太阳能光伏发电技术的发展与展望

太阳能光伏发电技术的发展与展望

0太阳能光伏发电产业高速发展太阳能是一种清洁的可支配能源。太阳能开发利用的巨大潜力推动着太阳能光伏发电技术不断向前发展。1893年,法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应”,即“光伏效应”。1930年,朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳能电池”,使太阳能变成电能。1954年,恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶太阳能电池。同年,韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应,并在玻璃上沉积硫化镉薄膜,制成了第1块薄膜太阳能电池。随着世界经济的不断发展,全球能源短缺、环境污染等问题日益严重,可再生能源的应用受到了各国的普遍关注。太阳能光伏发电作为可再生能源利用的重要组成部分,得到了众多国家政府的大力扶持。20世纪70年代以来,美国、德国、日本等国政府陆续出台相关政策,加大太阳能光伏发电产业的发展力度,使得世界光伏发电产业高速发展。1997—2007年,太阳能电池的产量由125.8MW(该功率为峰值功率,下同)增加到4000.05MW,年平均增长率高达41.3%。根据欧盟联合研究中心的预测,到2030年太阳能光伏发电在世界总电力供应中将达到10%以上,到2040年这一比例将达到20%以上,在不远的未来将成为世界能源供应的主体。1太阳能电池生产市场在技术进步和相关鼓励政策的双重推动下,太阳能光伏产业自20世纪90年代后期进入了快速发展时期。截止2007年底,世界累计生产了12.64GW太阳能电池,由此推断,光伏发电的实际总装机应该接近12GW。欧洲光伏市场是世界最大的光伏市场,而且在持续增长。其中,德国光伏市场份额全球最大,2006年占51.0%,2007年占46.99%。亚洲光伏市场近几年有所萎缩(主要由于亚洲拥有最大光伏市场的日本结束了光伏补贴政策,导致市场发展滞后),我国光伏市场份额更小。2006年、2007年亚洲太阳能电池产量约占世界电池产量的65%。由此可见,亚洲是太阳能电池的主要生产和输出地区。亚洲的太阳电池生产主要集中在中国大陆、中国台湾和日本。2007年中国大陆太阳能电池产量达到1088MW,占全世界太阳能电池产量的27.2%。从产量看,我国已经成为太阳能电池的第一生产国。2光伏阵列供电光伏发电系统按其应用形式基本可以分为2大类:独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。光伏发电系统主要由3大部分组成:光伏阵列;变换器、控制器等电力电子设备;蓄电池或其他储能和辅助发电设备。光伏阵列由太阳能电池组件按系统需要串、并联组成,将太阳能直接转化成电能,它是光伏系统的核心部件。蓄电池将光伏阵列产生的剩余电量储存起来。在光伏阵列供电不足的情况下,蓄电池对负载进行辅助供电。变换器通常由DC/DC变换器及DC/AC逆变器组成,其功能是将光伏阵列输出的不太稳定的直流转换为高质量的交流电,供交流负载使用或者并网。控制器对蓄电池的充放电加以规定控制、并根据负载或电网的需求控制太阳能及蓄电池的电能输出。3能源能源发电的几个重要问题发展太阳能光伏发电产业的关键问题包括光伏电池技术、光伏发电成本、光伏发电政策以及光伏电网的接入等。·74·华电技术第32卷3.1薄膜太阳能电池光伏电池是太阳能光伏发电系统的核心部件。光伏电池大规模应用需要解决2大难题:提高光电转换效率和降低生产成本。太阳能光伏电池通常用晶体硅或薄膜材料制造,前者由切割、铸锭或者锻造的方法获得,后者是一层薄膜附着在低价的衬背上。晶体硅仍是当前太阳能光伏电池的主流。晶体硅电池包括单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。单晶硅电池的实验室最高转换效率可达24.7%,商业化电池效率为16%~20%。多晶硅太阳能电池的实验室最高效率也超过了20%,商业化电池效率为15%~18%。除效率外,电池的厚度也很重要。降低硅片厚度是减少硅材料消耗、降低晶硅太阳电池成本的有效技术措施。硅片的平均厚度已从2003年的0.23mm减小到2007年的0.18mm。薄膜太阳能电池是在廉价的玻璃、不锈钢或塑料衬底上附上非常薄的感光材料制成,比用料较多的晶体硅技术造价更低,其价格优势可抵消低效率的问题。目前,已商业化的薄膜光伏材料有3种(硅基薄膜,主要包括非晶硅(a-Si)、微晶硅(μc-Si)及微非迭层(a-Si/μc-Si);铜铟镓硒(CIGS);碲化镉(CdTe)),它们的厚度只有几微米。商业化硅基薄膜电池的效率在不断提高,其中,单结非晶硅电池效率为5%~7%,双结非晶硅电池效率为6%~8%,非晶硅/微晶硅迭层电池效率为8%~10%。商业化碲化镉薄膜电池的转换效率可以达到10%,但是镉具有毒性、碲产量较少等因素都制约了其发展。商业化铜铟镓硒薄膜电池的转换效率可以达到10%以上,不过镓的短缺也可能成为该技术发展的一个瓶颈。目前,在3种商业化的薄膜光伏技术中,硅基薄膜的生产和安装所占比重最大。2007年世界前10大太阳能电池生产厂商及其在2006年和2007年的太阳电池产量见表1。由表1可以看出,中国有无锡尚德(Suntech)、台湾茂迪(Motech)、保定英利(Yingli)3家公司位列其中。表2是2003—2007年单晶硅、多晶硅和薄膜太阳能电池的产量。从表2可以看出,晶体硅太阳能电池占据整个光伏市场份额90%以上。但未来发展的重点可能是薄膜太阳能电池,它因用材少、质量小、外表光滑、安装方便而更具发展潜力。目前,国内外众多太阳能电池厂商都把薄膜太阳能电池作为未来发展的重点。中山大学太阳能系统研究所安装了6种不同类型的太阳能电池并网光伏系统,并对发电数据进行了分析。分析结果有助于了解这几种类型光伏电池的实际发电性能,对未来光伏电站的设计和建设有一定参考意义。这6种电池分别为单晶硅、多晶硅、HIT(HIT太阳能电池为三洋电机采用特殊结构、结合结晶型及薄膜型特点研发而成的太阳能电池)、非晶硅、铜铟镓硒和碲化镉电池。在对能量产出要求比较均衡的情况下,单晶硅、HIT组件在太阳辐射较高时性能最优,适合在太阳辐射强、多晴天的地区使用;在太阳辐射量较高、少云或多云地区,碲化镉有优势;多晶硅和铜铟稼硒受太阳辐照影响较大,不适合在太阳辐射变化大、四季分明的地区使用;非晶硅在太阳辐射较低、多阴雨地区才能显现优势。3.2光伏发电上网电价比光伏发电何时达到平价上网(即光伏发电的成本达到常规能源发电电价的水平)是一个备受关注的问题。国家发改委能源研究所提出,所谓平价上网有2个概念,即输电侧上网和配电侧上网。配电侧上网也即分布式发电系统,分布式发电系统应为净电表运行,就是自发自用,可以与电网销售电价比较(我国销售电价为0.5~1元/(kW·h)),这表明光伏发电自用更容易实现“平价上网”。但如果是输电侧中高压并网,因我国常规电力上网电价一第1期吕贝,等:太阳能光伏发电产业现状及发展·75·般仅为0.3元/(kW·h),要在这个水平上达到平价上网还有相当的难度。光伏发电系统成本的60%以上来自太阳能电池。2006年,并网光伏发电系统成本约为5万元/kW,系统各部分成本比例见表3。我国最早在海外上市的太阳能企业无锡尚德公司于2008年7月宣布,计划在5年内将太阳能发电成本降至1元/(kW·h)。目前来看,其在2010年就能提前实现该目标,总体而言,到2015年以前实现光伏发电的配电侧平价上网是没有问题的。基于薄膜技术的发展及其价格上的优势,薄膜太阳能电池有望最先达到电网等价点。3.3光伏发电产业面临的发展瓶颈政府的政策导向将决定光伏产业的发展水准和市场需求。由于原材料硅的价格下跌导致光伏发电价格从2008年10月快速下降,但目前光伏市场仍然是由政府和政策驱动的。下面介绍一下各国光伏发电主要扶持政策以及2008年后所做出的调整。德国在先后实施“一千屋顶计划”和“十万屋顶”计划基础上,于2000年1月颁布实施了与“全网平摊”相配套的《可再生能源上网电价法》,对光伏发电实施0.99马克/(kW·h)的上网电价。实施4年后,对光伏上网电价又进行了修订。考虑到减轻电力用户负担以及更有力地促进光伏发电技术进步和成本降低,德国在2008年6月新修订的《可再生能源法》中,根据光伏系统容量不同,将电价水平进行了较大幅度下调,并从以前单纯的固定电价政策转为通过调整电价水平来控制光伏市场规模。这一政策放缓了德国光伏市场的增长脚步,低于市场预期,对全球的光伏制造业产生了巨大冲击。日本于1974年开始执行阳光计划,把光伏发电作为国家电力未来的重要组成部分。1994—2005年,日本通过新阳光计划和户用光伏系统补贴项目,对用户安装光伏系统实施了一轮补贴,至2006年补贴完全取消,促使日本的光伏发电产业在1994—2005年发展很快,但2005年后市场下滑。2008年6月,日本又开始讨论重新启动对光伏系统进行补贴,7月即公布了《低碳社会行动方案》,同年11月又发布了《推广太阳能发电行动方案》。光伏业界普遍看好日本2009年后的光伏市场。西班牙于2004年后对太阳能等可再生能源电力实施了高补贴电价政策,极大地刺激了西班牙光伏市场的迅速增长。2008年西班牙成为光伏市场发展最快的国家,累计容量排名世界第2。在达到政府规定的市场容量后,西班牙政府于2008年9月对电价水平进行调整,直接对本国新增市场规模进行控制。美国政府早在20世纪90年代提出“百万屋顶”计划刺激本国光伏发电市场。美国光伏市场的发展主要得益于5类经济政策的共同作用,即净电表制、生产税返还、投资税抵扣、配额制和税收优惠。这些经济政策的刺激加速了美国光伏产业的发展,2008年美国在全球新增光伏市场中以400MW排名第3,装机总容量达到1410MW。目前新的联邦投资抵扣税政策和《2009经济刺激法案》出台,但美国国内仍对是否使用财政资金大规模发展光伏发电存在争议,美国光伏市场前景存在不确定性。中国的太阳能光伏市场总体发展速度比较缓慢。“六五”和“七五”期间,国家对光伏市场的发展给予支持,2002年国家计委启动的“西部省区无电乡通电计划”也大大刺激了光伏产业的发展。中国太阳能电池的产量不断突破,截止到2005年底,中国太阳电池组件的生产能力就已经达到400MW,当年产量达到140MW。但国内的光伏市场发展却相对滞后,年装机量占年太阳能电池产量的比例相当小,绝大部分太阳能电池需要出口国外。2007年中国光伏系统的安装量总计约20MW,仅为当年太阳电池产量(1088MW)的1.84%,意味着太阳能电池产量的98%需要出口。近期中国政府推出一系列的光伏发电刺激政策。2009年3月,财政部联合住房和城乡建设部发布了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》、《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》,支持开展光电建筑应用示范,实施“太阳能屋顶计划”;6月发布的《新能源产业振兴规划征求意见稿》提出2020年建成30GW的光伏发电厂;7月,财政部、科技部、国家能源局联合宣布在我国正式启动金太阳示范工程。政府的大力支持使得各方普遍看好中国光伏市场的前景。3.4光伏发电的一般参数要求随着光伏发电的快速发展,如何接入电网成了一个关键的问题。对于光伏电站的并网要求,国际上已经有了很多标准,中国的标准分散在一些传统标准之中,大多只是对电压和电流的谐波、电压和频·76·华电技术第32卷率偏差、电压波动和闪变、直流分量和功率因数的要求。在光伏电站容量较小时,这些参数要求基本适用。但是,当光伏电站的规模越来越大(几十