中國太陽能發(fā)展現(xiàn)狀及其前景

我國太陽能的利用及其發(fā)展前景摘要：能源是現(xiàn)代社會存在和發(fā)展的基石。隨著全球經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，能源消費也相應的持續(xù)增長，但是化石能源是不可再生的，所以，在化石能源供應日趨緊張的背景下，大規(guī)模的開發(fā)和利用可再生能源已成為未來各國能源戰(zhàn)略中的重要組成部分。本文旨在介紹我國太陽能發(fā)展的現(xiàn)狀及其發(fā)展方向。關鍵詞：太陽能；清潔能源；化石能源；光伏發(fā)電；光熱轉(zhuǎn)換0引言全球能源形勢日益緊張，因石油、煤類過度使用而造成的全球氣候變暖，嚴重威脅社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生活健康的今天，世界各國都在尋求新的能源替代戰(zhàn)略，以求得可持續(xù)發(fā)展。太陽能具有清潔、方便、經(jīng)濟、安全、環(huán)保，取之不盡、用之不竭等優(yōu)勢，成為今后能源關注的重點。1.太陽能的原理現(xiàn)在，太陽能的利用還不是很普及，利用太陽能發(fā)電還存在成本高、轉(zhuǎn)換效率低的問題，但是太陽能電池在為人造衛(wèi)星提供能源方面得到了應用。太陽能是太陽內(nèi)部或者表面的黑子連續(xù)不斷的核聚變反應過程產(chǎn)生的能量。地球軌珠海太陽能熱水工程道上的平均太陽輻射強度為1369w/㎡。地球赤道的周長為40000km，從而可計算出，地球獲得的能量可達173000TW。在海平面上的標準峰值強度為1kw/m2，地球表面某一點24h的年平均輻射強度為0.20kw/㎡，相當于有102000TW的能量，人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地熱能資源除外），雖然太陽能資源總量相當于現(xiàn)在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽能的能量密度低，而且它因地而異，因時而變，這是開發(fā)利用太陽能面臨的主要問題。太陽能的這些特點會使它在整個綜合能源體系中的作用受到一定的限制。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一，但已高達173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當于500萬噸煤。地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都是來源于太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能，所以廣義的太陽能所包括的范圍非常大，狹義的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學的直接轉(zhuǎn)換。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會及人類進入一個節(jié)約能源減少污染的時代。。2太陽能的利用就目前來說，人類直接利用太陽能還處于初級階段，主要有太陽能集熱、太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能暖房、太陽能發(fā)電等方式。2.1太陽能集熱器太陽能熱水器裝置通常包括太陽能集熱器、儲水箱、管道及抽水泵其他部件。另外在冬天需要熱交換器和膨脹槽以及發(fā)電裝置以備電廠不能供電之需。太陽能集熱器(solarcollector)在太陽能熱系統(tǒng)中，接受太陽輻射并向傳熱工質(zhì)傳遞熱量的裝置。按傳熱工質(zhì)可分為液體集熱器和空氣集熱器。按采光方式可分為聚光型集熱器和吸熱型集熱器兩種。另外還有一種真空集熱器:一個好的太陽能集熱器應該能用20～30年。自從大約1980年以來所制作的集熱器更應維持40～50年且很少進行維修。2.2太陽能熱水系統(tǒng)早期最廣泛的太陽能應用即用于將水加熱，現(xiàn)今全世界已有數(shù)百萬太陽能熱水裝置。太陽能熱水系統(tǒng)主要元件包括收集器、儲存裝置及循環(huán)管路三部分。此外，可能還有輔助的能源裝置（如電熱器等）以供應無日照時使用，另外尚可能有強制循環(huán)用的水，以控制水位或控制電動部份或溫度的裝置以及接到負載的管路等。依循環(huán)方式太陽能熱水系統(tǒng)可分兩種：2.2.1自然循環(huán)式:此種型式的儲存箱置于收集器上方。水在收集器中接受太陽輻射的加熱，溫度上升，造成收集器及儲水箱中水溫不同而產(chǎn)生密度差，因此引起浮力，此一熱虹吸現(xiàn)像，促使水在除水箱及收集器中自然流動。由與密度差的關系，水流量于收集器的太陽能吸收量成正比。此種型式因不需循環(huán)水，維護甚為簡單，故已被廣泛采用。2.2．2強制循環(huán)式:熱水系統(tǒng)用水使水在收集器與儲水箱之間循環(huán)。當收集器頂端水溫高于儲水箱底部水溫若干度時，控制裝置將啟動水使水流動。水入口處設有止回閥以防止夜間水由收集器逆流，引起熱損失。由此種型式的熱水系統(tǒng)的流量可得知（因來自水的流量可知），容易預測性能，亦可推算于若干時間內(nèi)的加熱水量。如在同樣設計條件下，其較自然循環(huán)方式具有可以獲得較高水溫的長處，但因其必須利用水，故有水電力、維護（如漏水等）以及控制裝置時動時停，容易損壞水等問題存在。因此，除大型熱水系統(tǒng)或需要較高水溫的情形，才選擇強制循環(huán)式，一般大多用自然循環(huán)式熱水器。2.2.3暖房利用太陽能作房間冬天暖房之用，在許多寒冷地區(qū)已使用多年。因寒帶地區(qū)冬季氣溫甚低，室內(nèi)必須有暖氣設備，若欲節(jié)省大量化石能源的消耗，設法應用太陽輻射熱。大多數(shù)太陽能暖房使用熱水系統(tǒng)，亦有使用熱空氣系統(tǒng)。太陽能暖房系統(tǒng)是由太陽能收集器、熱儲存裝置、輔助能源系統(tǒng)，及室內(nèi)暖房風扇系統(tǒng)所組成，其過程乃太陽輻射熱傳導，經(jīng)收集器內(nèi)的工作流體將熱能儲存，再供熱至房間。至輔助熱源則可裝置在儲熱裝置內(nèi)、直接裝設在房間內(nèi)或裝設于儲存裝置及房間之間等不同設計。當然亦可不用儲熱雙置而直接將熱能用到暖房的直接式暖房設計，或者將太陽能直接用于熱電或光電方式發(fā)電，再加熱房間，或透過冷暖房的熱裝置方式供作暖房使用。最常用的暖房系統(tǒng)為太陽能熱水裝置，其將熱水通至儲熱裝置之中（固體、液體或相變化的儲熱系統(tǒng)），然后利用風扇將室內(nèi)或室外空氣驅(qū)動至此儲熱裝置中吸熱，再把此熱空氣傳送至室內(nèi)；或利用另一種液體流至儲熱裝置中吸熱，當熱流體流至室內(nèi)，在利用風扇吹送被加熱空氣至室內(nèi)，而達到暖房效果。2.3太陽能熱發(fā)電太陽能熱發(fā)電是采用聚焦技術，將數(shù)平米甚至數(shù)千平米范圍上的陽光集中到一條線狀或點狀，由于高溫將介質(zhì)加熱并產(chǎn)生蒸汽，從而推動汽輪機工作并產(chǎn)生電力的過程。這個太陽能光伏發(fā)電是兩種不同的太陽能發(fā)電形式。目前，太陽能熱發(fā)電通常有三種形式，槽式，塔式和碟式。其中槽式是公認的最經(jīng)濟最成熟的技術。在美國，槽式太陽能熱發(fā)電站已進入商業(yè)化運行階段。在我國，目前進展較快的是由德州華園新能源應用技術研究所掌握核心技術參與的，位于新疆地區(qū)的，我國首座CSP槽式太陽能示范電站已經(jīng)一次性試車成功，標志著國產(chǎn)化技術和設備已經(jīng)達到了熱發(fā)電的要求，并將進入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。這些國內(nèi)外項目的成功實施，也必將為我國其它地區(qū)實施太陽能熱發(fā)電站提供經(jīng)驗，為我國更多更快建設太陽能熱發(fā)電站作出貢獻。2.4太陽能離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)太陽能離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)包括1、太陽能控制器(光伏控制器和風光互補控制器)對所發(fā)的電能進行調(diào)節(jié)和控制，一方面把調(diào)整后的能量送往直流負載或交流負載，另一方面把多余的能量送往蓄電池組儲存，當所發(fā)的電不能滿足負載需要時，太陽能控制器又把蓄電池的電能送往負載。蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過充。當蓄電池所儲存的電能放完時，太陽能控制器要控制蓄電池不被過放電，保護蓄電池。控制器的性能不好時，對蓄電池的使用壽命影響很大，并最終影響系統(tǒng)的可靠性。2、太陽能蓄電池組的任務是貯能，以便在夜間或陰雨天保證負載用電。3、太陽能逆變器負責把直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供交流負荷使用。太陽能逆變器是光伏風力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。由于使用地區(qū)相對落后、偏僻，維護困難，為了提高光伏風力發(fā)電系統(tǒng)的整體性能，保證電站的長期穩(wěn)定運行，對逆變器的可靠性提出了很高的要求。另外由于新能源發(fā)電成本較高，太陽能逆變器的高效運行也顯得非常重要。太陽能離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要產(chǎn)品分類A、光伏組件B、風機C、控制器D、蓄電池組E、逆變器F、風力/光伏發(fā)電控制與逆變器一體化電源。2.5空間太陽能電源第一個空間太陽電池載于1958年發(fā)射的VangtuardI，體裝式結(jié)構，單晶Si襯底，效率約10%（28℃）。到了1970年代，人們改善了電池結(jié)構，采用BSF、光刻技術及更好減反射膜等技術，使電池的效率增加到14%。在70年代和80年代，地面太陽電池大約每5.5年全球產(chǎn)量翻番；而空間太陽電池在空間環(huán)境下的性能，如抗輻射性能等得到了較大改善。由于80年代太陽電池的理論得到迅速發(fā)展，極大地促進了地面和空間太陽電池性能的改善。到了90年代，薄膜電池和Ⅲ-Ⅴ電池的研究發(fā)展很快，而且聚光陣結(jié)構也變得更經(jīng)濟，空間太陽電池市場競爭十分激烈。在繼續(xù)研究更高性能的太陽電池，主要有兩種途徑：研究聚光電池和多帶隙電池。3我國太陽能的發(fā)展現(xiàn)狀目前，我國利用太陽能的方式大多都是太陽能光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩大種類，例如，太陽熱水器、太陽灶、太陽房、太陽能干燥、太陽能溫室、太陽能制冷與空調(diào)、太陽能發(fā)電及光伏發(fā)電系統(tǒng)等。3.1太陽能光熱轉(zhuǎn)換太陽能光熱轉(zhuǎn)換是指將太陽光直接或通過聚光照射于集熱器上，使光能直接轉(zhuǎn)化為熱能。目前主要用于太陽能熱水器和太陽熱能發(fā)電。3.1.1我國在光熱轉(zhuǎn)換方面，截至2007年底，中國太陽能熱水器產(chǎn)量達2300萬平方米，總保有量達1.08億平方米，占世界的55％，成為全球太陽能熱水器生產(chǎn)和使用第一大國，且擁有完全自主知識產(chǎn)權，技術居國際領先水平。這種跡象表明，我國正在向太陽能時代邁進！為了促進太陽能熱水系統(tǒng)的推廣應用，國家制定的可再生能源發(fā)展規(guī)劃明確提出了太陽能熱水系統(tǒng)發(fā)展目標，2010年太陽能熱水系統(tǒng)運行保有量要達到1．5億平方米，2020年要達到3表1中國太陽能輻射量分布分類輻射量分布一類地區(qū)6680-8400MJ/m2寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海西部和西藏西部等二類地區(qū)5850-6680MJ/m2河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等三類地區(qū)5000-5850MJ/m2山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、蘇北、皖北、臺灣西南部等四類地區(qū)4200-5000MJ/m2湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建北部、廣東北部、陜南、蘇北、皖南以及黑龍江、臺灣東北部等五類地區(qū)3350-4200MJ/m2四川、貴州兩省3.1.2但是，太陽能熱水器的發(fā)展也存在諸多問題。大部分的使用為用戶自發(fā)行為，其系統(tǒng)的安裝基本上沒有經(jīng)過設計，完全由產(chǎn)品供應商負責處理，結(jié)果是各自為陣，雜亂無章，在影響建筑外觀的同時存在各種不安全隱患。由于上述原因，大面積推廣受到嚴重阻礙，有些城市甚至由政府出面禁止在建筑物上安裝。我國太陽能利用長期處于較低水平，制約了發(fā)展，不規(guī)范安裝破壞了建筑結(jié)構和功能，對防水和承重等問題留下隱患，屋頂所有權存在爭議，后期物業(yè)管理，維護也很不方便，自行安裝的不規(guī)范，造成防風與避雷等安全隱患很多。3.2太陽能光電轉(zhuǎn)換太陽能的光電轉(zhuǎn)換是指太陽的輻射能光子通過半導體的光伏效應原理進行光電轉(zhuǎn)換，通常叫做“光生伏打效應”，太陽電池就是利用這種效應制成的。在光電轉(zhuǎn)換方面，我們?nèi)祟惔蠖嗖捎?.2.1我國太陽能光電轉(zhuǎn)換方面的優(yōu)點1.改善環(huán)境通過使用新能源來替代化石能源，可以減少因燃燒化石能源而造成的二氧化碳和煙塵排放量，給環(huán)境造成的損失。光復發(fā)電不產(chǎn)生傳統(tǒng)發(fā)電技術帶來的污染物排放和安全問題，沒有廢棄或噪音污染。2.節(jié)省空間光復發(fā)電是一種簡單的低風險技術，集合可以安裝在任何有光的地方。這意味著在公共、私人和工業(yè)建筑的屋頂和墻面上都有廣泛的安裝潛力。在運行中，這個系統(tǒng)還可以降低建筑的受熱，增加通風。光復還可以作為隔聲板裝在公路兩側(cè)。光復在提供大量電力供應的同時，避免占用更多的土地。3.增加就業(yè)光伏發(fā)電能夠提供重要的就業(yè)機會。安裝階段創(chuàng)造大量的就業(yè)產(chǎn)生在（安裝工人、零售商和服務工程師），租金地方經(jīng)濟發(fā)展。根據(jù)歐洲光伏發(fā)電行業(yè)信息顯示，生產(chǎn)每兆瓦光伏產(chǎn)品大約產(chǎn)生10個就業(yè)機會，安裝每兆瓦光伏系統(tǒng)創(chuàng)造大約33個就業(yè)機會。批發(fā)和間接供應可提供3-4個就業(yè)崗位，研究領域提供1-2個就業(yè)機會。所以在整個產(chǎn)業(yè)鏈中可提供50個就業(yè)機會。在未來幾十年，隨著規(guī)模的擴大，自動設備的使用，這些數(shù)據(jù)會有所降低。但是，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)不僅僅是一個資金密集型產(chǎn)業(yè)，同時也是一個勞動密集型產(chǎn)業(yè)。目前我過光伏技術及產(chǎn)業(yè)的就業(yè)總?cè)藬?shù)近萬。到2020年將達到10萬人左右。按照中或電力專家的研究，2050年，光伏發(fā)電行業(yè)將達到裝機容量10億KWp,年生產(chǎn)和安裝1億KWp,就業(yè)人口將超過500萬人。[4]4提供農(nóng)村電力光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)實耐用，易于安裝和具有靈活性等特征，使其可滿足世界任何地方的農(nóng)村電力需求。3.2.2我國太陽能光電轉(zhuǎn)換方面的成就光伏產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了較快發(fā)展，太陽能電池組件的生產(chǎn)能力和實際產(chǎn)量有了較快增加，性能也不斷提高。近幾年，隨著科研能力的提升和政府對光伏發(fā)電的深入認識，在國際光伏市場巨大潛力的推動下，我國光伏產(chǎn)業(yè)正以每年30%的速度增長，2005年底國內(nèi)光伏電池生產(chǎn)能力已達200MW以上，實驗室光伏電池的效率已達21%，可商業(yè)化光伏組件效率達14—15%，電池效率１０—１３％。太陽能光伏電池生產(chǎn)成本隨之逐年大幅下降，這對國內(nèi)太陽能市場走向壯大與成熟起到了決定作用。到２００５年，國內(nèi)光伏發(fā)電的總裝機達到了７萬千瓦。建成商業(yè)化的兆瓦級太陽能電站作好準備。2007年5月，國家先進能源技術領域“十一五”863重點項目“太陽能熱發(fā)電技術及系統(tǒng)示范”課題在河海大學宣告啟動。該項目由中科院電工所、河海大學等單位聯(lián)合承擔，分“太陽能塔式熱發(fā)電系統(tǒng)總體設計技術及系統(tǒng)集成”等五個研究課題。中科院電工所、河海大學等單位將在5年內(nèi)突破一系列關鍵技術，建成擁有自主知識產(chǎn)權的l兆瓦太陽能熱發(fā)電示范工程。[5]3.2.3我國太陽能光電轉(zhuǎn)換存在的不足1．多晶硅瓶頸在太陽能發(fā)電設備生產(chǎn)量高速增長的拉動下，太陽能發(fā)電設備的主要原料多晶硅需求也快速增長。由于太陽能產(chǎn)業(yè)目前每年超過30％的增長效應對多晶硅的強勁需求，加上技術門檻較高，限制多晶硅產(chǎn)量，多晶磚供需缺口較大。我國電子行業(yè)和光伏行業(yè)每年需要的多晶硅在3000～5000噸之間，然而我國自己生產(chǎn)的多晶硅只能滿足其中的l0％左右，另外的90％要依靠進口來解決。由于各廠家在國際市場上搶購多晶硅，使得多晶硅的價格幾倍于正常價格，造成國際市場多晶硅價格飛漲，其價格已完全背離了它的實際價值，這是一個極不正常的現(xiàn)象，極大地制約了我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)和電子產(chǎn)業(yè)的相應發(fā)展。供應緊張帶來的是多品種價格高企，這種情況在2010年前都難以改變。[6]2．政策扶持瓶頸盡管我國的《可再生能源法》早已在2006年1月1日正式生效。法令明確提出，“國家鼓勵單位和個人安裝和使用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)等太陽能利用系統(tǒng)”，也已原則性地規(guī)定了“國家財政設立可再生能源發(fā)展專項資金”、“金融機構可以提供有財政貼息的優(yōu)惠貸款”等鼓勵政策，但相應的具有可操作性的措施，如《上網(wǎng)電價法》遲遲不能出臺，以至于各地提出的太陽能光伏發(fā)電計劃大多為示范項目，離市場化的大規(guī)模推廣還很遙遠。目前電網(wǎng)公司只接受風電和生物質(zhì)發(fā)電?！渡暇W(wǎng)電價法》可以法規(guī)形式把可再生能源的“潛在市場”變成“現(xiàn)實市場”，使可再生能源發(fā)、電因成本過高而不具市場競爭力的技術，變成一種具有市場競爭能力的產(chǎn)業(yè)，引進市場機制，起到促進快速發(fā)展、快速降低成本，形成良性循環(huán)，最終實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展。3．成本仍然太高限制國內(nèi)應用的主要問題還是太陽能發(fā)電的成本太高．目前太陽能發(fā)電每度成本約3．5元，與生物質(zhì)發(fā)電(沼氣發(fā)電)、風電、水電以及傳統(tǒng)煤電相比確實昂貴，制約了中國太陽能發(fā)電市場增長。目前天威英利的產(chǎn)品90％以上出口到國外，只有不到l0％在國內(nèi)，主要應用于通信基站、西北地區(qū)的戶用系統(tǒng)及高速公路交通警示燈等。太陽能光伏電池以及原材料多晶硅的生產(chǎn)，都屬于高污染、高能耗行業(yè)。污染、能耗在國內(nèi)，清潔、低能耗在國外，這難免讓不少人感覺中國光伏產(chǎn)業(yè)有些尷尬?？稍趪鴥?nèi)真正要使用清潔能源，又覺得太貴，太陽能發(fā)電至今不能并入電網(wǎng)。如果國內(nèi)市場能做起來，無論對硅材料、新型高效太陽能電池的研發(fā)企業(yè)還是生產(chǎn)企業(yè)都是一個好消息。畢竟單單依靠國外市場的風險很大。5我國太陽能發(fā)展的前景世界上越來越多的國家認識到一個能夠持續(xù)發(fā)展的社會應該是一個既能滿足社會需要，而又不危及后代人前途的社會。因此，盡可能多地用潔凈能源代替高含碳量的礦物能源，是能源建設應該遵循的原則。隨著能源形式的變化，常規(guī)能源的貯量日益下降，其價格必然上漲，而控制環(huán)境污染也必須增大投資。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，煤炭約占商品能源消費結(jié)構的76%，已成為我國大氣污染的主要來源。大力開發(fā)新能源和可再生能源的利用技術將成為減少環(huán)境污染的重要措施。能源問題是世界性的，向新能源過渡的時期遲早要到來。從長遠看，太陽能利用技術和裝置的大量應用，也必然可以制約礦物能源價格的上漲。中國《可再生能源法》的頒布和實施，為太陽能利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了政策保障；京都議定書的簽定，環(huán)保政策的出臺和對國際的承諾，給太陽能利用產(chǎn)業(yè)帶來機遇；西部大開發(fā)，為太陽能利用產(chǎn)業(yè)提供巨大的國內(nèi)市場；原油價格的上漲，中國能源戰(zhàn)略的調(diào)整，使得政府加大對可再生能源發(fā)展的支持力度，所有這些都為中國太陽能利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來極大的機會。中國幅員遼闊，具有豐富的太陽能資源和良好的開發(fā)利用基礎。全國太陽能年輻射總量在3.8-8.4×102千焦/平方米之間，約占全國2/3以上的地區(qū)年日照時數(shù)大于2000小時。華經(jīng)視點專家認為，太陽能應用前景廣闊的主要有太陽熱能與太陽光電能兩種。太陽熱能應用如：發(fā)電、熱水、干燥、空調(diào)、溫室等。太陽光電能應用如：發(fā)電、電池、電動汽車等。而太陽能熱水器是目前唯一商品化的太陽能技術應用產(chǎn)品。1、太陽能熱能方面前景經(jīng)過多年的努力，隨著中國太陽能市場的迅猛發(fā)展，太陽熱能利用已取得可喜的進展。太陽能熱水器已應用于家庭、公寓、旅館、商場、農(nóng)林養(yǎng)殖等領域。隨著產(chǎn)品的逐步改進，大眾文明意識的提高，擁有九億人口的農(nóng)村潛在市場的開發(fā)，太陽能熱水器應用將會出現(xiàn)一個大幅度增長時期，不久的將來將形成一個與空調(diào)、冰箱、彩電等家電產(chǎn)品一樣的規(guī)模市場。中國