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10世界太陽能開發利用現狀_太陽能開發利用技術及其產業化的現狀與發展趨勢

發布時間:2016年1月5日

人類利用太陽能已有幾千年的歷史,但發展一直很緩慢,現代意義上的開發利用只是近半個世紀的事情。1954年美國貝爾實驗室研制出世界上第一塊太陽電池,從此揭開了太陽能開發 利用的新篇章。之后,太陽能開發利用技術發展很快,特別是70年代爆發的世界性的石油危機有力地促進了太陽能開發利用。經過近半個世紀的努力,太陽能光熱利用技術及其產業異 軍突起,成為能源工業的一支生力軍。迄今為止,太陽能的應用領域非常廣泛,但最終可歸結為太陽能熱利用和光利用兩個方面。

2.1太陽能熱利用及其產業發展
根據可持續發展戰略,太陽能熱利用在替代高含碳燃料的能源生產和終端利用中大有用武之地。太陽能熱利用具有廣闊的應用領域,可歸納為太陽能熱發電(能源產出 )和建筑用能(終端直接用能),包括采暖、空調和熱水。當前太陽能熱利用最活躍、并已形 成產業的當屬太陽能熱水器和太陽能熱發電。
2.1.1太陽能熱水器
在世界范圍內,太陽能熱水器技術已很成熟,并已形成行業,正在以優良的性能不斷地沖擊電熱水器市場和燃氣熱水器市場。國外的太陽能熱水器發展很早,但80年代的石油降價,加 之取消對新能源減免稅優惠的政策導向,使工業發達國家太陽能熱水器總銷售量徘徊在幾十萬平方米。據報道,1992年國外太陽能熱水器總量為45萬m2,其中日本為20萬m2,美國為12萬m2,歐洲為8萬m2,其他國家為5萬m2。世界環境發展大會之后,許多國家又開 始重視太陽能熱水器在節約常規能源和減少排放CO2方面的潛力,僅據美國加州首府薩克門托市的計劃,到2000年太陽能熱水器將取代該州47000套家用電熱水器;到2000年日本太 陽能熱水器的擁有量將翻一番;以色列更是明文規定,所有新建房屋必須配備太陽能熱水器。目前,我國是世界上太陽能熱水器生產量和銷售量最大的國家。1992年銷售量為50萬m2 ,為世界其他各國銷售量之和;1995年銷售量翻番,達100萬m2。據初步統計,1997年我國太陽能熱水器銷售量300萬m2,目前,我國從事太陽能熱水器研制、生產、銷售和安裝的企業達到1000余家,年產值20億元,從業人數1.5萬人能源工程,1999 ,(1):59。但從房屋的熱水器安裝率來說,以色列已達80%,日本為11%,臺 灣達2.7%.〔6〕.,我國在千分之幾左右,其太陽能熱水器的推廣應用潛力仍很大。國際上,太陽能熱水器產品經歷了悶曬式、平板式、全玻璃真空管式的發展,目前其產品的發展方向仍注重提高集熱器的效率,如將透明隔熱材料應用于集熱器的蓋板與吸熱間的隔層,以減少熱量損失;聚脂薄膜的透明蜂窩已在德國和以色列批量生產。
隨著世界范圍內的環境意識和節能意識的普遍提高,太陽能熱水器必將逐步替代電熱水器和燃氣熱水器。雖然太陽能熱水器目前仍存在市場價格高、受季節和天氣影響的不利因素,但太陽能熱水器具有不耗能、安全性、無污染性等優勢,而且隨著技術的發展其經濟性也逐漸顯露出來。表1為三種熱水器的經濟指標比較結果.,從中可以看出,太陽能熱水器在經濟上已具有較強的競爭力。
 
 
1三種熱水器經濟指標對比

項目品種壽命(年)
使用天數 (天)
購置費用(元)
運行費用(元)
總投資(元)
備 注
太陽能熱水器
10~15
300*2300
250
2550
均以日
產水量電熱水器
5~8
300
1000
4500
550080kg
水溫40燃氣熱水器
6
300
5003
700420
0~60℃計算

*有關專家認為該數字應為250天左右。
2.1.2太陽能熱發電技術
80年代太陽能熱利用技術的最大突破是實現了太陽能熱發電的商業化。Luz國際公司在美國南加州自1984年至1991年共建造了9個柱形拋物槽鏡分散聚光系統的太陽能熱發電站,總功率為354MW,約占當地電網容量的2%。9座電站中最大的容量為80MW,約有900條 聚光槽組成。由于美國政府和州政府先后在1991年取消對太陽能電站的投資減免稅優惠政策,迫使第10號電站停建,公司宣告破產。另一頗具實力的Solel公司也在致力于太陽能熱發電,它于1992年接收了破產的Luz公司的技術,將開發市場瞄向澳大利亞、以色列和北美洲。Solel公司自稱具有建造300MW大型太陽能熱發電站的能力。該公司已開始在澳大利亞建造一座70MW的槽型太陽能熱發電裝置,并計劃在以色列建一座200MW的電站,同時正在洽談在北美洲和另兩洲建三座電站,每座200~300MW。Solel公司在澳大利亞的另一目標是2000年的悉尼奧運會,它和米爾斯公司將合建一個太陽能熱發電的聯合體,為奧運村旅館和運動會主會場提供10MW的電力。希臘政府1997年開始實施一項500MW的太陽能熱發電 項目,計劃于2003年完工,屆時將是世界上最大的太陽能電站。此外,它的阿莫科石油公司將在印度沙漠地區建造一座更大的太陽能熱電站。
目前,太陽能熱發電在技術上和經濟上可行的三種形式是:①30~80MW線聚焦拋物面槽式太陽熱發電技術(簡稱拋物面槽式);②30~200MW點聚焦中央接收式太陽熱發電技術(簡稱塔式 );③7.5~25kW的點聚焦拋物面盤式太陽能熱發電技術(簡稱拋物面盤式)。在上述三種技術中,拋物面槽式領先一步,美國加州的9座太陽熱發電站可以代表槽式熱發電技術的發展 現狀。塔式太陽熱發電技術也是集中供電的一種適用技術,目前只有美國巴斯托建的一座叫 “SolarⅡ”的電站,功率為43MW,該電站成功運行兩年后,兩家美國電力公司計劃建兩座100MW的電站。為了提高塔式電站的效率,有人提出了一種新想法, 把帶有太陽能塔的定日鏡陣列附加到先進聯合循環電站上作為燃料節省裝置,采用甲烷重整工藝,以太陽能提高天然氣等級。拋物面盤式太陽熱發電技術很適合于分散式發電,可以在偏遠地區用作獨立系統。作為太陽能供電的一種方式,太陽熱發電技術在經濟上是可行的,而且有較大的市場潛力。在美國加州的太陽熱發電站建造過程中,由于技術進步及容量的增大,電站的裝機造價和發電成本顯著下降,1984年Ⅰ號電站(14MW)造價為5979美元/kW,發電成本26.5美分/kWh;到1990年的Ⅷ號電站(80MW),造價降至3011美元/kW,發電成本降到 8.9美分/kWh。因此,拋物面槽式在太陽能豐富的地區,經濟上已能與燃油的火力電站競爭。我國西南電力設計院曾對西藏地區以引進Luz公司太陽能熱電站進行估算, 如果考慮設備的折舊和還貸,太陽能熱電站和火力發電站的發電成本均為1.1元/kWh,如果不考慮設備折舊,僅計入運行和維護費用,則太陽能電站的發電成本為0.1元/kWh,而火力 發電站的成本為0.8元/kWh。有人估算過13種太陽熱電站在不同日照射條件下的發電成本,結果表明,隨著年產電量的增加,主要是隨著機組容量的增大、日射強度的增高、部件和系統的進一步改進,發電成本顯著下降。進而對地中海國家的太陽 能熱發電應用進行過可行性研究,認為太陽能的熱利用在這一地區具有特殊重要性,具有巨大的市場潛力。一方面,地中海國家技術水平高、資金雄厚,且有很好的太陽熱發電示范和早期商業化基礎;另一方面,未來幾十年里,地中海國家能源需求量大,每年要新增5~6GW,加之該地區太陽能資源豐富,年輻射強度大于1700kWh/m\+2的面積達到700 萬km\+2,太陽熱可發電容量達1200GW,是目前全球電力需求的4倍。所有這一切形成了地中海地區廣闊的太陽能熱發電市場。
2.2太陽能光電技術及其產業
2.2.1太陽能光電已成為全球發展最快的能源
50年代第一塊實用的硅太陽電池的問世,揭開了光電技術的序幕,也揭開了人類利用太陽能 的新篇章。自60年代太陽電池進入空間、70年代進入地面應用以來,太陽能光電技術發展迅猛。世界觀察研究所在其最近一期研究報告中指出,利用太陽能獲取電力已成為全球發展最快的能量補給方式。報告說,1990年以來,全球太陽能光伏發電裝置的市場銷售量以年平均 16%的幅度遞增,目前總發電能力已達800MW,相當于20萬個美國家庭的年耗電量太陽能。
2.2.2提高轉換效率、降低成本是光電技術發展的關鍵
當前影響光電池大規模應用的主要障礙是它的制造成本太高。在眾多發電技術中,太陽能光電仍是花費最高的一種形式,因此,發展陽光發電技術的主要目標是通過改進現有的制造工藝,設計新的電池結構,開發新穎電池材料等方式降低制造成本,提高光電轉換效率。近年來,光伏工業呈現穩定發展的趨勢,發展的特點是:產量增加,轉換效率提高,成本降低,應用領域不斷擴大。目前,世界太陽電池年產量已超過150MW,是1944年產量的兩倍還多,如表2所示。單晶硅太陽電池的平均效率為15%,澳大利亞新南威爾士大學的實驗室效率已達24.4%;多晶硅太陽電池效率也達14%,實驗室最大效率為19.8%;非晶硅太陽電池的穩定效率,單結6~9%,實驗室最高效率為12%,多結電池為8~10%,實驗室最高效率為11.83 %.。由于 生產規模的擴大,生產工藝的改進,晶體硅太陽電池組件的制造成本已降至3~3.5美元/W p,售價也相應降到4~5美元/Wp;非晶硅太陽能電池單結售價3~4美元,多結售價為4~5 美元/Wp。與十年前相比,太陽光電池價格普遍降低20%。最近,瑞士聯邦工學院M·格雷策爾研制出一種二氧化鈦太陽能電池,其光電轉換率高達33%,并成功地采用了一種無定形有機材料代替電解液,從而使它的成本比一塊差不多大的玻璃貴不了多少,使用起來也更加簡便。可以預料,隨著技術的進步和市場的拓展,光電池成本及售價將會大幅下降。表4為地面用光伏組件成本/價格的預測結果,表5為美國 國家可再生能源實驗室對太陽電池成本與市場的關系所做的估計。對比表4、表5,可以看出,2010年以后,由于太陽能電池成本的下降,可望使光伏技術進入大規模發展時期。
2世界光電組件的產量及年增長率
年份1989199019911992199319941995199619971998
年產量(MW)42.047.054.058.261.070.781.090.612
3商品化光伏直流組件效率預測(%)
電池技術199019952000 2010
單晶硅12151822
澆鑄多晶硅11141620
帶狀硅12141721
聚光器(光電池)17202530
非晶硅(包括疊層電池)5~67~91014
CuInSe\-2-8~101214
CdTe-8~101214
低成本基片硅薄膜-8~101215
球粒電池-101214
4地面用太陽能電池組件成本/價格預測(美元)
電池種類\年份 1990/1995/2000/2010
單晶硅3.25/5.402.40/4.001.50/2.501.20/2.00
多晶硅3.00/5.002.25/3.751.50/2.501.20/2.00
聚光電池3.00/5.002.00/3.301.20/2.001.00/1.67
非晶硅3.00/5.002.00/3.331.20/2.000.75/1.25
薄膜硅2.00/3.331.20/2.000.75/1.25
CIS   2.00/3.331.20/2.000.75/1.25
CdTe 1.50/2.501.20/2.000.75/1.25
5太陽能電池成本與市場的關系
太陽能電池成本(美元/峰瓦)可進入的市場
6少量應用2~5通信、邊遠地區
1~2城市屋頂系統<1大規模發電
 22.3光伏新技術發展日新月異
近年來,圍繞光電池材料、轉換效率和穩定性等問題,光伏技術發展迅速,日新月異。晶體硅太陽能電池的研究重點是高效率單晶硅電池和低成本多晶硅電池。限制單晶硅太陽電池轉換效率的主要技術障礙有:①電池表面柵線遮光影響;②表面光反射損失;③光傳導損失; ④內部復合損失;⑤表面復合損失。針對這些問題,近年來開發了許多新技術,主要有:① 單雙層減反射膜;②激光刻槽埋藏柵線技術;③絨面技術;④背點接觸電極克服表面柵線遮光問題;⑤高效背反射器技術;⑥光吸收技術。隨著這些新技術的應用,發明了不少新的電池種類,極大地提高了太陽能電池的轉換效率,如澳大利亞新南威爾士大學的格林教授采用 激光刻槽埋藏柵線等新技術將高純化晶體硅太陽能電池的轉換效率提高到24.4%,他在1994 年5月表示能用純度低100倍的硅制成高效光電池,約在10年后采用該類電池的太陽能發電成 本可降至5~8美分/kWh.〔15〕.。光伏技術發展的另一特點是薄膜太陽能電池研究取得重大進展和各種新型太陽能電池的不斷涌現。晶體硅太陽能電池轉換效率雖高,但其成本難以大幅度下降,而薄膜太陽能電池在降低制造成本上有著非常廣闊的誘人前景。早在幾年前,澳大利亞科學家利用多層薄膜結構的低質硅材料已使太陽能電池成本驟降80%,為此, 澳大利亞政府投資6400萬美元支持這項研究,并希望10年內使該項技術商業化。
高效新型太陽能電池技術的發展是降低光電池成本的另一條切實可行的途徑,近年來,一些新型高效電池不斷問世。專家推斷,只要有一二種取得突破,就會使光電池局面得到極大的改觀。
(1)硒化銅銦(CuInSe\-2,CIS)薄膜太陽能電池.:1974年CIS電池在美國問世,1 993年美國國家可再生能源實驗室使它的本征轉換效率達16.7%,由于CIS太陽能電池具有成 本低(膜厚只有單晶硅的1/100)、可通過增大禁帶寬度提高轉換效率(理論值為單晶30%,多晶24%)、沒有光致衰降、抗放射性能好等優點,各國都在爭相研究開發,并積極探索大面積應用的批量生產技術。
(2)硅-硅串聯結構太陽能電池〔18〕:通過非晶硅與窄禁帶材料的層疊,是有效利用長波太陽光,提高非晶硅太陽能電池轉換效率的良好途徑。研究表明,把1.3ev和1.7ev光 學禁帶度組合起來的薄膜非晶硅與多晶硅串聯電池轉換效率最高。它具有成本低、耗能少、工序少、價廉高效等優點
(3)用化學束外延(CBE)技術生產的多結Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽能電池〔19〕:Ⅲ-Ⅴ族化合物(如GaAs,InP)具有較高的光電轉換效率,這些材料的多層匹配可將太陽能電池轉換效率提高到35%以上。而這種多層結構很容易用CBE法制作,并能以低于1美元/Wp的成本獲得超高效率。
(4)大面積光伏納米電池:1991年瑞士M.Grtzel博士領導的研究小組 ,用納米TiO\-2粉水溶液作涂料,和含有過渡族金屬有機物的多種染料及玻璃等材料制作出微晶顏料敏感太陽能電池,簡稱納米電池。計算表明,可制造出轉換效率至少為12%的低成本電池。這種電池為大面積應用于建筑物外表面提供了廣闊的前景。
2.2.4各國的光伏計劃雄心勃勃
隨著太陽能光電技術的日趨成熟和商業化發展,太陽能光電技術的推廣應用有了長足的進展。目前,已建成多座兆瓦級光伏電站,最大的是位于美國加州的光伏電站,容量為6.5MWp,現正在希臘克里特島建造的一座陽光電站,容量為50MW.p,估計2003年可建成供電,總投資1775萬美元新能源,1997,19(2):23。而在美國準備建造的另一座電站規模將達到100MW.p,已與太陽能熱發電站容量相匹敵。除此之外,一些國家推出的屋頂計劃將更引人注目,顯示了陽光發電的廣闊應用前景和強大的生命力。1990年,德國政府率先推出的“千頂計劃”,至1997年已完成近萬套屋頂光伏系統,每套容量1~5kW.p,累計安裝量已達33MW.p,遠遠地超出了當初制定的計劃規模。日本政府從1994年開始實施“朝日七年計劃”,計劃到2000年安裝16.2萬套屋頂系統,總容量達185MW.p,1997年又再次宣布實施“七萬屋頂計劃”,每套容量擴大到4kW.p,總容量為280MW.p。印度于1997年12 月宣布在2002年前推廣150萬套太陽能屋頂系統。意大利1998年開始實施“全國太陽能屋頂計劃”,總投入5500億里拉,總容量達50MW.p。而最雄心勃勃的屋頂計劃當屬1997年6月美國總統克林頓宣布實施的美國“百萬屋頂計劃”,計劃從1997年開始至2010年,將在百萬個屋頂上,安裝總容量達到3025MW.p的光伏系統,并使發電成本降到6美分/kWh。上述各國屋頂計劃的實施,將有力地促進太陽能光電的應用普及,使太陽能光電進入千家萬戶。
與此相呼應,當前世界上實力雄厚的10家光伏公司,雖然目前的生產能力都不大,但都有雄心勃勃的擴展計劃。各公司年產目標為:Kyocera公司和夏普公司60MW,BP太陽能公司50MW ,西門子公司和Solarex公司30MW,殼牌/Pilington公司和ASE公司25MW,Photo wott公司, AP公司和三洋/Solec公司15MW。據美國Spire公司預測,2003年世界光電池的生產能力將達 到350MW,而2010年的光電池組件交易量將達到700~4000MW/年。
光伏技術發展的趨勢,近期將以高效晶體硅電池為主,然后逐步過渡到薄膜太陽能電池和各種新型太陽能光電池的發展。應用上將從屋頂系統突破,逐步過渡到與建筑一體化的大型并網光伏電站的發展。
2.3太陽能光電制氫
70年代科學家發現:在陽光輻照下TiO2之類寬頻帶間隙半導體,可對水的電解提供所需能量,并析出O2和H2,從而在太陽能轉換領域產生了一門新興學科--光電化學。隨著光 電化學及光伏技術和各種半導體電極試驗的發展,使得太陽能制氫成為發展氫能產業的最佳選擇。
1995年,美國科學家利用光電化學轉換中半導體/電介質界面產生的隔柵電壓,通過固定兩個光粒子床的方法,來解決水的光催化分離問題取得成功〔22〕。其兩個光粒子床概念的光電化學水分解機制為:
H2的光反應4H2O+4M°→2H2+4OH-+4M+
O2的光反應4OH-+M+→O2+2H2O+4M°
凈結果為:2H2O→2H2+O2(其中M為氧化還原介質)
近來,美國國家可再生能源實驗室還推出了一種利用太陽能一次性分解成氫燃料的裝置。該裝置的太陽能轉換率為12.5%,效率比水的二步電解法提高一倍,制氫成本也只有電解法的 大約1/4。日本理工化學研究所以特殊半導體做電極,鉑對極,電解質為硝酸鉀,在太陽光照射下制得了氫,光能利用效率為15%左右。
在太陽能制氫產業方面,1990年德國建成一座500kW太陽能制氫示范廠,沙特阿拉伯已建成發電能力為350kW的太陽能制氫廠。印度于1995年推出了一項制氫計劃,投資4 800萬美元,在每年有300個晴天的塔爾沙漠中建造一座500kW太陽能電站制氫,用光伏-電解系統制得的氫,以金屬氧化物的形式貯存起來,保證運輸的安全新能源。自90年代以來,德、英、日、美等國已投資積極進行氫能汽車的開發。美 國佛羅里達太陽能中心研究太陽能制氫(SH)已達10年之久,最近用SH作為汽車燃料-壓縮天然氣的一種添加劑,使SH在高價值利用方面獲得成功,為氫燃料汽車的實用化提供了重要基礎。其他,在對重量十分敏感的航天、航空領域以及氫燃料電池和日常生活中 “貯氫水箱”的應用等方面氫能都將獲得特別青睞。

由于氫是一種高效率的含能體能源,它具有重量最輕、熱值高、“爆發力”強、來源廣、品質純凈、貯存便捷等許多優點,因此,隨著太陽能制氫技術的發展,用氫能取代碳氫化合物能源將是21世紀的一個重要發展趨勢。






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