中国太阳能光伏发电产业的现状与前景张耀明中国工程院院士摘要:光伏发电技术直接将太阳光转换成电能,没有任何污染,有助于解决全球变暖的问题和我国的能源安全问题。本文介绍了光伏发电的市场和技术发展状况以厦光伏一体化建筑技术,提出了”阳先三峡”的理念,文末展望了国内光伏发电的前景。关键词:太阳能;光伏发电ACTUALITYANDPRoSPECToFTHEPHoToVoLTAlCPOWERINCHINAZhangYaomingAbstract:Photovohaietechnologyconvertsthesunlightdirectlyintoelectricitywithoutemit-tinganypollutants.ItwouldhelpcombattheglobalthreatofclimatechangeandimprovethesecurityoftheenergysupplyinChina.Thispaperreviewsthedevelopmentofthesolarphoto—voltaicpowermarketandtechnology,andalsointroducestheBuildingIntegratedPhotovohaictechnology.Theconceptof”theChinaSolarThreeGorgesProject”israised,andtheprospectofthephotovoltaicpowerinChinaiSpredictedi13.theend.Keywords;Solar;Photovohaic前言太阳能光伏发电可直接将太阳光转换成电能,是一种不需燃料、没有污染获取电能的高新技术,是太阳能众多利用方式中最重要、最具应用前景的技术之一,是源自20世纪的材料、能源的重要内容。1上口J。予1973年开始将太阳能电池用于地面设施(天津港航标灯)。我国的光伏工业在80年代以前尚处于雏形,太阳能电池的年产量一直徘徊在10kWp以下,价格也很昂贵。由于受到价格和产量的,市场的发展很缓慢,除了作为卫星电源,在地面上太阳能电池仅用于小功率电源系统。如航标灯、铁路信号系统、高山气象站的仪器用电、电围栏、黑光灯、直流目光灯等,功率一般在几瓦到几十瓦之间。在”六五”(1981—1985)和”七五”(1986—1990)期间,国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给以支持,和地方在光伏领域投入了一定资金,使太阳能电池工业得到了发展.并在许多应用领域得到应用,如微波中继站、通信系统、水闸和石道的阴极保护系统、农村载波电话系统、小型户用系统和村庄供电系统等。同时,在”七五”期间,国内先后从国外引进了多条太阳能电池生产线,使得我国太阳能电池的生产能力猛增到4.5MWp/年(实际年销售量达到0.5MWp),售价也由”七五”初期的80元/Wp下降到40元/Wp左・1・中国光伏发电的市场发展太阳能光伏发电的核心器件是太阳能电池(光伏电池)。1839年法国学者贝克勒尔发现光伏效应,1954年美国贝尔实验室的三位科学家首次制成实用的单晶硅太阳电池“]。进入21世纪前后,太阳能光伏产业迅速发展,对社会、经济和人们生活产生深刻影响。已有众多专家学者对这一现象进行研究探讨.在本文中,我也尝试对我国太阳能光伏产业进行简单回顾与展望。我国于1958年开始研究太阳能电池,于1971年首次成功地应用于我国发射的东方红二号卫星右,这对于光伏市场的开拓起到了积极的推动作用。太阳能电池已不再仅仅用于小功率电源系统,而开始广泛用于通信、交通、石油、农村电气化、民用产品等各个领域,光伏发电不但列入到国家的攻关计划,而且列入到国家的电力建设计划,同时也在一些重人工程项目中得到采用[2]。2002年,原国家计委启动了”西部省区无电乡通电计划”,即”送电到乡”工程.通过光伏和小型风力发电的方式,最终解决了西部七省区(、、青海、甘肃、内蒙、陕西和四川)近800个无电乡的用电问题,光伏组件用量达到19.3MWp,风力发电机840kWp。这一项目的启动大大刺激了光伏工业的发展,国内建起了几条太阳能电池的封装线。使我国太阳能电池组件的年生产能力迅速达到100MWp(组件封装能力),2002年当年销售量为20MWp。生产得到大发展的同时,太阳能电池应用也取得进展。截止到2003年底,我国太阳能电池的累计装机已经达到55MWp¨]。我国光伏发电市场已经涉及如下几个方面:(1)在太空应用通信机、士兵GPS供电。(6)在家电中应用特别适用于无电地区,如我国深圳的太阳能手提电源,已为成千上万农牧民解决用电困难。便携式家电有太阳能计算器、钟表、电脑、收音机、照相机、电视、手机克电器等。绿色家电的应用,有利环保。(7)其它地面应用如光伏水泵、畜牧围栏、植物保护、森林防火、太阳能玩具、石油、化工、运输等行业、钢铁结构、钢铁管道的阳极保护等。今后儿t|年间,是人类阔步迈向太阳能时代的历史时期,也是我国人民奋发进取,建设社会主义现代化强国的历史时期。太阳能源时代的行将来临,对我国现代化的努力是千载难逢的机遇。面对石化资源的枯竭、生态环境的破坏都显示出传统发展之路路障遍布.已无法通行.采用新的能源是唯一可行之路。我国从20世纪80年代就进行太阳能光伏电池的开发生产,国家也在西部无电地区大力推广离网光伏系统的应用,其中光明工程和乡乡通等工程的实施,为我国光伏产业的发展和光伏技术提高起到积极作用,国家在973和863等重大项目中也将太阳能电池的发展放到重要位置,北京2008绿色奥运的筹办也为太阳能电池的发展产生巨大推动。2太阳能电池的发展(1)随着电子技术的突飞猛进,太阳电池的产量逐年递增:1990年世界太阳电池产量超过46.5MWp1991年超过55.3MWp1993年60,1MWp光伏电池最早应用领域是在太空,作为人造卫星的电源。我国神州五号载人飞船所用电能正是由太阳能电池提供。(2)太阳能灯太阳能灯是一种利用太阳辐射作为能源的灯,只要阳光充足就可以就地安装,不受供电线路影响,不用开沟埋线,不用消耗常规电能,是绿色环保产品。2008年北京奥运村道路两旁90%的照明将用这种对周围有极好点缀和装饰效果的太阳能灯。(3)太阳能车和游艇太阳能车和游艇是通过光伏发电装置为直接驱动动力或以蓄电池储存电能再驱动的车辆和船只。由于不污染水质、大气、不排放二氧化碳,不需其他能源。随着电池和控制技术提高,已经得到了飞速发展。(4)在交通设施中应用在高速公路上远离城市电网的服务区中建设光伏电站、紧急电话系统、视频监视器、可变情报、报警示灯等。目前我国沿海从南到北基本实现航标太阳能光伏电池化,公路上的警示灯、信号灯、标志灯等均得到很大发展。(5)在通信方面应用通讯/通信领域是太阳能光伏电源系统应用强项已广泛应用于微波中继站、光缆维护站、电力/广播/通讯/寻呼电源系统,农村载波电话光伏系统、・2‘1992年57.9MWp1994年69.4MWp1996年88.6MWp1998年151.7MWp1995年77.7MWp1997年125.8MWp1999年产量超过201.3MWp.2002年超过540MWp.而到2003年,世界太阳电池产量已达742MWp,2n04年更达1200MWp,2005年突破2000MWp,发展速度高于20世纪90年代快速增长的1倍以上。(2)随着技术水平不断提高,生产规模不断扩大,组件成本大幅下降,下降幅度达两个数量级,生产规模是影响产品成本的重要因素。根据经验曲线法,世界上多数产业生产规模每翻一番,成本下降10%~30%。光伏产业的统计结果是20%,这种方法包含技术与规模俱进的含义。在太阳电池发电价格一路走低同时,水电、火电的价格由于燃料枯竭、环境污染、原料运输费用上涨等种种因素,正在逐步升高。太阳电池发电和另辟跷径,通过提高入射光强度(功率)提高太阳电池功能,同时降低太阳电池成本。我们也进行了多年研究。我们采用易于制造、成本低廉、抗风性强的聚光器和自动跟踪太阳系统,增加太阳能电池所接受的太阳光照射强度,在获得同样电能的情况下.太阳能电池的用量仅为固定式光伏发电系统的20%~35%。也就是说用普通金属玻璃降低昂贵的光伏半导体材料用量,从而显著提高光伏发电系统性价比。等到试验示范工程顺利告捷,我们的数倍聚光光伏发电系统就走人国内领先,世界一流的行列。3并网发电和光伏化一体建筑(1)光伏并网发电是光伏发电进入电力规模应用的必然结果,也是未来最犬的光伏发电市场。我国地域辽阔、阳光充沛光伏并网发电具有先天优势。如果2020年光伏发电总量为450Twh,总装机量为30GWp,需要占地仅300平方公里,不足我国沙漠和沙漠化土地的l/3000。如果2020年全国30GWp太阳能光伏电池全部安装在城多多屋。则占用面积为城乡屋顶总面积的7.5%。据了解,2008年北京奥运场馆外墙将贴光伏电池,周围80%至90%的路灯和洗浴热水将来自太阳能光伏技术,北京市和科技部计划建设一座30万千瓦并网光伏电站,为部分场馆的照明和空调提供动力,常规发电两者价格将在不远将来,也许就在20lo年左右,将基本相等。在1977年,我国太阳能电池发电价格达200元/Wp,20世纪80年代,我国光伏r业开始起步,发电价格降至40~45元/Wp,到2000年底我国太阳能电池工业已初具规模,单晶硅太阳能电池生产价格为42~47元/Wp,非晶硅太阳能电池生产价格为23~25元/Wp,时至今日,价格约为10~75元/Wp,而这一趋势已经延续了数十年。到2010年前后,随着一批新的技术获得突破,太阳能光伏发电成本将会降到1美元/kWh以下,达到或接近常规发电成本价格。到2020年左右.随着各项技术突破,发电成本将会降至6美分/kwh。从而使太阳能光伏发电拥有完全取代石化燃料发电的经济基础和商业价值。(3)各项技术上取得突破。现在世界各国的科技人员正从太阳能电池用硅材料、硅片、非晶硅和单晶硅太阳能电池片及组件、光伏发电系统平衡部件(蓄电池、太阳能电源控制器、逆变器)、光伏发电系统集成等多方面进行研究开发。除单晶硅电池外、多晶浇铸硅电池得到迅速发展。此外以非晶硅、碲化镝和铜铟硒为代表的薄膜太阳能光伏电池也相继进入市场,太阳能光伏电池售价也大幅度F降。在光伏发电的研究方面,人们不断发现新原理、新材料、新工艺。薄膜光伏电池甚至有机材料光伏电池将逐步进入市场,使太阳能光伏电池家族更加丰富多彩和充满活力。自从20世纪80年代以来,光伏发电技术研发的主要目标是电池制造的降低成本和转化效率的提高。即向高效、低价方向发展成本竞争力的主要指标是每个单位(峰值)电能输出对应的光电池的价格,这是两个难以两全的要求。例如在相同的太阳能输人通量情况下转化、效率的提高扩大了电能输出,但成本随之提高;使用低成本的半导体和制造技术使转化效率下降,工艺成本下降导致电池性能和耐用性能下降。太阳电池的转换效率是电池电功率和入射光功率的比值,由于材料只能最大限度吸收一定波长的太阳光辐射,而太阳光谱却是一个宽连续谱,以及在室温条什必然存在晶格热振动等散射机制,太阳电池最高转换效率有其上限。在致力改善太阳电池遮挡损失和电池材料本身光谱响应特性的光学损失和载流子损失(复合)和欧姆损失(电极一晶体接触)等电能转换损失的同时,不少科技人员还2005年在科技部、国家和自治区支持下,我国首座直接与高压并网的100千瓦光伏电站建成并一次并网成功,年发电量约20万千瓦时。这个项目填补了我国大型太阳能光伏电站与高压直接并网的研究和建设空白。为以后掌握大型高压输电网并网的光伏电站核心技术,掌握在荒漠、戈壁发展大型光伏并网发电系统,并向全国输送核心技术树立良好开端。(2)建材建筑虽然应用范围遍及各行行业,但是光伏发电应用最广,影响最大的领域应是建材与建筑,应是用太阳能电池制成的屋面和墙体。20世纪90年代,随着常规发电成本的上升和人们对环境保护的日益重视,一些国家开始将价格迅速下降的太阳能电池用于建筑。太阳能电池已经可以弯曲、盘卷,厚度已经可达仅仅几个波长,易于裁剪,易于安装、防风阻雨、清洁安全可以取代建筑用涂料、瓷块、价格不菲的幕墙玻璃可以作为节能墙体的外护材料。1997年,美崮提出雄心勃勃的”克林顿总统百万太阳能屋顶计划”,计划在2010・3‘年前为100万户居民每户安装3~5KWp光伏电池,德国与此同期推出”十万太阳能犀顶计划”,日本提出“新阳光计划”,目标为2010年生产43亿瓦光伏电池。印度宣布2002年在全国推广150万套太阳能屋顶;2002年悉尼成功举办奥运会,共在国际奥运村安装665套1KWp的屋顶光伏系统,为世界最大光伏住宅小区。光伏发电与建筑物集成化(BuildingIntegrated这些项目包括:中国:西部省医无电乡通电计划,简称”送电到乡”工程;中国:“光明工程”先导项目;全球环境基金:国家/全球环境基金/世界银行中国可再生能源发展项目(REDP);中国一荷兰合作:丝绸之路光明工程;中国一德国合作:中德财政合作西部太阳能项目(KFW);中国一德国合作:中德技术合作在农村地区应用可再生能源改善当地发展机遇项目(GTZ);中国一加拿大合作:CIDA太阳能农村通电项目;Photovohaic)的概念在1991年被正式提出,并且很快成为热门课题。现有建筑外护材料的功能仅仅是保护和装饰。而人们所指的太阳能建材化主要仅仅关注太阳能热水器的安装。若将屋及向阳外墙甚至窗户材料都用太阳光伏器件替代。则既能作为建材,又能供应能源,可谓一举两得。当然,对于光伏器件来说,同时要求具备建材需求的绝热保温,电气绝缘、防水防潮与建筑材料相近的机械强度.还要考虑安全可靠、美观大方,便于施工等因素。光伏器件如能替代部分建筑,则可进一步降低光伏发电成本,由于其全部或基本上不用蓄电池,造价大为降低,除了发电以外还具有调峰、环保和代替某些建筑功能,有利推广应用,市场潜力巨大。这种建筑既为人创造舒适漫馨的空问环境(健康宜人温度、湿度、清洁空气、充分阳光及灵活开放空问)叉能最大限度保护自然环境减少污染.这完全符台国际建筑师协会十四次世界大会”华沙宣言”中建筑学是为人类建立生活环境的综台艺术和科学一致的理念。对我国未来建筑、未来城市发展产生的影响,将会在很长时间陆续显示出来。4阳光三峡中国一F1本合作:NEDO光伏项目。此外,还有一些小规模的光伏项目正在中国实施。这些项目遍及中国西部的各个省区、中部的部分省市以及东部的沿海岛屿。这些项目的总投资超过30亿人民币。如国家计委的光明工程,电力部的无电县建设计划、阿里光电计划、林业部的森林防火通信工程、邮电部的光缆工程、石油部的管道保护工程、广电部的村村通工程等,我国建材建筑主管部门,也应开展自己的光伏屋顶百万、千万光伏屋顶工程项目。制定建筑优秀利用太阳能和太阳能建筑一体化的强制实施条例。有的专家已经建议,在2006~2010年间我国推广4000套光伏屋顶(绿色屋顶),2010~2020年推广96000套光伏屋顶,总计500MWp,只有这样的推广力度才有助于推动光伏发电市场,支持国家的产业发展和环保目标。为了实施光伏屋顶计划,应当尽快出台光伏并网发电的准予上网和制定相应的电价和补贴。尤其可和我国西部无线乡村的通电计划密切配合。2004年。针对能源危机,我曾提出建设阳光三峡的设想。提出随着技术突破,在适当地点建设一座或多座发电规模可和水利三峡媲美的大型光伏电站的建议。光伏发电即将实现从补充常规能源到部分代替常规能源的角色转变。目前世界光伏产业以32.1%的平均年增长率高速发展,位于世界能源发电市场增长率的首位。根据这一趋势,世界各国纷纷出台有力式庞大光伏应用发展计划.兆瓦级光伏电站的建设在欧洲各国方兴未艾。据悉我国正在考虑实施大漠光电计划,2006~2010年期间建立8座荒漠电站,容量共计80MWp。而预计到2010年以后,我国将会开始阳光三峡的规划、筹备。我国太阳能光伏发电的开发推广,需要采取有力促进措施,许多专家学者见仁见智,提出很好建议。我个人认为当务之急是建立新能源和可再生能源的国家统一领导机构和在条件较好的地区建立2~3个国家级研究开发机构,只有这样才能加强国际和国内产、学、研的合作,实施太阳能光伏产业的原材料、仪器开发和大型企业建设开展重点城市光伏并网发电示范、照明城市道路和住宅小区示范。到目前为止,中国重大的光伏发电项目都是在中国、外国以及国际相关机构的支持下开展和完成的。这些项目的实施对于中国光伏市场的开发,对于中国光伏发电技术水平的提高,对于中国光伏发电产品的质量控制,以及中国光伏发电产业的发展都起到了积极的推动作用。・4‘为了实施大漠光电计划和阳光三峡计划,从现在起就应开始前期勘察和可行性研究工作,使计划符合电力部门要求,得以顺利实施。长江三蛱是一个举世瞩目的宏伟工程,国家投资1800亿元以上,耗时10年,总容量1820万kW,年平均发电量847亿kWh。对于长江三峡这样一个世纪建筑,其影响要在很长时间才能展示。但如果修建一座同等规模的太阳能光伏发电站一一阳光三峡,优点却极为明显。三峡工程筑堤蓄水,堤内水位升高200多米。数百万亩耕地、山林被淹,工程移民高达200万,沿江各省,自湖北、湖南直到江苏、浙江都接受数量不等的移民。而阳光三峡可以修建在荒山、沙滩等不宜耕作的偏僻的地区,不会损坏耕地,不需移民。其次,虽然采取种种措施。但只能减少,无法消除长江三峡这样巨大工程对环境生态的影响,如泥沙的沉积、上海出海口含沙量的减少,鱼群游动,200米深度的水层对地壳的影响。三峡周围气候变化等,尤其对地震等自然灾害、战争恐怖活动的破坏需要严加防范,而阳光三峡不会影响环境,还减少干旱地区土壤对热量吸收,利于改善生态,有助减少沙尘暴等恶劣气候发生,阳光三峡便于维修,基本不需考虑安全因素。还有一点也很重要。水利工程必须建在水源丰富、上下落差很大地区。长江三峡具有得天独厚优势,但中国只有一个三峡。类似巨大水电工程条件屈指可数,在金沙江、怒江上游还有可选之一。除此之外,国内已无再建长江三峡的地理条件,太阳能光伏发电规模既可分散,又能集中,可以尽量利用荒僻难以耕种之地,我国西部、北部辽阔土地,足以提供几个、几十个阳光三峡的客观基础。这是按常规手段开发西部的巨大障碍,又是阳光充沛、利于光伏发电的理想基地。现在欧洲.一些国家因为土地资源多限,已经在海上建立安装有光伏设备的飘浮平台,而我国只要稍加利用,这些终年无雨的不毛之地,就能成为开发阳光三峡的理想基地。据测算只要我国荒漠的十分之一得以利用,就能提供5万亿千瓦时的电量,相当建立128座阳光三峡,就能彻底解决我国能源紧缺的瓶颈,、、青海、甘肃成为生机勃勃的能源基地,这是多么激动人心的辉煌前景15中国光伏技术前景在今后十余年中,太阳能电池的市场走向将会发生很大改变。在2010年前我国太阳能电池多数用于光伏发电系统,而从2011年到2020年我国光伏发电的市场将会由发电系统转向并网发电系统,包括沙漠电站和建筑屋面发电系统。2010年、2020年和2050年太阳能电池的市场份额预测如下。太阳能电池市场份额(%印度152%,年产达到50MWp以上,在2007年左许多国家的发展历史证明:的支持和扶助,是太阳能光伏产业发展必不可少的条件。美国、欧盟各国、印度、日本都以各种方式提供资金针对持、财政补贴和优惠。由于采取统一收购(每千瓦电价0.5欧元)德国一些农民已在田地上铺光伏电池,改种”太阳能电池”。我国上海,已经耗资150亿元,开发10万屋顶的光伏发电系统,每年发电4.3亿千瓦时。我国的可再生能源法的颁布,将有力促进我国太阳能工业的发展。太阳能光伏工业更乘风破浪,令人瞩目。2003年我国太阳能电池产量仅为印度52%,在2004年,我国太阳能电池产量超过印度,为右,我国在太阳能电池研发、生产和应用产品开发将在东部沿海地区形成一个世界级的产业基地,太阳能电池总产量进入世界前四名,排在日本、德国和美国之后,而到2010年,我国有望名列世界第二。中国将崛起世界一流的光伏产业;而到2020年中国光伏电池发展规模将达1000~8000MWp生产大国,在世界太阳能产业中占据重要地位。太阳能光伏发电,可以节约宝贵土地资源,我国人均耕地面积仅及世界平均水平一半,这些耕地大多集中在东部地区。正随工业化和城市化的发展而迅速减少,高山、沙漠、丘陵等难以利用的土地占据我国国土面积的30.68%,这些土地大多分布・5‘在西部、北部。而幅原广大的西部、北部又是气候干燥、雨量稀少、阳光普照的地区,是太阳能、风能极为丰富的地区。在青藏高原,每年平均日照时间在3000小时以上,在世界上名列前列。在西部、北部重点发展以太阳能为代表的绿色能源,既有助西部人口就业,有利于东部、西部的协调发展,缩小东西部的差距,又避免东部发展过程中的环境污染,占用耕地,大量居民搬迁弊病。作为清洁、可再生能源、太阳能光伏能源从开始时就是能源新秀,又是环保宠儿。太阳能电池有效减少了环境污染、利于维护、改良生态。按照估计我国到2010年太阳能光伏发电的累计用量将达到600MWp,预计其中20%是并网发电,80“是发电系统,则相当在我国减排135万吨二氧化碳,到2020年太阳能光伏发电累计安装30GWp,则相当于减排6750万吨二氧化碳”]。这个简单计算没有包括使用煤炭发电产生的大量工业废渣、废水,没有统计太阳能光伏电站对周围荒漠、高原的有利影响。太阳能光伏发电可以提供大量就业机会、稳定社会。我们正在开展的数倍反射聚光光伏发电技术研发项目,当规模化生产线达2MWp时,就可解决800人左右的就业,当产能达到10MWp时,即可解决4000人左右就业。随着我国太阳能电池产业的突飞猛进,成千上万的生产人员、科技人员、销售人员、管理人员涌人这个欣欣向荣、日益扩大的产业,预计到2020年,太阳能光伏发电能为我国提供2千万以上的就业机会,太阳能光伏发电将会将为我们能源支柱产业之一。同时带动相关产业(如电子、交通、机械、电器、服务)的迅猛发展。到2020年,随着综合国力的显著增强和光伏产业的兴起,我国将会兴建超大规模的太阳能热电站和太阳能光电站。其中10MWp以上的太阳能光伏电站包括沙漠电站、大规模光电制氢、大规模的海水淡化、大规模太阳能光伏一体化建筑大型光伏提水电站、光伏发电电动汽车、和宇宙发电。届时光伏发电将会成为我国主体能源的重要组成之一。参考文献:[1]赵争鸣,刘建政,孙晓英等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社.2005E3]中国可再生能源发展项目办公室,中国光伏产业发展研究报告[R],2004E33罗运俊,何梓年,王长贵.太阳能利用技术EM3.北京:化学工业出版社.2005[4]王长贵,崔容强,周篁.新能源发电技术EM].北京:中国电力出版社.2003E53沈辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京:化学工业出版社.2004E63崔民选,主编.2006中国能源发展报告EM3.北京:社会科学出版社2006.4-6・