太阳能光伏发电——中国低碳经济的希望

崔容强

教授,上海交通大学太阳能研究所,上海200240

太阳能光伏发电
——中国低碳经济的希望

崔容强

教授,上海交通大学太阳能研究所,上海200240

光伏发电 低碳经济 能源

2010年上海世博园区安装了约5.2 MW光伏发电系统,预示着太阳能光伏是低碳经济的希望。笔者展望太阳能光伏发电的未来,重新思考光伏发电在中国能源结构中的战略地位;建议把支持光伏发电的快速发展作为占领太阳能科技制高点,同时作为发展低碳经济的国策。

1 中国能源形势:严峻复杂、喜忧参半

能源安全和环境安全是中国面临的两大难题。

中国能源资源总量少,人均占有量低,人均资源量仅为世界平均水平的40%,其中煤炭58.6%、石油7.7%、天然气7%。同时,优质资源少,保证程度低。按已探明储量,煤炭,中国不足100年,世界平均200年以上;石油,中国不足15年,世界平均45年;天然气,中国不足30年,世界平均60年;中国富铀矿稀缺,资源产地和使用地分布极不平衡,能源运输和储备系统脆弱。

能源对外依存度高,2009年原油进口依存度51.9%,首次超过50%的国际安全警戒线,到2030年,石油70%以上进口,天然气50%以上进口;2009年煤炭进口依存度3.2%,首次变为进口国。随着国际能源价格高企,中国的能源安全迫在眉梢。

中国环境压力大,已经是世界SO2第一排放国,CO2第一排放国,且增速快,占世界新增碳排放的2/3。近几年气候灾难频发,酸雨日增,环境安全同样日益严峻复杂。

可喜的是,2009年年底,全国人大对可再生能源法修订,设立了政府性质的可再生能源发展基金,建立了可再生能源发电全额保障性收购制度;加大了对风能、太阳能光伏等产业的扶持政策;“国家能源委员会”成立,温家宝总理担任国家能源委员会主任;国家财政部“光伏建筑”示范项目、金太阳工程等示范工程的推进;第一个光伏招标上网电价实施;可再生能源电价附加由0.002 CN Y/kWh提高到0.004 CN Y/kWh(CN Y:人民币元);正在拟定推进中国可再生能源快速发展的“新兴能源产业规划”;江苏、江西、上海、北京、浙江、陕西、山东、河北、宁夏等许多省市出台了促进光伏产业发展的具体政策等等一连串利好消息,振奋着目前还处于“两头在外”的中国光伏产业。

可以预期,中国光伏的前景,一定非常光明。中国的光伏产品一定会像古代中国的丝绸、茶叶和瓷器一样独具特色,也会像现代中国的服装和鞋帽一样既富足自己,又惠及世界。

关于中国的能源发展情况令人担忧:见诸媒体的报导,为了应对中国能源需求的快速增长,正在设法开挖500 m—1 500 m以下的煤,抽取1 500 m—10 000 m以下的石油,大力发展煤清洁燃烧技术,血煤事件时有发生;国际石油价格波动剧烈,难以预测;局部地区时有发生电荒、气荒、油荒、煤荒;国内能源价格不断上涨;兴建了更多的核电站,花去更多的人力财力到国外找能源,而对光伏发电规划迟后,期望已久的光伏上网电价法却迟迟难以出台。这不由得发人深省:中国能源发展思路是否过时?盯着矿物能源是否会带来新兴产业革命?对核电危险性是否估计不足?依赖国外能源是否能够确保中国的能源安全?

特别令人忧虑的是,中国的光伏面临被妖魔化的危险,对光伏的错误认识主要是:①高能耗;②高污染;③产能过剩;④中国无自有技术;⑤重复建设的问题;⑥“污染”电网;⑦不成规模、不能调度;⑧价格太贵,谁都补贴不起。

对于以上问题,不同的答案是:

(1)太阳级多晶硅是宝贵的“产能材料”,不能简单称为“高能耗”材料。

适合做光伏电池的高纯多晶硅称为“太阳级硅”。改良西门子法制造1 kg太阳级多晶硅综合电耗需200 kWh/kg,同时需要1.3 kg冶金硅。每千克冶金硅电耗(含采矿耗能)14 kWh/kg。由此可知改良西门子法制造1 kg太阳级硅的总能耗是218.2 kWh/kg。按中国现有水平,1 kg太阳级硅可生产170 Wp光伏电池。1 Wp光伏电池在中国阳光资源下平均每年可净发交流电1.3 kWh(1.6～1.0 kWh)。如此,制造1 kg太阳级硅所消耗的能量只需2.21年即可收回,这就是“太阳级硅材料的能量回收期”。可以预期光伏电池第一期工作寿命为25年,则太阳级硅材料产能倍增率在10倍以上。(光伏发电系统的能量回收期本文另有计算)

(2)光伏是否“高污染”?

如果光伏是高污染,西方发达国家为什么积极发展?光伏生产在技术上对于生产过程完全可以做到全闭路循环处理,被认为是危害最大的四氯化硅(SiCl4)是宝贵的化工资源,可以做到回收复用。现在中国多晶硅企业及光伏企业排放都可以符合国家环保要求。

(3)中国光伏是否已经“产能过剩”?

自己尚没有用,何谈产能过剩?市场经济倡导在相对过剩的环境下,进行市场化竞争,就能实现优胜劣汰,确保高品质和低成本产品占领市场,保证行业健康发展。如果规模比较小的多晶硅生产厂在满足环保的条件下,能通过技术进步不断地降低能耗,提高质量,生产出符合光伏产业需要的太阳级硅原料为何要限制?中国光伏的现实是民企主导,地方积极,因此中央应积极引导有序竞争。

(4)中国没有技术?

2005年在上海交通大学举行“首届中国太阳级硅研讨会”时,四川峨眉半导厂已有年产50 t高纯多晶硅生产技术,2009年中国太阳级多晶硅产量己接近20 000 t,中国已一跃成为继美国、德国、日本之后第四个世界“万吨级硅俱乐部”成员,业内人士无不为之欢欣鼓舞。巨大的国内外市场正在期待十万吨、几十万吨优质价廉的国产多晶硅。

(5)重复建设?

很少有人担心中国的饭店有重复建设。市场经济下激烈竞争是企业家选择是否参与重复建设的依据。

(6)光伏“污染”电网吗?

光伏电站是否会引发供电可靠性、继电保护、电网安全性和稳定性?是否会对电力系统运行调度和电力市场交易带来冲击和影响?根据欧洲的经验表明,当间歇性电力能源系统不超过电网总容量的17%时,就不会对电网的稳定性造成冲击。与风力发电不同,光伏发电是“黄金电”,白天是电网负荷高峰,光伏电力容易被电网消纳,目前我国并网的光伏发电只有280 MWp,仅占电网总量的0.032%。况且电网技术也在迅速发展中,微网技术、柔性控制技术等的发展将提升电网的智能化水平,“光伏+储能+智能电网”就是一个稳定的能源。

(7)光伏发电的工作寿命问题

何谓“工作寿命”,通常是指在一个光伏发电系统中光伏电池板在连续工作25年后,其输出功率将下降20%。可以认为光伏的第一期“工作寿命”为25年。不需要任何燃料,几乎不需要维护,有阳光就能发电;特别有趣的是还有第二期“工作寿命”——第26～50年,只要对第一期“工作寿命”终止的光伏发电系统增加20%光伏电池板,又变成一个百分百的完整发电系统。也就是说光伏发电的工作寿命在50年甚至更长。

实例:海南东方市尖峰岭1986年安装运行的光伏系统,运行了23年之后,光伏电池板的光电转换效率稳定,2009年对这批光伏电池板重新测试,惊奇地发现其平均输出功率仅衰减了6.1%,显示出光伏电池板经过长期运行仍具有较好的整体性能(见中山大学测试结果)。

(8)光伏发电系统的能量回收时间

定义:把光伏系统放在阳光下发电(净发电量),看几年可以回收制造这个光伏系统消耗的能量称为光伏发电系统的“能量回收时间”。其计算公式为:

T=Σ(E1+E2+E3+E4+E5+E6+E7)÷E8,公式中T为能量回收时间(年),E1为采矿及提炼冶金硅能耗,E2为提炼高纯硅能耗,E3为长晶及切片能耗,E4为光伏电池及组件生产能耗,E5为光伏系统的BOS平衡部件(逆变器、控制器、电缆、开关、支架等等)及辅料能耗,E6为包装及运输能耗,E7为安装能耗,E8为光伏系统年产能。

实际复核结果表明:制造每千瓦光伏发电系统,总耗电2 620 kWh;制造1千瓦光伏发电系统消耗的能量在上海的回收时间T=2.49年,在青海、甘肃、内蒙T=1.65～1.75年回收;薄膜太阳电池的“能量回收时间”已不到1年;以目前的情况,在光伏系统第一期“工作寿命”25年内,就有10倍以上的能量增益率。

今后随着技术进步,能量回收时间还会进一步缩短,更不成其为问题;不远的将来可实现以光伏发电来制造光伏系统,形成能量增值效应和低碳循环经济。

(9)贵与不贵的问题?

能源与环境是国计民生的大事,应当体现国家意志与政府行为。太阳能与风能皆为环保能源,目前都比较小,世界各国都在补贴。补贴方式有所不同,目的是促进其快速发展来替代石化能源,补贴金额多少可以控制其发展规模,并影响其降价速度。对光伏而言,其贵与不贵实际上与初装费的投资回收期相关,以10年计算目前是1.5～2 CN Y/kWh,以25年计算是0.5～1 CN Y/kWh,以50年计算是0.5 CN Y/kWh左右,视安装地点而有所不同。鉴于光伏电池的长寿命特征,随着技术进步和大规模应用光伏发电,现在的补贴是为了今后的不补贴,总有一天可以实现几乎零电价的太阳能电力供应。

2 世界能源发展趋势:太阳能光伏领军未来

2.1 引领未来能源和低碳经济的关键公式

引领未来能源和低碳经济的关键公式如下:

其中,太阳能SE(solar energy),也包括风能、水能、生物质能、太阳能制氢;贮能、储能ES(energy storagy),包括抽水储能、蓄电池、超级电容、超导储能、飞轮储能、压缩空气储能、制氢储能、热储能;智能电网SG(smart grid),包括坚强智能电网、分布式智能电网;全部能源需求WED(whole energy demand),包括家庭电气化、工业/商业电气化、农业电气化、交通电气化。

2.2 太阳能光伏领军未来

图1 2004年欧洲J RC预测本世纪内常规能源及新能源的发展趋势

众所周知,太阳能是人类最亲近、最巨大、最清洁、最安全的永续能源。2004年欧洲J RC预测了本世纪内常规矿石能源及可再生能源的发展趋势(图1)。可见到2100年,可再生能源与常规矿石能源之比是8:2,而在2050年时5:5,2040年是4:6,2030年是3:7,2020年是2:8,2010年是1:9。其中风能、水能和生物质能在2030年以后其比例几乎都近乎常数,即风好的地方和水好的地方都将被用足了。核电由于受铀矿资源限制,以及核废料处理及退役核电站的管理均是难题,其比例不可能增加。只有丰富的太阳能存在一个发展的喇叭口,在2010年世博会后,向太阳能低碳经济进军的号角将被吹响,接踵而来的将是一个个更加光辉灿烂的太阳能世纪。

3 伟大的光伏婴儿:需要长者耐心哺育

3.1 太阳能光伏发电如此完美

2010年是“光生伏打效应”发现171周年,也是第一片“太阳电池”诞生56周年。

1839年法国科学家皮库雷尔将当时的“伏打电池”置于光照之下时,意外地发现”伏打电池”上有额外的光生电动势产生,这就是著名的“光生伏打效应”,简称“光伏效应”。之后人们发现金属半导体结和半导体pn结上也有“光伏效应”。

1954年美国贝尔实验室皮尔逊等人依据“光生伏打效应”在有pn结的单晶硅上制成了第一片“光伏电池”,因为这种光伏电池可以把太阳光能直接变成可供使用的电能而被爱称为“太阳电池Solae Cell”,当时的光电转换率为6%,所以“光伏电池”和“太阳电池”是同义词,都是指在阳光下能够把光能直接变为电能的半导体器件。

1957年单晶硅光伏电池第一次被美国用到人造卫星上。迄今为止,在太空翱翔的近万个空间飞行器,90%以上都依靠光伏电池提供电力。

1973年全球第一次能源危机推动了光伏电池从太空走向地面。美国制定了第一个地面用“光伏发电十年规划”,在各国政府倡导下,人们已经研究了几十种光伏电池(图2)。

从图2中可以看到,聚光砷化镓光伏电池最高效率超过40%,晶硅电池效率达25%,铜铟镓硒薄膜电池效率已达19.9%,有机薄膜电池效率已达6%。

光伏发电是如此完美:光子进入半导体光伏电池后直接激发出电子,就这样直接变成了可供使用的电能,没有污染,没有排放,没有转动震动,不需要任何工质,安装快捷,免维护使用方便而且安全。可以铺及屋顶、可以覆盖沙漠、可以漂浮水面、可以傲立群山。“处处阳光处处电、沙漠变良田”。从物理角度来看,迄今为止,没有任何一种发电方式比光伏发电更为理想。

图2 各种光伏电池的实验室效率

3.2 蓬勃发展的光伏产业

实验室长期研究为全球光伏产业的蓬勃发展奠定了基础。2004年德国实行“光伏上网电价法”,以高于用户消费电价收购光伏电力。由此引爆了全球光伏产业的飞速发展(图3和图4)。

图3 世界光伏安装量

图4 中国光伏电池安装量

从图5可见,2004—2009年全球光伏平均年增幅高达42%。在金融危机的2009年,全球光伏年产量高达12.3 GWp,年增幅56%,累计安装量已超过22 GWp。其中德国光伏累计安装量10.4 GWp,居世界之首,日本居其次。各种光伏电池的市场占有率见图6。其中晶体硅电池占80%以上,碲化镉薄膜电池等超过10%。2009年中国光伏电池产量达4.2 GWp,占全球总产量近38%,产量世界第一,但2009年中国安装量只有130 MWp,占总产的3%,97%的光伏电池被销往国外。可以说,中国是光伏生产大国、应用小国。

图5 世界光伏电池产量

2009年光伏电池全球年产量为12.3 GWp,PHOTON International相信产量的上升曲线将在2010年延续而达到21 GWp或更高。已商品化的光伏电池是单晶硅电池、多晶硅电池、碲化镉簿膜电池、硅基薄膜电池、铜铟镓硒薄膜电池、带硅电池、聚光电池等。

3.3 光伏发电的优点

可以总结出光伏发电的十大优点:

1)体积小、重量轻:单位重量比功率50～500 Wp/kg;

2)寿命长:20—50年(工作25年之后效率下降20%);

3)零排放:无工质消耗,无噪声,无污染;

4)运行可靠,使用安全,少维护或免维护;

5)资源广泛(有太阳就有电),分布式电站;

6)规模大小皆宜,100 Wp～100 GWp;

7)能量回收期短:0.8～3.0年,能量增值效应明显:8～30倍;

8)光伏电含金量高:晴天发电可调峰;

9)安装容易,建设周期短,如:徐州市20 MWp光伏电站在三个月内建成;

10)降价潜力大,小于1 USD/Wp,0.06 USD/kWh。

3.4 光伏发电的十八种功能

光伏发电可以作为补充能源及独立电源为无电地区供电,也可作为替代能源并网发电,将来可以成为电网的主力能源。可以归纳光伏发电的十八种功能:扶贫能源;军用能源;便携式能源;削峰能源;应急能源;建材能源;屋顶能源;百姓能源;分布式能源;⑩战略储备能源;景观能源;沙漠能源;滨海能源;道路能源;太空能源;清洁能源;安全能源;和平能源。

由此可见,太阳能是最终解决中国能源安全的希望。

4 中国能源战略现状

据“中国可再生能源发展战略研究项目组”对我国可再生能源的战略定位:

近期:到2010年,非水电可再生能源定位为补充能源,占总能源需求的2%;含水电则接近总能源需求的10%。

中期:到2020年,非水电可再生能源定位为替代能源,占总能源需求的5%～10%;含水电则占15.5%～19.7%;可再生能源成为能源总需求中增量部分的主力军。

长期:到2030年,非水电可再生能源定位为主流能源之一,占总能源需求的10%～19%。2050年,中国要改变以煤炭为主的能源结构,实行“三三制”,即三分之一煤,三分之一油气,三分之一非化石能源(水能、风能、光能、生物能、核能)。相比欧洲在2050年可再生能源要占80%,德国则要在2050年100%使用可再生能源,中国对以上能源战略规划思路显然过于保守,其核心问题还是跟着化石能源走,这种思路是否过时?

5 光伏发电是高技术能源产业:太阳能低碳经济可以预见

5.1 光伏发电的成长性

光伏发电科学与工程是一门新兴的交叉学科,与物理、化学、材料学、机械、电子、电力、环境科学等等密切相关,本质上又是半导体、薄膜、纳米等前沿技术的延伸,是能源高技术领域的制高点。

欧洲可再生能源机构预测,到2010年光伏发电要占全球发电量0.01%,2020年达到1.1%,2030年达10%,2040年达25%,2050年以后要达到50%以上,光伏发电要成为主力电源。

1958年中国第一片光伏电池诞生于天津电源研究所。1972年中国自制的人造卫星安装了自己研制的单晶硅光伏电池。从2005年开始中国光伏开始腾飞,2007年以1.27 GWp产量跃居世界第一,2008年和2009年又分别以年产2.6 GWp、4.2 GWp继续领先。中国生产的光伏质量优秀,98%出口海外,以欧美居多,自用很少。至2009年中国累计光伏安装量仅有0.28 GWp。中国计划新增加光伏安装量,2012年达2 GWp,2020年达20 GWp,显然与中国光伏产量偏离很大。图6是中国光伏电池历年的产量。

图6 中国光伏电池产量(MW)

若以中国2010年电力装机9.5亿kW、2020年为18亿kW计算,并以3 kW光伏全年发电量相当于1 kW火电装机的发电量计算,中国2010年要达到世界平均数,则光伏装机要达到2.75 GWp,2020年要达到59.4 GWp。

如此巨大的光伏产业壮大,需要采矿、冶金、化工、半导体、新材料、机械、电子、电气、动力、自动化、环保、电力、电器等等许多产业支持,形成一个崭新的太阳能低碳经济结构。图7是晶体硅光伏发电系统的主产业链。

图7 晶体硅光伏发电系统产业链

5.2 光伏发电成本快速下降,安装量大幅攀升

摆在各国政府面前的问题是光伏如此之好而初装费还有点贵,怎样支持为好?德国、日本的太阳能资源没有中国丰富,但他们都作出了坚定的选择:补贴光伏,促其降价。2002年日本政府新能源机构NEDO为日本光伏设定了发展路线图(图8),通过技术进步、扩大应用、提高光伏电池效率来降低成本。到2010年光伏电成本达23 J P Y/kWh(J P Y:日元),2020年达14 J P Y/kWh,2030年达7 J P Y/kWh。2009年日本NEDO公布了新的光伏路线图,计划到2017年达14 J P Y/kWh,2025年达7 J P Y/kWh,分别提前3年和5年达到光伏电价目标。为什么?值得深思!

德国政府从2004年立法实行光伏上网电价法,以0.56 EUR/kWh(EUR:欧元)高价收购光伏电力(20年不变价)引发德国光伏市场井喷。时至今日,德国政府的光伏上网电价己降到0.39 EUR/kWh(20年不变),光伏电价补贴还要下调,但光伏市场还会扩大。2008年德国安装光伏1.5 GWp,而在遭遇金融危机的2009年却安装了3.8 GWp,予计2010年将安装9 GWp。德国预计全国光伏累计安装量2010年将达到19 GWp,2011年将达33 GWp,2012年达到53 GWp。德国的阳光资源比中国差许多,为何如此执着地安装光伏,是否发人深省?

图8 日本国家新能源机构(NEDO)光伏发电的成本

6 光伏发展的五个阶段

光伏的发展分以下五个阶段:

(1)第一阶段——独立光伏系统:规模100 kWp～100 kWp,满足边远无电地区用电,无需远距离输电。

(2)第二阶段——并网光伏屋顶:规模1 kWp～10 MWp,在城市或乡村中并网运行,提供削峰电力。利用建筑物屋顶、屋檐、窗檐、外墙和现成的供电线路,节省土地和线路投资。日本、美国、欧洲都提出了“千万个太阳能屋顶计划”。

(3)第三阶段——沙漠光伏电站:规模1 MWp～100 GWp,在沙漠、戈壁建造并网光伏电站。充分利用阳光,改造沙漠;沙漠变良田,沙漠变城乡,沙漠变绿洲。

(4)第四阶段——滨海光伏电站:规模10 MWp～10 GWp,靠近沿海经济发达城市,并为其供电。节省输电成本,发展电解制氢、贮氢规模化生产、启动氢能经济和海洋经济。

(5)第五阶段——道路光伏电站:10 GWp～1 000 GWp,建设道路光伏顶棚电站,发展电动交通,建成全国光伏智能电网,充电站取代加油站。20世记70年代美国人计算过,把美国道路上装光电转换效率为10%的光伏天棚,其发电量超过全美国耗电量。现在中国光伏电池的光电转换效己达16%～18%,道路天棚光伏电站或许可以成为中国电网主干。

以上5个阶段预示着光伏发电由补充能源—替代能源—主力能源的发展过程。各个阶段可以交叉示范试验,部分实施可能要到2030年,全部实施要到2050年之后。

7 结 语

(1)思考中国的国家能源战略,为满足国家能源安全和气候变化减排目标,需要抬头看太阳,不要习惯于低头看地球,转头看国外,要勇于理念创新,只争朝夕;

(2)审视“太阳能(风+水+生物)+储能+智能电网≈全部能源需求”,是否可以作为我国能源战略思想来调整能源结构;

(3)大规模利用太阳能可以大规模减少化石能源的利用,调控化石能源价格,从而确保我国在2050年前后由高碳经济→低碳经济→微碳经济→无碳经济,即太阳能循环经济的实现;

(4)太阳能经济是国民经济新的增长点,可以改变经济结构和经济增长方式,创造新的就业机会,提高国家高技术水平,确保国家能源安全与产业安全;为世界和平作出贡献;

(5)拟定长期、稳定、经济的激励政策,实施可控的光伏上网电价法是为了开拓中国市场加速光伏平价上网,强大中国太阳能产业。上网电价的高低一定程度上决定了光伏平价上网的快慢;

(6)在当前极其复杂的能源形势下,解决中国的能源需求,最终还是需要太阳能。我们迫切需要“两弹一星”的远见卓识,需要“两弹一星”的决心和信心来发展太阳能事业;

(7)在重点大学中筹建太阳能学院或新建阳光大学,加速培养各类太阳能人才,加强国际合作,建设国家级研发基地,大力宣传中国太阳能经济和科技进步,普及太阳能知识,创造和倡导太阳能文化;

(8)爱惜和鼓励地方发展光伏的积极性,在国家能源委员会之下设立太阳能办公室,推进项目有效有序发展。

中国有如此丰富的太阳能资源及光伏产业所需的矿产资源,是天然的太阳能大国。面对低碳经济的机会,短短数年间,太阳电池产量已雄踞世界第一,光伏电池占全球市场的份额由2003年的1%升至2009年的38%,表现出中国光伏巨大的生命力。希望伟大的光伏婴儿在中国的政治家、科学家、企业家、金融家以及全体中华儿女的精心呵护下,快速健康成长,完成可再生能源革命,为中华民族的伟大复兴做出他应有的贡献!

致谢 本文中的部分图及数据来源于PHOTON International杂志,在此深表谢意。

(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

(责任编辑:沈美芳)

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.03.005