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21世纪我国太阳能利用发展趋势
赵 玉 文

(北京市太阳能研究所,北京 100083)

 

摘要:简述我国太阳能资源分布、国际太阳能光伏发电技术及产业和太阳能热利用技术和产业的发展概况和趋势;介绍我国太阳能利用技术发展现状及同国外的差距,并对我国太阳能利用在未来世纪的发展提出设想和建议。

关键词:太阳能利用;太阳能资源;热利用技术;光伏发电技术

Abstract: This article briefly describes the fundamental conception of solar energy utilization, the distribution of China’s solar energy resources, the general developmental situation and trends of international solar energy photovoltaic generation technology and industry as well as solar energy heat utilization technology and industry; introduces the present developmental status of China’s solar energy utilization technology and the gap between China and foreign countries in this aspect; and finally put forward the tentative ideas and suggestions on the development of China’s solar energy utilization in the coming century.

Key words:solar energy utilization; solar energy resources; heat utilization technology; photovoltaic generation technology

中图分类号:TK519 文献标识码:A 文章编号:1004-9649(200)-09-0073-05


0. 引言

太阳能利用指太阳能的直接转化和利用。利用半导体器件的光伏效应原理,把太阳辐射能转换成热能称太阳能光伏技术。把太阳辐射能转换成热能的属于太阳能利用技术,再利用热能进行发电的称为太阳能热发电,也属于这一技术领域。

20世纪50年代,太阳能利用领域出现了2项重大突破:一是1954年美国贝尔实验室研制出6%的实用型单晶硅电池;二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论,并研制成功选择性太阳吸收涂层。这2项突破既是太阳能利用进入现代发展时期的划时代标志,也是人类能源技术又一次变革时期的划时代标志,也是人类能源技术又一次变革的技术基础。70年代以来,鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加,世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮,开发利用太阳能成为各国制定可持续发展战略的重要内容。近30a来,太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展,成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。包括太阳能在内的可再生能源在下世纪将会以前所未有的速度发展,逐步成为人类的基础能源之一。据预测,到下世纪中叶,可在生能源在世界能源结构中将占到50%以上,如图1所示。


图1 未来世界能源结构变化和预测

1.资源

太阳内部进行着剧烈的由氢聚变成氦的核反应,并不断向宇宙空间辐射出巨大能量。太阳内部的热核反应足以维持6×1010a,相对于人类历史的有限年代而言,可以说是“取之不尽、用之不竭”的能源。地面上的太阳辐射能随着时间、地理纬度、气候变化,实际可利用量较低,但可利用资源仍远远大于满足现在人类全部能耗及2100年后规划的能源利用量[1]。地球上太阳能资源一般以全年总辐射量[kJ/(m2·a)]和全年日照总时数表示。就全球而言,美国西南部、非洲、澳大利亚、中国西藏、中东等地区的全年总辐射量或日照总时数最大,为世界太阳能资源最丰富地区。

我国陆地面积每年接收的太阳辐射总量在3.3×103~8.4×106 kJ/ (m2·a)之间, 相当于2.4×104亿t标准煤,属太阳能资源丰富的国家之一。全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000h,日照在5×106 kJ/ (m2·a)以上。我国西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原的总辐射量和日照时数均为全国最高,属太阳能资源丰富地区;除四川盆地、贵州资源稍差外,东部、南部及东北等其它地区为资源较富和中等区。我国太阳能资源分布如图2所示[2]


图2 我国太阳能资源分布

2.国外发展概况和趋势

2.1 太阳能光伏发电


世界光伏组件在过去15a平均年增长率约15%。90年代后期,发展更加迅速,最近3a平均年增长率超过30%[3],如图3所示。1999年光伏组件生产达到200MW。在产业方面,各国一直通过扩大规模、提高自动化程度、改进技术水平、开拓市场等措施降低成本,并取得了巨大进展。商品化电池效率从10%~13%提高到13%~15%,生产规模从1~5MW/a发展到5~25MW/a,并正在向50MW甚至100MW扩大;光伏组件的生产成本降到3美元/W以下。发展中国家印度处于领先地位,目前有50多家公司从事与光伏发电技术有关的制造业,其中有6个太阳电池制造厂和12个组件生产厂,年生产组件11MW,累计装机容量约40MW。

在研究开发方面,单晶硅电池效率已达24.7%[4], 多晶硅电池效率突破19.8%。非晶硅薄膜电池通过双结、三结迭层和Ge�Si合金层技术,在克服光衰减和提高效率上不断有新的突破,实验室稳定效率已经突破15%。碲化镉电池效率达到15.8%,铜铟硒电池效率18.8%。晶硅薄膜电池的研究工作自1987年以来发展迅速,成为世界关注的新热点。


图3 世界光伏发电系统累计安装量

21世纪世界光伏发电的发展将具有以下特点:(1)产业将继续以高增长速率发展。多年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域之一,预测今后10a光伏组件的生产将以20%~30%甚至更高的递增速度发展。光伏发电的未来前景已补愈来愈多的国家政府和金融界(如世界银行)所认识。许多发达国家和地区纷纷制定光伏发展规划,如到2010年,美国计划累计安装4.6GW(含百万屋顶计划);欧盟计划累计安装6.7GW(可再生能源白皮书), 其中3.7GW安装在欧洲内部, 3GW出口; 日本计划累计安装5 GW (NEDO日本新阳光计划); 预计其它发展中国家1.8GW (估计约10%), 预计世界总累计安装18 GW.到下世纪中页, 光伏发电成为人类的基础能源之一。(2)太阳电池组件成本将大幅度降低。光伏发电系统安装成本每年以9%速率降低。1996年平均安装成本约7美元/W,预计2005年可降到3美元/W,相当于光伏发电成本0.11美元/ (kW·h),2010年发电成本将降到6美分/ (kW·h)。降低成本可通过扩大规模、提高自动化程度和技术水平、提高电池效率等技术途径实现。欧洲就扩大水平、提高电池效率等技术途径实现。欧洲就扩大规模对降低成本的影响进行了可行性研究[5],结果表明,年产500MW的规模,采用现有几种晶硅电池生产技术,可使光伏组件成本降低到0.71~1.78欧元/W。如果加上技术改进和提高电池效率等措施,组件平均成本可降低到1美元/W以下,发电成本约为6美分/ (kW·h)。考虑到下世纪薄膜电池技术会有重大突破,其降低成本的潜力更大。因此下世纪太阳电池组件成本大幅度降低是必然趋势。(3)光伏产业向百兆瓦级规模和更高技术水平发展。目前光伏组件的生产规模在5~20MW/a。壳牌公司在德国建立的年产25MW多多晶硅组件生产厂于今年4月份开工。许多公司在计划扩建和新建年产50~100MW级光伏组件生产厂。同时自动化程度、技术水平也将大大提高,电池效率将由现在的水平(单晶硅13%~15%,多晶硅11%~13%)向更高水平(单晶硅18%~20%,多晶硅16%~18%)发展。(4)薄膜电池技术将获得突破。薄膜电池具有大幅度降低成本的潜力,世界许多国家都在大力研究开发薄膜电池。下世纪薄膜电池技术将获得重大突破,规模会向百兆瓦级以上发展,成本会大幅度降低,实现光伏发电与常规发电相竞争的目标,从而成为可替代能源。(5)太阳能光伏建筑集成及并网发电的快速发展。建筑光伏集成具有多功能和可持续发展的特征,建筑物的外壳能为光伏系统提供足够的面积,不需要占用昂贵的土地,省去光伏系统的支撑结构;光伏阵列可以替常规墙包覆装修成本与光伏组件成本相当;光伏系统的安装可集成到建筑施工过程,降低施工成本;在用电地点发电,避免传输和分电损失(5%~10%),降低了电力传输、分配投资和维修成本;集成设计使建筑更加洁净、完美,使人赏心悦目,容易被专业建筑师、用户和公众接受。太阳能光伏系统和建筑的完美结合体现了可持续发展的理想范例,国际社会十分重视。许多国相继制定了本国的屋顶计划,使得建筑光伏集成技术如旭日东升,蓬勃发展。1997年6月美国宣布了“克林顿总统百万屋顶光伏计划”,2010年完成;欧洲于大致相同的时间宣布了百万屋顶计划,于2010年完成;日本政府在21997财政年度计划安装9 400套4kW 的屋顶系统,总计37MW。日本政府的计划目标是,到2010年安装5 000MW屋顶光伏发电系统。德国联合政府在欧洲百万屋顶的框架下于1998年10月份提出一个光伏工业20 a来最庞大的计划即在6 a内安装10万套光伏屋顶系统,总容量在300~500MW,总费用约9.18亿马克。该计划于1999年1月实施,在德国引起很大反响,对德国的PV工业将产生不可估量的影响。

光伏系统和建筑结合将使太阳能光伏发电向替代能源过渡,成为世界能源结构组成的重要部分。

2.2 太阳能热利用

2.21太阳能热水器


热水器是太阳能热利用中商业化程度最高、应用最普遍的技术。1998年世界太阳能热水器的总保有量约5 400万m2。塞浦路斯和以色列人均使用太阳能热水器面积居世界首位,分别为1 m2/人。日本和以色列太阳能热水器户用比例分另为20%和80%。21世纪热水器将仍然是太阳能热利用的最主要市场之一。目前虽然许多国家都得到了较普遍应用,但世界太阳能热水器的平均用户比例还非常低,约1%~2%,同日本的20%和以色列的80%相比,相差很远;此外,服务业、旅游业、公共福利事业等中低温热水应用市场也非常大。1997年世界太阳能热水器的市场约7亿美元。2015年世界人口约70亿,如果热水器用户比例达到20%(日本今天的水平),社会经济和环境效益将非常显著。

2.22太阳能建筑


发展很迅速。80年代国际能源组织(IEA)组织15个国家的专家对太阳能建筑技术进行联合攻关,欧美发达国家纷纷建造综合利用太阳能示范建筑。试验表明,太阳能建筑节能率大约75%左右,已成为最有发展前景的领域之一。建筑能耗占世界总能耗的1/3,其中空调和供热能耗占有相当大的比例,是太阳能热利用的重要市场。太阳能建筑的发展不仅要求建筑师和太阳能专家互相密切合作,而且要求在概念、技术上相互融合、渗透、集成一体,形成新的建筑概念和设计。目前太阳能建筑集成已成为国际上不仅要求有高性能的太阳能部件,同时要求高效的功能材料和专用部件,如隔热材料、透光材料、储能材料、智能窗(变色玻璃)、透明隔热材料等,这些都是未来技术开发的内容。

2.23太阳能热发电


目前热发电系统主要有3种类型:槽式线聚焦系统、塔式系统和碟式系统[6,7]。槽式系统是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上,并将管内伟传热工质加热产生蒸汽,推动常规汽轮机发电;塔式系统是利用独立跟踪太阳的定日镜,将阳光聚焦到一个固定在塔顶部的接收器上,以产生很高的温度;碟式系统是由许多镜子组成的抛物面反射镜,接收器在抛物面的焦点上,接收器内的传热工质被加热到750℃左右,驱动发动机进行发电。

以色列鲁兹(Luz)公司1985年起先后在美国加州的Mojave沙漠是建成9个槽式发

电装置,总容量354MW。随着技术不断发展,系统效率由起初的11.5%提高到13.65,发电成本由26.3%美分/(kW·h)降低到12美分/(kW·h)。但二几年来这种系统没有扩大和推广,可认为只是一种大型的商业化示范系统。其它2种处在研究开发和示范阶段,其中由于碟式系统光学效率高、启动损失小及效率高达295,在3类系统中位居首位。太阳能热发电技术同其它太阳能技术一样,在不断完善和发展,但其它太阳能技术一样,在不断完善和发展,但其商业化程度还未达到热水器和光伏发电的水平。太阳能热发电正处在商业化前夕,预计2020年前,太阳能热发电将在发达国家实现商业化,并逐步向发展中国家扩展。

3.我国太阳能利用概况和21世纪发展思考


3.1 光伏发电

我国太阳池的研究始于1958年, 1959年研制成功第1个有实用价值的太阳电池。1971

年3月首次成功地应用于我国第2颗卫星上,1973年太阳电池开始在地面应用,1979年开始生产单晶硅太阳电池。80年代中后期,引进国外太阳电池生产线或关键设备,初步形成生产能力达到4.5MW太阳能光伏产业。其中单晶硅电池2.5MW,非晶硅电池2MW,工业组件的转换效率单晶硅电池为11%~13%, 非常硅电池为5%~6%。

我国光伏组件生产逐年增加[8](见图4),成本不断降低,市场不断扩大,装机容量逐年增加,1999年底累计约15MW(见图5)。应用领域包括农村电气化、交通、通信、石油、气象、国防等。特别是光伏电源系统解决了许多农村学校、医疗所、家庭照明、电视等用电,对发展边远贫困地区的社会经济和文化发挥了十分重要的作用。西藏有7个无电县城采用光伏电站供电,社会经济效益非常显著。


图4 我国太阳电池组件历年生产量


图5 我国光伏系统累计安装量

在研究开发方面,开展了单晶硅、多晶硅电池研究及非晶硅、碲化镉、硒铜等薄膜电池研究,同时还开展了浇铸多晶硅、银/铝浆、EVA等材料研究,并取得可喜成果,其中刻槽埋栅电池效率达到国际水平。

20 a 来我国光伏产业已形成了较好基础,但在总体水平上我国同国外相比还有很大差距,表现为:(1)生产规模小。我国太阳电池制造厂的生产能力约为0.5~1MW/a,比国外生产规模低一个多数量级。(2)技术水平较低。电池效率、封装水平同国外存在一定差距。(3)专用原材料国产化经过“八五”攻关取得一定成果,但性能有待能有待进一步改进,部分材料仍采用进口品。(4)成本高。目前我国电池组件成本约30元/W,平均售价42元/W,成本和售价都高于国外产品。(5)市场培育和发展迟缓,缺乏市场培育和开拓的支持政策、法规、措施。

21世纪我国光伏发电的发展可考虑2种模式,即年增长率约15%的常规模式和在政策法规驱动下年增长率约25%的快速模式。根据光伏工业自身的发展经验,生产量和规模每增加1倍,成本下降约20%,而价格通常比成本高30%;发电成本考虑了总系统价格、经济寿命(折旧期)、利率、运行和维护费用、保险费等因素。按照这种估算,2010年我国光伏组件年生产量将分别达到11MW和27MW,发电成本分别为1.14和0。96元,装机容量分别达到80MW和140MW。2030年光伏组件年生产量分别达到175MW和2 320MW,发电成本分别为0.57和0.28元, 总装机容量分别达到1 700MW和11 700MW。光伏技术的发电成本在2020年估计在0.5~1.0元/(kW·h)范围, 在相当大的市场上开始具有竞争力; 在2030年左右, 则在几乎整个电力市场上都具有竞争力; 联合国专家组针对世界光伏技术和产业的发展作了更详细的分析和预测[9], 结果更为乐观: 2005~2015年发电成本在0.045~0.091美元/(kW·h)之间, 在相当大的市场上开始具有竞争力; 2015年后,发电成本低于0.045美元/(kW·h), 则在几乎整个电力市场上都具有竞争力。

3.2 太阳能热利用技术

3.2.1热水器

太阳能热水器是我国太阳能利用中应用最广泛、产业化发展最迅速的领域,1979~1998年期间平均年增长率35%。1987通过引进铜铝复合吸热板技术并与我国自选研制成功的铝阳极化选择性吸收涂层技术相结合,使我国太阳能热水器产业进入现代化生产阶段。80年代后期,我国先后研制成功全玻璃和热管式真空管集热器并实现了产业化。1998年全国热水器产量约400万m2,总安装量约1 400万m2,占世界第1位。

我国目前太阳能热水器产业已处在商业化良性运作时期,绝大部份热水器企业都有良好的经济效益。目前我国有上千个热水器企业都有良好的经济效益。目前我国有上千个热水器生产厂家,年安装量约1 400万m2,占世界第1位。但户用比例仅3%,与日本和以色列等国家相比,差距很大。到2010年,我国人口约14亿,热水器户用比例如果能达到10%,平均户用面积也将有所增加,热水器总安装量将达到1亿m2。亚太银行专家对我国太阳能热水器的利用给出估计:10%的住宅安装太阳能热水器(2m2/户),热水负荷的75%由太阳能供给,每年可节约310亿kW·h电(相当于1 050万t标煤),相当于减排3 850万t CO2,说明太阳能热水器的经济、环境和社会效益非常好。

3.2.2太阳能建筑

我国70年代开始被动太阳年采暖建筑的研究开发和示范, 至今已抗议约1 000万m2(建筑面积)[10,11]。目前被动太阳房开始由群体建筑向住宅小区发展,如甘肃省临夏市建成占地9.8hm2、建筑面积9.2万m2的太阳能小区;兰州“阳光计划”投资4.28亿在郊区兴建73.3万m2太阳能住宅小区等。我国被动太阳房采暖节能60%~70%,平均每m2建筑面积每年可节约20~40kg标准煤,发挥着良好的经济产社会效益,但在技术水平上同国外还有相当大的差距。

21世纪,应组织建筑师和太阳能专家联合攻关,解决太阳能技术与建筑的集成技术,使太阳能采暖和热水器真正纳入建筑的集成技术,使太阳能采暖和热水器真正纳入建筑设计标准和规范,参照以色列作法,通过强制性政策法规,逐步实现民用建筑必须有太阳能设计才可批准施工。争取在2010年和2030年分别实现民用建筑太阳房达到10%和30%,其社会、经济、环境效益将十分可观。

3.2.3太阳能热发电

我国太阳能热发电技术的研究开发工作始于70年代末,担由于工艺、材料、部件及相关技术未得到根本解决,加上经费不足,热发电项目先后停止;国家“八五计划安排了小型部件和材料的攻关项目,带有技术储备性质,目前还没有试验机,与国外差距很大。我国热发电与国外差距很大。考虑到国内外的技术现状作粗略预测,在2000~2010期间进行MW级样机研制及示范,2010~2030期间进行10~100MW级商业性示范,2030~2050期间进行1 000MW级商业化推广应用。

4.政策措施建议


(1)结合我国实际情况制定鼓励可再生能源利用的政策法规。(2)鼓励产业发展,积极开拓市场。为使太阳能在21世纪中叶成为后续能源之一,必须从现在起,加大投入,通过产业化技术攻关、消化吸收等,使我国光伏制造产业在技术水平、市场规模、自动化程度、原材料国产化程度方面赶上国际先进水平;通过激励政策,积极鼓励大型企业参与太阳能光伏技术的产业活动。通过市场激励政策促进消费,开发边远地区光伏市场。(3)结合“醅大开发战略“,把太阳能列入重点建设项目。作好西部地区全面利用太阳能的规划及实施措施,将太阳能作为这些地区的后续替代能源。(4)加大基础性应用研究投入,如新型薄膜太阳电池、太阳能基础材料、光谱选择性吸收薄膜和其它光谱反射、透过功能薄膜等,为未来大幅度降低太阳能利用能量成本奠定基础。


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