光伏發(fā)電技術(shù)與光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

聶德志 胡永波

【摘 要】本文首先介紹了三次能源革命的過程以及太陽能在第三次能源革命中所處的地位。指出了太陽能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源，具有普遍無害無污染的特點(diǎn)。太陽能在第三次能源革命中具有重要的地位。隨后，介紹了太陽能光熱，太陽能光電，太陽能光化學(xué)太陽能燃油這四種太陽能利用途徑，全面展示了太陽能被人們所利用的方式。緊接著，提出光伏發(fā)電技術(shù)的基本原理和光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成和分類，將光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。在接下來的部分當(dāng)中，引用大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，指出了全球光伏行業(yè)處于在迅速蓬勃的發(fā)展階段，中國光伏行業(yè)也在迅速、持續(xù)的增長當(dāng)中，成為全球光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要動力。另外介紹了其他國家光伏行業(yè)的發(fā)展。在文章的最后，指出了光伏發(fā)電在節(jié)能減排中具有的重要意義，在未來人們的生產(chǎn)和生活當(dāng)中必將發(fā)揮重要的作用。在第三次能源革命中，光伏發(fā)電的能源利用方式也必將扮演重要的組成部分，對人們的生產(chǎn)生活和環(huán)境的保護(hù)起到重要的影響。

一、三次能源革命、太陽能在能源革命中的地位

能源是為人類生產(chǎn)和生活提供能量以及做功的自然資源。歷史學(xué)界指出，人類社會已發(fā)生過兩次能源革命，正在進(jìn)行著第三次能源革命。

早在遠(yuǎn)古時期，人類就在勞動中學(xué)會鉆木取火，學(xué)會利用木材的燃燒能量照明、取暖和加工食物。在4000-5000年以前，埃及人發(fā)明了風(fēng)帆，即使人類不劃船，船也能乘風(fēng)前進(jìn)。2000多年前，人們又學(xué)會了制造水車、風(fēng)車，利用水和風(fēng)的能量來提水、磨面。在第一次能源革命中，從1709年用焦炭煉鐵，到1920年煤炭占世界商品能源結(jié)構(gòu)的87%，前后經(jīng)歷了200余年。

19世紀(jì)70年代，隨著電磁學(xué)的發(fā)展，人們先后制成了有實(shí)用價值的電動機(jī)和發(fā)電機(jī)，標(biāo)志著第二次能源革命的到來。本次能源革命中，人們主要利用的能源是煤、石油和天然氣。此后，直至1959年，石油、天然氣在世界商品能源構(gòu)成的50%，前后經(jīng)歷了100年。然而，據(jù)估算，石油在地球上的儲量約為2000億噸，50年后就要枯竭，是不可再生能源。煤的總儲量是9萬億噸，最多可維持260年。并且在使用這些能源的過程中，要排放大量二氧化碳?xì)怏w和有害氣體，引發(fā)溫室效應(yīng)和大氣污染。

人們從20世紀(jì)30年代開始，一直在研究和開發(fā)新型能源。其中包括對太陽能、水能、地?zé)崮艿纳顚哟无D(zhuǎn)換和利用，還包括發(fā)展核能、海洋能、生物能、氫能、化學(xué)合成能等。這些能源大多數(shù)屬于可再生能源，并且具有能量大、效益高、使用方便、無污染等特點(diǎn)。人們對它們的使用，構(gòu)成了第三次能源革命。本次能源革命至今尚未完成。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，2015年可再生能源占世界總能耗20%，預(yù)計(jì)2050年可占50%[1][2]。

指太陽的熱輻射能，是由太陽內(nèi)部氫原子發(fā)生氫核聚變而釋放出的能量，是一種取之不盡，用之不竭的清潔能源，它具有普遍，無害，無污染，能源長久等特點(diǎn)。在第三次能源革命中，太陽能具有重要的地位。

二、太陽能的利用方式

第一種利用方式是利用太陽能光熱。它的基本原理是將太陽輻射能收集起來，通過與物質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能加以利用。

第二種利用方式是太陽能光電利用，太陽能光電是指太陽的輻射能光子通過半導(dǎo)體材料轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，通常叫“光生伏打效?yīng)”，太陽能電池就是利用這種效應(yīng)制成的。

第三種方式是光化學(xué)利用。這是一種利用太陽輻射能直接分解水制氫的光—化學(xué)轉(zhuǎn)換方式。它包括光合作用、光電化學(xué)作用、光敏化學(xué)作用及光分解反應(yīng)。太陽能光化轉(zhuǎn)換正在積極探索、研究中。

第四種利用方式是燃油利用。截止目前，研發(fā)團(tuán)隊(duì)已在世界上首次成功實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的可再生燃油全過程生產(chǎn)，其產(chǎn)品完全符合歐盟的飛機(jī)和汽車燃油標(biāo)準(zhǔn)，無需對飛機(jī)和汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)行任何調(diào)整改動。

三、光伏發(fā)電技術(shù)原理及光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介

1.光伏發(fā)電技術(shù)原理

光打在太陽能電池感光面上其內(nèi)部將光能轉(zhuǎn)化為電能依靠的就是光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的一種特性，光場照射到半導(dǎo)體材料，其內(nèi)部電子在光場驅(qū)動下運(yùn)動產(chǎn)生電動勢，如果在外部接上負(fù)載則可以利用這部分電勢做功將光能以電能形式利用起來。

太陽能電池在沒有光照的情況下，其電路特性體現(xiàn)為半導(dǎo)體材料的特性，表現(xiàn)為一個負(fù)載，其電流電壓的關(guān)系滿足指數(shù)規(guī)律，相當(dāng)于一個二極管：

其中V為太陽能電池兩端的電壓，I為流經(jīng)太陽能電池的電流，T為太陽能電池溫度，e、kB為物理常數(shù)。根據(jù)指數(shù)函數(shù)的性質(zhì)可大致了解太陽能電池在外加電場下的伏安特性。

與太陽能電池暗特性對應(yīng)的是太陽能電池在光照射下的響應(yīng)特性。此時因有光生伏特效應(yīng)，太陽能電池表現(xiàn)為一個電源，為外界負(fù)載提供電動勢，輸出電能 [3]。

2.光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介

光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池板、控制器和電能儲存及變換環(huán)節(jié)構(gòu)成的發(fā)電與電能變換系統(tǒng)。太陽光輻射能量經(jīng)由光伏電池板直接轉(zhuǎn)換為電能，并通過電纜、控制器、儲能等環(huán)節(jié)予以儲存和轉(zhuǎn)換，提供負(fù)載使用。光伏發(fā)電系統(tǒng)按與電力系統(tǒng)關(guān)系分類，通常分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)（Stand-Alone PV System）和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)（Grid-Connected PV System）[4]。

四、光伏發(fā)電行業(yè)的現(xiàn)狀和未來

1.全球光伏行業(yè)發(fā)展概況

據(jù)預(yù)測，到2030年全球光伏累計(jì)裝機(jī)量有望達(dá)1，721GW，到2050年將進(jìn)一步增加至4，670GW，光伏行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。預(yù)計(jì)2018-2022年全球新增裝機(jī)容量分別為101.91GW、107.01GW、125.20GW、140.40GW和157.80GW。按照每GW安裝量對太陽能電池背板的需求量為610萬平方米進(jìn)行估算，對應(yīng)的2018-2022年太陽能電池背板需求量分別為6.22億平方米、6.53億平方米、7.64億平方米、8.56億平方米和9.63億平方米。

2.中國光伏行業(yè)發(fā)展概況

2002年，我國光伏行業(yè)開始起步。在“十五”期間，我國在光伏發(fā)電技術(shù)研發(fā)工作上先后通過“國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃”、“科技攻關(guān)”計(jì)劃安排，開展了晶體硅高效電池、非晶硅薄膜電池、碲化鎘和銅銦硒薄膜電池、晶硅薄膜電池以及應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的研究，大幅度提高了光伏發(fā)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的水平，縮短了光伏發(fā)電制造業(yè)與國際水平的差距。我國光伏發(fā)電行業(yè)從2004年進(jìn)入快速發(fā)展時期，光伏電池產(chǎn)量和裝機(jī)量逐年上升。

中國的太陽能資源分布廣泛，有條件大規(guī)模發(fā)展光伏行業(yè)，光伏發(fā)電已成為我國新能源產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)。中國光伏產(chǎn)業(yè)起步較晚但呈現(xiàn)迅速發(fā)展的勢頭。2010年后，在歐洲經(jīng)歷光伏產(chǎn)業(yè)需求放緩的背景下，我國光伏產(chǎn)業(yè)迅速崛起，成為全球光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要動力。

2013年以來，中國出臺了一系列有關(guān)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，從產(chǎn)業(yè)政策提出的脈絡(luò)看，中國光伏行業(yè)主要沿著“補(bǔ)貼促進(jìn)規(guī)模發(fā)展——規(guī)范行業(yè)環(huán)境——多種模式發(fā)展——新能源電力并網(wǎng)——降低補(bǔ)貼”的路徑發(fā)展。2017年度，我國光伏新增并網(wǎng)裝機(jī)量達(dá)到53GW，同比增長超過50%，累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)量高達(dá)131GW，位居全球首位。

在未來，隨著我國光伏技術(shù)的逐漸提高，我國光伏行業(yè)仍具有巨大的發(fā)展空間。據(jù)預(yù)測，到2030年全球光伏累計(jì)裝機(jī)量有望達(dá)到1，721GW，到2050年將進(jìn)一步增加至4，670GW，光伏行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｔ诿绹?、歐盟和印度等新興國家較為強(qiáng)勁的需求下，預(yù)計(jì)2020-2022年全球新增裝機(jī)容量分別為125.20GW、140.40GW和157.80GW。按照每GW安裝量對太陽能電池背板的需求量為610萬平方米進(jìn)行估算，對應(yīng)的2020-2022年太陽能電池背板需求量分別為7.64億平方米、8.56億平方米和9.63億平方米。

中國光伏制造企業(yè)當(dāng)前在技術(shù)和成本上已占據(jù)壓倒性優(yōu)勢，目前我國光伏行業(yè)處于競爭加劇時代，光伏企業(yè)“降本增效”，現(xiàn)在處于先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)加快階段，很多先進(jìn)晶體硅電池技術(shù)多次打破世界記錄。如鈍化發(fā)射區(qū)背面鈍化（PERC）技術(shù)、N型硅雙面電池技術(shù)、多晶黑硅電池技術(shù)等高效晶硅電池技術(shù)提升了電池的轉(zhuǎn)換效率，我國光伏產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)產(chǎn)量全球占比均超50%，穩(wěn)居世界第一[8]。

3.其他主要國家光伏行業(yè)發(fā)展概況

全球生產(chǎn)規(guī)模前十的中國企業(yè)數(shù)目從2011年的4家增長到2017年的8家，美國從2家減少到0家。2011年到2017年，組件產(chǎn)能由原先的35GW逐步增長到現(xiàn)在的105.5GW，中國大陸占據(jù)了72%左右的產(chǎn)能。

2007年，德國光伏發(fā)電已占整個發(fā)電行業(yè)的14.2%。至2010年底，德國光伏發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)到1719.3萬千瓦，到2020年至5100萬千瓦。目前德國已形成完善的光伏產(chǎn)業(yè)鏈，并成立了德國航天航空研究中心太陽能實(shí)驗(yàn)室，其目標(biāo)是技術(shù)支持歐洲第一座光熱電站項(xiàng)目的開發(fā)，逐步致力于降低光熱發(fā)電的成本，并研究以化學(xué)方式儲存太陽能。

法國的發(fā)展?fàn)顩r如下：2009年，世界上第一座能“追蹤”太陽的太陽能發(fā)電在法國馬帝亞克小城正式投運(yùn)，其光電接收轉(zhuǎn)換裝置的面積達(dá)3500平方米，轉(zhuǎn)換效率提高了20%?40%。

西班牙在太陽能發(fā)電領(lǐng)域位居世界前列，是全球增長最快的光伏國家之一，2010年底光伏發(fā)電裝機(jī)容量為378.4萬k W，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到870萬kW。

以色列南部內(nèi)蓋夫沙漠中在建的占地1000英畝，發(fā)電功率50萬k W的世界最大的太陽能發(fā)電廠，一期發(fā)電能力將達(dá)10萬k W，2012年完工時達(dá)到50萬k W，發(fā)電量約占全國電力生產(chǎn)的5%。

印度作為世界上最大的太陽電池模板制造國之一，2009年制定了耗資700億美元的國家太陽能計(jì)劃，預(yù)計(jì)發(fā)電量在2022年前達(dá)到20GW p。

五、光伏發(fā)電在節(jié)能減排中的意義

太陽能是一種非常穩(wěn)定的能源，在能源短缺的今天，太陽能給人們帶來了希望，人們可以通過光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)利用，改善生產(chǎn)和生活。

光伏產(chǎn)業(yè)是以太陽能綜合利用為核心的包含不同制造部門的產(chǎn)業(yè)鏈條，既消耗能源又生產(chǎn)能源。光伏發(fā)電應(yīng)用所產(chǎn)生的能源遠(yuǎn)大于從硅材料提取到光伏組件生產(chǎn)所消耗的能源。通常認(rèn)為光伏系統(tǒng)的使用周期為25-30年，除去整個光伏系統(tǒng)建造所需的能源回收期約4年外，還有至少21年的能源凈生產(chǎn)期。隨著技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)條件的進(jìn)一步改進(jìn)，光伏組件生產(chǎn)的噸能耗還會下降，而太陽能電池轉(zhuǎn)換率的進(jìn)一步提高以及電池使用壽命的延長會使能源生產(chǎn)效率得到新的提升。

在污染物減排方面，光伏發(fā)電體系利用清潔無污染的太陽能資源。與傳統(tǒng)能源相比，在二氧化碳、二氧化硫以及氮氧化合物等污染物的減排方面效果明顯[10]。因此，以光伏發(fā)電為核心的能源利用，對于推進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，具有重要意義。伴隨相關(guān)工藝流程的改進(jìn)和技術(shù)進(jìn)步，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的節(jié)能減排效應(yīng)還將進(jìn)一步顯現(xiàn)。

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作者簡介：

聶德志，男，2000，江蘇鹽城，主要研究能量采集及微機(jī)電系統(tǒng)。

通訊作者：

胡永波，男，2000，陜西渭南，主要研究材料及物理。

（作者單位：西北工業(yè)大學(xué)）