21世紀(jì)我國太陽能利用發(fā)展趨勢

21世紀(jì)我國太陽能利用發(fā)展趨勢引言近30年來，太陽能利用技術(shù)在研究開發(fā)、商業(yè)化生產(chǎn)、市場開拓方面都獲得了長足發(fā)展，成為世界快速、穩(wěn)定發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。包括太陽能在內(nèi)的可再生能源在下世紀(jì)將會(huì)以前所未有的速度發(fā)展，逐步成為人類的基礎(chǔ)能源之一。據(jù)預(yù)測，到下世紀(jì)中葉，可在生能源在世界能源結(jié)構(gòu)中將占到50%以上，1.資源太陽內(nèi)部進(jìn)行著劇烈的由氫聚變成氦的核反應(yīng)，并不斷向宇宙空間輻射出巨大能量。太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)足以維持6×1010年，相對于人類歷史的有限年代而言，可以說是“取之不盡、用之不竭”的能源。地面上的太陽輻射能隨著時(shí)間、地理緯度、氣候變化，實(shí)際可利用量較低，但可利用資源仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滿足現(xiàn)在人類全部能耗及2100年后規(guī)劃的能源利用量。地球上太陽能資源一般以全年總輻射量[kJ/（m2·a）]和全年日照總時(shí)數(shù)表示。就全球而言，美國西南部、非洲、澳大利亞、中國西藏、中東等地區(qū)的全年總輻射量或日照總時(shí)數(shù)最大，為世界太陽能資源最豐富地區(qū)。我國陸地面積每年接收的太陽輻射總量在3.3×103~8.4×106kJ/(m2·a)之間,相當(dāng)于2.4×104億t標(biāo)準(zhǔn)煤,屬太陽能資源豐富的國家之一。全國總面積2/3以上地區(qū)年日照時(shí)數(shù)大于2000h，日照在5×106kJ/(m2·a)以上。我國西藏、青海、新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古高原的總輻射量和日照時(shí)數(shù)均為全國最高，屬太陽能資源豐富地區(qū)；除四川盆地、貴州資源稍差外，東部、南部及東北等其它地區(qū)為資源較富和中等區(qū)。2.國外發(fā)展概況和趨勢2.1太陽能光伏發(fā)電世界光伏組件在過去15年平均年增長率約15%。90年代后期，發(fā)展更加迅速，最近3年平均年增長率超過30%。1999年光伏組件生產(chǎn)達(dá)到200MW。在產(chǎn)業(yè)方面，各國一直通過擴(kuò)大規(guī)模、提高自動(dòng)化程度、改進(jìn)技術(shù)水平、開拓市場等措施降低成本，并取得了巨大進(jìn)展。商品化電池效率從10%~13%提高到13%~15%，生產(chǎn)規(guī)模從1~5MW/年發(fā)展到5~25MW/年，并正在向50MW甚至100MW擴(kuò)大；光伏組件的生產(chǎn)成本降到3美元/W以下。發(fā)展中國家印度處于領(lǐng)先地位，目前有50多家公司從事與光伏發(fā)電技術(shù)有關(guān)的制造業(yè)，其中有6個(gè)太陽電池制造廠和12個(gè)組件生產(chǎn)廠，年生產(chǎn)組件11MW，累計(jì)裝機(jī)容量約40MW。在研究開發(fā)方面，單晶硅電池效率已達(dá)24.7%,多晶硅電池效率突破19.8%。非晶硅薄膜電池通過雙結(jié)、三結(jié)迭層和Ge�Si合金層技術(shù)，在克服光衰減和提高效率上不斷有新的突破，實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定效率已經(jīng)突破15%。碲化鎘電池效率達(dá)到15.8%，銅銦硒電池效率18.8%。晶硅薄膜電池的研究工作自1987年以來發(fā)展迅速，成為世界關(guān)注的新熱點(diǎn)。21世紀(jì)世界光伏發(fā)電的發(fā)展將具有以下特點(diǎn)：（1）產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)以高增長速率發(fā)展。多年來光伏產(chǎn)業(yè)一直是世界增長速度最高和最穩(wěn)定的領(lǐng)域之一，預(yù)測今后10a光伏組件的生產(chǎn)將以20%~30%甚至更高的遞增速度發(fā)展。光伏發(fā)電的未來前景已補(bǔ)愈來愈多的國家政府和金融界（如世界銀行）所認(rèn)識。許多發(fā)達(dá)國家和地區(qū)紛紛制定光伏發(fā)展規(guī)劃，如到2010年，美國計(jì)劃累計(jì)安裝4.6GW(含百萬屋頂計(jì)劃)；歐盟計(jì)劃累計(jì)安裝6.7GW(可再生能源白皮書),其中3.7GW安裝在歐洲內(nèi)部,3GW出口;日本計(jì)劃累計(jì)安裝5GW(NEDO日本新陽光計(jì)劃);預(yù)計(jì)其它發(fā)展中國家1.8GW(估計(jì)約10%),預(yù)計(jì)世界總累計(jì)安裝18GW.到下世紀(jì)中頁,光伏發(fā)電成為人類的基礎(chǔ)能源之一。(2)太陽電池組件成本將大幅度降低。光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝成本每年以9%速率降低。1996年平均安裝成本約7美元/W，預(yù)計(jì)2005年可降到3美元/W，相當(dāng)于光伏發(fā)電成本0.11美元/(kW·h)，2010年發(fā)電成本將降到6美分/(kW·h)。降低成本可通過擴(kuò)大規(guī)模、提高自動(dòng)化程度和技術(shù)水平、提高電池效率等技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)。歐洲就擴(kuò)大水平、提高電池效率等技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)。歐洲就擴(kuò)大規(guī)模對降低成本的影響進(jìn)行了可行性研究[5]，結(jié)果表明，年產(chǎn)500MW的規(guī)模，采用現(xiàn)有幾種晶硅電池生產(chǎn)技術(shù)，可使光伏組件成本降低到0.71~1.78歐元/W。如果加上技術(shù)改進(jìn)和提高電池效率等措施，組件平均成本可降低到1美元/W以下，發(fā)電成本約為6美分/(kW·h)?？紤]到下世紀(jì)薄膜電池技術(shù)會(huì)有重大突破，其降低成本的潛力更大。因此下世紀(jì)太陽電池組件成本大幅度降低是必然趨勢。（3）光伏產(chǎn)業(yè)向百兆瓦級規(guī)模和更高技術(shù)水平發(fā)展。目前光伏組件的生產(chǎn)規(guī)模在5~20MW/年。殼牌公司在德國建立的年產(chǎn)25MW多多晶硅組件生產(chǎn)廠于今年4月份開工。許多公司在計(jì)劃擴(kuò)建和新建年產(chǎn)50~100MW級光伏組件生產(chǎn)廠。同時(shí)自動(dòng)化程度、技術(shù)水平也將大大提高，電池效率將由現(xiàn)在的水平（單晶硅13%~15%，多晶硅11%~13%）向更高水平（單晶硅18%~20%，多晶硅16%~18%）發(fā)展。（4）薄膜電池技術(shù)將獲得突破。薄膜電池具有大幅度降低成本的潛力，世界許多國家都在大力研究開發(fā)薄膜電池。下世紀(jì)薄膜電池技術(shù)將獲得重大突破，規(guī)模會(huì)向百兆瓦級以上發(fā)展，成本會(huì)大幅度降低，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電與常規(guī)發(fā)電相競爭的目標(biāo)，從而成為可替代能源。（5）太陽能光伏建筑集成及并網(wǎng)發(fā)電的快速發(fā)展。建筑光伏集成具有多功能和可持續(xù)發(fā)展的特征，建筑物的外殼能為光伏系統(tǒng)提供足夠的面積，不需要占用昂貴的土地，省去光伏系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)；光伏陣列可以替常規(guī)墻包覆裝修成本與光伏組件成本相當(dāng)；光伏系統(tǒng)的安裝可集成到建筑施工過程，降低施工成本；在用電地點(diǎn)發(fā)電，避免傳輸和分電損失（5%~10%），降低了電力傳輸、分配投資和維修成本；集成設(shè)計(jì)使建筑更加潔凈、完美，使人賞心悅目，容易被專業(yè)建筑師、用戶和公眾接受。太陽能光伏系統(tǒng)和建筑的完美結(jié)合體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的理想范例，國際社會(huì)十分重視。許多國相繼制定了本國的屋頂計(jì)劃，使得建筑光伏集成技術(shù)如旭日東升，蓬勃發(fā)展。1997年6月美國宣布了“克林頓總統(tǒng)百萬屋頂光伏計(jì)劃”，2010年完成；歐洲于大致相同的時(shí)間宣布了百萬屋頂計(jì)劃，于2010年完成；日本政府在21997財(cái)政年度計(jì)劃安裝9400套4kW的屋頂系統(tǒng)，總計(jì)37MW。日本政府的計(jì)劃目標(biāo)是，到2010年安裝5000MW屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)。德國聯(lián)合政府在歐洲百萬屋頂?shù)目蚣芟掠?998年10月份提出一個(gè)光伏工業(yè)20年來最龐大的計(jì)劃即在6a內(nèi)安裝10萬套光伏屋頂系統(tǒng)，總?cè)萘吭?00~500MW，總費(fèi)用約9.18億馬克。該計(jì)劃于1999年1月實(shí)施，在德國引起很大反響，對德國的PV工業(yè)將產(chǎn)生不可估量的影響。光伏系統(tǒng)和建筑結(jié)合將使太陽能光伏發(fā)電向替代能源過渡，成為世界能源結(jié)構(gòu)組成的重要部分。2.2太陽能熱利用2.2．1太陽能熱水器熱水器是太陽能熱利用中商業(yè)化程度最高、應(yīng)用最普遍的技術(shù)。1998年世界太陽能熱水器的總保有量約5400萬m2。塞浦路斯和以色列人均使用太陽能熱水器面積居世界首位，分別為1m2/人。日本和以色列太陽能熱水器戶用比例分另為20%和80%。21世紀(jì)熱水器將仍然是太陽能熱利用的最主要市場之一。目前雖然許多國家都得到了較普遍應(yīng)用，但世界太陽能熱水器的平均用戶比例還非常低，約1%~2%，同日本的20%和以色列的80%相比，相差很遠(yuǎn)；此外，服務(wù)業(yè)、旅游業(yè)、公共福利事業(yè)等中低溫?zé)崴畱?yīng)用市場也非常大。1997年世界太陽能熱水器的市場約7億美元。2015年世界人口約70億，如果熱水器用戶比例達(dá)到20%（日本今天的水平），社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益將非常顯著。2.2．2太陽能建筑發(fā)展很迅速。80年代國際能源組織（IEA）組織15個(gè)國家的專家對太陽能建筑技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，歐美發(fā)達(dá)國家紛紛建造綜合利用太陽能示范建筑。試驗(yàn)表明，太陽能建筑節(jié)能率大約75%左右，已成為最有發(fā)展前景的領(lǐng)域之一。建筑能耗占世界總能耗的1/3，其中空調(diào)和供熱能耗占有相當(dāng)大的比例，是太陽能熱利用的重要市場。太陽能建筑的發(fā)展不僅要求建筑師和太陽能專家互相密切合作，而且要求在概念、技術(shù)上相互融合、滲透、集成一體，形成新的建筑概念和設(shè)計(jì)。目前太陽能建筑集成已成為國際上不僅要求有高性能的太陽能部件，同時(shí)要求高效的功能材料和專用部件，如隔熱材料、透光材料、儲(chǔ)能材料、智能窗（變色玻璃）、透明隔熱材料等，這些都是未來技術(shù)開發(fā)的內(nèi)容。2.2．3太陽能熱發(fā)電目前熱發(fā)電系統(tǒng)主要有3種類型：槽式線聚焦系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)。槽式系統(tǒng)是利用拋物柱面槽式反射鏡將陽光聚焦到管狀的接收器上，并將管內(nèi)偉傳熱工質(zhì)加熱產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)常規(guī)汽輪機(jī)發(fā)電；塔式系統(tǒng)是利用獨(dú)立跟蹤太陽的定日鏡，將陽光聚焦到一個(gè)固定在塔頂部的接收器上，以產(chǎn)生很高的溫度；碟式系統(tǒng)是由許多鏡子組成的拋物面反射鏡，接收器在拋物面的焦點(diǎn)上，接收器內(nèi)的傳熱工質(zhì)被加熱到750℃左右，驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電。以色列魯茲（Luz）公司1985年起先后在美國加州的Mojave沙漠是建成9個(gè)槽式發(fā)電裝置，總?cè)萘?54MW。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，系統(tǒng)效率由起初的11.5%提高到13.65,發(fā)電成本由26.3%美分/(kW·h)降低到12美分/(kW·h)。但近幾年來這種系統(tǒng)沒有擴(kuò)大和推廣，可認(rèn)為只是一種大型的商業(yè)化示范系統(tǒng)。其它2種處在研究開發(fā)和示范階段，其中由于碟式系統(tǒng)光學(xué)效率高、啟動(dòng)損失小及效率高達(dá)295，在3類系統(tǒng)中位居首位。太陽能熱發(fā)電技術(shù)同其它太陽能技術(shù)一樣，在不斷完善和發(fā)展，但其它太陽能技術(shù)一樣，在不斷完善和發(fā)展，但其商業(yè)化程度還未達(dá)到熱水器和光伏發(fā)電的水平。太陽能熱發(fā)電正處在商業(yè)化前夕，預(yù)計(jì)2020年前，太陽能熱發(fā)電將在發(fā)達(dá)國家實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并逐步向發(fā)展中國家擴(kuò)展。3.我國太陽能利用概況和21世紀(jì)發(fā)展思考3.1光伏發(fā)電我國太陽池的研究始于1958年,1959年研制成功第1個(gè)有實(shí)用價(jià)值的太陽電池。1971年3月首次成功地應(yīng)用于我國第2顆衛(wèi)星上，1973年太陽電池開始在地面應(yīng)用，1979年開始生產(chǎn)單晶硅太陽電池。80年代中后期，引進(jìn)國外太陽電池生產(chǎn)線或關(guān)鍵設(shè)備，初步形成生產(chǎn)能力達(dá)到4.5MW太陽能光伏產(chǎn)業(yè)。其中單晶硅電池2.5MW,非晶硅電池2MW,工業(yè)組件的轉(zhuǎn)換效率單晶硅電池為11%~13%,非常硅電池為5%~6%。我國光伏組件生產(chǎn)逐年增加，成本不斷降低，市場不斷擴(kuò)大，裝機(jī)容量逐年增加，1999年底累計(jì)約15MW。應(yīng)用領(lǐng)域包括農(nóng)村電氣化、交通、通信、石油、氣象、國防等。特別是光伏電源系統(tǒng)解決了許多農(nóng)村學(xué)校、醫(yī)療所、家庭照明、電視等用電，對發(fā)展邊遠(yuǎn)貧困地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和文化發(fā)揮了十分重要的作用。西藏有7個(gè)無電縣城采用光伏電站供電，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。在研究開發(fā)方面，開展了單晶硅、多晶硅電池研究及非晶硅、碲化鎘、硒銅等薄膜電池研究，同時(shí)還開展了澆鑄多晶硅、銀/鋁漿、EVA等材料研究，并取得可喜成果，其中刻槽埋柵電池效率達(dá)到國際水平。20年來我國光伏產(chǎn)業(yè)已形成了較好基礎(chǔ)，但在總體水平上我國同國外相比還有很大差距，表現(xiàn)為：（1）生產(chǎn)規(guī)模小。我國太陽電池制造廠的生產(chǎn)能力約為0.5~1MW/a，比國外生產(chǎn)規(guī)模低一個(gè)多數(shù)量級。（2）技術(shù)水平較低。電池效率、封裝水平同國外存在一定差距。（3）專用原材料國產(chǎn)化經(jīng)過“八五”攻關(guān)取得一定成果，但性能有待能有待進(jìn)一步改進(jìn)，部分材料仍采用進(jìn)口品。（4）成本高。目前我國電池組件成本約30元/W，平均售價(jià)42元/W，成本和售價(jià)都高于國外產(chǎn)品。（5）市場培育和發(fā)展遲緩，缺乏市場培育和開拓的支持政策、法規(guī)、措施。21世紀(jì)我國光伏發(fā)電的發(fā)展可考慮2種模式，即年增長率約15%的常規(guī)模式和在政策法規(guī)驅(qū)動(dòng)下年增長率約25%的快速模式。根據(jù)光伏工業(yè)自身的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)量和規(guī)模每增加1倍，成本下降約20%，而價(jià)格通常比成本高30%；發(fā)電成本考慮了總系統(tǒng)價(jià)格、經(jīng)濟(jì)壽命（折舊期）、利率、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用、保險(xiǎn)費(fèi)等因素。按照這種估算，2010年我國光伏組件年生產(chǎn)量將分別達(dá)到11MW和27MW，發(fā)電成本分別為1.14和0。96元，裝機(jī)容量分別達(dá)到80MW和140MW。2030年光伏組件年生產(chǎn)量分別達(dá)到175MW和2320MW，發(fā)電成本分別為0.57和0.28元,總裝機(jī)容量分別達(dá)到1700MW和11700MW。光伏技術(shù)的發(fā)電成本在2020年估計(jì)在0.5~1.0元/(kW·h)范圍,在相當(dāng)大的市場上開始具有競爭力;在2030年左右,則在幾乎整個(gè)電力市場上都具有競爭力;聯(lián)合國專家組針對世界光伏技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作了更詳細(xì)的分析和預(yù)測[9],結(jié)果更為樂觀:2005~2015年發(fā)電成本在0.045~0.091美元/(kW·h)之間,在相當(dāng)大的市場上開始具有競爭力;2015年后,發(fā)電成本低于0.045美元/(kW·h),則在幾乎整個(gè)電力市場上都具有競爭力。3.2太陽能熱利用技術(shù)3.2.1熱水器太陽能熱水器是我國太陽能利用中應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最迅速的領(lǐng)域，1979~1998年期間平均年增長率35%。1987通過引進(jìn)銅鋁復(fù)合吸熱板技術(shù)并與我國自選研制成功的鋁陽極化選擇性吸收涂層技術(shù)相結(jié)合，使我國太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)進(jìn)入現(xiàn)代化生產(chǎn)階段。80年代后期，我國先后研制成功全玻璃和熱管式真空管集熱器并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。1998年全國熱水器產(chǎn)量約400萬m2，總安裝量約1400萬m2，占世界第1位。我國目前太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)已處在商業(yè)化良性運(yùn)作時(shí)期，絕大部份熱水器企業(yè)都有良好的經(jīng)濟(jì)效益。目前我國有上千個(gè)熱水器生產(chǎn)廠家，年安裝量約1400萬m2，占世界第1位。但戶用比例僅3%，與日本和以色列等國家相比，差距很大。到2010年，我國人口約14億，熱水器戶用比例如果能達(dá)到10%，平均戶用面積也將有所增加，熱水器總安裝量將達(dá)到1億m2。亞太銀行專家對我國太陽能熱水器的利用給出估計(jì)：10%的住宅安裝太陽能熱水器（2m2/戶），熱水負(fù)荷的75%由太陽能供給，每年可節(jié)約310億kW·h電（相當(dāng)于1050萬t標(biāo)煤），相當(dāng)于減排3850萬tCO2，說明太陽能熱水器的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益非常好。3.2.2太陽能建筑我國70年代開始被動(dòng)太陽年采暖建筑的研究開發(fā)和示范,至今已抗議約1000萬m2(建筑面積)。目前被動(dòng)太陽房開始由群體建筑向住宅小區(qū)發(fā)展，如甘肅省臨夏市建成占地9.8hm2、建筑面積9.2萬m2的太陽能小區(qū)；蘭州“陽光計(jì)劃”投資4.28億在郊區(qū)興建73.3萬m2太陽能住宅小區(qū)等。我國被動(dòng)太陽房采暖節(jié)能60%~70%，平均每m2建筑面積每年可節(jié)約20~40kg標(biāo)準(zhǔn)煤，發(fā)揮著良好的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)社會(huì)效益，但在技術(shù)水平上同國外還有相當(dāng)大的差距。21世紀(jì)應(yīng)組織建筑師和太陽能專家聯(lián)合攻關(guān)，解決太陽能技術(shù)與建筑的集成技術(shù)，使太陽能采暖和熱水器真正納入建筑的集成技術(shù)，使太陽能采暖和熱水器真正納入建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，參照以色列作法，通過