21世紀太陽能光伏發(fā)電發(fā)展趨勢和展望

21世紀太陽能光伏發(fā)電發(fā)展趨勢和展望摘

要

本文分析了全世界光伏市場的發(fā)展情況和趨勢，指出太陽光伏發(fā)電在今后十年內將進入一個快速發(fā)展階段，隨著太陽能電池的成本降低和國家政策推動，預測未來光伏產業(yè)的平均增長率將達到20%左右。提出政府的政策法規(guī)是對光伏產業(yè)最有影響力的因素的觀點。希望政府盡快制定強有力的政策，使光伏產業(yè)在激烈的競爭中健康發(fā)展。1．前言

電的發(fā)明使人類社會的發(fā)展進入了一個劃時代的文明階段，在上世紀的中、后期，人們在航天、交通、通訊等領域的技術發(fā)展使人類更多地了解了自然和宇宙的神秘，更快地促進了人類文明的發(fā)展，同時，人類對能源的需求也越來越大。直到目前為止，人類主要依賴煤、石油和天然氣等化石燃料而生存。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對能源的需求不斷擴大，于是給現(xiàn)實社會帶來兩大問題：能源危機——煤和石油的儲藏量相當有限，取之有盡；環(huán)境污染——以煤、石油的大量燃燒而排放的廢氣（CO2和SO2）所產生的環(huán)境污染和溫室效應使人類的生存環(huán)境不斷惡化。上述兩大問題迫使人們將眼光投向新的綠色能源的開發(fā)和利用。本文總結了近年來全球光伏產業(yè)的發(fā)展情況，尤其是西方發(fā)達國家為推動新能源產業(yè)所作的努力，展望了中國和世界光伏產業(yè)發(fā)展的前景。

2．發(fā)展新能源的迫切性

縱觀人類的發(fā)展歷史，每一次能源革命都大力地推動了人類文明的發(fā)展。瓦特發(fā)明的蒸汽機推動了第一次工業(yè)革命，艾迪生發(fā)明的燈泡使人類告別黑夜的時代。圖1描述了人類能源需演變情況，我們可以將人類能源發(fā)展史大體分為前工業(yè)時代、工業(yè)時代和后工業(yè)時代。在前工業(yè)時代，人類還未具備開發(fā)能源利用的能力，因此社會財富和能源消耗水平均很低；到了工業(yè)時代，化石燃料和工業(yè)革命結合創(chuàng)造了人類歷史上輝煌的文明時代，科學技術飛速發(fā)展，物質財富空前增加，人類的生活水平日益提高，孕育了下一個更高的文明時代，但同時也造成了資源的極大浪費，生態(tài)環(huán)境的惡化和破壞；后工業(yè)時代將是一個新的文明時代，能源結構將是各種干凈和可再生能源結構的組合，單位能耗的物質財富極大增加，生態(tài)環(huán)境得到恢復和改善，可持續(xù)發(fā)展將成為一切社會活動的準則，人和自然將會友好相處。

化石燃料所提供的能源只是人類發(fā)展歷史上一個脈沖，據(jù)國際機構預測，化石燃料的產出峰值將會在本世紀2020-2030年之間出現(xiàn)。然而，人類的文明史不能由于化石燃料的枯竭而終止。人類必須尋求其他新能源以確保人類文明發(fā)展的源遠流長，圖2顯示了shell公司對過去和現(xiàn)在能源結構的分析以及將來的發(fā)展趨勢?；剂系闹饾u枯竭必須由其他的可再生能源進行替代，而太陽能將是新的能源結構的重要組成部分。

3．光伏發(fā)電產業(yè)和市場的發(fā)展現(xiàn)狀

3．1光伏產業(yè)和市場

國際光伏工業(yè)在過去15年平均年增長率為15％。90年代后期，世界市場出現(xiàn)了供不應求的局面，發(fā)展更加迅速。1997年世界太陽電池光伏組件生產達122MW，比96年增長38％，是4年前的2倍，是7年前3倍，超出光伏界專家最樂觀的估計。1998年光伏組件生產達到157.4MW，比1997年增長29％,光伏發(fā)電總裝機容量達到800MW[2]。在產業(yè)化方面，各國一直在通過改進工藝、擴大規(guī)模和開拓市場等措施降低成本，并取得了巨大進展。以美國為代表，能源部自1990年起動了PVMaT(光伏制造技術)計劃，旨在大幅度降低成本。計劃實施產生了非常明顯的效果：商品化電池效率達到12－15％；生產規(guī)模從過去的1－5MW/年發(fā)展到5－20MW/年，并正在向50MW擴大；工藝不斷簡化，自動化程度不斷提高；三年來；光伏組件生產成本降低了32％以上，降到3美元/Wp以下，售價降到4美元/Wp左右。美國的目標是：2005年光伏系統(tǒng)安裝成本降到3美元/Wp(11美分/KWh),2010年降到1.5美元/Wp(6美分/KWh以下)。歐洲和日本也有類似的計劃，競爭促使各發(fā)達國家的產業(yè)化技術幾乎以大致相同的水平和速度向前發(fā)展。在光伏發(fā)電領域，印度在發(fā)展中國家處領先地位，現(xiàn)有80個公司從事光伏發(fā)電事業(yè)，其中有6個太陽電池制造廠，12個組件生產廠。1997－1998年，電池生產8.2MW,組件生產11MW，出口4MW。1998－2002年印度計劃安裝150MW。2002年生產將達到50MW/年。截止1998年低，印度光伏發(fā)電總裝機容量達到35MW。98年7月正當世界金融危機最瘋狂的時候，世界PV市場比1997年同期增長了50％。世界各大公司業(yè)紛紛制定和實施擴產計劃，98年初PVIR統(tǒng)計，將于2000年完成的擴產新增能力為263.5MW/年,比1997年高出2倍.可以說，光伏發(fā)電技術和產業(yè)正在騰飛。歐盟科技局局長WolfgangPalz博士在第二屆國際太陽能光伏會議(1998.7.6-10,Vienna)上，對目前光伏技術商業(yè)化發(fā)展態(tài)勢發(fā)表了如下看法：光伏技術的發(fā)展已經(jīng)很明顯地結束了它的前期開拓(pioneer)階段,并開始了它的蓬勃發(fā)展(explosion)階段。

3．2光伏技術的重大進展

為降低光伏發(fā)電成本的各種研究開發(fā)工作一直在發(fā)達國家中緊張地進行著。澳大利亞新南威爾士大學高效單晶硅電池和多晶硅電池效率分別達到24.5％和19.8％，美國、日本、德國也分別達到20％以上和17％以上。非晶硅薄膜電池通過雙結、三結迭層和Ge-Si合金層技術，在克服光衰減和提高效率上不斷有新的突破，實驗室穩(wěn)定效率已經(jīng)突破15％。CdTe電池效率達到15.8%，CIS電池效率18.8％。多晶硅薄膜電池的研究工作自1987年以來發(fā)展迅速，成為世界關注的新熱點。

3．3我國光伏發(fā)電技術及產業(yè)的現(xiàn)狀

我國太陽能光伏發(fā)電產業(yè)經(jīng)過近二十年的努力已經(jīng)奠定了一個良好的基礎。目前有6個單晶硅電池及組件生產廠和2個非晶硅電池生產廠。2004年光伏組件產量達到60MW,裝機容量100MW(部分進口品),累計總裝機容量達到150MW。在技術開發(fā)方面，先后開展了晶硅高效電池，非晶硅電池，CdTe、CIS電池，多晶硅薄膜電池以及應用系統(tǒng)的關鍵技術研究。近年來在國家科委的支持下，高效電池和多晶硅薄膜電池的研究開發(fā)取得可喜的成果：單晶硅高效電池效率達到16.79％，大面積(5×5cm2)刻槽埋柵電池效率達到18.6％，多晶硅電池效率達到14.5%。在多晶硅薄膜電池方面，采用快速熱CVD技術在非活性硅襯底上制備的多晶薄膜電池效率達到14.8%。并且建立了國內一流的光伏技術研究開發(fā)實驗室，形成了一支較強的光伏技術研究開發(fā)隊伍，成為我國太陽能光伏技術研究開發(fā)的重要基地。

我國光伏發(fā)電技術及產業(yè)的發(fā)展在總體水平上同國外相比還有很大差距，表現(xiàn)在以下幾個方面：①生產規(guī)模小。目前我國太陽電池生產廠基本上保持在2002年引進時的規(guī)模和水平上,實際生產能力均在15.5MW/年左右。2003年隨著歐洲國家光伏發(fā)電熱的影響，僅2003年國太陽電池組件的產量達80MW，約占世界產量的3%。②技術水平較低。我國太陽電池的效率平均在13－15％；組件封裝水平低，工程現(xiàn)場證明，部分產品大約5－7年就出現(xiàn)發(fā)黃、起泡、焊線脫落、效率下降等問題，質量同國外有一定差距。③專用原材料國產化程度不高。專用材料如銀漿、封裝玻璃、EVA等尚未完全實現(xiàn)國產化。國家曾將提高商業(yè)化電池效率和材料國產化列入“八五”計劃，并取得一定成果，但性能有待進一步改進，各廠家部分材料仍然采用進口品。④成本高。目前我國電池組件成本約26元/Wp，平均售價35元/Wp，成本和售價主要受太陽能電池片的影響較大。⑤國內市場發(fā)展遲緩。我國地域廣大、人口眾多，7000萬人生活在無電地區(qū)，光伏發(fā)電的潛在市場非常巨大。但光伏發(fā)電成本高，目前還不能與常規(guī)發(fā)電相比。在市場開拓方面，缺乏相應的支持政策、法規(guī)、措施，投入少，市場發(fā)展遲緩。對比之下，國外各大公司和世界銀行對開拓中國光伏市場表現(xiàn)出極大興趣和熱心。例如，世界銀行通過GEF(全球環(huán)境基金)項目向中國贈款2500萬美元用于光伏市場開拓，總計10MW戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)；荷蘭政府向新疆贈送近10萬套戶用光伏電源系統(tǒng)，價值1500萬美元；日本、美國、歐洲的一些公司也都有過類似的贈送和示范項目，這對我國光伏事業(yè)的發(fā)展無疑是起著推動和催化作用。面對將被開發(fā)出來的巨大市場，我國的光伏產業(yè)必須加快步伐迎接嚴峻的挑戰(zhàn)。

4．二十一世紀光伏發(fā)電發(fā)展趨勢和展望

預測今后10年光伏組件的生產將以20－30％甚至更高的遞增速度發(fā)展?？焖侔l(fā)展的屋頂計劃、各種減免稅政策和補貼政策以及逐漸成熟的綠色電力價格為光伏市場的發(fā)展提供了堅實的基礎。市場將逐步由邊遠地區(qū)和農村的補充能源向全社會的替代能源過渡。預測下世紀中頁，光伏發(fā)電成為人類的基礎能源之一。

光伏的未來前景已經(jīng)被愈來愈多的國家政府和金融界(如世界銀行)所認識。特別是97年以來許多發(fā)達國家和地區(qū)紛紛制定光伏發(fā)展規(guī)劃，如美國到計劃到2010年累計安裝4.6GW(美國能源部規(guī)劃,含百萬屋頂計劃)；歐盟累計安裝6.7GW(可再生能源白皮書),其中3.7GW安裝在歐洲內部，3GW出口；日本累計安裝5GW(NEDO日本新陽光計劃)，預計其他發(fā)展中國家1.8GW(估計約10％)，世界累計安裝18GW。是1998年的200多倍，屆時世界光伏組件價格：1-1.5美元/Wp，安裝成本在2美元以下，發(fā)電成本6-8美份/KWh。

4．1光伏發(fā)電成本降低趨勢

PV系統(tǒng)安裝價格每年以9％速率降低。1996年平均安裝成本約7美元/Wp，預計2005年可降到3美元/Wp，PV發(fā)電成本0.11美元/KWh，2010年降到6美分/KWh，相當于系統(tǒng)安裝成本1.7美元/Wp。

降低成本可通過擴大規(guī)模、提高自動化程度和技術水平、提高電池效率等技術途徑實現(xiàn)。通過可行性研究分析可以看出，500MW/年的規(guī)模,采用現(xiàn)有不同的商業(yè)化晶硅技術，可使PV組件成本降低到0.71-1.78歐元/Wp，如果加上技術改進和提高電池效率等措施，組件平均成本可降低到1美元/Wp。在這個組件成本水平上，加上系統(tǒng)其他部件成本也在不斷改進和降低，發(fā)電成本6美分/KWh,是可能和現(xiàn)實的。考慮到薄膜電池，未來降低成本的潛力更大，因此，在下世紀前10－30年把PV系統(tǒng)安裝成本降低到與核電可比或更低是完全可能的。

4．2光伏產業(yè)向百兆瓦級規(guī)模和更高技術水平發(fā)展

目前PV組件的生產規(guī)模在5－20MW/年，下世紀將向百兆瓦級甚至更大規(guī)模發(fā)展。同時自動化程度、技術水平也將大大提高，電池效率將由現(xiàn)在的水平(單晶硅13％－15％，多晶硅11％－13％)向更高水平(單晶硅18％－20％，多晶硅16％－18％)發(fā)展,同時薄膜電池在不斷研究開發(fā)，這些都為大幅度降低光伏發(fā)電成本提供了技術基礎。

4．3光伏建筑將成為光伏應用的最大市場

光伏建筑集成及并網(wǎng)發(fā)電近年來獲得了快速發(fā)展。建筑物能為光伏系統(tǒng)提供足夠的面積，不需另占土地；能省去光伏系統(tǒng)的支撐結構、省去輸電費用；光伏陣列可代替常規(guī)建筑材料，節(jié)省材料費用；安裝建筑施工結合，節(jié)省安裝成本；分散發(fā)電，避免傳輸和分電損失(5－10％)，降低輸電和分電投資和維修成本。集成設計使建筑更加潔凈、完美，更易被專業(yè)建筑師、用戶和公眾接受。太陽能光伏系統(tǒng)和建筑的完美結合體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的理想范例，國際社會十分重視。國際能源組織(IEA)于1991和1997年相繼兩次年起動建筑光伏集成計劃。許多國家相繼制定了本國的屋頂計劃，使得建筑光伏集成技術如旭日東升，蓬勃發(fā)展。例如，1997年6月美國宣布了“克林頓總統(tǒng)百萬屋頂光伏計劃”，2010年完成。該計劃旨在加速和促進美國光伏產業(yè)的快速發(fā)展，把發(fā)電成本降到6美分/KWh以下，起到減排CO2、增加社會就業(yè)、保持和加強美國光伏產業(yè)在世界的領先地位和支配地位的作用。歐洲于大致相同的時間宣布了百萬屋頂計劃，于2010年完成。日本政府的計劃目標是，到2010年安裝5000MW屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)。德國聯(lián)合政府在歐洲百萬屋頂?shù)目蚣芟掠?8年10月份提出了一個PV工業(yè)20年來最龐大的計劃－在6年內安裝10萬套PV屋頂系統(tǒng)，總容量在300－500MW,每個屋頂約3－5KW總費用約9.18億馬克。該計劃提供10年無息信貸，政府提供37.5％的補貼，該計劃于1999年1月實施。該計劃在德國引起了很大反響，對德國的PV工業(yè)將產生不可估量的影響。建筑物能耗占世界總能耗的1/3，是未來太陽能光伏發(fā)電的最大市場。光伏系統(tǒng)和建筑結合將根本改變太陽能光伏發(fā)電在世界能源中的結構中的從屬地位，前景光明。

4．4世紀前半期光伏發(fā)電將超過核電

專家分析預測，未來PV發(fā)展的年增長率在20-30%之間.。按照指數(shù)增長規(guī)律，PV將很快發(fā)展成巨大的市場。以整機容量計，需要30－50年就可超過核能(圖7)。第二屆世界太陽能光伏會議主席JurgenSchmidt說:“作為全球一種能源,光伏發(fā)電在下世紀前半期將超過核電,是2030年還是2050年的最后幾年超過,只是個時間問題。”1997世界發(fā)電總裝機容量約2000GW，其中核能約370GW，占17％。世界核電發(fā)展是呈收縮或維持趨勢，我國和許多發(fā)展中國家由于工業(yè)化速度加快，能源短缺，還會適當?shù)匕l(fā)展核能。到下世紀30－50年代，核能將發(fā)展到500－600GW左右。1998年世界光伏發(fā)電總裝機容量0。8GW，以2040年計算，這要求從現(xiàn)在開始，光伏發(fā)電每年增長速度為16.5％。專家預計下世紀前半期的30－50年代光伏發(fā)電將超過核電，是一個有根據(jù)的預測，前提是光伏系統(tǒng)安裝成本能和核能相比。石油對能源的貢獻整整花了100年,PV從今天對能源的微小貢獻到未來的重大貢獻所需時間比石油要短得多。

由此可以看出太陽能光伏發(fā)電未來具有重大的應用背景，前景是十分光明的，降低太陽能光伏發(fā)電成本是發(fā)展太陽能光伏發(fā)電關鍵問題。

技術的不斷發(fā)展將會進一步降低太陽電池的生產制造成本，使其更具競爭力，預期10年以后，光伏組件的制造成本將下降一半，達到1.5美元/瓦左右，到時，光伏發(fā)電成本將可與目前的火力