浅议硅材料与发展云南光伏产业优势

浅议硅材料与发展云南光伏产业优势任敏【摘要】简要说明硅材料的特性及晶体硅在光伏产业链中的重要作用.通过对云南自然资源(丰富的硅矿藏和太阳能资源)、光伏技术、人才状况、产业现状等方面的分析，阐述了云南发展硅材料及光伏产业的优势.在国家《能源技术革命创新行动计划(2016-2030)》的支持下,将云南特色优势资源转变为产业经济优势，形成以新能源为核心的技术、产业和文化群，建成绿色低碳经济强省.【期刊名称】《有色金属设计》【年(卷)，期】2016(043)002【总页数】6页(P67-72)【关键词】硅材料;光伏产业;光伏发电;太阳能利用;新能源【作者】任敏【作者单位】云南冶金集团股份有限公司，云南昆明650224【正文语种】中文【中图分类】TK514目前能源问题已为世界十大焦点问题之首。清洁低碳，是世界能源发展大趋势。在人类的能源消费结构中，石油、煤炭、天然气、铀等矿物资源，占到了能源供给量的80%以上。如果这些资源一旦短缺，而新的能源体系又没有完全建立，将有可能造成全球性的能源危机。就目前的发展态势看，太阳能、风能将成为未来人类社会的主流能源，而太阳能更易于应用于人们的日常生活，前景和市场更为广阔。世界和中国主要常规能源储量预测见图1。根据欧洲联合研究中心(JRC)的预测：太阳能光伏发电在未来世界能源结构中将占据最重要的战略地位，见表1。到2030年太阳能光伏发电量占世界总电力供应的10%，到21世纪末太阳能发电将占总电力的67%。太阳是一个巨大的辐射源，在地球表面接收到的太阳辐射是全球能源需求的1万倍。太阳能光伏的发展空间(屋顶、建筑面和沙漠等)广阔，开发潜力巨大。国际能源署的统计数据显示，在全球4%的沙漠上安装光伏系统，就足以满足全球能源需求。太阳能光伏发电就是利用半导体器件将太阳能转化为电能，其中的半导体器件即是光伏组件的核心部件。最常用的是晶体硅太阳能电池。具有廉价无污染和高转换效率的优点，能在严酷的夕卜界条件下长期稳定的运行。2012年发布的《太阳能发电科技发展〃十二五”专项规划》中指出：实现太阳能大规模利用，将重点布局晶体硅电池、薄膜电池及新型电池三大技术研发。工信部发布的《光伏产业〃十二五”发展规划》：〃十二五”期间，国内光伏产业要保持平稳较快增长。支持骨干企业做优做强，开发多样化的光伏产品。《云南省低碳发展规划纲要(2011—2020年)》要求，2015年前后，继续在偏远山区采用户用光伏系统或集中供电系统，因地制宜解决云南省农村用电问题，发展光伏农业。国家〃十三五”规划纲要提出，深入推进能源革命，优化能源供给结构，建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系。《能源技术革命创新行动计划(2016—2030)》明确今后一段时间我国能源技术创新的工作重点涉及太阳能、风能、燃料电池等15个重点领域，6个清洁技术领域。2020年目标建成100MW级HIT太阳能电池示范生产线，掌握智能光伏电站设计和建造成套技术。战略方向是开发平均效率＞25%的晶体硅电池生产线((HIT、IBC电池)，探索高效低成本的光电转换器件和面向产业化技术等方面的创新与公关，以及智能光伏电站与风光热互补电站。云南具有优质的硅矿资源(估计储量达3x109t)和丰富太阳能资源(全省每年接收到的太阳能折算为装机量达到1500GW以上);多年发展的产业及人才基础。因此，发展硅材料及光伏产业有利于促进云南能源结构向低碳化、清洁化转变，促进自然资源与电力资源优势转化为产业经济优势。硅(SI)是重要电子材料，也是重要的化石替代材料。为自然界中分布较广的元素。资源极其丰富。硅的地壳丰度在地壳中仅次于氧，为26.4%，自然界不存在单体硅，通常以大量的硅酸盐和石英矿的形式存在。其中二氧化硅(Si02)占地壳总质量的87%,通常通过碳还原(Si02)的方式获得工业硅或称金属硅。晶体硅为金刚石型结构，常压下化学性质稳定，除氟化氢以为，很难与其他物质发生反应。而在高温下，硅几乎能够与所有物质发生反应。其化学性质更多显示非金属性。电导率介于金属和非家属之间，因此称为半导体。由于硅的禁带宽度和电子迁移率适中，硅器件的最高工作温度能达250^，其制作的微波功率器件的工作频率可以达到C波段(5GHz)。硅是目前可获得的纯度最高的材料之一，实验室纯度可达到12个“9”的本征级，大规模稳定生产7~11N高纯硅的生产工艺已产业化。较易制作大直径无位错低微缺陷单晶，晶体力学性能优越，因其日趋完善的工艺和广泛的用途，是当代光电子产业的重要原材料。硅材料按照应用领域可分为半导体产业领域，即以半导体硅材料制成的工艺路线，向半导体单晶硅、硅抛光片，外延片，集成电路芯片或分立器件延伸，最终产品为集成电路，器件(IC封装)等，其中集成电路是半导体产业的最大组成部分。另一部分为是光伏领域。晶态硅据晶粒取向不同可分为单晶硅和多晶硅。多晶硅是金属硅经过一系列的化学和物理反应提纯后达到一定纯度(6~12N)的产品，是制备太阳电池的基础材料，也是拉制单晶硅的原料。单晶硅是电子计算机、自动控制系统及信息产业等现代科学技术领域中不可缺少的基本材料。多晶硅按纯度可以分为冶金级(金属硅)、太阳能级、电子级。冶金级硅(MG):是硅的氧化物在电弧炉中用碳还原而成，一般含硅量在90%~95%，目前金属硅的纯度已经达到4N(99.99%)。太阳能级硅(SG):—般认为含Si量在99.99%~99.9999%(4~6N),主要用于生产太阳电池。一般所说的多晶硅是指太阳能级和IC级。由于多晶硅生产成本下降和工艺技术进步，纯度更高(9~10N)和高品质的硅材料将运用于光伏产业，制备太阳电池，其转化效率和使用寿命将得到进一步提高。电子级硅(EG):—般要求纯度在99.9999%以上，超高纯达到99.9999999%~99.9999999999%(9~12N),主要用于半导体芯片制造。硅材料应用领域及相关产品见图2。硅是具有现实意义的战略性半金属元素，正在新兴产业和高端制造业发挥着重要作用，尤其是作为第三次产业革命发展基础的半导体产业和光伏产业，基础原材料就是高纯硅材料。太阳能光伏发电就是利用半导体器件将太阳能转化为电能，其中的半导体器件即是光伏组件的核心部件。最常用的是晶体硅太阳能电池。太阳能光伏系统中收集阳光的基本单位是太阳电池，大量的电池串连在一起构成光伏组件，组件通过串并联组合在一起形成电池方阵，方阵在太阳光的照射下产生直流电，通过逆变器逆变为交流电，以适合不同交流负载的使用或并入电网。太阳能光伏发电是当今世界开发利用新能源与可再生能源的主要形式之一。具无噪音、无污染、无需消耗燃料、维护方便、总量大、分布广、应用形式多样的特点，能在严酷的夕卜界条件下长期稳定的运行。其中，硅太阳电池是光伏电池行业主流产品，约占85%。光伏产业链按照产品类型可大致可分为三类：即晶体硅太阳电池产业链，薄膜太阳电池产业链和聚光太阳电池产业链。典型的晶体硅太阳电池产业链见图3。硅材料产业是光伏产业的上游产业，提供原料(硅片)，其工业流程为：硅矿石-冶金级工业硅一太阳能级多晶硅一单晶硅棒或多晶硅锭-单/多晶硅片。太阳电池及组件产业是光伏产业的中游产业，提供光伏电池组件产品，主要包括太阳电池和光伏组件两部分，通常将太阳电池分为3类：①晶体硅太阳电池(包括单晶硅和多晶硅)，是目前市场份额最大的一类；②薄膜太阳电池，以材料的薄膜化和低成本为特点，目前有3种实现商业化：非晶硅(a-Si)、铜锢硒(CIS,CIGS)和碲化镉(CdTe)，目前市场份额不断扩大；③聚光太阳电池，以高效率、耗材少为特点，尚未大规模化生产。光伏组件就是把太阳电池进行串并联焊接，通过层压封装而成。具有模块化的特点，可以根据发电系统的大小进行随意的组合和安装。薄膜太阳电池是通过内联的方式而形成组件。下游产业是为用户提供电力能源，面向系统集成应用，主要有并网系统、离网系统、混合系统3类，可以采用电池产业中任意一种类型的太阳电池进行系统构建。该产业注重的是设计能力和施工能力，其逆变技术、控制技术及相应产品是光伏系统的一个重要组成部分。逆变器将太阳电池生产的直流电转化为交流电，与地方配电网络兼容，蓄电池是电能的储存设备，应用独立(离网)系统，通常为铅酸蓄电池。并网系统：并网系统是发达国家家庭和商业发电最受欢迎的光伏系统，与地方电网连接，所发电力可出售给电网，夜晚则可从电网买电。通常所有的太阳能电力都输入公共电网卖给电力公司，如德国、西班牙等欧洲国家正采用该种模式。离网系统：没有主电网时，光伏发电系统通过充电控制器与蓄电池连接，生产的电可储存起来。典型的离网系统用于通讯中继站，偏远地区和农村供电。农村供电通常包括供单个家庭用电的小型光伏用户系统，或可以供一个村庄用电的小型独立电站。混合系统：光伏系统可与生物质能发电系统、风力发电系统或柴油发电系统等其他发电系统组合，以保证持续的电力供应，混合系统可以采取并网或离网形式。目前光伏产业在各国政府的不断关注和强有力的推动下，发展势头强劲。由于全球变暖已成为全世界最关心的环保问题之一，造成全球变暖的主要原因是大量温室气体的产生。为此，根据《京都议定书》的规定，各国纷纷制定了减排二氧化碳的计划，节约化石能源和使用可再生能源是减少二氧化碳排放的两个关键。所以绿色可再生能源替代化石能源已经势不可挡。云南虽有丰富的水电资源，但水电可调节能力低，丰枯矛盾突出，枯水期间：12月到次年5月，太阳能辐射资源是最充足的。同时云南拥有丰富的硅石资源，有利益发展光伏产业。3.1丰富的太阳能辐射资源及硅石资源云南省太阳能辐射资源全国比较丰富的地区之一，见图4。全省各地区的全年平均日照时数在960~2840h之间、太阳辐射总量在3620-6682MJ/m2之间；年平均太阳能辐射总量＞5000MJ/m2的地域约占全省总面积的90%，全年日照小时数高于2000h的气象台站数的为72%，日照时间长、大气透明度高、辐射强度高、高低温天气少。每年接收到的太阳能为2.14x1015MJ/年，约相当于每年获得731.5亿t标准煤，超过全部煤储量，为经济可开发量的10倍。云南省与国内其他省市的光伏产业与资源对比见表2。云南的太阳辐射最好是冬春季，而此时正是最严重的枯水季，水电发电量只达装机容量的三分之一，因此太阳能发电是对以水电为主的云南电网的最好补充。云南省是我国金属硅资源和电力资源条件较好的地区，硅资源储量大且品质优良，估计储量达3x109t。云南的硅矿纯度高、杂质少，特别是B、P含量较低，属高品位矿。主要分布在玉溪、保山、和昭通等地区。玉溪硅石Si02含量为97%~99%，资源储量1032万t。昭通硅石Si02含量为96.82%~99.16%，大部分矿体露天开采，开发成本低，资源储量4000万匚保山已探明的远景5000万t。目前工业硅生产厂有数十家，生产能力3x105t/a年，丰富的硅资源使工业硅生产得到快速发展，云南成为国内最大的工业硅生产和原料供应基地，其产能和产量均占全国总量的30%以上。优质工业硅为云南省光伏产业链上游产品提供有力保障。3.2光伏应用市场潜力巨大据相关资料统计预测：新农村建设和无电人口用电问题能够通过光伏发电系统得到有效解决。云南省现有需要采用光伏解决供电的无电人口大概100万以上，按照每4人一户400W计算，需光伏发电系统约为100MW。边远无电山区公用（行政办公、学校、医院等）用光伏系统预计50MW以上。各种通讯、交通信号及气象、地震、森林防火预报等消费用光伏发电系统预计50MW以上。城镇道路、广场、公园、旅游景点、景观、广告牌、标志牌、居民小区路灯、庭院灯等照明用光伏发电系统预计约200MW。现有城镇建筑物（不含农村居民点）占地8亿多m2,每年若按0.5%的比例改为光伏光热建筑（热泵技术与光伏结合太阳能建筑一体化），则每年需要太阳电池600MW。新增城镇建筑面积估计每年约为4000万m2,每年按2%的比例采用光伏光热建筑，则每年需要太阳电池1200MW。这是屋顶计划的主要市场，新建面积好规划，易实施，建设费用低。云南省非宜林、农、牧地区面积约为530亿m2，仅以2.5%的安装比例计算，则可安装太阳电池约100GW。另外，云南的蔬菜和花卉种植基地占地面积广，光伏农业大棚是一种新形式的土地综合利用方式，既节约土地，又不改变土地属性。可棚上发电，棚下种植，应用市场看好。云南湖泊众多，水上光伏也有较大的市场开发前景，由于建在水面上的光伏发电系统，可有效吸收太阳能直射光，散射光和水面反射光，使光线利用率达到最高。3.3良好的光伏产业发展基础云南冶金集团股份有限公司控股的云南永昌硅业股份有限公司年产工业硅10万t,年销售产值达10亿元的规模。成功实现25.5MVA大炉型工业硅炉零木炭的使用。已完成《工业硅》《工业硅单位产品能源消耗限额》国家标准修订。云南冶金集团有限公司控股的昆明冶研新材料股份有限公司拥有6000t/a年多晶硅生产线，这是目前云南省唯一条高纯多晶硅生产线。已进入国家工信部《光伏制造行业规范条件》企业名单。2015年，公司生产出质量符合GB/T12963-2014《电子级多晶硅》要求的一级产品，具国内行业先进水平。同时，公司还拥有〃云南省光电子硅材料制备技术企业重点实验室”和〃云南省多晶硅产业化关键技术工程研究中心”等技术创新研究平台。云南硅储（宏硅）物流有限公司是全球最大的金属硅专业仓储物流基地，占有全球金属硅仓储物流20%的市场份额，每年金属硅周转量达70万t以上，是专业的金属硅仓库。3.4优秀的光伏产业人才基础云南师范大学太阳能研究所是中国最早从事太阳能利用的专业研究机构，拥有教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室及省级农村能源工程重点实验室。具有一批从事太阳能光伏理论、试验、系统应用及开发的高级人才，长期与国际先进的光伏发电技术研究机构进行合作与交流。目前已开展新能源利用方面的技术研究和人才的培养，且部分技术处于国内领先地位，如光伏光热一体化（PV/T）技术（槽式聚光）、光伏建筑一体化（BIPV）组件制备技术、基错材料的高效太阳电池技术等。拥有〃农业生物环境与能源工程”博士点，为云南省〃十一五”十个一类重点学科之一。目前可以培养光伏科学与工程专业本科（学士）、硕士、博士和博士后的多层次人才。昆明理工大学与日本东京大学合作在学校建立了〃硅材料国际合作研究室”，依托学校建设了〃云南省高校硅冶金与硅材料工程研究中心”，与企业合作建设了〃云南省硅材料工程技术研究中心”，为云南省硅材料产业技术提升提供了技术支撑和和人才培养条件。云南冶金集团有限公司控股的昆明冶研新材料股份有限公司，七十年代曾进行过西门子多晶硅工艺研究，制备出实验用途的半导体级多晶硅材料，是国内较早从事错、硅半导体单晶研制生产的单位，由此积累了大批相关的技术人才。3.5具有发展大型并网光伏发电的有利条件云南省电网覆盖比较全面，是发展大型并网光伏发电最有利的条件，为光伏电站上网提供了最短的输电距离。同时云南电网与南方电网相连，也与一些东南亚国家的电网相连，为云南的电力出口提供了有利的条件。云南电网整体网络的容量巨大，可以容纳巨大的可再生能源发电容量。由于建设大型光伏电站需要较大的占地面积，而云南省山区面积占94%，有相当多的非宜农宜林土地（面积约7000多万亩，约530多亿m2），并有8亿多m2城镇建筑物屋面（每年预计新增0.4亿m2）可供使用。因此，云南省广阔的非宜农宜林土地及城镇建筑物屋面资源将为建设大型光伏电站提供充足的土地保障。同时，云南水域资源丰富，全省水域面积近900多万亩，若开发水上光伏发电，可供使用水面面积也非常可观。3.6光伏发电应用现状云南省太阳能发电在国内和全省已应用于手机信号中继站、交通信号、电视差转台、铁路站台信号、公路道班、农村邮电载波、微波通讯站、部队通讯及照明、卫星地面站、地震预报、森林防火预报、牧区和边远地区、农村用电、及光伏蔬菜大棚等方面。近年来，云南省光明工程公司承担的国家发改委及财政部的中德国际合作及中日国际合作项目，已累计在我省的丽江、大理、楚雄建设了52个集中式的光伏电站，装机容量约340kW；在曲靖、文山、丽江、大理等地也有效地解决了421户农户的通电问题，累计安装64kW。2007年10月云南师范大学太阳能研究所屋顶上建设2kW的并网光伏系统，是我省第一个并网光伏发电系统。云南冶金集团股份公司技术中心实验研究基地1000kW太阳能光伏发电项目，太阳能电池板安装在9栋实验室屋顶上，占屋顶面积7807m2，是国家金太阳示范工程。云南冶金集团股份公司参股的建水南庄300MW光伏电站，建在占地面积8533亩(5688.7