太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與展望

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與展望

0太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展太陽能是一種清潔的可支配能源。太陽能開發(fā)利用的巨大潛力推動(dòng)著太陽能光伏發(fā)電技術(shù)不斷向前發(fā)展。1893年,法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應(yīng)”,即“光伏效應(yīng)”。1930年,朗格首次提出用“光伏效應(yīng)”制造“太陽能電池”,使太陽能變成電能。1954年,恰賓和皮爾松在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制成了實(shí)用的單晶太陽能電池。同年,韋克爾首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應(yīng),并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜,制成了第1塊薄膜太陽能電池。隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,全球能源短缺、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重,可再生能源的應(yīng)用受到了各國(guó)的普遍關(guān)注。太陽能光伏發(fā)電作為可再生能源利用的重要組成部分,得到了眾多國(guó)家政府的大力扶持。20世紀(jì)70年代以來,美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)政府陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策,加大太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展力度,使得世界光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。1997—2007年,太陽能電池的產(chǎn)量由125.8MW(該功率為峰值功率,下同)增加到4000.05MW,年平均增長(zhǎng)率高達(dá)41.3%。根據(jù)歐盟聯(lián)合研究中心的預(yù)測(cè),到2030年太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中將達(dá)到10%以上,到2040年這一比例將達(dá)到20%以上,在不遠(yuǎn)的未來將成為世界能源供應(yīng)的主體。1太陽能電池生產(chǎn)市場(chǎng)在技術(shù)進(jìn)步和相關(guān)鼓勵(lì)政策的雙重推動(dòng)下,太陽能光伏產(chǎn)業(yè)自20世紀(jì)90年代后期進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。截止2007年底,世界累計(jì)生產(chǎn)了12.64GW太陽能電池,由此推斷,光伏發(fā)電的實(shí)際總裝機(jī)應(yīng)該接近12GW。歐洲光伏市場(chǎng)是世界最大的光伏市場(chǎng),而且在持續(xù)增長(zhǎng)。其中,德國(guó)光伏市場(chǎng)份額全球最大,2006年占51.0%,2007年占46.99%。亞洲光伏市場(chǎng)近幾年有所萎縮(主要由于亞洲擁有最大光伏市場(chǎng)的日本結(jié)束了光伏補(bǔ)貼政策,導(dǎo)致市場(chǎng)發(fā)展滯后),我國(guó)光伏市場(chǎng)份額更小。2006年、2007年亞洲太陽能電池產(chǎn)量約占世界電池產(chǎn)量的65%。由此可見,亞洲是太陽能電池的主要生產(chǎn)和輸出地區(qū)。亞洲的太陽電池生產(chǎn)主要集中在中國(guó)大陸、中國(guó)臺(tái)灣和日本。2007年中國(guó)大陸太陽能電池產(chǎn)量達(dá)到1088MW,占全世界太陽能電池產(chǎn)量的27.2%。從產(chǎn)量看,我國(guó)已經(jīng)成為太陽能電池的第一生產(chǎn)國(guó)。2光伏陣列供電光伏發(fā)電系統(tǒng)按其應(yīng)用形式基本可以分為2大類:獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由3大部分組成:光伏陣列;變換器、控制器等電力電子設(shè)備;蓄電池或其他儲(chǔ)能和輔助發(fā)電設(shè)備。光伏陣列由太陽能電池組件按系統(tǒng)需要串、并聯(lián)組成,將太陽能直接轉(zhuǎn)化成電能,它是光伏系統(tǒng)的核心部件。蓄電池將光伏陣列產(chǎn)生的剩余電量?jī)?chǔ)存起來。在光伏陣列供電不足的情況下,蓄電池對(duì)負(fù)載進(jìn)行輔助供電。變換器通常由DC/DC變換器及DC/AC逆變器組成,其功能是將光伏陣列輸出的不太穩(wěn)定的直流轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的交流電,供交流負(fù)載使用或者并網(wǎng)?？刂破鲗?duì)蓄電池的充放電加以規(guī)定控制、并根據(jù)負(fù)載或電網(wǎng)的需求控制太陽能及蓄電池的電能輸出。3能源能源發(fā)電的幾個(gè)重要問題發(fā)展太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵問題包括光伏電池技術(shù)、光伏發(fā)電成本、光伏發(fā)電政策以及光伏電網(wǎng)的接入等?！?4·華電技術(shù)第32卷3.1薄膜太陽能電池光伏電池是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。光伏電池大規(guī)模應(yīng)用需要解決2大難題:提高光電轉(zhuǎn)換效率和降低生產(chǎn)成本。太陽能光伏電池通常用晶體硅或薄膜材料制造,前者由切割、鑄錠或者鍛造的方法獲得,后者是一層薄膜附著在低價(jià)的襯背上。晶體硅仍是當(dāng)前太陽能光伏電池的主流。晶體硅電池包括單晶硅太陽電池和多晶硅太陽電池。單晶硅電池的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)24.7%,商業(yè)化電池效率為16%~20%。多晶硅太陽能電池的實(shí)驗(yàn)室最高效率也超過了20%,商業(yè)化電池效率為15%~18%。除效率外,電池的厚度也很重要。降低硅片厚度是減少硅材料消耗、降低晶硅太陽電池成本的有效技術(shù)措施。硅片的平均厚度已從2003年的0.23mm減小到2007年的0.18mm。薄膜太陽能電池是在廉價(jià)的玻璃、不銹鋼或塑料襯底上附上非常薄的感光材料制成,比用料較多的晶體硅技術(shù)造價(jià)更低,其價(jià)格優(yōu)勢(shì)可抵消低效率的問題。目前,已商業(yè)化的薄膜光伏材料有3種(硅基薄膜,主要包括非晶硅(a-Si)、微晶硅(μc-Si)及微非迭層(a-Si/μc-Si);銅銦鎵硒(CIGS);碲化鎘(CdTe)),它們的厚度只有幾微米。商業(yè)化硅基薄膜電池的效率在不斷提高,其中,單結(jié)非晶硅電池效率為5%~7%,雙結(jié)非晶硅電池效率為6%~8%,非晶硅/微晶硅迭層電池效率為8%~10%。商業(yè)化碲化鎘薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到10%,但是鎘具有毒性、碲產(chǎn)量較少等因素都制約了其發(fā)展。商業(yè)化銅銦鎵硒薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到10%以上,不過鎵的短缺也可能成為該技術(shù)發(fā)展的一個(gè)瓶頸。目前,在3種商業(yè)化的薄膜光伏技術(shù)中,硅基薄膜的生產(chǎn)和安裝所占比重最大。2007年世界前10大太陽能電池生產(chǎn)廠商及其在2006年和2007年的太陽電池產(chǎn)量見表1。由表1可以看出,中國(guó)有無錫尚德(Suntech)、臺(tái)灣茂迪(Motech)、保定英利(Yingli)3家公司位列其中。表2是2003—2007年單晶硅、多晶硅和薄膜太陽能電池的產(chǎn)量。從表2可以看出,晶體硅太陽能電池占據(jù)整個(gè)光伏市場(chǎng)份額90%以上。但未來發(fā)展的重點(diǎn)可能是薄膜太陽能電池,它因用材少、質(zhì)量小、外表光滑、安裝方便而更具發(fā)展?jié)摿?。目?國(guó)內(nèi)外眾多太陽能電池廠商都把薄膜太陽能電池作為未來發(fā)展的重點(diǎn)。中山大學(xué)太陽能系統(tǒng)研究所安裝了6種不同類型的太陽能電池并網(wǎng)光伏系統(tǒng),并對(duì)發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。分析結(jié)果有助于了解這幾種類型光伏電池的實(shí)際發(fā)電性能,對(duì)未來光伏電站的設(shè)計(jì)和建設(shè)有一定參考意義。這6種電池分別為單晶硅、多晶硅、HIT(HIT太陽能電池為三洋電機(jī)采用特殊結(jié)構(gòu)、結(jié)合結(jié)晶型及薄膜型特點(diǎn)研發(fā)而成的太陽能電池)、非晶硅、銅銦鎵硒和碲化鎘電池。在對(duì)能量產(chǎn)出要求比較均衡的情況下,單晶硅、HIT組件在太陽輻射較高時(shí)性能最優(yōu),適合在太陽輻射強(qiáng)、多晴天的地區(qū)使用;在太陽輻射量較高、少云或多云地區(qū),碲化鎘有優(yōu)勢(shì);多晶硅和銅銦稼硒受太陽輻照影響較大,不適合在太陽輻射變化大、四季分明的地區(qū)使用;非晶硅在太陽輻射較低、多陰雨地區(qū)才能顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。3.2光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)比光伏發(fā)電何時(shí)達(dá)到平價(jià)上網(wǎng)(即光伏發(fā)電的成本達(dá)到常規(guī)能源發(fā)電電價(jià)的水平)是一個(gè)備受關(guān)注的問題。國(guó)家發(fā)改委能源研究所提出,所謂平價(jià)上網(wǎng)有2個(gè)概念,即輸電側(cè)上網(wǎng)和配電側(cè)上網(wǎng)。配電側(cè)上網(wǎng)也即分布式發(fā)電系統(tǒng),分布式發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)為凈電表運(yùn)行,就是自發(fā)自用,可以與電網(wǎng)銷售電價(jià)比較(我國(guó)銷售電價(jià)為0.5~1元/(kW·h)),這表明光伏發(fā)電自用更容易實(shí)現(xiàn)“平價(jià)上網(wǎng)”。但如果是輸電側(cè)中高壓并網(wǎng),因我國(guó)常規(guī)電力上網(wǎng)電價(jià)一第1期呂貝,等:太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展·75·般僅為0.3元/(kW·h),要在這個(gè)水平上達(dá)到平價(jià)上網(wǎng)還有相當(dāng)?shù)碾y度。光伏發(fā)電系統(tǒng)成本的60%以上來自太陽能電池。2006年,并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)成本約為5萬元/kW,系統(tǒng)各部分成本比例見表3。我國(guó)最早在海外上市的太陽能企業(yè)無錫尚德公司于2008年7月宣布,計(jì)劃在5年內(nèi)將太陽能發(fā)電成本降至1元/(kW·h)。目前來看,其在2010年就能提前實(shí)現(xiàn)該目標(biāo),總體而言,到2015年以前實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的配電側(cè)平價(jià)上網(wǎng)是沒有問題的?；诒∧ぜ夹g(shù)的發(fā)展及其價(jià)格上的優(yōu)勢(shì),薄膜太陽能電池有望最先達(dá)到電網(wǎng)等價(jià)點(diǎn)。3.3光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)面臨的發(fā)展瓶頸政府的政策導(dǎo)向?qū)Q定光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水準(zhǔn)和市場(chǎng)需求。由于原材料硅的價(jià)格下跌導(dǎo)致光伏發(fā)電價(jià)格從2008年10月快速下降,但目前光伏市場(chǎng)仍然是由政府和政策驅(qū)動(dòng)的。下面介紹一下各國(guó)光伏發(fā)電主要扶持政策以及2008年后所做出的調(diào)整。德國(guó)在先后實(shí)施“一千屋頂計(jì)劃”和“十萬屋頂”計(jì)劃基礎(chǔ)上,于2000年1月頒布實(shí)施了與“全網(wǎng)平攤”相配套的《可再生能源上網(wǎng)電價(jià)法》,對(duì)光伏發(fā)電實(shí)施0.99馬克/(kW·h)的上網(wǎng)電價(jià)。實(shí)施4年后,對(duì)光伏上網(wǎng)電價(jià)又進(jìn)行了修訂?？紤]到減輕電力用戶負(fù)擔(dān)以及更有力地促進(jìn)光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)步和成本降低,德國(guó)在2008年6月新修訂的《可再生能源法》中,根據(jù)光伏系統(tǒng)容量不同,將電價(jià)水平進(jìn)行了較大幅度下調(diào),并從以前單純的固定電價(jià)政策轉(zhuǎn)為通過調(diào)整電價(jià)水平來控制光伏市場(chǎng)規(guī)模。這一政策放緩了德國(guó)光伏市場(chǎng)的增長(zhǎng)腳步,低于市場(chǎng)預(yù)期,對(duì)全球的光伏制造業(yè)產(chǎn)生了巨大沖擊。日本于1974年開始執(zhí)行陽光計(jì)劃,把光伏發(fā)電作為國(guó)家電力未來的重要組成部分。1994—2005年,日本通過新陽光計(jì)劃和戶用光伏系統(tǒng)補(bǔ)貼項(xiàng)目,對(duì)用戶安裝光伏系統(tǒng)實(shí)施了一輪補(bǔ)貼,至2006年補(bǔ)貼完全取消,促使日本的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在1994—2005年發(fā)展很快,但2005年后市場(chǎng)下滑。2008年6月,日本又開始討論重新啟動(dòng)對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)貼,7月即公布了《低碳社會(huì)行動(dòng)方案》,同年11月又發(fā)布了《推廣太陽能發(fā)電行動(dòng)方案》。光伏業(yè)界普遍看好日本2009年后的光伏市場(chǎng)。西班牙于2004年后對(duì)太陽能等可再生能源電力實(shí)施了高補(bǔ)貼電價(jià)政策,極大地刺激了西班牙光伏市場(chǎng)的迅速增長(zhǎng)。2008年西班牙成為光伏市場(chǎng)發(fā)展最快的國(guó)家,累計(jì)容量排名世界第2。在達(dá)到政府規(guī)定的市場(chǎng)容量后,西班牙政府于2008年9月對(duì)電價(jià)水平進(jìn)行調(diào)整,直接對(duì)本國(guó)新增市場(chǎng)規(guī)模進(jìn)行控制。美國(guó)政府早在20世紀(jì)90年代提出“百萬屋頂”計(jì)劃刺激本國(guó)光伏發(fā)電市場(chǎng)。美國(guó)光伏市場(chǎng)的發(fā)展主要得益于5類經(jīng)濟(jì)政策的共同作用,即凈電表制、生產(chǎn)稅返還、投資稅抵扣、配額制和稅收優(yōu)惠。這些經(jīng)濟(jì)政策的刺激加速了美國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,2008年美國(guó)在全球新增光伏市場(chǎng)中以400MW排名第3,裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到1410MW。目前新的聯(lián)邦投資抵扣稅政策和《2009經(jīng)濟(jì)刺激法案》出臺(tái),但美國(guó)國(guó)內(nèi)仍對(duì)是否使用財(cái)政資金大規(guī)模發(fā)展光伏發(fā)電存在爭(zhēng)議,美國(guó)光伏市場(chǎng)前景存在不確定性。中國(guó)的太陽能光伏市場(chǎng)總體發(fā)展速度比較緩慢?！傲濉焙汀捌呶濉逼陂g,國(guó)家對(duì)光伏市場(chǎng)的發(fā)展給予支持,2002年國(guó)家計(jì)委啟動(dòng)的“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計(jì)劃”也大大刺激了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。中國(guó)太陽能電池的產(chǎn)量不斷突破,截止到2005年底,中國(guó)太陽電池組件的生產(chǎn)能力就已經(jīng)達(dá)到400MW,當(dāng)年產(chǎn)量達(dá)到140MW。但國(guó)內(nèi)的光伏市場(chǎng)發(fā)展卻相對(duì)滯后,年裝機(jī)量占年太陽能電池產(chǎn)量的比例相當(dāng)小,絕大部分太陽能電池需要出口國(guó)外。2007年中國(guó)光伏系統(tǒng)的安裝量總計(jì)約20MW,僅為當(dāng)年太陽電池產(chǎn)量(1088MW)的1.84%,意味著太陽能電池產(chǎn)量的98%需要出口。近期中國(guó)政府推出一系列的光伏發(fā)電刺激政策。2009年3月,財(cái)政部聯(lián)合住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《太陽能光電建筑應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》、《關(guān)于加快推進(jìn)太陽能光電建筑應(yīng)用的實(shí)施意見》,支持開展光電建筑應(yīng)用示范,實(shí)施“太陽能屋頂計(jì)劃”;6月發(fā)布的《新能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃征求意見稿》提出2020年建成30GW的光伏發(fā)電廠;7月,財(cái)政部、科技部、國(guó)家能源局聯(lián)合宣布在我國(guó)正式啟動(dòng)金太陽示范工程。政府的大力支持使得各方普遍看好中國(guó)光伏市場(chǎng)的前景。3.4光伏發(fā)電的一般參數(shù)要求隨著光伏發(fā)電的快速發(fā)展,如何接入電網(wǎng)成了一個(gè)關(guān)鍵的問題。對(duì)于光伏電站的并網(wǎng)要求,國(guó)際上已經(jīng)有了很多標(biāo)準(zhǔn),中國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)分散在一些傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)之中,大多只是對(duì)電壓和電流的諧波、電壓和頻·76·華電技術(shù)第32卷率偏差、電壓波動(dòng)和閃變、直流分量和功率因數(shù)的要求。在光伏電站容量較小時(shí),這些參數(shù)要求基本適用。但是,當(dāng)光伏電站的規(guī)模越來越大(幾十