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      太陽能技術將成為低碳社會的一個標簽已關閉評論

      太陽能技術將成為低碳社會的一個標簽

      來自太陽的綠色能源取之不盡,用之不竭,人類利用太陽能的步伐也在不斷加快。越來越多的研究成果降低了利用太陽能的成本,提高了利用效率,不斷給市場注入活力。處在萌芽階段的太陽能光伏技術方興未艾,或許可以成為帶領人類走出經濟危機、走向低碳生活的“火車頭”。

      光伏技術方興未艾

      太陽能是首屈一指的綠色能源,太陽能每秒鐘到達地面的能量高達80萬千瓦,假如把地球表面0.1%的太陽能轉為電能,轉變率5%,每年發電量可達5.6×1012千瓦小時,相當于全球能耗的40倍。

      太陽能光伏發電(PV)市場正蓬勃發展。光伏發電指利用太陽能電池組件將太陽光能直接轉化為電能。光伏發電具有轉化環節少、資源蘊含量取之不盡、能源質量高、建設周期短、發電方式接近零排放等優勢。

      但光伏技術也有其“硬傷”:首先,建太陽能發電廠需要大量土地。美國加利福尼亞計劃興建的550兆瓦太陽能設備將占地約25平方公里。其次,獲得能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關。另外,安裝成本也很貴,要收回成本,可能需要花費20多年。

      光伏發電產品主要用于三大方面:一是為無電場合提供電源;二是太陽能日用電子產品,如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草地燈具等;三是并網發電,這在發達國家已經大面積推廣實施。

      自2002年以來,太陽能光伏發電逐步成為增長最快的能源領域。近5年,全球光伏產業年均增長49.5%,2007年比2006年更是增長了56.2%。

      另外,相關的研究不斷延伸,使得其成本不斷降低。世界知識產權組織(WIPO)在2009年6月份的報告中稱,專利合作條約組織(PCT)接收到的與太陽能有關的專利申請數量從2004年的460件增加到2008年的1411件,增加了兩倍。

      早在1839年,法國科學家埃德蒙·貝克雷爾就發現,光照能使半導體材料的不同部位之間產生電位差。這種現象后來被稱為“光生伏打效應”,簡稱“光伏效應”。

      1904年,阿爾伯特·愛因斯坦因為出版了相關的理論著作而獲得了當年的諾貝爾獎。1954年,美國科學家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成了實用的單晶硅太陽能電池,將太陽光能轉換為電能的實用光伏發電技術由此誕生。

      受1950年到1969年之間美蘇兩國太空競賽刺激,人們對光伏發電進行了緊鑼密鼓的深入研究,到1955年,許多公司就研發并且生產出了太陽能電池,也被稱為光伏電池,并在市場上銷售。

      第一顆太陽能動力衛星“先驅者1號”于1958年發射并運行了8年,其他太陽能動力衛星隨之而來。隨后,太陽能發電繼續作為輔助能源被廣泛應用在宇宙飛船上,并為軌道衛星提供動力。

      優惠政策推動光伏技術發展

      隨著全球化石能源的日漸枯竭和人類環保意識的增強,以光伏為核心的太陽能發電事業近年來有了飛速的發展。據預測,太陽能光伏發電在21世紀會占據世界能源消費的重要席位,不但要替代部分常規能源,而且將成為世界能源供應的主體。

      《全球光伏市場分析和2020年展望》報告指出,全球的光伏產能將從2001年的13億瓦特增長到2008年的152億瓦特。歐洲光伏工業協會和綠色和平組織聯合撰寫的研究預測,如果投資和效率繼續以目前的速度增長或者提高,到2030年,光伏系統將提供2600太瓦特/小時的電能,占全球所需電量的14%。

      上述報告指出,到21世紀末,可再生能源在能源結構中將占到80%以上,太陽能發電將占到60%以上。這些數字足以顯示出太陽能光伏產業的發展前景及其在能源領域重要的戰略地位。

      各國都在爭先恐后地將光伏發展列入國家的發展規劃中:美國、歐洲和日本到2010年規劃的光伏安裝量分別為50億瓦、100億瓦和80億瓦;到2020年的規劃分別為360億瓦、410億瓦和300億瓦。

      在2008年,西班牙的總發電能力達到226.3兆瓦,今年1月份,西班牙超越其他國家成為安裝光伏設備最多的國家。

      而且,越來越多的個人開始安裝光伏設備;光伏發電廠如雨后春筍般冒出,以“潤物細無聲”的姿勢改變了光伏市場的格局,速度之快可以用“城頭變幻大王旗”來形容。

      從各國經驗來看,政府的財政激勵政策是啟動光伏市場的主要動力。這些政策通常以投資補貼的方式進行,這種補貼將一部分安裝成本返還給個人或者發電廠;激勵政策還包括當地電力事業單位以收購電價稅率的形式從光電生產商那里購買光電。

      2004年,德國政府最先出臺上網電價法,實施購電補償,根據不同的太陽能發電形式,給予為期20年不同等級的補貼,幾年后超過日本成為世界最大的光伏市場。

      隨后,西班牙、法國、意大利、希臘等國紛紛效仿,日本、韓國和美國的部分州也相繼開放了市場。中國已通過《可再生能源法》,并規定了“上網電價”和“全網平攤”的法規條款。

      硅短缺制約光伏市場的發展

      然而,當這一技術落到地面時,其發展卻有點緩慢。光伏市場的回報與投資不相匹配,其他資源比如煤、水利或者核能發電現在還是便宜很多。除此之外,原材料硅短缺成為制約光伏技術和市場發展的瓶頸。

      作為整條產業鏈的核心,太陽能電池目前主要分為單晶硅、多晶硅及以非晶硅為代表的薄膜技術三種。

      標準的光伏組件由單晶和多晶硅制成。制作一個組件的成本中,50%的成本在于經過加工了的硅片的成本。1980年,美國麻省理工學院的伊曼紐爾·薩克斯發明了成串帶狀晶體生長技術(美國4661200號專利),這個工藝使生產連續的薄條多晶硅片成為可能,消除了之前切割硅棒造成的浪費和巨大費用,生產成本的降低使更廣泛應用太陽能技術變得更加切實可行,太陽能電池板行業從此開始高歌猛進。

      單晶硅技術工藝成熟,實驗室轉換效率最高為25%,商業化轉換效率為15%至18%,但成本較高;多晶硅技術成本較低,但轉換效率不如單晶硅,實驗室轉換效率最高為21%,商業化轉換效率為13%至16%。

      而且,晶體硅的生產是能源密集型,使光伏產業依賴于昂貴而稀缺的原材料硅,導致光伏太陽能產業同微電子產業競爭。

      目前,全球只有12家工廠生產光伏級別的多晶硅,當微處理器和光伏市場都繁榮發達時,硅價就會飆升。比如,2004年,因為電子行業的需求相當旺盛,硅的成本大幅上漲。因此,科學家在繼續進行硅研究的同時,也開始著手尋找替代原材料的研究。

      能效提升初露端倪

      固態物理學表明,硅并非光電轉換的理想材料。外太空應用方面使用的技術都是最先進的,使用的也是最純凈的、高性能的硅,其光電轉換效能約為30%。但市場上絕大部分光伏組件的平均轉換效能為12%至18%,改進轉換效率是業內的頭等大事。

      最近,能效轉換取得的進步依靠集中太陽光線,這同放大鏡集中光線來點火有異曲同工之處,它需要配備30厘米厚的透鏡的笨重裝置。研究人員使用革新的薄膜技術,可以在打破能效轉換記錄的同時,制造比以往更加輕便的太陽能電池。他們的目的是找出太陽能電池的理想結構,更好地降低成本、縮小尺寸、方便大批量生產。

      2007年,美國特拉華大學領導的聯合研究機構進行了一個項目,旨在為新的高效的晶體硅太陽能電池研發技術基礎,經過21個月的刻苦攻關,該研究團隊獲得了42.8%的能效轉換記錄。他們獨特的太陽能電池結構將光學設計整合進入太陽能電池,研制出了一種很容易安裝在筆記本電腦上的便攜小設備,該研究團隊的目標是,到2010年突破50%的能效轉換記錄。

      隨著多晶硅產能的不斷增長,目前供不應求的狀況會得到緩解,預計到2010年前后,太陽能面板的價格將降至目前的1/3,這將縮小和傳統能源價格方面的差距,從而進一步增強產業的競爭力。

      新材料技術前景廣闊

      最近,科學家除了在利用硅制造太陽能電池方面取得新突破之外,也在使用非硅物質,比如半導體和有機化學化合物替代硅方面取得了一定的突破。使用其他物質而不是硅能夠降低成本,因為其生產過程簡單而廉價,并且也不會同其他使用硅的工業“勢如水火”。然而,還需要對這些替代物質進行進一步的研究,看其能效是否優異于硅。這些研究正在快速發展中。

      “薄膜光伏”無疑是備受追捧的技術之一,與硅基太陽能電池相比,薄膜太陽能電池用材少、成本低,盡管其轉換效率也相對較低,但其安裝方便的優勢可能可以開辟出另一片市場。

      另外,薄膜太陽能電池既可安裝在屋頂,也可安裝在建筑物的側墻或窗戶上,將來甚至可能印刷或裝訂在柔軟的書脊或衣服上,豐田汽車目前正在試驗將薄膜太陽能電池運用在其混合動力車如普瑞斯(Prius)上的技術。歐洲能源協會預測,到2010年,薄膜太陽能電池將占據光伏市場20%的份額。

      目前,市場上的太陽能新技術出現了單晶硅、多晶硅、薄膜太陽能電池幾足鼎立的格局,薄膜已經占據了光伏市場的7%到10%。據總部位于美國馬薩諸塞州的“普羅米修斯可持續發展研究所”預測,到2012年,非硅薄膜應用將占據40%的市場份額。

      世界知識產權組織6月份的報告指出,瑞士洛桑聯邦工學院參與的“薄膜光伏”聯合研究機構旨在提高非硅薄膜太陽能電池的效率,他們特別關注銅銦硒化鎵(CIGS)、有機的以及染料敏化太陽能電池的能效。2006年,該項目開始時,CIGS薄膜太陽能電池的轉化效率大約為11%。研究人員使用CIGS和染料敏化光伏技術,在實驗室中將“薄膜光伏”的轉換效率提高到了15%。該聯合研究機構認為,轉換效率還有進一步提高的潛力。

      2008年3月,“美國能源部國家可再生能源實驗室”打破了“薄膜光伏”的記錄,其研制的CIGS薄膜太陽能電池的轉換效率達到19.9%。這使薄膜技術的效能同晶體硅并駕齊驅??稍偕茉磳嶒炇倚Q,在生產過程中使用了品質優異的材料,因此提升了輸出功率。該實驗室對CIGS電池的發展前景滿懷信心。因為這種電池很輕,它可上天入地,既可應用于太空,也可用于便攜電子產品市場。這種電池還適合特殊的建筑應用,比如光伏屋瓦和光伏窗戶等。

      《世界知識產權組織》雜志6月份的報道指出,與傳統的光伏技術相反,染料敏化太陽能電池將吸收陽光的任務同電荷載體輸送的任務分開。在染料敏化太陽能電池中,吸光染料因光伏作用產生的電子被傳輸到運輸電荷的半導體材料薄層。這一技術可以生產出可直接涂在鋼板上的染料敏化太陽能電池涂料,英國的一個研究團隊正在著手進行相關的研發活動,有望于2011年投放市場。

      目前,美國更多地專注于不同的薄膜技術;而歐洲和亞洲則更青睞單晶和多晶硅太陽能電池。隨著研究不斷深入,太陽能電池的能效將進一步提高,越來越多前景廣闊的其他非硅技術將涌入市場。正如WIPO(世界知識產權組織)在即將公布的替代能源技術研究中所揭示的:在過去的20年中,主要的工業產權機構收到的太陽能發明方面的專利申請數量增加了近兩倍。

      光伏產業或成為經濟發展新引擎

      金融危機放慢了光伏市場的發展速度,但不會使市場停滯不前。由于技術的改進和新的突破性發明,太陽能領域的PCT專利越來越多,這是太陽能領域快速發展的證據。

      美國奧巴馬政府提出的7000億美元經濟刺激計劃中,把發展太陽能光伏產業作為擺脫經濟衰退、創造就業機會、搶占未來發展制高點的重要國家戰略。

      而在中國,根據《可再生能源中長期發展規劃》,到2020年,中國力爭使太陽能發電裝機容量達到18億瓦,到2050年將達到6000億瓦。預計到2050年,中國可再生能源的電力裝機將占全國電力裝機的25%,其中光伏發電裝機將占到5%。預計2030年之前,中國太陽能裝機容量的復合增長率將高達25%以上。

      縱觀近現代歷史,大蕭條中孕育著蓬勃的新技術和新觀念,推動著人類發展這個列車不斷向前進,在本世紀,光伏技術基于其技術先進性、資源無限性和綠色環保性等特征,無疑是下輪產業技術革命的核心,或許也是帶領經濟走出泥潭的火車頭。

      珠海創凌能源設備有限公司會員1
      本文章由 斯邁歐 于2015年12月21日發布在市場資訊分類下,
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