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太阳能光电——能源的未来式

AUniquePig2021-07-19 08:12:53

地球上所有的活动都是以太阳作为基础能量的,绝大多数现有能量来源都与太阳是间接相关的,比方说原油,其形成基本上是由于密闭的空间和特殊的条件所造成的(关于所谓生物遗体和植物形成的观点简直荒谬至极),但是造就这种反应环境的其实与太阳不无相关。又比方说普通的农作物作为人类能量来源的重要部分,主要是接受光合作用形成的。因此,可以说,太阳是地球能量的源泉。

近年来,太阳能作为一种可再生能源被利用起来,特别是中国的光伏产业发展大大降低了光电成本,许多农村也开始了装备太阳能作为电网和扶贫的一种补充。但是,实际上目前的光电转化效率只有15%左右,而且光电受天气的影响很大,无法持续稳定地提供能量来源,这也是一个重要的问题。但是,由于其环保性与安全性,依然被认为是未来能源的重要来源。

恰逢最近在写《原油》系列文章,抱着对太阳能发电的好奇心,我查阅了相关的资料。在此,也想对太阳能的发展进行介绍,并谈谈自己的看法。


1 太阳能发电的背景


能源一直是人类逃脱不掉的话题,其实,在工业革命之前,人类社会利用的最多的就是太阳能,因为人类是社会生产劳动的主要能量来源,而这些主要来自于人类的食物,包括植物和动物,而所有的植物和动物也都是依靠太阳来提供生长。所以,从这个意义上来说,人类利用太阳能已经很久了。

不过,随着社会的发展,这种低效、缓慢的能量传递方式已经不能满足快速的生产需求,人们希望能够直接将物质转化为能量,而不是通过漫长地转化。因此,在工业革命后的几个世纪,煤炭、原油、天然气悄然站上历史舞台,并成为了当今世界的三大能源。

但是,化石燃料的缺陷也是明显的,首先是能源分布不均衡,其次是污染问题,还有边际开发成本高。当能源需求越来越高的时候,这些问题就变得更加紧张,急需要解决。

当然,除此之外,还有水电、核能、风能作为补偿,但是水电和核能的问题在于安全性与生态保护的问题,风能相对比较好,安装成本也有所降低,但是有一个问题,很难小型化,对地理条件有所限制。

相比以上能源来说,太阳能的优势就比较明显了。但是也会有一些潜在的问题(后面会介绍)。自20世纪以来,人们就开始不断探索如何利用太阳能。

1)1839年,19岁的法国贝克勒尔做物理实验时,发现在导电液中的两种金属电极用光照射时,电流会加强,从而发现了 “光生伏打效应”; 

2)1877年W.G.Adams和R.E.Day研究了硒(Se)的光伏效应,并制作第一片硒太阳能电池。

3)1904年 爱因斯坦发表光电效应论文,为此在1921年获得诺贝尔奖;

4) 1930年 朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”,是太阳能变成电能;

5)1941年,奥尔在硅上发现光伏效应;

6) 1954 年 5 月美国贝尔实验室恰宾、富勒和皮尔松开发出效率为 6%的单晶硅太阳电池,这是世界上第一个实用的太阳电池。同年,威克尔首次发现了砷化镓有光伏效应,并在玻璃上沉积硫化镉薄膜,制成了太阳电池。太阳光能转化为电能的实用光伏发电技术由此诞生并发展起来。

7)1956年P.Pappaport,J.J.Loferski和E.G.Linder发表“锗和硅p-n结电子电流效应”的文章。

8)1963年Sharp公司成功生产光伏电池组件;日本在一个灯塔安装242W光伏电池阵列,在当时是世界最大的光伏电池阵列。

9)1986年6月,ARCOSolar发布G-4000———世界首例商用薄膜电池“动力组件”。

10)2004年世界太阳能电池年产量超过1200MW;德国FraunhoferISE多晶硅太阳能电池效率达到20.3%;非晶硅太阳能电池占市场份额4.4%,降为1999年的1/3,CdTe占1.1%;而CIS占0.4%。

11)截至2016年底,我国光伏发电新增装机容量3454万千瓦,累计装机容量7742万千瓦,新增和累计装机容量均为全球第一。其中,光伏电站累计装机容量6710万千瓦,分布式累计装机容量1032万千瓦。全年发电量662亿千瓦时,占我国全年总发电量的1%。


2 太阳能发电的分类


太阳能发电一般分为两类:光热发电和光电发电


A 光热发电


光热发现的原理是先将太阳能转化为热能,再将热能转化成电能,它有两种转化方式:一种是将太阳热能直接转化成电能,如半导体或金属材料的温差发电,真空器件中的热电子和热电离子发电,碱金属热电转换,以及磁流体发电等;另一种方式是将太阳热能通过热机(如汽轮机)带动发电机发电,与常规热力发电类似,只不过是其热能不是来自燃料,而是来自太阳能。

太阳能热发电有多种类型,主要有以下五种:塔式系统、槽式系统、盘式系统、太阳池和太阳能塔热气流发电。 前三种是聚光型太阳能热发电系统,后两种是非聚光型。


B 光电发电


光电发电是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式。 它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。 光伏发电是利用太阳能级半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能,并使之转变成电能的直接发电方式,是当今太阳光发电的主流。在光化学发电中有电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池,目前得到实际应用的是光伏电池。

光伏发电系统主要由太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器组成,其中太阳能电池是光伏发电系统的关键部分,太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。太阳能电池主要分为晶体硅电池和薄膜电池两类,前者包括单晶硅电池、多晶硅电池两种,后者主要包括非晶体硅太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池和碲化镉太阳能电池。

单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右,最高可达23%,在太阳能电池中光电转换效率最高,但其制造成本高。单晶硅太阳能电池的使用寿命一般可达15年,最高可达25年。多晶硅太阳能电池的光电转换效率为14%到16%,其制作成本低于单晶硅太阳能电池,因此得到大量发展,但多晶硅太阳能电池的使用寿命要比单晶硅太阳能电池要短。

薄膜太阳能电池是光伏发电的最前沿技术,主要原理是用硅、硫化镉、砷化镓等薄膜为基体材料的太阳能电池。薄膜太阳能电池可以使用质轻、价低的基底材料(如玻璃、塑料、陶瓷等)来制造,形成可产生电压的薄膜厚度不到1微米,便于运输和安装。然而,沉淀在异质基底上的薄膜会产生一些缺陷,因此现有的碲化镉和铜铟镓硒太阳能电池的规模化量产转换效率只有12%到14%,而其理论上限可达29%。如果在生产过程中能够减少碲化镉的缺陷,将会增加电池的寿命,并提高其转化效率。这就需要研究缺陷产生的原因,以及减少缺陷和控制质量的途径。太阳能电池界面也很关键,需要大量的研发投入。

光伏发电系统主要有四种类型:光伏离网系统(也称为独立光伏系统)、并网发电系统(应用最为广泛)、光伏与其他能源互补混合系统、太阳能应用产品(如太阳能充电器、太阳能各种灯具、光伏水泵等。)

针对光伏发电和光热发电的不同点,有以下部分需要注意:

1)发电成本:光伏发电的成本更低;

2)应用范围:光伏发电的应用范围较广,光热发电对地理条件要求高;

3)每年发电数:明显光伏发电的小时数要低得多;

4)污染:太阳能的优势就在于无污染,但是光伏发电的缺点确是有污染

5)转化效率:光伏发电的转化效率更低;

6)寿命:光伏发电的储能设备使用寿命相对短


3 产业化进程


A 光热发电


光热发电示范运行始于20世纪80年代,1984年美国加州建立了全球第一座光热示范电站SEGSI。1991年开始全球光热发展进入停滞阶段,直至2006年西班牙启动首个光热发电项目,全球光热发电开始复苏。目前,全球范围内已经掀起了新的光热投资和建设热潮,光热发电总装机规模持续上升。根据国际可再生能源署的统计数据,全球太阳能光热发电装载机容量已经达到了4652兆瓦,其中美国、西班牙处于行业领跑地位,超过全球总量的80%,印度、南非、阿联酋等国家相对靠前。

虽然中国目前在运行的装机容量很低,但是由于光热发电兼具环保性、稳定性等特点,中国已经意识到其巨大的发展潜力,在建装载机容量达到300兆瓦,处于全球第二位。

太阳能热发电示范项目名单


中国幅员辽阔,有着十分丰富的太阳能资源,陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50×1018kJ。从全国太阳年辐射总量的分布来看,西藏、青海、甘肃、新疆、内蒙古南部等广大地区的太阳辐射总量很大。

光热发电行业是国家未来扶持产业,政策支持力度大。早在2007年国家发改委发布的《可再生能源中长期发展规划》中,就把太阳能热发电明确列为重点和优先发展方向。

2016年,国家开始加大对太阳能光热发电行业的支持力度。3月份,《十三五规划》强调建设现代能源体系,积极支持光热发电,将实施光热发电示范工程列为能源发展重大工程,加快推进光热发电技术研发应用;9月份,国家发改委印发《关于太阳能热发电标杆上网电价政策的通知》,核定太阳能热发电标杆上网电价为每千瓦时1.15元,同时鼓励地方政府对太阳能热发电企业采取税费减免、财政补贴、绿色信贷、土地优惠等措施。随后,11月份的《电力发展“十三五规划”(2016-2020年)》预计2020年全社会用电量6.8-7.2万亿千瓦时,年均增长3.6%到4.8%,人均用电量5000千瓦时左右,接近中等发达国家水平,电能占终端能源消费比重达到27%;建成太阳能光热发电项目500万千瓦,预计市场规模达到1500亿元。

目前,国内该市场还是属于前期开发阶段,由国企和央企主导开发。未来还是有很大的发展前景。


B 光伏发电


据德国太阳能协会最新发布的统计数据显示,2016年全球光伏新增装机70GW,比2015年增长大约30%,至此,全球光伏装机总量达到300GW。在2016年的新增装机量中,中国贡献了34.54GW,与2015年新增装机量相比,同比增长了128%,累计装机容量77.42GW,新增和累计装机容量均为全球第一。全球光伏产业已经相对成熟,但是还是有很多问题需要解决。如近10年光伏组件的成本已经大幅下降,为光伏发电的增长提供了动力。

这主要得益于光伏组件价格近两年下降近25%,未来仍将显现下降趋势。已初步具备经济性,在全球多个地方已经低于传统电源成本,实现平价上网。上半年新增光伏发电装机容量24.40GW,同比增长9%,其中光伏电站7.29GW,同比减少16%,分布式光伏7.11GW,同比增长2.9倍;

从上表也可以看出,出口量同比增加30%左右的情况下,出口额却降低了10%左右,说明成本已经大幅降低。

展望未来,巴黎气候协议已经生效,预计将继续推动全球光伏产业的发展。这将进一步推动清洁能源的发展,而没有其他能源能够像太阳能一样如此普遍,同时又是可再生能源。到2050年,太阳能将会有可能成为全球主要能源

光伏发电的初始投资额比较灵活,所以试用范围比较广,但是也面临着不够稳定、发电时间短、转换效率低等问题,还有一系列技术问题亟待解决,但这改变不了太阳能成为未来重要能源的趋势。当未来能源需求进一步提高的时候,现有的转化效率已经不足以提供足够的能量,那么转化效率成为关键问题,其次是成本问题,虽然现在的成本已经下降了很多,但是未来还是有必要进行进一步降低,才能解决广泛应用的问题。

因此,未来光伏行业的主要技术突破点在于提高转换效率和产能并降低成本,其次是环保的问题,要解决光伏发电的污染问题。


4 一点思考


A 太阳能的问题


整个世界的能源是相互平衡的,世界上没有绝对的事情,太阳能在拥有清洁与应用方面的优势的同时,肯定也面临着一些潜在的问题,而这个问题似乎还没有被广泛的讨论过。

首先是光伏的污染问题,不过这都是次要的,可以通过技术的进步来解决。最重要的是生态问题,因为太阳能需要占据大量的陆地来进行阳光的吸收,如果大面积铺开,会对当地的生态环境造成影响(至于什么影响还不好说)。比方说现在把沙漠上全都装上光伏电池,那么整个地区可能会因为没有足够的光,温度会大幅降低,同时就会影响到农业生产与气候走向。


B 光热与光电,谁主沉浮?


光电与光热,究竟是光热具有后发优势,还是光电具有先发优势?现在都不好说。两者目前都有其各自显著的优势和劣势。

当然,这是一个比较难以回答的,未来不确定性太多。但是根据现有的情况,可以做一些基本的判断:

1)两种方式有可能都将会存在,因为地理环境的不同,决定了每一种方式都难以占到绝对的碾压式优势;

2)有一种发电方式将会成为主流,因为这既是处于成本的考虑也是处于最优化的考虑。

3)技术的进步在两种方式的角逐中将占据决定性的作用。


C 太阳能的命运


实际上,虽然上面介绍了那么多,其实太阳能并不一定就是未来的能源。核电同样需要关注,虽然其安全性值得考量,但是其效率不容忽视。

假设以下的情况:当电池的效率达到一定程度,那么电池甚至可以作为能量棒使用,电力传输可以告别电线。如此种种,都将是太阳能的强劲对手。