世界各国争相发展太阳能光伏 或成经济发展新引擎

 北极星电力新闻网8月10日讯   来自太阳的绿色能源取之不尽，用之不竭，人类利用太阳能的步伐也在不断加快。越来越多的研究成果降低了利用太阳能的成本，提高了利用效率，不断给市场注入活力。处在萌芽阶段的太阳能光伏技术方兴未艾，或许可以成为带领人类走出经济危机、走向低碳生活的“火车头”。光伏技术方兴未艾

    太阳能是首屈一指的绿色能源，太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于全球能耗的40倍。

    太阳能光伏发电(PV)市场正蓬勃发展。光伏发电指利用太阳能电池组件将太阳光能直接转化为电能。光伏发电具有转化环节少、资源蕴含量取之不尽、能源质量高、建设周期短、发电方式接近零排放等优势。

    但光伏技术也有其“硬伤”：首先，建太阳能发电厂需要大量土地。美国加利福尼亚计划兴建的550兆瓦太阳能设备将占地约25平方公里。其次，获得能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。另外，安装成本也很贵，要收回成本，可能需要花费20多年。

    光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场合提供电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地灯具等；三是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施。

    自2002年以来，太阳能光伏发电逐步成为增长最快的能源领域。近5年，全球光伏产业年均增长49.5%，2007年比2006年更是增长了56.2%。

    另外，相关的研究不断延伸，使得其成本不断降低。世界知识产权组织(WIPO)在2009年6月份的报告中称，专利合作条约组织(PCT)接收到的与太阳能有关的专利申请数量从2004年的460件增加到2008年的1411件，增加了两倍。

    早在1839年，法国科学家埃德蒙·贝克雷尔就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。

    1904年，阿尔伯特·爱因斯坦因为出版了相关的理论著作而获得了当年的诺贝尔奖。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池，将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术由此诞生。

    受1950年到1969年之间美苏两国太空竞赛刺激，人们对光伏发电进行了紧锣密鼓的深入研究，到1955年，许多公司就研发并且生产出了太阳能电池，也被称为光伏电池，并在市场上销售。

    第一颗太阳能动力卫星“先驱者1号”于1958年发射并运行了8年，其他太阳能动力卫星随之而来。随后，太阳能发电继续作为辅助能源被广泛应用在宇宙飞船上，并为轨道卫星提供动力。

    优惠政策推动光伏技术发展

    随着全球化石能源的日渐枯竭和人类环保意识的增强，以光伏为核心的太阳能发电事业近年来有了飞速的发展。据预测，太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。

    《全球光伏市场分析和2020年展望》报告指出，全球的光伏产能将从2001年的13亿瓦特增长到2008年的152亿瓦特。欧洲光伏工业协会和绿色和平组织联合撰写的研究预测，如果投资和效率继续以目前的速度增长或者提高，到2030年，光伏系统将提供2600太瓦特/小时的电能，占全球所需电量的14%。

    上述报告指出，到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。

    各国都在争先恐后地将光伏发展列入国家的发展规划中：美国、欧洲和日本到2010年规划的光伏安装量分别为50亿瓦、100亿瓦和80亿瓦；到2020年的规划分别为360亿瓦、410亿瓦和300亿瓦。

    在2008年，西班牙的总发电能力达到226.3兆瓦，今年1月份，西班牙超越其他国家成为安装光伏设备最多的国家。

    而且，越来越多的个人开始安装光伏设备；光伏发电厂如雨后春笋般冒出，以“润物细无声”的姿势改变了光伏市场的格局，速度之快可以用“城头变幻大王旗”来形容。

    从各国经验来看，政府的财政激励政策是启动光伏市场的主要动力。这些政策通常以投资补贴的方式进行，这种补贴将一部分安装成本返还给个人或者发电厂；激励政策还包括当地电力事业单位以收购电价税率的形式从光电生产商那里购买光电。

    2004年，德国政府最先出台上网电价法，实施购电补偿，根据不同的太阳能发电形式，给予为期20年不同等级的补贴，几年后超过日本成为世界最大的光伏市场。

    随后，西班牙、法国、意大利、希腊等国纷纷效仿，日本、韩国和美国的部分州也相继开放了市场。中国已通过《可再生能源法》，并规定了“上网电价”和“全网平摊”的法规条款。

    硅短缺制约光伏市场的发展

    然而，当这一技术落到地面时，其发展却有点缓慢。光伏市场的回报与投资不相匹配，其他资源比如煤、水利或者核能发电现在还是便宜很多。除此之外，原材料硅短缺成为制约光伏技术和市场发展的瓶颈。

    作为整条产业链的核心，太阳能电池目前主要分为单晶硅、多晶硅及以非晶硅为代表的薄膜技术三种。

    标准的光伏组件由单晶和多晶硅制成。制作一个组件的成本中，50%的成本在于经过加工了的硅片的成本。1980年，美国麻省理工学院的伊曼纽尔·萨克斯发明了成串带状晶体生长技术(美国4661200号专利)，这个工艺使生产连续的薄条多晶硅片成为可能，消除了之前切割硅棒造成的浪费和巨大费用，生产成本的降低使更广泛应用太阳能技术变得更加切实可行，太阳能电池板行业从此开始高歌猛进。

    单晶硅技术工艺成熟，实验室转换效率最高为25%，商业化转换效率为15%至18%，但成本较高；多晶硅技术成本较低，但转换效率不如单晶硅，实验室转换效率最高为21%，商业化转换效率为13%至16%。

    而且，晶体硅的生产是能源密集型，使光伏产业依赖于昂贵而稀缺的原材料硅，导致光伏太阳能产业同微电子产业竞争。

    目前，全球只有12家工厂生产光伏级别的多晶硅，当微处理器和光伏市场都繁荣发达时，硅价就会飙升。比如，2004年，因为电子行业的需求相当旺盛，硅的成本大幅上涨。因此，科学家在继续进行硅研究的同时，也开始着手寻找替代原材料的研究。

    能效提升初露端倪

    固态物理学表明，硅并非光电转换的理想材料。外太空应用方面使用的技术都是最先进的，使用的也是最纯净的、高性能的硅，其光电转换效能约为30%。但市场上绝大部分光伏组件的平均转换效能为12%至18%，改进转换效率是业内的头等大事。

    最近，能效转换取得的进步依靠集中太阳光线，这同放大镜集中光线来点火有异曲同工之处，它需要配备30厘米厚的透镜的笨重装置。研究人员使用革新的薄膜技术，可以在打破能效转换记录的同时，制造比以往更加轻便的太阳能电池。他们的目的是找出太阳能电池的理想结构，更好地降低成本、缩小尺寸、方便大批量生产。

    2007年，美国特拉华大学领导的联合研究机构进行了一个项目，旨在为新的高效的晶体硅太阳能电池研发技术基础，经过21个月的刻苦攻关，该研究团队获得了42.8%的能效转换记录。他们独特的太阳能电池结构将光学设计整合进入太阳能电池，研制出了一种很容易安装在笔记本电脑上的便携小设备，该研究团队的目标是，到2010年突破50%的能效转换记录。

    随着多晶硅产能的不断增长，目前供不应求的状况会得到缓解，预计到2010年前后，太阳能面板的价格将降至目前的1/3，这将缩小和传统能源价格方面的差距，从而进一步增强产业的竞争力。

    新材料技术前景广阔

    最近，科学家除了在利用硅制造太阳能电池方面取得新突破之外，也在使用非硅物质，比如半导体和有机化学化合物替代硅方面取得了一定的突破。使用其他物质而不是硅能够降低成本，因为其生产过程简单而廉价，并且也不会同其他使用硅的工业“势如水火”。然而，还需要对这些替代物质进行进一步的研究，看其能效是否优异于硅。这些研究正在快速发展中。

    “薄膜光伏”无疑是备受追捧的技术之一，与硅基太阳能电池相比，薄膜太阳能电池用材少、成本低，尽管其转换效率也相对较低，但其安装方便的优势可能可以开辟出另一片市场。

    另外，薄膜太阳能电池既可安装在屋顶，也可安装在建筑物的侧墙或窗户上，将来甚至可能印刷或装订在柔软的书脊或衣服上，丰田汽车目前正在试验将薄膜太阳能电池运用在其混合动力车如普瑞斯(Prius)上的技术。欧洲能源协会预测，到2010年，薄膜太阳能电池将占据光伏市场20%的份额。

    目前，市场上的太阳能新技术出现了单晶硅、多晶硅、薄膜太阳能电池几足鼎立的格局，薄膜已经占据了光伏市场的7%到10%。据总部位于美国马萨诸塞州的“普罗米修斯可持续发展研究所”预测，到2012年，非硅薄膜应用将占据40%的市场份额。

    世界知识产权组织6月份的报告指出，瑞士洛桑联邦工学院参与的“薄膜光伏”联合研究机构旨在提高非硅薄膜太阳能电池的效率，他们特别关注铜铟硒化镓(CIGS)、有机的以及染料敏化太阳能电池的能效。2006年，该项目开始时，CIGS薄膜太阳能电池的转化效率大约为11%。研究人员使用CIGS和染料敏化光伏技术，在实验室中将“薄膜光伏”的转换效率提高到了15%。该联合研究机构认为，转换效率还有进一步提高的潜力。

    2008年3月，“美国能源部国家可再生能源实验室”打破了“薄膜光伏”的记录，其研制的CIGS薄膜太阳能电池的转换效率达到19.9%。这使薄膜技术的效能同晶体硅并驾齐驱。可再生能源实验室宣称，在生产过程中使用了品质优异的材料，因此提升了输出功率。该实验室对CIGS电池的发展前景满怀信心。因为这种电池很轻，它可上天入地，既可应用于太空，也可用于便携电子产品市场。这种电池还适合特殊的建筑应用，比如光伏屋瓦和光伏窗户等。

    《世界知识产权组织》杂志6月份的报道指出，与传统的光伏技术相反，染料敏化太阳能电池将吸收阳光的任务同电荷载体输送的任务分开。在染料敏化太阳能电池中，吸光染料因光伏作用产生的电子被传输到运输电荷的半导体材料薄层。这一技术可以生产出可直接涂在钢板上的染料敏化太阳能电池涂料，英国的一个研究团队正在着手进行相关的研发活动，有望于2011年投放市场。

    目前，美国更多地专注于不同的薄膜技术；而欧洲和亚洲则更青睐单晶和多晶硅太阳能电池。随着研究不断深入，太阳能电池的能效将进一步提高，越来越多前景广阔的其他非硅技术将涌入市场。正如WIPO(世界知识产权组织)在即将公布的替代能源技术研究中所揭示的：在过去的20年中，主要的工业产权机构收到的太阳能发明方面的专利申请数量增加了近两倍。

    光伏产业或成为经济发展新引擎

    金融危机放慢了光伏市场的发展速度，但不会使市场停滞不前。由于技术的改进和新的突破性发明，太阳能领域的PCT专利越来越多，这是太阳能领域快速发展的证据。

    美国奥巴马政府提出的7000亿美元经济刺激计划中，把发展太阳能光伏产业作为摆脱经济衰退、创造就业机会、抢占未来发展制高点的重要国家战略。

    而在中国，根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，中国力争使太阳能发电装机容量达到18亿瓦，到2050年将达到6000亿瓦。预计到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%。预计2030年之前，中国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。

    纵观近现代历史，大萧条中孕育着蓬勃的新技术和新观念，推动着人类发展这个列车不断向前进，在本世纪，光伏技术基于其技术先进性、资源无限性和绿色环保性等特征，无疑是下轮产业技术革命的核心，或许也是带领经济走出泥潭的火车头。