提出以下几点建议:

降低晶体硅太阳能电池的制造成本。目前列论在国际上,还是在我国,晶体硅太阳能电池组件的产量一直占太阳电池组件总产量的80%以上,因此继续改进现有晶体硅太阳电池制造技术,降低其造价仍应作为“十五”期间的科技攻关重点。
近年来,国外已研制成多结(叠层)非晶硅太阳电池,使非晶硅太阳电池的稳定性有了大辐度的改善,效率也有明显提高,而我国至今仍然只能生产单结非晶硅太阳电池。因此“十五”期间开发多结非晶硅太阳电池并努力实现产业化也是十分必要的。
在光电应用系统中,“十五”期间应重点开发屋顶太阳能光电系统。这类系统,特别是不需要存储部件的并网系统,有不少优点,它是太阳能光电向常规能源发展的必径之路。同时还应继续开发风——光互补系统和光电水泵系统。
积极发展各类薄膜太阳电池和其它新型太阳电池。这方面的研究是大幅度降低太阳电池成本的希望所在。

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