2012院士大会第三代光伏发电技术已取得重大进展

第三代光伏发电技术已取得重大进展,中国科学院理论物理研究所何祚庥,（一）何谓“第三代”光伏发电技术？,第一代光伏发电技术=晶体硅光伏发电，有单晶硅和多晶硅的差别。优点是光电转化率较高，缺点是售价较贵，生产多晶硅耗能较多，也容易污染环境。,第二代光伏发电技术=花式品种繁多的薄膜电池，优点是材料用量少，售价较低，重大缺点是光电转化率只有晶体硅的一半，占地面积也较多。主要品种有1）非晶、纳米晶、微晶等硅薄膜，2）CIGS即铜铟镓硒组成的薄膜， 3）TeCd碲化镉薄膜 。,为克服“第一代”，“第二代”光伏发电技术“固有”缺点，人们相继提出发展“第三代”光伏发电技术许多设想。,2003年M. A. Green在撰写了第三代光伏发电一书，主张发展一些“新型”电池。,在中国发展的“第三代”光伏发电技术=“太阳能炼硅+跟踪+低倍聚光+高效聚光硅电池”。,这首先是因为新提出的理念，是要进一步提高光伏电池的“单位面积”的发电量，降低“单位面积”发电成本；尤其是太阳能发电要多“占地”，“地价”已成为影响发电成本的重要因素！于是人们就希望引入新“元素”，从半导体技术，转向现代光学，无光像的自适应光学。,如果引入现代光学，引入“跟踪+聚光”，有可能用一块单晶硅，或售价较贵的“多结”的单晶硅，发出“多倍”电量；有“可能”用成本较低廉的光学聚光元件，取代、减少使用代价较昂贵的半导体材料和半导体加工技术。,2）聚光可以多发电，这是爱因斯坦光电定律的常识；聚光的前提是跟踪，这是现代天文望远镜已解决的问题。“聚光+跟踪”就成为进一步降低成本的“第三代”光伏技术的最主要特征。,“太阳能”聚光有许多特殊要求。首先是为适应太阳光在空中不断移动，人们相继提出许多新的光学课题：例如，a）如何将移动中的太阳光“均匀”地聚集在某一面，让光电池更有效地发生电力；光学就从成像光学走向无光像光学。b）如何既聚集来自太阳的直射光，又聚集相当部分的散射光，增加光电池接收的光量；无光像光学就由简易的窄角聚光走向广角聚光。,c）所聚集的，不仅是正射的光线，还包括斜射的光线；聚光理论就从在轴聚光，发展为斜轴或偏轴聚光。d）技术上还要应用和发展自适应光学的许多技巧，如何因地、因时不断追踪阳光，将阳光聚光到某一固定便于应用的方位，如此等等。,这一由理论物理研究所陈应天研究员发展的无光像的自适应光学，还在其它领域有许多许多应用，如可制作聚光15000倍，可冶炼高纯度的多晶硅，可融熔一切难熔金属的太阳炉，等，当前首先是应用到光伏发电、光热发电。,3)为什么“高效硅基聚光电池”也是“第三代”光电发电技术的一大“特征”？ “高效”可提高单位面积发电量，“高效”可大幅度降低每瓦“聚光+跟踪”成本；而“聚光”不仅可成倍增加光电池的发电量，“聚光”还能提高光电池的转化率。理论分析表明， 聚光电池输出功率入射光强ln（入射光强/单位光强）,下面是美国国家可再生能源实验室所提供的最新有关太阳能光伏电池发电效率的一张简图：,从这一图片可以很清楚地看出，a）用砷化镓制作的光电池的转化率，遥遥领先于各类光电池。2011年“多结+418倍聚光”的转化率更上升到43.5%。由砷化镓薄膜制成的光电池，也做到了28.2%。,b）居于第二位是硅基光电池。其单晶的转化率由历史上的17%上升到25.0%，其“单晶+92倍聚光”的光电池转化率，已上升到27.6%。但“多晶”硅光电池却缓慢上升，十年来仅停留在20.3%，远远落后于“单晶+聚光”的硅光电池。但是，除异质结硅电池可高达23.0%外，至今未见有“多结”硅基光电池的报导。,c）紧随晶体硅光电池之后的是铜铟镓硒，其实验室中的薄膜转化率已高达20.4%；其次是碲化镉薄膜，实验室效率是17.3%。,但如果将CIGS薄膜电池和“单晶+聚光”硅基光电池做一比较，其实验室里的转化率仍远远落后于硅基聚光电池的27.6%！再认识到，薄膜电池生产线的投资约是晶体硅的10倍，大面积的薄膜电池转化率的提高，在技术上有原则性的困难；而相反，聚光电池的光电转化率正在不断提高，“4倍聚光+跟踪”技术已相当成熟，其“聚光+跟踪”花费的“代价”，已证明要比晶体硅电池“低出”很多，其光学成本还有大幅度降价空间。,d）国外更看好的是“跟踪+高倍聚光+高效砷化镓聚光电池”的技术路线。理由是砷化镓有更高的转化率，这当然十分有理。但砷化镓的市场价格太贵，必需用到高倍聚光才有经济效益，而高倍聚光技术难点不少！尤其是“散热+抗风”。而且，我们从原则上还看不出，高倍聚光如何能“既聚集直射光，又聚集散射光”。实验表明，即便是阳光明媚的高原地区，散射光仍占到15%，通常是散射光占总光量的30%40%。两者相较，我们更赞成发展低倍聚光。,当代最有希望的，有可能和火力发电、核能发电相竞争的技术，是“太阳能炼硅+跟踪+低倍聚光+高效硅基聚光电池”，或称为“第三代”光伏发电技术。,4）“第三代”光伏发电技术另一“特征”是“绿色”。 当前人们对光伏产业的发展，有不少质疑，工信部就认为光伏产业从高纯硅的提炼到光伏组件的生产，有不少“环节”属高耗能、高污染的行业。而太阳能炼硅就不仅可少耗能，而且没有污染，已在2011年第7期的物理学报Vol.60,No.7(2011)078104，写了一篇题为强辐射催化法提纯多晶硅正式发表的论文。,为什么“第三次”光伏技术能大幅度节约多晶硅，而且是绿色技术？原因是： a）跟踪：这将使多晶硅的用量减少30%40%。 b）聚光：4倍聚光，尤其对“直射光”的聚光，可将硅材料、非硅材料的每度电“耗能”下降到原有的1/4。,下面是4倍聚光漏斗和散热片的一组照片：,c）高效聚光硅基电池：硅电池的转化率越高，所消耗的多晶硅就越少。目前用的是美国Sun Power公司供应的转化率为22%的n型硅基聚光电池。如前所述，在聚光条件下，聚光电池，会出现对数式非线性增长。4倍聚光导致开环电压增长了10%！这一n型光电池就呈现出24.5%的转化率！,d）在所有上述介绍的“绿色”技术中，最重要的是太阳能炼硅。,5）上述“第三代”光伏发电技术，或“绿色”发电技术，已有一个演示的“窗口”，也就是在甘肃省武威地区已建成的“4倍聚光+转盘式跟踪”，峰值功率为1兆瓦的小型光伏电站。,下面是这一电站的图片：,上述光伏电站已稳定持续运行了2年。,2011年9月，在距北京市180公里的内蒙古多伦地区又建设一组示范电站。已选择其中两个转盘（峰值功率为100千瓦）每天纪录发电量，长期在绿色电力网上公布。下面是2012年3月11日16:00的一个发电纪录：,内蒙多伦低倍聚光双轴跟踪光伏电站,（二）总计中国科学院理论物理研究所陈应天项目研究员独立自主研发的4倍聚光+跟踪+n型光伏电池转盘式发电技术。已做到的指标是：,1）峰值功率售价低。现在就已做到，工信部发布的“十二五”太阳能光伏产业发展规划（征求意见稿），所提出的“2015年光伏系统成本下降到1.5万元/千瓦的目标”。,新改进的4倍聚光漏斗，还能聚集部分散射光，成本又下降5%。 2）单位峰值功率发电量多。,由于采用三大技术：a）跟踪，直射光的发电量将增加30%35%；b）4倍聚光导致的非线性增长，（注：聚光将导致开路开环电压呈对数性增长），将增加10%；c）强有力的均匀散热，视当地气温和环境，将增加10%15%。由以上这三种因素的乘积，青海格尔木，已建造了峰值功率为200千瓦的小型光伏电站，每瓦发电量将是1.651.31.11.1=2.6度/瓦，在采取进一步改进措施后，可能上升到2.8度/瓦。,3）发电成本低。由于单位峰值功率售价低，而且发电量多，已做到在内蒙古多伦地区加上“聚光+跟踪”技术后，按10年回收期计算的发电成本，将下降到0.7元/千瓦时。如果撇开劳动力成本、运输成本等地区差别因素，在青海省将下降到0.72000/2600=0.54元/千瓦时。,4）单位面积发电量高。下面是各类清洁能源占地简表：,太阳能光伏发电：“4倍聚光+跟踪”， 5060W/m2；平板式晶体硅， 3040W/m2；各类薄膜电池， 1520W/m2；太阳能槽式热发电；10W/m2。核 能：10W/m2，（是否为清洁能源，现在有争论）；风 能：5W/m2；,5）太阳能是最便于实现和水能互补的新能源。 6）新发展的4倍聚光发电，还是最适合于在“同一”地区实现风、光互补的发电技术。 7）新发展的“4倍聚光+跟踪”的光伏发电技术，也是和环境友好兼容的技术。,（三）“第三代”光伏发电技术能否在中国实现“平价上网”？ 在中国实现光伏发电“平价上网”有一个特殊困难，中国的火力发电成本，比发达国家低很多。中国已公布的包含补贴的光伏发电上网电价，1.0元/度电，而平价上网就至少要降到0.40.5元/度电！,1）新出现的一个亮点是，这一“4倍聚光+跟踪”的光伏发电技术，非常易于在水面实现“太阳能睡莲”。其最大优点是，可利用聚光漏斗的“浮力”取代支撑跟踪漏斗的构架，大幅度节约钢材。聚光漏斗将常年浸在水中，极易散去聚光时产生的巨大热量，可又增加约10%20%的发电量。至于水波起伏，定向跟踪等技术问题，不难用锚、舵，将聚光漏斗改为广角聚光等技术来解决。,现在这些技术难点均已初步解决，已做出设计，下面是这一设计的示意图：,为解决许多地区土地价格过高，其最简单的措施是，大力发展更为价廉物美的水上“太阳能睡莲”技术。,陈应天教授曾做过一个试验，将聚光漏斗放在水下15厘米深处，历时6个多月，在漏斗内没有发现丝毫水汽！ 下面是聚光漏斗浸水实验的照片：,2）其实，在国外已有类似设想。下面是国外设想的太阳能睡莲的照片。,图：两个美丽的漂浮在水面的太阳能睡莲,又据2011年11月9日经济日报报导： 新加坡经济发展局日前宣布，计划明年在西部地区的登格水库进行水上太阳能光伏浮岛试点项目，预计2013年完成。,3）北京地区的密云水库、官厅水库、十三陵水库，共有250平方公里的水面，加上天津的水库，共约有400多平方公里的水上面积。如以每平方米发电50W/m2计，400平方公里的水面可装机2000万千瓦之多。北京郊区土地售价，已高达30万元/亩。为解决土地价格过高问题，北京市和天津市走向绿色城市的方向之一，是大力发展水上太阳能睡莲。,在中国有许多水面可以建设大型、超大型光伏电站。中国的青海湖、鄱阳湖，太湖和洪泽湖，其面积均超过4000平方公里。中国大理有极好的太阳能资源，而地处云南大理市的洱海，其水面约为250平方公里。中国有80000平方公里的湖泊。中国的渤海湾实际上是中国的内海，水面超过20000平方公里。仅渤海湾就可以放置功率为10亿千瓦太阳能睡莲。,4）新出现的技术思维，是将4倍聚光改为6倍聚光，但光漏斗造价并不显著增加。下面是用无光像聚光理论设计的6倍聚光漏斗：,此漏斗也可放在水中成为水上漂。,应用这一新型聚光漏斗，在内蒙古地区，河北丰宁地区等荒漠地发电成本，有望下降到0.7元/1.4=0.5元/度电。而如果将这一“6倍聚光+跟踪”的发电技术，移用于“太阳能睡莲”，这将是比陆上发电成本更低的发电的技术。中国的东部、南部，其太阳能资源一般属三类地区，年发电约10001500小时。但这一地区有大片水面可以大量放置水上电站，有大片水面可建设大、中、小型各式各样的抽水储能电站，同时也能就近在水库里建设水面光伏电站。,所以，这一“6倍聚光+跟踪”的“太阳能睡莲”，以及今后有待发展的“8倍、10倍，等低倍聚光+跟踪+水上太阳能睡莲”的发电技术，有望在中国的东部、南部地区，廉价地实现光能、水能“就近”互补，做到平价上网。,5）前一时期，工信部正式颁布的“十二五”太阳能光伏产业发展规划。已正式规定： “计划到2015年，光伏组件成本下降到7000元/千瓦，光伏系统成本下降到1.3万元/kW，发电成本下降到0.8元/kWh，到2020年，光伏组件成本下降到5000元/千瓦，系统成本下降到1万元/kW，发电成本达到0.6元/kWh”。,不难看出，这里介绍的“第三代”光伏发电技术，完全有望达到、超过规划所规定的2020年的各项技术指标。 问题是如何全面落实这一新兴技术的产业化。,进一步要解决的重大问题，是如何太阳能光伏发电成本，下降到0.3元/度电，从而彻底解决人类未来所需能源问题。这主要解决以下三个重大问题： a)进一步将低倍广角聚光技