1 前言
随着全球工业化的进程, 人类对能源需求在不断增长。回顾100 年间能源工业的发展历史, 可以清楚地看到, 整个能源工业的消耗主要以化石能源为主。人类正在消耗地球50 万年历史中积累的有限能源资源。煤和石油作为能源的载体, 极大地解放了生产力, 推动了全世界工业化的进程, 同时也向人类敲响了常规能源已面临枯竭的警钟。以化石能源为主体的能源结构, 对人类环境的破坏显而易见, 它是造成大气和其他类型环境污染与生态破坏的主要原因之一。
面对全球范围内的能源危机和环境压力,人们渴望用可再生能源来代替资源有限、污染环境的常规能源。研究和实践表明, 太阳能是资源最丰富的可再生能源, 它分布广泛, 可再生, 不污染环境, 是国际公认的理想替代能源。在长期能源战略中, 太阳能光伏发电将成为人类社会未来能源的基石,世界能源舞台的主角。它在太阳能热发电、风力发电、海洋发电、生物质能发电等许多可再生能源中具有更重要的地位。现在世界上许多国家都加大了对太阳能光伏发电技术的研究, 并制定了相关的政策鼓励太阳能产业的发展。近几年, 世界太阳能电池组件的年平均增长率为33 % , 光伏产业已成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。
2 全球的能源形势
据国际能源权威年鉴《BP 世界能源统计2005》6 月发布的数据显示, 2004 年世界一次能源消耗量为1. 02 ×1010 t 石油当量。到2005 年底, 世界石油可采量为45 年,天然气可采量为61 年,煤炭可采量为230 年。图1 为我国与世界主要常规能源储量预测图。
从图1 可以看出, 全球常规能源可开采量已屈指可数。中国的常规能源远远低于世界平均水平,约为世界总储量的10 %。从长远来看, 太阳能将是未来人类主要的能源来源, 可以无限期使用, 因此世界上许多发达国家和部分发展中国家都十分重视太阳能在未来能源供应中的重要作用。太阳能光伏发电与传统发电方式相比具有下列优点:
(1) 数量巨大。每年到达地球表面的太阳辐射能约为1. 8 ×1014 t 标准煤, 即约为目前全世界所消费的各种能量总和的1 ×104 倍。
(2) 清洁干净。太阳能安全卫生, 对环境无污染,不损害生态环境,是当之无愧的“清洁能源”。
(3) 获取方便。太阳能分布广泛,既不需开采和挖掘, 又不用运输, 对解决边远山区以及交通不便的乡村、海岛的能源供应具有很大的优越性。
(4) 时间长久。只要有太阳,就有太阳辐射能,因此是取之不尽,用之不竭的能源。
据权威机构预计, 2020 年光伏发电在世界电力生产中所占比例将达1 %左右, 2050 年约占25 %。可以断言, 光伏发电正在快速进入电力能源结构,并且将逐步成为其重要的组成部分。谁掌握了可再生能源和太阳能发电技术, 谁就掌握了未来发展的主动权。
3 太阳能光伏发电原理
太阳能光伏发电的原理主要是利用半导体的光生伏打效应。太阳能电池实际上是由若干个p- n 结构成。当太阳光照射到p- n 结时,一部分被反射,其余部分被p- n 结吸收, 被吸收的辐射能有一部分变成热, 另一部分以光子的形式与组成p- n 结的原子价电子碰撞,产生电子空穴对,在p- n 结势垒区内建电场的作用下, 将电子驱向n 区, 空穴驱向p 区, 从而使得n 区有过剩的电子,p 区有过剩的空穴。这样在p- n 结附近就形成与内建电场方向相反的光生电场。
光生电场除一部分抵消内建电场外,还使p 型层带正电,n 型层带负电,在n 区和p 区之间的薄层产生光生电动势, 这种现象称为光生伏打效应。若分别在p 型层和n 型层焊上金属引线, 接通负载, 在持续光照下,外电路就有电流通过,如此形成一个电池元件, 经过串并联, 就能产生一定的电压和电流,输出电能,从而实现光电转换。
4 太阳能光伏发电系统的运行方式
太阳能光伏发电系统的运行方式主要分为离网运行和联网运行两大类。
离网运行系统:未与公共电网相联接,又称为独立太阳能光伏发电系统。主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所, 如为公共电网难以覆盖的边远农村、海岛、通信中继站、边防哨所等场合提供电源。
联网运行系统:与公共电网相联接,共同承担供电任务。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段,成为电力工业组成部分之一的重要方向,也是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。联网太阳能光伏发电系统具有许多独特的优越性:
(1) 可以对电网调峰,提高电网末端的电压稳定性,改善电网的功率因数,有效地消除电网杂波。
(2) 所发电能回馈电网,以电网为储能装置, 省掉蓄电池。与独立太阳能光伏系统相比可减少建设投资35 %～45 % ,发电成本大大降低。
(3) 光伏电池与建筑完美结合,既可发电又可作为建筑材料和装饰材料,使资源充分利用,发挥多种功能。
(4) 出入电网灵活,既有利于改善电力系统的负荷平衡,又可降低线路损耗。
光伏电池与建筑相结合的联网屋顶太阳能光伏发电系统是众多发达国家竞相发展的热点, 发展迅速,市场广阔,前景诱人。联网太阳能光伏发电系统在我国还处于实验示范的起步阶段, 远远落后于美国、欧洲、日本等发达国家。1990 年德国首先开始实施由政府投资支持、被电力公司承认的“1000 屋顶计划”, 继而扩展为“2000 屋顶计划”, 又于1998 年提出“10 万屋顶计划”, 到2004 年底, 累计建设10万套,光伏组件总装机容量达300 MWp 。我国太阳能电池多数是用于独立光伏发电系统, 到2010 年以前这种现象不会有很大改变, 仍然是以独立发电系统为主。从2011 年到2020 年,中国光伏发电的市场将会由独立发电系统转向并网发电系统, 包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。
5 世界光伏发电现状
世界光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展, 光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。近几年, 世界光伏发电市场发展迅速。近10 年太阳能电池组件的年平均增长率为33 % , 近5 年的平均增长率为43 % ,2004 年比上一年增长61. 2 % , 光伏发电已成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。2004 年世界光伏电池/ 组件产量达到1 200 MW ,其中日本生产610 MW , 欧洲320 MW , 美国135 MW , 其他国家135 MW。2004 年世界光伏系统的总装机容量超过4GW。
现在世界实力大国都制定了雄心勃勃的光伏发电近期发展规划: 到2010 年日本计划累计装机容量将达到5 GWp , 欧盟3 GWp ( 其中德国2. 7 GWp) ,美国4. 7 GWp ,澳大利亚0. 75 GWp ,印度、中国等发展中国家估计为1. 5～2 GWp 。统计资料表明, 到2010 年, 世界光伏系统累计装机容量预计将达到14～16 GWp 。
6 中国光伏发电现状
中国光伏发电产业于20 世纪70 年代起步, 90年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。到2005年底,中国光伏电池总产量超过250 MW,光伏组件总产量超过400 MW。中国光伏发电市场的发展为: 90 年代初期, 光伏发电主要应用在通信和工业领域,包括微波中继站、卫星通信地面站、程控电话交换机、水闸和石油管道的阴极保护系统等。从1995年开始主要应用在特殊应用领域和边远地区, 逐步建立了较大型的光伏发电应用系统, 建成各种规模的县、乡、村级光伏电站40 多座,推广应用家用光伏电源系统约15 万套。2000年以后,中国的光伏技术已步入大规模并网发电阶段,开始建造100 kWp 级的光伏并网示范系统。
虽然我国光伏发电产业发展很快, 但与世界光伏产业的发展相比,国内的光伏产业还处于规模小、基础薄弱的阶段,应用市场不够稳定,同时还缺乏长期稳定的激励政策和长效发展机制; 太阳能光伏发电并网应用还不多; 光伏系统和相关部件的产品质量和技术水平还有待进一步提高; 光伏发电成本还需不断降低。在2004 年10 月中国可再生能源发展项目办公室所作《中国光伏产业研究报告》中, 对国内太阳级多晶硅的描述是“我国光伏专用太阳级硅材料的研制和生产是空白”。在系统工程方面,由于受到技术、经济等多种因素的制约,许多具有市场潜力的应用领域,如大型( > 1 000 kWp) 光伏或风- 光- 柴互补电站系统、光伏海水淡化系统、太阳能水泵滴灌工程、太阳能电动车、光伏制氧系统以及较大规模的光伏并网发电等都还没有真正发展起来。因此, 我国的太阳能光伏产业还有大量工作亟待完成。
7 展望与建议
近几年随着国家经济的迅猛发展, 全国出现电力供应严重不足的现象。按照目前的经济发展趋势和中国的资源情况, 预测2010 年～2020 年的电力供应单靠传统的煤电、水电、核电是不够的, 仍然存在一定的缺口, 这就需要由可再生能源发电来填补。
光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色, 预计到2010 年中国的光伏发电累计装机容量将达到600 MWp , 2020 年累计装机容量将达到30 GWp , 2050 年将达到100 GWp。根据电力科学院的预测, 到2050 年中国可再生能源发电将占到全国总电力装机的25% , 其中光伏发电将占5%。
我国的太阳能光伏产业既面临着严峻的挑战又面临着发展的机遇。为使我国的光伏产品在世界的市场上有竞争性, 就需要政府制定强有力的法规和政策来支持。政府可以从以下几方面来激励、整合、发展我国的光伏产业:
(1) 联合相关部委制定我国光伏产业完整的科研、生产、应用和推广计划；
(2) 考虑设立太阳能专项资金制度和多种形式的补贴政策。比如对投资直接补贴、提供贴息性贷款、根据光伏发电和可再生能源产品产量进行直接补贴等；
(3) 加强生产企业和科研机构与国际间的合作,积极引进国外科研新技术；
(4) 加大对光伏产业科研的投入, 拓展光伏技术的应用领域, 开发出具有我国自主知识产权的光伏技术和新产品；
(5) 加大光伏发电的并网应用工程, 从发展户用系统逐步过渡到发展并网应用系统；
(6) 光伏发电逐步取代部分常规能源要有一定的比例要求。(end)
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