光伏發(fā)電技術-中國能源環(huán)境高峰論壇課件

1、賀 詞 各位專家、各位嘉賓、各位代表、各位媒體：上午好！ 在黨的十八大即將召開之際，我們迎來了第五屆中國能源高峰論壇的隆重召開，借此機會，請允許我向全體會議代表、全體與會人士表示最誠摯的問候，以及對大會的舉辦者的辛勤勞動表示最高敬意。 我很高興能有機會與各位同人聚集一堂，共同探討能源問題，能源是關乎經濟發(fā)展和國家安全的戰(zhàn)略問題，中國作為最大的發(fā)展中國家，同時也是能源主要消費大國，能源問題是關乎經濟發(fā)展和國家安全的重大問題。如何保障能源安全，構建合理的能源結構，是中國經濟可持續(xù)發(fā)展需要決策的重大戰(zhàn)略問題。因此，會議的召開對中國乃至世界能源現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展都有重要的意義。 太陽能作為分布廣泛儲量

2、巨大的新興綠色能源，近年來得到了廣泛的重視，我希望在論壇期間，可以和各大專家學者就太陽能能源現(xiàn)階段發(fā)展狀況和未來發(fā)展趨勢進行深入討論與研究，將太陽能更好的應用于解決能源問題的過程中，最大限度的解決人類對能源需求。 下面我將對太陽能如何發(fā)展貢獻一點意見。在我講演以前，首先預祝本次大會圓滿成功。第三代光伏發(fā)電技術已取得重大進展中國科學院理論物理研究所何祚庥摘要：光伏發(fā)電技術，已由第一代晶體硅發(fā)電技術，第二代薄膜發(fā)電技術，轉向第三代“低倍聚光+高效硅基聚光電池”技術，未來可能轉向第四代“高倍聚光+砷化鎵聚光電池”技術。當代光伏產業(yè)必定向低倍聚光發(fā)電技術發(fā)展。 原因是：1）一塊晶體硅可發(fā)出多倍電力，可

3、大幅度降低發(fā)電成本。2）聚光將大幅度抵消光轉化率較高，但每瓦售價也甚高的光電池，在市場銷售上的劣勢，可大幅度提高單位占地面積的發(fā)電量，大幅度節(jié)約土地使用成本。 已證明正在運行中的小型光伏電站的光電轉化可高達24.5%，每平方米發(fā)電60W/m2。3）低倍聚光各有關技術，如聚光漏斗、支架、跟蹤、散熱等技術，已完全成熟。其4倍聚光光伏組件已下降到5元/瓦，16倍聚光將下降到4元/瓦，正在研發(fā)中的8倍聚光將下降到3元/瓦。 4）預計未來出現(xiàn)的1620倍聚光的水上“太陽能睡蓮”技術，其光伏組件將下降到2元/瓦。低倍聚光技術的最大難點是散熱。水上“太陽能睡蓮”既能有效地解決散熱困難；又能大幅度節(jié)約陸上土地

4、。 （一）何謂“第三代”光伏發(fā)電技術？ 第一代光伏發(fā)電技術=晶體硅光伏發(fā)電，有單晶硅和多晶硅的差別。優(yōu)點是光電轉化率較高，缺點是售價較貴，生產多晶硅耗能較多，也容易污染環(huán)境。 第二代光伏發(fā)電技術=花式品種繁多的薄膜電池，優(yōu)點是材料用量少，售價較低，重大缺點是光電轉化率只有晶體硅的一半，占地面積也較多。主要品種有1）非晶、納米晶、微晶等硅薄膜，2）CIGS即銅銦鎵硒組成的薄膜， 3）TeCd碲化鎘薄膜 。 為克服“第一代”，“第二代”光伏發(fā)電技術“固有”缺點，人們相繼提出發(fā)展“第三代”光伏發(fā)電技術許多設想。 2003年M. A. Green在撰寫了第三代光伏發(fā)電一書，主張發(fā)展一些“新型”電池。

5、在中國發(fā)展的“第三代”光伏發(fā)電技術=“太陽能煉硅+跟蹤+低倍聚光+高效聚光硅電池”。 這首先是因為新提出的理念，是要進一步提高光伏電池的“單位面積”的發(fā)電量，降低“單位面積”發(fā)電成本；尤其是太陽能發(fā)電要多“占地”，“地價”已成為影響發(fā)電成本的重要因素！于是人們就希望引入新“元素”，從半導體技術，轉向現(xiàn)代光學，無光像的自適應光學。 如果引入現(xiàn)代光學，引入“跟蹤+聚光”，有可能用一塊單晶硅，或售價較貴的“多結”的單晶硅，發(fā)出“多倍”電量；有“可能”用成本較低廉的光學聚光元件，取代、減少使用代價較昂貴的半導體材料和半導體加工技術。 2）聚光可以多發(fā)電，這是愛因斯坦光電定律的常識；聚光的前提是跟蹤，這

6、是現(xiàn)代天文望遠鏡已解決的問題?！熬酃?跟蹤”就成為進一步降低成本的“第三代”光伏技術的最主要特征。 “太陽能”聚光有許多特殊要求。首先是為適應太陽光在空中不斷移動，人們相繼提出許多新的光學課題：例如，a）如何將移動中的太陽光“均勻”地聚集在某一面，讓光電池更有效地發(fā)生電力；光學就從成像光學走向無光像光學。b）如何既聚集來自太陽的直射光，又聚集相當部分的散射光，增加光電池接收的光量；無光像光學就由簡易的窄角聚光走向廣角聚光。 c）所聚集的，不僅是正射的光線，還包括斜射的光線；聚光理論就從在軸聚光，發(fā)展為斜軸或偏軸聚光。d）技術上還要應用和發(fā)展自適應光學的許多技巧，如何因地、因時不斷追蹤陽光，將陽

7、光聚光到某一固定便于應用的方位，如此等等。 這一由理論物理研究所陳應天研究員發(fā)展的無光像的自適應光學，還在其它領域有許多許多應用，如可制作聚光15000倍，可冶煉高純度的多晶硅，可融熔一切難熔金屬的太陽爐，等，當前首先是應用到光伏發(fā)電、光熱發(fā)電。 3)為什么“高效硅基聚光電池”也是“第三代”光電發(fā)電技術的一大“特征”？ “高效”可提高單位面積發(fā)電量，“高效”可大幅度降低每瓦“聚光+跟蹤”成本；而“聚光”不僅可成倍增加光電池的發(fā)電量，“聚光”還能提高光電池的轉化率。理論分析表明， 聚光電池輸出功率入射光強ln（入射光強/單位光強） 下面是美國國家可再生能源實驗室所提供的最新有關太陽能光伏電池發(fā)電

8、效率的一張簡圖： 從這一圖片可以很清楚地看出，a）用砷化鎵制作的光電池的轉化率，遙遙領先于各類光電池。2011年“多結+418倍聚光”的轉化率更上升到43.5%。由砷化鎵薄膜制成的光電池，也做到了28.2%。 b）居于第二位是硅基光電池。其單晶的轉化率由歷史上的17%上升到25.0%，其“單晶+92倍聚光”的光電池轉化率，已上升到27.6%。但“多晶”硅光電池卻緩慢上升，十年來僅停留在20.3%，遠遠落后于“單晶+聚光”的硅光電池。但是，除異質結硅電池可高達23.0%外，至今未見有“多結”硅基光電池的報導。 c）緊隨晶體硅光電池之后的是銅銦鎵硒，其實驗室中的薄膜轉化率已高達20.4%；其次是碲

9、化鎘薄膜，實驗室效率是17.3%。 但如果將CIGS薄膜電池和“單晶+聚光”硅基光電池做一比較，其實驗室里的轉化率仍遠遠落后于硅基聚光電池的27.6%！再認識到，薄膜電池生產線的投資約是晶體硅的10倍，大面積的薄膜電池轉化率的提高，在技術上有原則性的困難；而相反，聚光電池的光電轉化率正在不斷提高，“4倍聚光+跟蹤”技術已相當成熟，其“聚光+跟蹤”花費的“代價”，已證明要比晶體硅電池“低出”很多，其光學成本還有大幅度降價空間。 d）國外更看好的是“跟蹤+高倍聚光+高效砷化鎵聚光電池”的技術路線。理由是砷化鎵有更高的轉化率，這當然十分有理。但砷化鎵的市場價格太貴，必需用到高倍聚光才有經濟效益，而高

10、倍聚光技術難點不少！尤其是“散熱+抗風”。而且，我們從原則上還看不出，高倍聚光如何能“既聚集直射光，又聚集散射光”。實驗表明，即便是陽光明媚的高原地區(qū)，散射光仍占到15%，通常是散射光占總光量的30%40%。兩者相較，我們更贊成發(fā)展低倍聚光。 當代最有希望的，有可能和火力發(fā)電、核能發(fā)電相競爭的技術，是“太陽能煉硅+跟蹤+低倍聚光+高效硅基聚光電池”，或稱為“第三代”光伏發(fā)電技術。 4）“第三代”光伏發(fā)電技術另一“特征”是“綠色”。 當前人們對光伏產業(yè)的發(fā)展，有不少質疑，工信部就認為光伏產業(yè)從高純硅的提煉到光伏組件的生產，有不少“環(huán)節(jié)”屬高耗能、高污染的行業(yè)。而太陽能煉硅就不僅可少耗能，而且沒有

11、污染，已在2011年第7期的物理學報Vol.60,No.7(2011)078104，寫了一篇題為強輻射催化法提純多晶硅正式發(fā)表的論文。 為什么“第三次”光伏技術能大幅度節(jié)約多晶硅，而且是綠色技術？原因是： a）跟蹤：這將使多晶硅的用量減少30%40%。 b）聚光：4倍聚光，尤其對“直射光”的聚光，可將硅材料、非硅材料的每度電“耗能”下降到原有的1/4。 下面是4倍聚光漏斗和散熱片的一組照片： c）高效聚光硅基電池：硅電池的轉化率越高，所消耗的多晶硅就越少。目前用的是美國Sun Power公司供應的轉化率為22%的n型硅基聚光電池。如前所述，在聚光條件下，聚光電池，會出現(xiàn)對數(shù)式非線性增長。4倍聚

12、光導致開環(huán)電壓增長了10%！這一n型光電池就呈現(xiàn)出24.5%的轉化率！ d）在所有上述介紹的“綠色”技術中，最重要的是太陽能煉硅。 5）上述“第三代”光伏發(fā)電技術，或“綠色”發(fā)電技術，已有一個演示的“窗口”，也就是在甘肅省武威地區(qū)已建成的“4倍聚光+轉盤式跟蹤”，峰值功率為1兆瓦的小型光伏電站。下面是這一電站的圖片：上述光伏電站已穩(wěn)定持續(xù)運行了2年。 2011年9月，在距北京市180公里的內蒙古多倫地區(qū)又建設一組示范電站。已選擇其中兩個轉盤（峰值功率為100千瓦）每天紀錄發(fā)電量，長期在綠色電力網上公布。下面是2012年3月11日16:00的一個發(fā)電紀錄： 內蒙多倫低倍聚光雙軸跟蹤光伏電站內蒙古

13、2012-03-11光伏裝機容量：100.00kW當前發(fā)電功率：33.96kW今日總發(fā)電量：710.80kWh總累計發(fā)電量：53.58MWh二氧化碳減排量：56.12T并網日期：2011-9-16（二）總計中國科學院理論物理研究所陳應天項目研究員獨立自主研發(fā)的4倍聚光+跟蹤+n型光伏電池轉盤式發(fā)電技術。已做到的指標是： 1）峰值功率售價低?，F(xiàn)在就已做到，工信部發(fā)布的“十二五”太陽能光伏產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（征求意見稿），所提出的“2015年光伏系統(tǒng)成本下降到1.5萬元/千瓦的目標”。 新改進的4倍聚光漏斗，還能聚集部分散射光，成本又下降5%。 2）單位峰值功率發(fā)電量多。 由于采用三大技術：a）跟蹤，直

14、射光的發(fā)電量將增加30%35%；b）4倍聚光導致的非線性增長，（注：聚光將導致開路開環(huán)電壓呈對數(shù)性增長），將增加10%；c）強有力的均勻散熱，視當?shù)貧鉁睾铜h(huán)境，將增加10%15%。由以上這三種因素的乘積，青海格爾木，已建造了峰值功率為200千瓦的小型光伏電站，每瓦發(fā)電量將是1.651.31.11.1=2.6度/瓦，在采取進一步改進措施后，可能上升到2.8度/瓦。 3）發(fā)電成本低。由于單位峰值功率售價低，而且發(fā)電量多，已做到在內蒙古多倫地區(qū)加上“聚光+跟蹤”技術后，按10年回收期計算的發(fā)電成本，將下降到0.7元/千瓦時。如果撇開勞動力成本、運輸成本等地區(qū)差別因素，在青海省將下降到0.72000/

15、2600=0.54元/千瓦時。 4）單位面積發(fā)電量高。下面是各類清潔能源占地簡表：太陽能光伏發(fā)電：“4倍聚光+跟蹤”， 5060W/m2；平板式晶體硅， 3040W/m2；各類薄膜電池， 1520W/m2；太陽能槽式熱發(fā)電；10W/m2。核 能：10W/m2，（是否為清潔能源，現(xiàn)在有爭論）；風 能：5W/m2； 5）太陽能是最便于實現(xiàn)和水能互補的新能源。 6）新發(fā)展的4倍聚光發(fā)電，還是最適合于在“同一”地區(qū)實現(xiàn)風、光互補的發(fā)電技術。 7）新發(fā)展的“4倍聚光+跟蹤”的光伏發(fā)電技術，也是和環(huán)境友好兼容的技術。 （三）“第三代”光伏發(fā)電技術能否在中國實現(xiàn)“平價上網”？ 在中國實現(xiàn)光伏發(fā)電“平價上網”

16、有一個特殊困難，中國的火力發(fā)電成本，比發(fā)達國家低很多。中國已公布的包含補貼的光伏發(fā)電上網電價，1.0元/度電，而平價上網就至少要降到0.40.5元/度電！ 1）新出現(xiàn)的一個亮點是，這一“4倍聚光+跟蹤”的光伏發(fā)電技術，非常易于在水面實現(xiàn)“太陽能睡蓮”。其最大優(yōu)點是，可利用聚光漏斗的“浮力”取代支撐跟蹤漏斗的構架，大幅度節(jié)約鋼材。聚光漏斗將常年浸在水中，極易散去聚光時產生的巨大熱量，可又增加約10%20%的發(fā)電量。至于水波起伏，定向跟蹤等技術問題，不難用錨、舵，將聚光漏斗改為廣角聚光等技術來解決。現(xiàn)在這些技術難點均已初步解決，已做出設計，下面是這一設計的示意圖： 為解決許多地區(qū)土地價格過高，其最

17、簡單的措施是，大力發(fā)展更為價廉物美的水上“太陽能睡蓮”技術。 陳應天教授曾做過一個試驗，將聚光漏斗放在水下15厘米深處，歷時6個多月，在漏斗內沒有發(fā)現(xiàn)絲毫水汽！ 下面是聚光漏斗浸水實驗的照片：2）其實，在國外已有類似設想。下面是國外設想的太陽能睡蓮的照片。圖：兩個美麗的漂浮在水面的太陽能睡蓮 又據2011年11月9日經濟日報報導： 新加坡經濟發(fā)展局日前宣布，計劃明年在西部地區(qū)的登格水庫進行水上太陽能光伏浮島試點項目，預計2013年完成。 3）北京地區(qū)的密云水庫、官廳水庫、十三陵水庫，共有250平方公里的水面，加上天津的水庫，共約有400多平方公里的水上面積。如以每平方米發(fā)電50W/m2計，40

18、0平方公里的水面可裝機2000萬千瓦之多。北京郊區(qū)土地售價，已高達30萬元/畝。為解決土地價格過高問題，北京市和天津市走向綠色城市的方向之一，是大力發(fā)展水上太陽能睡蓮。 在中國有許多水面可以建設大型、超大型光伏電站。中國的青海湖、鄱陽湖，太湖和洪澤湖，其面積均超過4000平方公里。中國大理有極好的太陽能資源，而地處云南大理市的洱海，其水面約為250平方公里。中國有80000平方公里的湖泊。中國的渤海灣實際上是中國的內海，水面超過20000平方公里。僅渤海灣就可以放置功率為10億千瓦太陽能睡蓮。 4）新出現(xiàn)的技術思維，是將4倍聚光改為6倍聚光，但光漏斗造價并不顯著增加。下面是用無光像聚光理論設計

19、的6倍聚光漏斗： 此漏斗也可放在水中成為水上漂。 應用這一新型聚光漏斗，在內蒙古地區(qū)，河北豐寧地區(qū)等荒漠地發(fā)電成本，有望下降到0.7元/1.4=0.5元/度電。而如果將這一“6倍聚光+跟蹤”的發(fā)電技術，移用于“太陽能睡蓮”，這將是比陸上發(fā)電成本更低的發(fā)電的技術。中國的東部、南部，其太陽能資源一般屬三類地區(qū)，年發(fā)電約10001500小時。但這一地區(qū)有大片水面可以大量放置水上電站，有大片水面可建設大、中、小型各式各樣的抽水儲能電站，同時也能就近在水庫里建設水面光伏電站。 所以，這一“6倍聚光+跟蹤”的“太陽能睡蓮”，以及今后有待發(fā)展的“8倍、10倍，等低倍聚光+跟蹤+水上太陽能睡蓮”的發(fā)電技術，有

20、望在中國的東部、南部地區(qū)，廉價地實現(xiàn)光能、水能“就近”互補，做到平價上網。 5）前一時期，工信部正式頒布的“十二五”太陽能光伏產業(yè)發(fā)展規(guī)劃。已正式規(guī)定： “計劃到2015年，光伏組件成本下降到7000元/千瓦，光伏系統(tǒng)成本下降到1.3萬元/kW，發(fā)電成本下降到0.8元/kWh，到2020年，光伏組件成本下降到5000元/千瓦，系統(tǒng)成本下降到1萬元/kW，發(fā)電成本達到0.6元/kWh”。 不難看出，這里介紹的“第三代”光伏發(fā)電技術，完全有望達到、超過規(guī)劃所規(guī)定的2020年的各項技術指標。 問題是如何全面落實這一新興技術的產業(yè)化。 進一步要解決的重大問題，是如何太陽能光伏發(fā)電成本，下降到0.3元/

21、度電，從而徹底解決人類未來所需能源問題。這主要解決以下三個重大問題： a)進一步將低倍廣角聚光技術，發(fā)展為在水上跟蹤的中低倍（如820倍）廣角聚光技術，（注：制約中低倍聚光技術的最大難題，散熱問題，可在水中獲得完全解決?。┻M一步大幅度降低光伏組件每瓦售價； b)大力研發(fā)高效硅基多結聚光電池和廉價高效的砷化鎵薄膜電池，進一步大幅度提高光伏電池的單位面積發(fā)電量； c)大力研發(fā)“ 光伏發(fā)電+水能+風能+其它能源+抽水儲能電站+天然氣或頁巖氣燃氣發(fā)電站 ”相配合的大中小型分布式發(fā)電體系，首先解決我國目前最緊迫需要的高峰用電短缺，將來逐步取代基本電力。當然，我們也很歡迎其它大功率、長壽命、高效儲存電能技

22、術的出現(xiàn)。 歡迎社會公眾，歡迎科學界，歡迎到會的院士、專家學者們，共同合作推進這一新型的“低倍聚光+跟蹤”的光伏技術。徐錠明同志： 最近中國光伏產業(yè)已陷入全面危機，而如果歐盟通過征收的“雙反”稅率和美國一樣，高達30%-220%，那么中國的光伏企業(yè)將面臨滅頂之災！ 但據我們所知，美國征收的高稅額，僅針對“平板式”單晶硅和多晶硅技術，并不對各類薄膜技術、聚光技術，征收高額稅率。估計歐盟也將采取類似政策。所以，一個挽救中國光伏企業(yè)的重大方向是，利用已有廉價P-型多晶硅、單晶硅，迅速轉向發(fā)展適用于廉價的P型電池低倍聚光技術。 過去，我們一直強調用轉化率較高的N-型光電池來實現(xiàn)4倍聚光。原因是用N型電池聚光，其成本較P型更低。而如果改用轉化率較低的P型光電池，其發(fā)電成本仍可做到比平板光電池略低或相當。其重大優(yōu)點是：可以回避歐盟和美國推行的高額“雙反”稅率。 我國99%以上的光伏企業(yè)，均是P型電池。世界各國的光伏企業(yè)除少部分是薄膜電池外，絕大多數(shù)也是P型電池。國外只有少數(shù)企業(yè)，如Sun Power，能供應轉化率較高的N型電池。 但是國外P型光伏企業(yè)會受到國外的保護，而我國將蒙受巨大損失！據我們所知，國內各生產P型光電池企業(yè)，在近期尚不能轉向生產真正高效而廉價的N