太陽能光伏發(fā)電
——中國低碳經(jīng)濟(jì)的希望

崔容強(qiáng)

教授,上海交通大學(xué)太陽能研究所,上海200240

太陽能光伏發(fā)電
——中國低碳經(jīng)濟(jì)的希望

崔容強(qiáng)

教授,上海交通大學(xué)太陽能研究所,上海200240

光伏發(fā)電 低碳經(jīng)濟(jì) 能源

2010年上海世博園區(qū)安裝了約5.2 MW光伏發(fā)電系統(tǒng),預(yù)示著太陽能光伏是低碳經(jīng)濟(jì)的希望。筆者展望太陽能光伏發(fā)電的未來,重新思考光伏發(fā)電在中國能源結(jié)構(gòu)中的戰(zhàn)略地位;建議把支持光伏發(fā)電的快速發(fā)展作為占領(lǐng)太陽能科技制高點(diǎn),同時(shí)作為發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的國策。

1 中國能源形勢:嚴(yán)峻復(fù)雜、喜憂參半

能源安全和環(huán)境安全是中國面臨的兩大難題。

中國能源資源總量少,人均占有量低,人均資源量僅為世界平均水平的40%,其中煤炭58.6%、石油7.7%、天然氣7%。同時(shí),優(yōu)質(zhì)資源少,保證程度低。按已探明儲量,煤炭,中國不足100年,世界平均200年以上;石油,中國不足15年,世界平均45年;天然氣,中國不足30年,世界平均60年;中國富鈾礦稀缺,資源產(chǎn)地和使用地分布極不平衡,能源運(yùn)輸和儲備系統(tǒng)脆弱。

能源對外依存度高,2009年原油進(jìn)口依存度51.9%,首次超過50%的國際安全警戒線,到2030年,石油70%以上進(jìn)口,天然氣50%以上進(jìn)口;2009年煤炭進(jìn)口依存度3.2%,首次變?yōu)檫M(jìn)口國。隨著國際能源價(jià)格高企,中國的能源安全迫在眉梢。

中國環(huán)境壓力大,已經(jīng)是世界SO2第一排放國,CO2第一排放國,且增速快,占世界新增碳排放的2/3。近幾年氣候?yàn)?zāi)難頻發(fā),酸雨日增,環(huán)境安全同樣日益嚴(yán)峻復(fù)雜。

可喜的是,2009年年底,全國人大對可再生能源法修訂,設(shè)立了政府性質(zhì)的可再生能源發(fā)展基金,建立了可再生能源發(fā)電全額保障性收購制度;加大了對風(fēng)能、太陽能光伏等產(chǎn)業(yè)的扶持政策;“國家能源委員會”成立,溫家寶總理擔(dān)任國家能源委員會主任;國家財(cái)政部“光伏建筑”示范項(xiàng)目、金太陽工程等示范工程的推進(jìn);第一個(gè)光伏招標(biāo)上網(wǎng)電價(jià)實(shí)施;可再生能源電價(jià)附加由0.002 CN Y/kWh提高到0.004 CN Y/kWh(CN Y:人民幣元);正在擬定推進(jìn)中國可再生能源快速發(fā)展的“新興能源產(chǎn)業(yè)規(guī)劃”;江蘇、江西、上海、北京、浙江、陜西、山東、河北、寧夏等許多省市出臺了促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的具體政策等等一連串利好消息,振奮著目前還處于“兩頭在外”的中國光伏產(chǎn)業(yè)。

可以預(yù)期,中國光伏的前景,一定非常光明。中國的光伏產(chǎn)品一定會像古代中國的絲綢、茶葉和瓷器一樣獨(dú)具特色,也會像現(xiàn)代中國的服裝和鞋帽一樣既富足自己,又惠及世界。

關(guān)于中國的能源發(fā)展情況令人擔(dān)憂:見諸媒體的報(bào)導(dǎo),為了應(yīng)對中國能源需求的快速增長,正在設(shè)法開挖500 m—1 500 m以下的煤,抽取1 500 m—10 000 m以下的石油,大力發(fā)展煤清潔燃燒技術(shù),血煤事件時(shí)有發(fā)生;國際石油價(jià)格波動劇烈,難以預(yù)測;局部地區(qū)時(shí)有發(fā)生電荒、氣荒、油荒、煤荒;國內(nèi)能源價(jià)格不斷上漲;興建了更多的核電站,花去更多的人力財(cái)力到國外找能源,而對光伏發(fā)電規(guī)劃遲后,期望已久的光伏上網(wǎng)電價(jià)法卻遲遲難以出臺。這不由得發(fā)人深省:中國能源發(fā)展思路是否過時(shí)?盯著礦物能源是否會帶來新興產(chǎn)業(yè)革命?對核電危險(xiǎn)性是否估計(jì)不足?依賴國外能源是否能夠確保中國的能源安全?

特別令人憂慮的是,中國的光伏面臨被妖魔化的危險(xiǎn),對光伏的錯(cuò)誤認(rèn)識主要是:①高能耗;②高污染;③產(chǎn)能過剩;④中國無自有技術(shù);⑤重復(fù)建設(shè)的問題;⑥“污染”電網(wǎng);⑦不成規(guī)模、不能調(diào)度;⑧價(jià)格太貴,誰都補(bǔ)貼不起。

對于以上問題,不同的答案是:

(1)太陽級多晶硅是寶貴的“產(chǎn)能材料”,不能簡單稱為“高能耗”材料。

適合做光伏電池的高純多晶硅稱為“太陽級硅”。改良西門子法制造1 kg太陽級多晶硅綜合電耗需200 kWh/kg,同時(shí)需要1.3 kg冶金硅。每千克冶金硅電耗(含采礦耗能)14 kWh/kg。由此可知改良西門子法制造1 kg太陽級硅的總能耗是218.2 kWh/kg。按中國現(xiàn)有水平,1 kg太陽級硅可生產(chǎn)170 Wp光伏電池。1 Wp光伏電池在中國陽光資源下平均每年可凈發(fā)交流電1.3 kWh(1.6～1.0 kWh)。如此,制造1 kg太陽級硅所消耗的能量只需2.21年即可收回,這就是“太陽級硅材料的能量回收期”?？梢灶A(yù)期光伏電池第一期工作壽命為25年,則太陽級硅材料產(chǎn)能倍增率在10倍以上。(光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量回收期本文另有計(jì)算)

(2)光伏是否“高污染”?

如果光伏是高污染,西方發(fā)達(dá)國家為什么積極發(fā)展?光伏生產(chǎn)在技術(shù)上對于生產(chǎn)過程完全可以做到全閉路循環(huán)處理,被認(rèn)為是危害最大的四氯化硅(SiCl4)是寶貴的化工資源,可以做到回收復(fù)用?，F(xiàn)在中國多晶硅企業(yè)及光伏企業(yè)排放都可以符合國家環(huán)保要求。

(3)中國光伏是否已經(jīng)“產(chǎn)能過?！?

自己尚沒有用,何談產(chǎn)能過剩?市場經(jīng)濟(jì)倡導(dǎo)在相對過剩的環(huán)境下,進(jìn)行市場化競爭,就能實(shí)現(xiàn)優(yōu)勝劣汰,確保高品質(zhì)和低成本產(chǎn)品占領(lǐng)市場,保證行業(yè)健康發(fā)展。如果規(guī)模比較小的多晶硅生產(chǎn)廠在滿足環(huán)保的條件下,能通過技術(shù)進(jìn)步不斷地降低能耗,提高質(zhì)量,生產(chǎn)出符合光伏產(chǎn)業(yè)需要的太陽級硅原料為何要限制?中國光伏的現(xiàn)實(shí)是民企主導(dǎo),地方積極,因此中央應(yīng)積極引導(dǎo)有序競爭。

(4)中國沒有技術(shù)?

2005年在上海交通大學(xué)舉行“首屆中國太陽級硅研討會”時(shí),四川峨眉半導(dǎo)廠已有年產(chǎn)50 t高純多晶硅生產(chǎn)技術(shù),2009年中國太陽級多晶硅產(chǎn)量己接近20 000 t,中國已一躍成為繼美國、德國、日本之后第四個(gè)世界“萬噸級硅俱樂部”成員,業(yè)內(nèi)人士無不為之歡欣鼓舞。巨大的國內(nèi)外市場正在期待十萬噸、幾十萬噸優(yōu)質(zhì)價(jià)廉的國產(chǎn)多晶硅。

(5)重復(fù)建設(shè)?

很少有人擔(dān)心中國的飯店有重復(fù)建設(shè)。市場經(jīng)濟(jì)下激烈競爭是企業(yè)家選擇是否參與重復(fù)建設(shè)的依據(jù)。

(6)光伏“污染”電網(wǎng)嗎?

光伏電站是否會引發(fā)供電可靠性、繼電保護(hù)、電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性?是否會對電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度和電力市場交易帶來沖擊和影響?根據(jù)歐洲的經(jīng)驗(yàn)表明,當(dāng)間歇性電力能源系統(tǒng)不超過電網(wǎng)總?cè)萘康?7%時(shí),就不會對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成沖擊。與風(fēng)力發(fā)電不同,光伏發(fā)電是“黃金電”,白天是電網(wǎng)負(fù)荷高峰,光伏電力容易被電網(wǎng)消納,目前我國并網(wǎng)的光伏發(fā)電只有280 MWp,僅占電網(wǎng)總量的0.032%。況且電網(wǎng)技術(shù)也在迅速發(fā)展中,微網(wǎng)技術(shù)、柔性控制技術(shù)等的發(fā)展將提升電網(wǎng)的智能化水平,“光伏+儲能+智能電網(wǎng)”就是一個(gè)穩(wěn)定的能源。

(7)光伏發(fā)電的工作壽命問題

何謂“工作壽命”,通常是指在一個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池板在連續(xù)工作25年后,其輸出功率將下降20%?？梢哉J(rèn)為光伏的第一期“工作壽命”為25年。不需要任何燃料,幾乎不需要維護(hù),有陽光就能發(fā)電;特別有趣的是還有第二期“工作壽命”——第26～50年,只要對第一期“工作壽命”終止的光伏發(fā)電系統(tǒng)增加20%光伏電池板,又變成一個(gè)百分百的完整發(fā)電系統(tǒng)。也就是說光伏發(fā)電的工作壽命在50年甚至更長。

實(shí)例:海南東方市尖峰嶺1986年安裝運(yùn)行的光伏系統(tǒng),運(yùn)行了23年之后,光伏電池板的光電轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定,2009年對這批光伏電池板重新測試,驚奇地發(fā)現(xiàn)其平均輸出功率僅衰減了6.1%,顯示出光伏電池板經(jīng)過長期運(yùn)行仍具有較好的整體性能(見中山大學(xué)測試結(jié)果)。

(8)光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量回收時(shí)間

定義:把光伏系統(tǒng)放在陽光下發(fā)電(凈發(fā)電量),看幾年可以回收制造這個(gè)光伏系統(tǒng)消耗的能量稱為光伏發(fā)電系統(tǒng)的“能量回收時(shí)間”。其計(jì)算公式為:

T=Σ(E1+E2+E3+E4+E5+E6+E7)÷E8,公式中T為能量回收時(shí)間(年),E1為采礦及提煉冶金硅能耗,E2為提煉高純硅能耗,E3為長晶及切片能耗,E4為光伏電池及組件生產(chǎn)能耗,E5為光伏系統(tǒng)的BOS平衡部件(逆變器、控制器、電纜、開關(guān)、支架等等)及輔料能耗,E6為包裝及運(yùn)輸能耗,E7為安裝能耗,E8為光伏系統(tǒng)年產(chǎn)能。

實(shí)際復(fù)核結(jié)果表明:制造每千瓦光伏發(fā)電系統(tǒng),總耗電2 620 kWh;制造1千瓦光伏發(fā)電系統(tǒng)消耗的能量在上海的回收時(shí)間T=2.49年,在青海、甘肅、內(nèi)蒙T=1.65～1.75年回收;薄膜太陽電池的“能量回收時(shí)間”已不到1年;以目前的情況,在光伏系統(tǒng)第一期“工作壽命”25年內(nèi),就有10倍以上的能量增益率。

今后隨著技術(shù)進(jìn)步,能量回收時(shí)間還會進(jìn)一步縮短,更不成其為問題;不遠(yuǎn)的將來可實(shí)現(xiàn)以光伏發(fā)電來制造光伏系統(tǒng),形成能量增值效應(yīng)和低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

(9)貴與不貴的問題?

能源與環(huán)境是國計(jì)民生的大事,應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)國家意志與政府行為。太陽能與風(fēng)能皆為環(huán)保能源,目前都比較小,世界各國都在補(bǔ)貼。補(bǔ)貼方式有所不同,目的是促進(jìn)其快速發(fā)展來替代石化能源,補(bǔ)貼金額多少可以控制其發(fā)展規(guī)模,并影響其降價(jià)速度。對光伏而言,其貴與不貴實(shí)際上與初裝費(fèi)的投資回收期相關(guān),以10年計(jì)算目前是1.5～2 CN Y/kWh,以25年計(jì)算是0.5～1 CN Y/kWh,以50年計(jì)算是0.5 CN Y/kWh左右,視安裝地點(diǎn)而有所不同。鑒于光伏電池的長壽命特征,隨著技術(shù)進(jìn)步和大規(guī)模應(yīng)用光伏發(fā)電,現(xiàn)在的補(bǔ)貼是為了今后的不補(bǔ)貼,總有一天可以實(shí)現(xiàn)幾乎零電價(jià)的太陽能電力供應(yīng)。

2 世界能源發(fā)展趨勢:太陽能光伏領(lǐng)軍未來

2.1 引領(lǐng)未來能源和低碳經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵公式

引領(lǐng)未來能源和低碳經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵公式如下:

其中,太陽能SE(solar energy),也包括風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、太陽能制氫;貯能、儲能ES(energy storagy),包括抽水儲能、蓄電池、超級電容、超導(dǎo)儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、制氫儲能、熱儲能;智能電網(wǎng)SG(smart grid),包括堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)、分布式智能電網(wǎng);全部能源需求WED(whole energy demand),包括家庭電氣化、工業(yè)/商業(yè)電氣化、農(nóng)業(yè)電氣化、交通電氣化。

2.2 太陽能光伏領(lǐng)軍未來

圖1 2004年歐洲J RC預(yù)測本世紀(jì)內(nèi)常規(guī)能源及新能源的發(fā)展趨勢

眾所周知,太陽能是人類最親近、最巨大、最清潔、最安全的永續(xù)能源。2004年歐洲J RC預(yù)測了本世紀(jì)內(nèi)常規(guī)礦石能源及可再生能源的發(fā)展趨勢(圖1)。可見到2100年,可再生能源與常規(guī)礦石能源之比是8:2,而在2050年時(shí)5:5,2040年是4:6,2030年是3:7,2020年是2:8,2010年是1:9。其中風(fēng)能、水能和生物質(zhì)能在2030年以后其比例幾乎都近乎常數(shù),即風(fēng)好的地方和水好的地方都將被用足了。核電由于受鈾礦資源限制,以及核廢料處理及退役核電站的管理均是難題,其比例不可能增加。只有豐富的太陽能存在一個(gè)發(fā)展的喇叭口,在2010年世博會后,向太陽能低碳經(jīng)濟(jì)進(jìn)軍的號角將被吹響,接踵而來的將是一個(gè)個(gè)更加光輝燦爛的太陽能世紀(jì)。

3 偉大的光伏嬰兒:需要長者耐心哺育

3.1 太陽能光伏發(fā)電如此完美

2010年是“光生伏打效應(yīng)”發(fā)現(xiàn)171周年,也是第一片“太陽電池”誕生56周年。

1839年法國科學(xué)家皮庫雷爾將當(dāng)時(shí)的“伏打電池”置于光照之下時(shí),意外地發(fā)現(xiàn)”伏打電池”上有額外的光生電動勢產(chǎn)生,這就是著名的“光生伏打效應(yīng)”,簡稱“光伏效應(yīng)”。之后人們發(fā)現(xiàn)金屬半導(dǎo)體結(jié)和半導(dǎo)體pn結(jié)上也有“光伏效應(yīng)”。

1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室皮爾遜等人依據(jù)“光生伏打效應(yīng)”在有pn結(jié)的單晶硅上制成了第一片“光伏電池”,因?yàn)檫@種光伏電池可以把太陽光能直接變成可供使用的電能而被愛稱為“太陽電池Solae Cell”,當(dāng)時(shí)的光電轉(zhuǎn)換率為6%,所以“光伏電池”和“太陽電池”是同義詞,都是指在陽光下能夠把光能直接變?yōu)殡娔艿陌雽?dǎo)體器件。

1957年單晶硅光伏電池第一次被美國用到人造衛(wèi)星上。迄今為止,在太空翱翔的近萬個(gè)空間飛行器,90%以上都依靠光伏電池提供電力。

1973年全球第一次能源危機(jī)推動了光伏電池從太空走向地面。美國制定了第一個(gè)地面用“光伏發(fā)電十年規(guī)劃”,在各國政府倡導(dǎo)下,人們已經(jīng)研究了幾十種光伏電池(圖2)。

從圖2中可以看到,聚光砷化鎵光伏電池最高效率超過40%,晶硅電池效率達(dá)25%,銅銦鎵硒薄膜電池效率已達(dá)19.9%,有機(jī)薄膜電池效率已達(dá)6%。

光伏發(fā)電是如此完美:光子進(jìn)入半導(dǎo)體光伏電池后直接激發(fā)出電子,就這樣直接變成了可供使用的電能,沒有污染,沒有排放,沒有轉(zhuǎn)動震動,不需要任何工質(zhì),安裝快捷,免維護(hù)使用方便而且安全?？梢凿伡拔蓓敗⒖梢愿采w沙漠、可以漂浮水面、可以傲立群山。“處處陽光處處電、沙漠變良田”。從物理角度來看,迄今為止,沒有任何一種發(fā)電方式比光伏發(fā)電更為理想。

圖2 各種光伏電池的實(shí)驗(yàn)室效率

3.2 蓬勃發(fā)展的光伏產(chǎn)業(yè)

實(shí)驗(yàn)室長期研究為全球光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2004年德國實(shí)行“光伏上網(wǎng)電價(jià)法”,以高于用戶消費(fèi)電價(jià)收購光伏電力。由此引爆了全球光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展(圖3和圖4)。

圖3 世界光伏安裝量

圖4 中國光伏電池安裝量

從圖5可見,2004—2009年全球光伏平均年增幅高達(dá)42%。在金融危機(jī)的2009年,全球光伏年產(chǎn)量高達(dá)12.3 GWp,年增幅56%,累計(jì)安裝量已超過22 GWp。其中德國光伏累計(jì)安裝量10.4 GWp,居世界之首,日本居其次。各種光伏電池的市場占有率見圖6。其中晶體硅電池占80%以上,碲化鎘薄膜電池等超過10%。2009年中國光伏電池產(chǎn)量達(dá)4.2 GWp,占全球總產(chǎn)量近38%,產(chǎn)量世界第一,但2009年中國安裝量只有130 MWp,占總產(chǎn)的3%,97%的光伏電池被銷往國外。可以說,中國是光伏生產(chǎn)大國、應(yīng)用小國。

圖5 世界光伏電池產(chǎn)量

2009年光伏電池全球年產(chǎn)量為12.3 GWp,PHOTON International相信產(chǎn)量的上升曲線將在2010年延續(xù)而達(dá)到21 GWp或更高。已商品化的光伏電池是單晶硅電池、多晶硅電池、碲化鎘簿膜電池、硅基薄膜電池、銅銦鎵硒薄膜電池、帶硅電池、聚光電池等。

3.3 光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)

可以總結(jié)出光伏發(fā)電的十大優(yōu)點(diǎn):

1)體積小、重量輕:單位重量比功率50～500 Wp/kg;

2)壽命長:20—50年(工作25年之后效率下降20%);

3)零排放:無工質(zhì)消耗,無噪聲,無污染;

4)運(yùn)行可靠,使用安全,少維護(hù)或免維護(hù);

5)資源廣泛(有太陽就有電),分布式電站;

6)規(guī)模大小皆宜,100 Wp～100 GWp;

7)能量回收期短:0.8～3.0年,能量增值效應(yīng)明顯:8～30倍;

8)光伏電含金量高:晴天發(fā)電可調(diào)峰;

9)安裝容易,建設(shè)周期短,如:徐州市20 MWp光伏電站在三個(gè)月內(nèi)建成;

10)降價(jià)潛力大,小于1 USD/Wp,0.06 USD/kWh。

3.4 光伏發(fā)電的十八種功能

光伏發(fā)電可以作為補(bǔ)充能源及獨(dú)立電源為無電地區(qū)供電,也可作為替代能源并網(wǎng)發(fā)電,將來可以成為電網(wǎng)的主力能源。可以歸納光伏發(fā)電的十八種功能:扶貧能源;軍用能源;便攜式能源;削峰能源;應(yīng)急能源;建材能源;屋頂能源;百姓能源;分布式能源;⑩戰(zhàn)略儲備能源;景觀能源;沙漠能源;濱海能源;道路能源;太空能源;清潔能源;安全能源;和平能源。

由此可見,太陽能是最終解決中國能源安全的希望。

4 中國能源戰(zhàn)略現(xiàn)狀

據(jù)“中國可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略研究項(xiàng)目組”對我國可再生能源的戰(zhàn)略定位:

近期:到2010年,非水電可再生能源定位為補(bǔ)充能源,占總能源需求的2%;含水電則接近總能源需求的10%。

中期:到2020年,非水電可再生能源定位為替代能源,占總能源需求的5%～10%;含水電則占15.5%～19.7%;可再生能源成為能源總需求中增量部分的主力軍。

長期:到2030年,非水電可再生能源定位為主流能源之一,占總能源需求的10%～19%。2050年,中國要改變以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu),實(shí)行“三三制”,即三分之一煤,三分之一油氣,三分之一非化石能源(水能、風(fēng)能、光能、生物能、核能)。相比歐洲在2050年可再生能源要占80%,德國則要在2050年100%使用可再生能源,中國對以上能源戰(zhàn)略規(guī)劃思路顯然過于保守,其核心問題還是跟著化石能源走,這種思路是否過時(shí)?

5 光伏發(fā)電是高技術(shù)能源產(chǎn)業(yè):太陽能低碳經(jīng)濟(jì)可以預(yù)見

5.1 光伏發(fā)電的成長性

光伏發(fā)電科學(xué)與工程是一門新興的交叉學(xué)科,與物理、化學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械、電子、電力、環(huán)境科學(xué)等等密切相關(guān),本質(zhì)上又是半導(dǎo)體、薄膜、納米等前沿技術(shù)的延伸,是能源高技術(shù)領(lǐng)域的制高點(diǎn)。

歐洲可再生能源機(jī)構(gòu)預(yù)測,到2010年光伏發(fā)電要占全球發(fā)電量0.01%,2020年達(dá)到1.1%,2030年達(dá)10%,2040年達(dá)25%,2050年以后要達(dá)到50%以上,光伏發(fā)電要成為主力電源。

1958年中國第一片光伏電池誕生于天津電源研究所。1972年中國自制的人造衛(wèi)星安裝了自己研制的單晶硅光伏電池。從2005年開始中國光伏開始騰飛,2007年以1.27 GWp產(chǎn)量躍居世界第一,2008年和2009年又分別以年產(chǎn)2.6 GWp、4.2 GWp繼續(xù)領(lǐng)先。中國生產(chǎn)的光伏質(zhì)量優(yōu)秀,98%出口海外,以歐美居多,自用很少。至2009年中國累計(jì)光伏安裝量僅有0.28 GWp。中國計(jì)劃新增加光伏安裝量,2012年達(dá)2 GWp,2020年達(dá)20 GWp,顯然與中國光伏產(chǎn)量偏離很大。圖6是中國光伏電池歷年的產(chǎn)量。

圖6 中國光伏電池產(chǎn)量(MW)

若以中國2010年電力裝機(jī)9.5億kW、2020年為18億kW計(jì)算,并以3 kW光伏全年發(fā)電量相當(dāng)于1 kW火電裝機(jī)的發(fā)電量計(jì)算,中國2010年要達(dá)到世界平均數(shù),則光伏裝機(jī)要達(dá)到2.75 GWp,2020年要達(dá)到59.4 GWp。

如此巨大的光伏產(chǎn)業(yè)壯大,需要采礦、冶金、化工、半導(dǎo)體、新材料、機(jī)械、電子、電氣、動力、自動化、環(huán)保、電力、電器等等許多產(chǎn)業(yè)支持,形成一個(gè)嶄新的太陽能低碳經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)。圖7是晶體硅光伏發(fā)電系統(tǒng)的主產(chǎn)業(yè)鏈。

圖7 晶體硅光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈

5.2 光伏發(fā)電成本快速下降,安裝量大幅攀升

擺在各國政府面前的問題是光伏如此之好而初裝費(fèi)還有點(diǎn)貴,怎樣支持為好?德國、日本的太陽能資源沒有中國豐富,但他們都作出了堅(jiān)定的選擇:補(bǔ)貼光伏,促其降價(jià)。2002年日本政府新能源機(jī)構(gòu)NEDO為日本光伏設(shè)定了發(fā)展路線圖(圖8),通過技術(shù)進(jìn)步、擴(kuò)大應(yīng)用、提高光伏電池效率來降低成本。到2010年光伏電成本達(dá)23 J P Y/kWh(J P Y:日元),2020年達(dá)14 J P Y/kWh,2030年達(dá)7 J P Y/kWh。2009年日本NEDO公布了新的光伏路線圖,計(jì)劃到2017年達(dá)14 J P Y/kWh,2025年達(dá)7 J P Y/kWh,分別提前3年和5年達(dá)到光伏電價(jià)目標(biāo)。為什么?值得深思!

德國政府從2004年立法實(shí)行光伏上網(wǎng)電價(jià)法,以0.56 EUR/kWh(EUR:歐元)高價(jià)收購光伏電力(20年不變價(jià))引發(fā)德國光伏市場井噴。時(shí)至今日,德國政府的光伏上網(wǎng)電價(jià)己降到0.39 EUR/kWh(20年不變),光伏電價(jià)補(bǔ)貼還要下調(diào),但光伏市場還會擴(kuò)大。2008年德國安裝光伏1.5 GWp,而在遭遇金融危機(jī)的2009年卻安裝了3.8 GWp,予計(jì)2010年將安裝9 GWp。德國預(yù)計(jì)全國光伏累計(jì)安裝量2010年將達(dá)到19 GWp,2011年將達(dá)33 GWp,2012年達(dá)到53 GWp。德國的陽光資源比中國差許多,為何如此執(zhí)著地安裝光伏,是否發(fā)人深省?

圖8 日本國家新能源機(jī)構(gòu)(NEDO)光伏發(fā)電的成本

6 光伏發(fā)展的五個(gè)階段

光伏的發(fā)展分以下五個(gè)階段:

(1)第一階段——獨(dú)立光伏系統(tǒng):規(guī)模100 kWp～100 kWp,滿足邊遠(yuǎn)無電地區(qū)用電,無需遠(yuǎn)距離輸電。

(2)第二階段——并網(wǎng)光伏屋頂:規(guī)模1 kWp～10 MWp,在城市或鄉(xiāng)村中并網(wǎng)運(yùn)行,提供削峰電力。利用建筑物屋頂、屋檐、窗檐、外墻和現(xiàn)成的供電線路,節(jié)省土地和線路投資。日本、美國、歐洲都提出了“千萬個(gè)太陽能屋頂計(jì)劃”。

(3)第三階段——沙漠光伏電站:規(guī)模1 MWp～100 GWp,在沙漠、戈壁建造并網(wǎng)光伏電站。充分利用陽光,改造沙漠;沙漠變良田,沙漠變城鄉(xiāng),沙漠變綠洲。

(4)第四階段——濱海光伏電站:規(guī)模10 MWp～10 GWp,靠近沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市,并為其供電。節(jié)省輸電成本,發(fā)展電解制氫、貯氫規(guī)?；a(chǎn)、啟動氫能經(jīng)濟(jì)和海洋經(jīng)濟(jì)。

(5)第五階段——道路光伏電站:10 GWp～1 000 GWp,建設(shè)道路光伏頂棚電站,發(fā)展電動交通,建成全國光伏智能電網(wǎng),充電站取代加油站。20世記70年代美國人計(jì)算過,把美國道路上裝光電轉(zhuǎn)換效率為10%的光伏天棚,其發(fā)電量超過全美國耗電量。現(xiàn)在中國光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效己達(dá)16%～18%,道路天棚光伏電站或許可以成為中國電網(wǎng)主干。

以上5個(gè)階段預(yù)示著光伏發(fā)電由補(bǔ)充能源—替代能源—主力能源的發(fā)展過程。各個(gè)階段可以交叉示范試驗(yàn),部分實(shí)施可能要到2030年,全部實(shí)施要到2050年之后。

7 結(jié) 語

(1)思考中國的國家能源戰(zhàn)略,為滿足國家能源安全和氣候變化減排目標(biāo),需要抬頭看太陽,不要習(xí)慣于低頭看地球,轉(zhuǎn)頭看國外,要勇于理念創(chuàng)新,只爭朝夕;

(2)審視“太陽能(風(fēng)+水+生物)+儲能+智能電網(wǎng)≈全部能源需求”,是否可以作為我國能源戰(zhàn)略思想來調(diào)整能源結(jié)構(gòu);

(3)大規(guī)模利用太陽能可以大規(guī)模減少化石能源的利用,調(diào)控化石能源價(jià)格,從而確保我國在2050年前后由高碳經(jīng)濟(jì)→低碳經(jīng)濟(jì)→微碳經(jīng)濟(jì)→無碳經(jīng)濟(jì),即太陽能循環(huán)經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn);

(4)太陽能經(jīng)濟(jì)是國民經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn),可以改變經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)增長方式,創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會,提高國家高技術(shù)水平,確保國家能源安全與產(chǎn)業(yè)安全;為世界和平作出貢獻(xiàn);

(5)擬定長期、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的激勵(lì)政策,實(shí)施可控的光伏上網(wǎng)電價(jià)法是為了開拓中國市場加速光伏平價(jià)上網(wǎng),強(qiáng)大中國太陽能產(chǎn)業(yè)。上網(wǎng)電價(jià)的高低一定程度上決定了光伏平價(jià)上網(wǎng)的快慢;

(6)在當(dāng)前極其復(fù)雜的能源形勢下,解決中國的能源需求,最終還是需要太陽能。我們迫切需要“兩彈一星”的遠(yuǎn)見卓識,需要“兩彈一星”的決心和信心來發(fā)展太陽能事業(yè);

(7)在重點(diǎn)大學(xué)中籌建太陽能學(xué)院或新建陽光大學(xué),加速培養(yǎng)各類太陽能人才,加強(qiáng)國際合作,建設(shè)國家級研發(fā)基地,大力宣傳中國太陽能經(jīng)濟(jì)和科技進(jìn)步,普及太陽能知識,創(chuàng)造和倡導(dǎo)太陽能文化;

(8)愛惜和鼓勵(lì)地方發(fā)展光伏的積極性,在國家能源委員會之下設(shè)立太陽能辦公室,推進(jìn)項(xiàng)目有效有序發(fā)展。

中國有如此豐富的太陽能資源及光伏產(chǎn)業(yè)所需的礦產(chǎn)資源,是天然的太陽能大國。面對低碳經(jīng)濟(jì)的機(jī)會,短短數(shù)年間,太陽電池產(chǎn)量已雄踞世界第一,光伏電池占全球市場的份額由2003年的1%升至2009年的38%,表現(xiàn)出中國光伏巨大的生命力。希望偉大的光伏嬰兒在中國的政治家、科學(xué)家、企業(yè)家、金融家以及全體中華兒女的精心呵護(hù)下,快速健康成長,完成可再生能源革命,為中華民族的偉大復(fù)興做出他應(yīng)有的貢獻(xiàn)!

致謝 本文中的部分圖及數(shù)據(jù)來源于PHOTON International雜志,在此深表謝意。

(2010年5月12日收到)

Solar Photovoltaic Power:Hope of Low-Carbon Economy in China

CUI Rong-qiang
Professor,Institute of Solar Energy,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200030,China

A 5.2 MW photovoltaic system has been installed in 2010 Shanghai World Expo,which indicates the sign of low-carbon economy.This paper aims to present the future of solar photovoltaic power and to re-evaluate the photovoltaic power’s strategic position in China national energy structure.The author suggests that developing photovoltaic power is the measure to improve the solar technology and to be the national strategy of low-carbon economy.

solar photovoltaic power,low-carbon economy,energy

(責(zé)任編輯:沈美芳)

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.03.005