太陽能人類理想的替代能源

太陽能人類理想的替代能源

1太陽能的典型利用21世紀(jì)，人類面臨著經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。在嚴(yán)格的資源和環(huán)境條件下，經(jīng)濟(jì)發(fā)展是世界的中心問題。而能源問題將更為突出:①能源短缺世界上大部分國家能源供應(yīng)不足,不能滿足其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。從長遠(yuǎn)來看,全球已探明的石油儲量只能用到2020年,天然氣也只能延續(xù)到2040年左右,即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。②環(huán)境污染由于燃燒煤、石油等化石燃料,每年有數(shù)十萬噸硫等有害物質(zhì)拋向天空,使大氣環(huán)境遭到嚴(yán)重污染,直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量;局部地區(qū)形成酸雨,嚴(yán)重污染水土。③溫室效應(yīng)化石能源的利用產(chǎn)生大量的溫室氣體而導(dǎo)致溫室效應(yīng),引起全球氣候變化。這一問題已提到全球的議事日程,有關(guān)國際組織已召開多次會議,限制各國CO2等溫室氣體的排放量。因此,人類在解決上述能源問題,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,只能依靠科技進(jìn)步,大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。而太陽能具有:①儲量的“無限性”太陽每秒鐘放射的能量大約是1.6×1023kW,一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約1.892×1013千億t,是目前世界主要能源探明儲量的一萬倍。相對于常規(guī)能源的有限性,太陽能具有儲量的“無限性”,取之不盡,用之不竭。②存在的普遍性相對于其他能源來說,太陽能對于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性,可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國家和地區(qū)解決能源問題提供了美好前景。③利用的清潔性太陽能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣,其開發(fā)利用時幾乎不產(chǎn)生任何污染。④利用的經(jīng)濟(jì)性可以從兩個方面看太陽能利用的經(jīng)濟(jì)性。一是太陽能取之不盡,用之不竭,而且在接收太陽能時不征收任何“稅”,可以隨地取用;二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下,太陽能利用不僅可能而且可行。鑒于此,太陽能必將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中擔(dān)綱重任,成為理想的替代能源。2太陽能熱發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域根據(jù)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,太陽能熱利用在替代高含碳燃料的能源生產(chǎn)和終端利用中大有用武之地。太陽能熱利用具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域,但最終可歸納為太陽能熱發(fā)電(能源產(chǎn)出)和建筑用能(終端直接用能),包括采暖、空調(diào)和熱水。當(dāng)前太陽能熱利用最活躍、并已形成產(chǎn)業(yè)的當(dāng)屬太陽能熱水器和太陽能熱發(fā)電。2.1太陽能熱泵熱風(fēng)在世界范圍內(nèi),太陽能熱水器技術(shù)已很成熟,并已形成行業(yè),正在以優(yōu)良的性能不斷地沖擊電熱水器市場和燃?xì)鉄崴魇袌?。國外的太陽能熱水器發(fā)展很早,但80年代的石油降價(jià),加之取消對新能源減免稅優(yōu)惠的政策導(dǎo)向,使工業(yè)發(fā)達(dá)國家太陽能熱水器總銷售量徘徊在幾十萬平方米。據(jù)報(bào)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(huán)境發(fā)展大會之后,許多國家又開始重視太陽能熱水器在節(jié)約常規(guī)能源和減少排放CO2方面的潛力,僅據(jù)美國加州首府薩克門托市的計(jì)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(guī)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(chǎn)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(dá)100萬m2。據(jù)初步統(tǒng)計(jì),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(chǎn)、銷售和安裝的企業(yè)達(dá)到1000余家,年產(chǎn)值20億元,從業(yè)人數(shù)1.5萬人1。但從房屋的熱水器安裝率來說,以色列已達(dá)80%,日本為11%,臺灣達(dá)2.7%,我國在千分之幾左右,其太陽能熱水器的推廣應(yīng)用潛力仍很大。國際上,太陽能熱水器產(chǎn)品經(jīng)歷了悶曬式、平板式、全玻璃真空管式的發(fā)展,目前其產(chǎn)品的發(fā)展方向仍注重提高集熱器的效率,如將透明隔熱材料應(yīng)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(chǎn)。隨著世界范圍內(nèi)的環(huán)境意識和節(jié)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?xì)鉄崴?。雖然太陽能熱水器目前仍存在市場價(jià)格高、受季節(jié)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(yōu)勢,而且隨著技術(shù)的發(fā)展其經(jīng)濟(jì)性也逐漸顯露出來。有關(guān)專家對三種熱水器的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較結(jié)果表明,太陽能熱水器在經(jīng)濟(jì)上已具有較強(qiáng)的競爭力。2.2太陽能熱發(fā)電技術(shù)80年代太陽能熱利用技術(shù)的最大突破是實(shí)現(xiàn)了太陽能熱發(fā)電的商業(yè)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(tǒng)的太陽能熱發(fā)電站,總功率為354MW,約占當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)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(yōu)惠政策,迫使第10號電站停建,公司宣告破產(chǎn)。另一頗具實(shí)力的Solel公司也在致力于太陽能熱發(fā)電,它于1992年接收了破產(chǎn)的Luz公司的技術(shù),將開發(fā)市場瞄向澳大利亞、以色利和北美洲。Solel公司自稱具有建造300MW大型太陽能熱發(fā)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(fā)電裝置,并計(jì)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(biāo)是2000年的悉尼奧運(yùn)會,它和米爾斯公司將合建一個太陽能熱發(fā)電的聯(lián)合體,為奧運(yùn)村旅館和運(yùn)動會主會場提供10MW的電力。希臘政府1997年開始實(shí)施一項(xiàng)500MW的太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目,計(jì)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(qū)建造一座更大的太陽能熱電站2。目前,太陽能熱發(fā)電在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上可行的三種形式是:①30～80MW線聚焦拋物面槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)(簡稱拋物面槽式);②30～200MW點(diǎn)聚焦中央接收式太陽能熱發(fā)電技術(shù)(簡稱塔式);③7.5～25kW的點(diǎn)聚焦拋物面盤式太陽能熱發(fā)電技術(shù)(簡稱拋物面盤式)。在上述三種技術(shù)中,拋物面槽式領(lǐng)先一步,美國加州的9座太陽能熱發(fā)電站可以代表槽式熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)也是集中供電的一種適用技術(shù),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(yùn)行兩年后,兩家美國電力公司計(jì)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(jìn)聯(lián)合循環(huán)電站上作為燃料節(jié)省裝置,采用甲烷重整工藝,以太陽能提高天然氣等級。拋物面盤式太陽能熱發(fā)電技術(shù)很適合于分散式發(fā)電,可以在偏遠(yuǎn)地區(qū)用作獨(dú)立系統(tǒng)。作為太陽能供電的一種方式,太陽能熱發(fā)電技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上是可行的,而且有較大的市場潛力。在美國加州的太陽能熱發(fā)電站建造過程中,由于技術(shù)進(jìn)步及容量的增大,電站的裝機(jī)造價(jià)和發(fā)電成本顯著下降,1984年Ⅰ號電站(14MW)造價(jià)為5979美元/kW,發(fā)電成本26.5美分/kWh;到1990年的Ⅷ號電站(80MW),造價(jià)降至3011美元/kW,發(fā)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(qū),經(jīng)濟(jì)上已能與燃油的火力電站競爭。我國西南電力設(shè)計(jì)院曾對西藏地區(qū)以引進(jìn)Luz公司太陽能熱電站進(jìn)行估算,如果考慮設(shè)備的折舊和還貸,太陽能熱電站和火力發(fā)電站的發(fā)電成本均為1.1元/kWh,如果不考慮設(shè)備折舊,僅計(jì)入運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用,則太陽能電站的發(fā)電成本為0.1元/kWh,而火力發(fā)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(fā)電成本,結(jié)果表明,隨著年產(chǎn)電量的增加,主要是隨著機(jī)組容量的增大、日射強(qiáng)度的增高、部件和系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn),發(fā)電成本顯著下降。進(jìn)而對地中海國家的太陽能熱發(fā)電應(yīng)用進(jìn)行過可行性研究,認(rèn)為太陽能的熱利用在這一地區(qū)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(shù)水平高、資金雄厚,且有很好的太陽能熱發(fā)電示范和早期商業(yè)化基礎(chǔ);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(qū)太陽能資源豐富,年輻射強(qiáng)度大于1700kWh/m2的面積達(dá)到700萬km2,太陽熱可發(fā)電容量達(dá)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(qū)廣闊的太陽能熱發(fā)電市場。3能源能源技術(shù)及其行業(yè)的發(fā)展3.1光伏發(fā)電技術(shù)50年代第一塊實(shí)用的硅太陽電池的問世,揭開了光電技術(shù)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(jìn)入空間、70年代進(jìn)入地面應(yīng)用以來,太陽能光電技術(shù)發(fā)展迅猛。世界觀察研究所在其最近一期研究報(bào)告中指出,利用太陽能獲取電力已成為全球發(fā)展最快的能量補(bǔ)給方式。報(bào)告說,1990年以來,全球太陽能光伏發(fā)電裝置的市場銷售量以年平均16%的幅度遞增,目前總發(fā)電能力已達(dá)800MW,相當(dāng)于20萬個美國家庭的年耗電量3。1997年全球太陽電池的銷售量增長了40%,已成為全球發(fā)展最快的能源。3.2太陽能電池的效率預(yù)測和成本預(yù)測當(dāng)前影響光電池大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙是它的制造成本太高。在眾多發(fā)電技術(shù)中,太陽能光電仍是花費(fèi)最高的一種形式,因此,發(fā)展陽光發(fā)電技術(shù)的主要目標(biāo)是通過改進(jìn)現(xiàn)有的制造工藝,設(shè)計(jì)新的電池結(jié)構(gòu),開發(fā)新穎電池材料等方式降低制造成本,提高光電轉(zhuǎn)換效率。近年來,光伏工業(yè)呈現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展的趨勢,發(fā)展的特點(diǎn)是:產(chǎn)量增加,轉(zhuǎn)換效率提高,成本降低,應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。1998年,世界太陽電池年產(chǎn)量已超過150MW,是1994年產(chǎn)量的兩倍還多,如表1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(xué)的實(shí)驗(yàn)室效率已達(dá)24.4%;多晶硅太陽電池效率也達(dá)14%,實(shí)驗(yàn)室最大效率為19.8%;非晶硅太陽電池的穩(wěn)定效率,單結(jié)6～9%,實(shí)驗(yàn)室最高效率為12%,多結(jié)電池為8～10%,實(shí)驗(yàn)室最高效率為11.83%。表2為有關(guān)研究人員所做的太陽能電池組件的效率預(yù)測。由于生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,生產(chǎn)工藝的改進(jìn),晶體硅太陽電池組件的制造成本已降至3～3.5美元/Wp,售價(jià)也相應(yīng)降到45美元/Wp;非晶硅太陽能電池單結(jié)售價(jià)34美元,多結(jié)售價(jià)為4～5美元/Wpp。與十年前相比,太陽光電池價(jià)格普遍降低了20%。最近,瑞士聯(lián)邦工學(xué)院M·格雷策爾研制出一種二氧化鈦太陽能電池,其光電轉(zhuǎn)換率高達(dá)33%,并成功地采用了一種無定形有機(jī)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?？梢灶A(yù)料,隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場的拓展,光電池成本及售價(jià)將會大幅下降。表3為地面用光伏組件成本/價(jià)格的預(yù)測結(jié)果,表4為美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室對太陽電池成本與市場的關(guān)系所做的估計(jì)。對比表3,表4,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(shù)進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展時期。3.3太陽能電池技術(shù)近年來,圍繞光電池材料、轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性等問題,光伏技術(shù)發(fā)展迅速,日新月異。晶體硅太陽能電池的研究重點(diǎn)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(zhuǎn)換效率的主要技術(shù)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(dǎo)損失;④內(nèi)部復(fù)合損失;⑤表面復(fù)合損失。針對這些問題,近年來開發(fā)了許多新技術(shù),主要有:①單雙層減反射膜;②激光刻槽埋藏柵線技術(shù);③絨面技術(shù);④背點(diǎn)接觸電極克服表面柵線遮光問題;⑤高效背反射器技術(shù);⑥光吸收技術(shù)。隨著這些新技術(shù)的應(yīng)用,發(fā)明了不少新的電池種類,極大地提高了太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率,如澳大利亞新南威爾士大學(xué)的格林教授采用激光刻槽埋藏柵線等新技術(shù)將高純化晶體硅太陽能電池的轉(zhuǎn)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(fā)電成本可降至5～8美分/kWh。光伏技術(shù)發(fā)展的另一特點(diǎn)是薄膜太陽能電池研究取得重大進(jìn)展和各種新型太陽能電池的不斷涌現(xiàn)。晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)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(xué)家利用多層薄膜結(jié)構(gòu)的低質(zhì)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(xiàng)研究,并希望10年內(nèi)使該項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化。高效新型太陽能電池技術(shù)的發(fā)展是降低光電池成本的另一條切實(shí)可行的途徑,近年來,一些新型高效電池不斷問世:(1)硒化銅銦(CuInSe2,CIS)薄膜太陽能電池:1974年CIS電池在美國問世,1993年美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室使它的本征轉(zhuǎn)換效率達(dá)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(zhuǎn)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(yōu)點(diǎn),各國都在爭相研究開發(fā),并積極探索大面積應(yīng)用的批量生產(chǎn)技術(shù)。(2)硅-硅串聯(lián)結(jié)構(gòu)太陽能電池: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(zhuǎn)換效率的良好途徑。它具有成本低、耗能少、工序少、價(jià)廉高效等優(yōu)點(diǎn)。(3)用化學(xué)束外延(CBE)技術(shù)生產(chǎn)的多結(jié)Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽能電池:Ⅲ-Ⅴ族化合物(如GaAs,InP)具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率,這些材料的多層匹配可將太陽能電池轉(zhuǎn)換效率提高到35%以上。而這種多層結(jié)構(gòu)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.Gr!?tzel博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組,用納米TiO2粉水溶液作涂料,和含有過渡族金屬有機(jī)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(jì)算表明,可制造出轉(zhuǎn)換效率至少為12%的低成本電池。這種電池為大面積應(yīng)用于建筑物外表面提供了廣闊的前景。3.4屋頂計(jì)劃的執(zhí)行隨著太陽能光電技術(shù)的日趨成熟和商業(yè)化發(fā)展,太陽能光電技術(shù)的推廣應(yīng)用有了長足的進(jìn)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(xiàn)正在希臘克里特島建造的一座陽光電站,容量為50MWp,估計(jì)2003年可建成供電,總投資1775萬美元4。而在美國準(zhǔn)備建造的另一座電站規(guī)模將達(dá)到100MWp,已與太陽能熱發(fā)電站容量相匹敵。除此之外,一些國家推出的屋頂計(jì)劃將更引人注目,顯示了陽光發(fā)電的廣闊應(yīng)用前景和強(qiáng)大的生命力。1990年,德國政府率先推出的“千頂計(jì)劃”,至1997年已完成近萬套屋頂光伏系統(tǒng),每套容量1～5kWp,累計(jì)安裝量已達(dá)33MWp,遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超出了當(dāng)初制定的計(jì)劃規(guī)模。日本政府從1994年開始實(shí)施“朝日七年計(jì)劃”,計(jì)劃到2000年安裝16.2萬套屋頂系統(tǒng),總?cè)萘窟_(dá)185MWp,1997年又再次宣布實(shí)施“七萬屋頂計(jì)劃”,每套容量擴(kuò)大到4kWp,總?cè)萘繛?80MWp。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(tǒng)。意大利1998年開始實(shí)施“全國太陽能屋頂計(jì)劃”,總投入5500億里拉,總?cè)萘窟_(dá)50MWp。而最雄心勃勃的屋頂計(jì)劃當(dāng)屬1997年6月美國總統(tǒng)克林頓宣布實(shí)施的美國“百萬屋頂計(jì)劃”,計(jì)劃從1997年開始至2010年,將在百萬個屋頂上,安裝總?cè)萘窟_(dá)到3025MWp的光伏系統(tǒng),并使發(fā)電成本降到6美分/kWh。上述各國屋頂計(jì)劃的實(shí)施,將有力地促進(jìn)太陽能光電的應(yīng)用普及,使太陽能光電進(jìn)入千家萬戶。與此相呼應(yīng),當(dāng)前世界上實(shí)力雄厚的10家光伏公司,雖然目前的生產(chǎn)能力都不大,但都有雄心勃勃的擴(kuò)展計(jì)劃。各公司年產(chǎn)目標(biāo)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,Photowott公司,AP公司和三洋/Solec公司15MW。據(jù)美國Spire公司預(yù)測,2003年世界光電池的生產(chǎn)能力將達(dá)到350MW,而2010年的光電池組件交易量將達(dá)到700～4000MW/年。4太陽能開發(fā)利用的發(fā)展趨勢4.1太陽能開發(fā)利用技術(shù)的發(fā)展歷程人類利用太陽能已有幾千年的歷史,但發(fā)展一直很緩慢,現(xiàn)代意義上的開發(fā)利用只是近半個世紀(jì)的事情。1954年,美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出世界上第一塊太陽電池,從此揭開了太陽能開發(fā)利用的新篇章,之后,太陽能開發(fā)利用技術(shù)發(fā)展很快,特別是70年代爆發(fā)的世界性的石油危機(jī)有力地促進(jìn)了太陽能的開發(fā)利用。隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在世界范圍內(nèi)的實(shí)施,太陽能的開發(fā)利用又被推到新高度。21世紀(jì)初至中葉將是太陽能開發(fā)利用技術(shù)的重要發(fā)展時期。世界范圍內(nèi)的能源問題、環(huán)境問題的最終解決將依靠可再生潔凈能源特別是太陽能的開發(fā)利用。4.2晶體硅太陽電池轉(zhuǎn)換技術(shù)光伏技術(shù)的發(fā)展,近期將以高效晶體硅電池為主,然后逐步過渡到薄