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世界太陽能開發(fā)利用現(xiàn)狀
在跨入21世紀(jì)之際，人類將面臨實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，在有限資源和環(huán)保嚴(yán)格要求的雙重制約下發(fā)展經(jīng)濟(jì)已成為全球熱點(diǎn)問題。而能源問題將更為突出，不僅表現(xiàn)在 常規(guī)能源的匱乏不足，更重要的是化石能源的開發(fā)利用帶來了一系列問題，如環(huán)境污染，溫室效應(yīng)都與化石燃料的燃燒有關(guān)。目前的環(huán)境問題，很大程度上是由于能源特別是化石能源 的開發(fā)利用造成的。因此，人類要解決上述能源問題，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。太陽能以其獨(dú)具的優(yōu)勢(shì)，其開發(fā)利用必將在21世紀(jì)得 到長(zhǎng)足的發(fā)展，并終將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移中擔(dān)綱重任，成為21世紀(jì)后期的主導(dǎo)能源。?
1.太陽能與化石能源的簡(jiǎn)要比較
1．1化石能源帶來的問題
(1)能源短缺
由于常規(guī)能源的有限性和分布的不均勻性，造成了世界上大部分國(guó)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(zhǎng)遠(yuǎn)來看，全球已探明的石油儲(chǔ)量只能用到2020年，天然氣也只能 延續(xù)到2040年左右，即使儲(chǔ)量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。因此，如不盡早設(shè)法解決化石能源的替代能源，人類遲早將面臨化石燃料枯竭的危機(jī)局面。
(2)環(huán)境污染
當(dāng)前，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。這些問題最終將迫使人們改變能源結(jié)構(gòu)，依靠利用太陽能等可再生潔凈能源來解決。
(3)溫室效應(yīng)
化石能源的利用不僅造成環(huán)境污染，同時(shí)由于排放大量的溫室氣體而產(chǎn)生溫室效應(yīng)，引起全 球氣候變化。這一問題已提到全球的議事日程，其影響甚至已超過了對(duì)環(huán)境的污染，有關(guān)國(guó)際組織已召開多次會(huì)議，限制各國(guó)CO2等溫室氣體的排放量。
1．2 陽能資源及其開發(fā)利用特點(diǎn)
(1)儲(chǔ)量的“無限性”
太陽能是取之不盡的可再生能源，可利用量巨大。太陽每秒鐘放射的能量大約是1.6×1023kW，其中到達(dá)地球的能量高達(dá)8×1013kW，相當(dāng)于6×109t標(biāo)準(zhǔn)煤。按此計(jì)算，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(chǔ)量的一萬倍〔2〕。太陽的壽命至少尚有40億年，相對(duì)于人類歷史來說，太陽可源源不斷供給地球的時(shí)間可以說是無限的。相對(duì)于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲(chǔ)量的“無限性”，取之不盡，用之不竭。這就決定了開發(fā)利用太陽能將是人類解決常規(guī)能源匱乏、枯竭的最有效途徑。?
(2)存在的普遍性
雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽能輻射的不均勻，但相對(duì)于其他能源來說，太陽能對(duì)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(guó)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(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染，加之其儲(chǔ)量的無限性，是人類理想的替代能源。
(4)利用的經(jīng)濟(jì)性
可以從兩個(gè)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(shí)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，有些太陽能利用已具經(jīng)濟(jì)性，如太陽能熱水器一次投入較高，但其使用過程不耗能，而電熱水器和燃?xì)鉄崴?/u>在使用時(shí)仍需耗費(fèi)，有關(guān)研究結(jié)果表明〔3〕，太陽能熱水器已具很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著科技的發(fā)展以及人類開發(fā)利用太陽能的技術(shù)突破，太陽能利用的經(jīng)濟(jì)性將會(huì)更明顯。
1.3? 21世紀(jì)后期太陽能將占主導(dǎo)地位
世界各國(guó)，尤其發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)21世紀(jì)的能源問題都特別關(guān)注。由于化石能源儲(chǔ)量的有限性和利用的污染性，各國(guó)專家都看好太陽能等可再生能源，盡管目前太陽能的利用僅在世界能源消費(fèi)中占很小的一部分。如果說20世紀(jì)是石油世紀(jì)的話，那么21世紀(jì)則是可再生能源的世紀(jì)， 太陽能的世紀(jì)。據(jù)權(quán)威專家估計(jì)，如果實(shí)施強(qiáng)化可再生能源的發(fā)展戰(zhàn)略，到下世紀(jì)中葉，可再生能源可占世界電力市場(chǎng)的3/5，燃料市場(chǎng)的2/5。在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中，太陽能處于突出位置。美國(guó)的馬奇蒂博士對(duì)世界一次能源替代趨勢(shì)的研究結(jié)果表明，太陽能將在21世紀(jì)初進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展階段，并在2050年左右達(dá)到30%的比例，次于核能居第二位，21世紀(jì)末太陽能將取代核能居第一位〔5〕。殼牌石油公司經(jīng)過長(zhǎng)期研究得出結(jié)論，下一世紀(jì)的主要能源是太陽能；日本經(jīng)濟(jì)企劃廳和三洋公司合作研究后則更 樂觀地估計(jì)，到2030年，世界電力生產(chǎn)的一半將依靠太陽能。正如世界觀察研 究所的一期報(bào)告所指出：正在興起的“太陽經(jīng)濟(jì)”將成為未來全球能源的主流。其最新一期報(bào)告則指出，1997年全球太陽電池的銷售量增長(zhǎng)了40%，已成為全球發(fā)展最快的能源。
2太陽能開發(fā)利用技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)?
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(gè) 世紀(jì)的事情。1954年美國(guó)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)了太陽能開發(fā)利用。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的努力，太陽能光熱利用技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)異 軍突起，成為能源工業(yè)的一支生力軍。迄今為止，太陽能的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，但最終可歸結(jié)為太陽能熱利用和光利用兩個(gè)方面。
2.1太陽能熱利用及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展?
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，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。?
2.1.1 太陽能熱水器?
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(chǎng)和燃?xì)鉄崴魇袌?chǎng)。國(guó)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(duì)新能源減免稅優(yōu)惠的政策導(dǎo)向，使工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)外太陽能熱水器總量為45萬m2，其中日本為20萬m2，美國(guó)為12萬m2，歐洲為8萬m2，其他國(guó)家為5萬m2。世界環(huán)境發(fā)展大會(huì)之后，許多國(guó)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(guó)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(guó)是世界上太陽能熱水器生產(chǎn)量和銷售量最大的國(guó)家。1992年銷售量為50萬m2 ，為世界其他各國(guó)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(guó)太陽能熱水器銷售量300萬m2，目前，我國(guó)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(dá)80%，日本為11%，臺(tái) 灣達(dá)2.7%.〔6〕.，我國(guó)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(guó)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(guó)和以色列批量生產(chǎn)。
隨著世界范圍內(nèi)的環(huán)境意識(shí)和節(jié)能意識(shí)的普遍提高，太陽能熱水器必將逐步替代電熱水器和 燃?xì)鉄崴鳌ｋm然太陽能熱水器目前仍存在市場(chǎng)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(shì)，而且隨著技術(shù)的發(fā)展其經(jīng)濟(jì)性也逐漸 顯露出來。表1為三種熱水器的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較結(jié)果.，從中可以看出，太陽能熱水器在經(jīng)濟(jì)上已具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。??
表1三種熱水器經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比
項(xiàng)目品種壽命(年) ?使用天數(shù) (天) ?購(gòu)置費(fèi)用?(元) ?運(yùn)行費(fèi)用?(元) ?總投資?(元) ?備 注
太陽能熱水器 ?10～15 ?300*2300 ?250 ?2550 ?均以日
產(chǎn)水量電熱水器 ?5～8 ?300 ?1000 ?4500 ?550080kg
水溫40燃?xì)鉄崴??6 ?300 ?5003 ?700420 ?0～60℃計(jì)算
*有關(guān)專家認(rèn)為該數(shù)字應(yīng)為250天左右。??
2.1.2 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(guó)際公司在美國(guó) 南加州自1984年至1991年共建造了9個(gè)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(guó)政府和州政府先后在1991年取消對(duì)太陽能電站的投資減免稅優(yōu)惠政策，迫使第10號(hào)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(chǎng)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(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(shí)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(huì)，它和米爾斯公司將合建一個(gè)太陽能熱發(fā)電的聯(lián)合體，為奧運(yùn)村旅館和運(yùn)動(dòng)會(huì)主會(huì)場(chǎng)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(shí)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。?
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熱發(fā)電技術(shù)(簡(jiǎn)稱拋物面槽式)；②30～200MW點(diǎn)聚焦中央接收式太陽熱發(fā)電技術(shù)(簡(jiǎn)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(jiǎn)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(guó)加州的9座太陽熱發(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(guó)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(guó)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(jí)。拋物面盤式太陽熱發(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(chǎng)潛力。在美國(guó)加州的太陽熱發(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(hào)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(hào)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(jìng)爭(zhēng)。我國(guó)西南電力設(shè)計(jì)院曾對(duì)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(duì)地中海國(guó)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(chǎng)潛力。一方面，地中海國(guó)家技術(shù)水平高、資金雄厚，且有很好的太陽 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(guó)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/m\+2的面積達(dá)到700 萬km\+2，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(chǎng)。?
2.2太陽能光電技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)?
2.2.1太陽能光電已成為全球發(fā)展最快的能源?
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(chǎng)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(gè)美國(guó)家庭的年耗電量太陽能。?
2.2.2提高轉(zhuǎn)換效率、降低成本是光電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵?
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(shì)，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。目前，世界太陽電池年產(chǎn)量已超過150MW，是1944年產(chǎn)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(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 %.。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/W p，售價(jià)也相應(yīng)降到4~5美元/Wp；非晶硅太陽能電池單結(jié)售價(jià)3~4美元，多結(jié)售價(jià)為4～5 美元/Wp。與十年前相比，太陽光電池價(jià)格普遍降低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(jiǎn)便?？梢灶A(yù)料，隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)的拓展，光電池成本及 售價(jià)將會(huì)大幅下降。表4為地面用光伏組件成本/價(jià)格的預(yù)測(cè)結(jié)果，表5為美國(guó) 國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室對(duì)太陽電池成本與市場(chǎng)的關(guān)系所做的估計(jì)。對(duì)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(shù)進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展時(shí)期。??
表2世界光電組件的產(chǎn)量及年增長(zhǎng)率
年份1989199019911992199319941995199619971998
年產(chǎn)量(MW)42.047.054.058.261.070.781.090.612
表3商品化光伏直流組件效率預(yù)測(cè)(%)
電池技術(shù)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
表4地面用太陽能電池組件成本/價(jià)格預(yù)測(cè)(美元)
電池種類\年份 1990199520002010
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?
表5太陽能電池成本與市場(chǎng)的關(guān)系
太陽能電池成本?(美元/峰瓦)可進(jìn)入的市場(chǎng)
＞6少量應(yīng)用2～5通信、邊遠(yuǎn)地區(qū)
1～2城市屋頂系統(tǒng)＜1大規(guī)模發(fā)電
?2．2．3光伏新技術(shù)發(fā)展日新月異?
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(duì)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.〔15〕.。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。專家推斷，只要有一二種取得突破，就會(huì)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(guó)問世，1 993年美國(guó)國(guó)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(guó)都在爭(zhēng)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〔18〕：通過非晶硅與窄禁帶材料的層疊，是有效利用長(zhǎng)波太陽光，提高非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的良好途徑。研究表明，把1.3ev和1.7ev光 學(xué)禁帶度組合起來的薄膜非晶硅與多晶硅串聯(lián)電池轉(zhuǎn)換效率最高。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〔19〕：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.Grtzel博士領(lǐng)導(dǎo)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(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(jiǎn)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。?
2.2.4各國(guó)的光伏計(jì)劃雄心勃勃?
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(zhǎng)足的進(jìn)展 。目前，已建成多座兆瓦級(jí)光伏電站，最大的是位于美國(guó)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50MW.p，估計(jì)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(guó)準(zhǔn)備建造的另一座電站規(guī)模將達(dá)到100MW.p，已與太陽能熱發(fā)電站容量相匹敵。除此之外，一些國(guó)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(guó)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1～5kW.p，累計(jì)安裝量已達(dá)33MW.p，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)185MW.p，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4kW.p，總?cè)萘繛?80MW.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(tǒng)。意大利1998年開始實(shí)施“全國(guó)太陽能屋頂計(jì)劃”，總投入5500億里拉，總?cè)萘窟_(dá)50MW.p。而最雄心勃勃的屋頂計(jì)劃當(dāng)屬1997年6月美國(guó)總統(tǒng)克林頓宣布實(shí)施的美國(guó)“百萬屋頂計(jì)劃”，計(jì)劃從1997年開始至2010年，將在百萬個(gè)屋頂上，安裝總?cè)萘窟_(dá)到3025MW.p的光伏系統(tǒng)，并使發(fā)電成本降到6美分/kWh。上述各國(guó)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，Photo wott公司， AP公司和三洋/Solec公司15MW。據(jù)美國(guó)Spire公司預(yù)測(cè)，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?。?
光伏技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，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(fā)展。應(yīng)用上將從屋頂系統(tǒng)突破，逐步過渡到與建筑一體化的大型并網(wǎng)光伏電站的發(fā)展。?
2.3太陽能光電制氫?
70年代科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：在陽光輻照下TiO2之類寬頻帶間隙半導(dǎo)體，可對(duì)水的電解提供所需能量，并析出O2和H2，從而在太陽能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域產(chǎn)生了一門新興學(xué)科--光電化學(xué)。隨著光 電化學(xué)及光伏技術(shù)和各種半導(dǎo)體電極試驗(yàn)的發(fā)展，使得太陽能制氫成為發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的最佳選擇。?
1995年，美國(guó)科學(xué)家利用光電化學(xué)轉(zhuǎn)換中半導(dǎo)體/電介質(zhì)界面產(chǎn)生的隔柵電壓，通過固定兩個(gè)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(gè)光粒子床概念的光電化學(xué)水分解機(jī)制為：?
H2的光反應(yīng)4H2O+4M°→2H2+4OH-+4M+?
O2的光反應(yīng)4OH-+M+→O2+2H2O+4M°?
凈結(jié)果為：2H2O→2H2+O2(其中M為氧化還原介質(zhì))?
近來，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)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(xué)研究所以特殊半導(dǎo)體做電極，鉑對(duì)極，電解質(zhì)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(chǎn)業(yè)方面，1990年德國(guó)建成一座500kW太陽能制氫示范廠，沙特阿拉伯已建成發(fā)電能力為350kW的太陽能制氫廠。印度于1995年推出了一項(xiàng)制氫計(jì)劃，投資4 800萬美元，在每年有300個(gè)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(tǒng)制得的氫，以金屬氧化物的形式貯存起來，保證運(yùn)輸?shù)陌踩履茉?。?0年代以來，德、英、日、美等國(guó)已投資積極進(jìn)行氫能汽車的開發(fā)。美 國(guó)佛羅里達(dá)太陽能中心研究太陽能制氫(SH)已達(dá)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(jià)值利用方面獲得成功，為氫燃料汽車的實(shí)用化提供了重要基礎(chǔ)。其他，在對(duì)重量十分敏感的航天、航空領(lǐng)域以及氫燃料電池和日常生活中 “貯氫水箱”的應(yīng)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(fā)力”強(qiáng)、來源廣、品 質(zhì)純凈、貯存便捷等許多優(yōu)點(diǎn)，因此，隨著太陽能制氫技術(shù)的發(fā)展，用氫能取代碳?xì)浠衔锬茉磳⑹?1世紀(jì)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。
在跨入21世紀(jì)之際，人類將面臨實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，在有限資源和環(huán)保嚴(yán)格要求的雙重制約下發(fā)展經(jīng)濟(jì)已成為全球熱點(diǎn)問題。而能源問題將更為突出，不僅表現(xiàn)在 常規(guī)能源的匱乏不足，更重要的是化石能源的開發(fā)利用帶來了一系列問題，如環(huán)境污染，溫室效應(yīng)都與化石燃料的燃燒有關(guān)。目前的環(huán)境問題，很大程度上是由于能源特別是化石能源 的開發(fā)利用造成的。因此，人類要解決上述能源問題，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。太陽能以其獨(dú)具的優(yōu)勢(shì)，其開發(fā)利用必將在21世紀(jì)得 到長(zhǎng)足的發(fā)展，并終將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移中擔(dān)綱重任，成為21世紀(jì)后期的主導(dǎo)能源。?
1.太陽能與化石能源的簡(jiǎn)要比較
1．1化石能源帶來的問題
(1)能源短缺
由于常規(guī)能源的有限性和分布的不均勻性，造成了世界上大部分國(guó)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(zhǎng)遠(yuǎn)來看，全球已探明的石油儲(chǔ)量只能用到2020年，天然氣也只能 延續(xù)到2040年左右，即使儲(chǔ)量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。因此，如不盡早設(shè)法解決化石能源的替代能源，人類遲早將面臨化石燃料枯竭的危機(jī)局面。
(2)環(huán)境污染
當(dāng)前，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。這些問題最終將迫使人們改變能源結(jié)構(gòu)，依靠利用太陽能等可再生潔凈能源來解決。
(3)溫室效應(yīng)
化石能源的利用不僅造成環(huán)境污染，同時(shí)由于排放大量的溫室氣體而產(chǎn)生溫室效應(yīng)，引起全 球氣候變化。這一問題已提到全球的議事日程，其影響甚至已超過了對(duì)環(huán)境的污染，有關(guān)國(guó)際組織已召開多次會(huì)議，限制各國(guó)CO2等溫室氣體的排放量。
1．2 陽能資源及其開發(fā)利用特點(diǎn)
(1)儲(chǔ)量的“無限性”
太陽能是取之不盡的可再生能源，可利用量巨大。太陽每秒鐘放射的能量大約是1.6×1023kW，其中到達(dá)地球的能量高達(dá)8×1013kW，相當(dāng)于6×109t標(biāo)準(zhǔn)煤。按此計(jì)算，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(chǔ)量的一萬倍〔2〕。太陽的壽命至少尚有40億年，相對(duì)于人類歷史來說，太陽可源源不斷供給地球的時(shí)間可以說是無限的。相對(duì)于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲(chǔ)量的“無限性”，取之不盡，用之不竭。這就決定了開發(fā)利用太陽能將是人類解決常規(guī)能源匱乏、枯竭的最有效途徑。?
(2)存在的普遍性
雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽能輻射的不均勻，但相對(duì)于其他能源來說，太陽能對(duì)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(guó)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(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染，加之其儲(chǔ)量的無限性，是人類理想的替代能源。
(4)利用的經(jīng)濟(jì)性
可以從兩個(gè)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(shí)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，有些太陽能利用已具經(jīng)濟(jì)性，如太陽能熱水器一次投入較高，但其使用過程不耗能，而電熱水器和燃?xì)鉄崴?/u>在使用時(shí)仍需耗費(fèi)，有關(guān)研究結(jié)果表明〔3〕，太陽能熱水器已具很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著科技的發(fā)展以及人類開發(fā)利用太陽能的技術(shù)突破，太陽能利用的經(jīng)濟(jì)性將會(huì)更明顯。
1.3? 21世紀(jì)后期太陽能將占主導(dǎo)地位
世界各國(guó)，尤其發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)21世紀(jì)的能源問題都特別關(guān)注。由于化石能源儲(chǔ)量的有限性和利用的污染性，各國(guó)專家都看好太陽能等可再生能源，盡管目前太陽能的利用僅在世界能源消費(fèi)中占很小的一部分。如果說20世紀(jì)是石油世紀(jì)的話，那么21世紀(jì)則是可再生能源的世紀(jì)， 太陽能的世紀(jì)。據(jù)權(quán)威專家估計(jì)，如果實(shí)施強(qiáng)化可再生能源的發(fā)展戰(zhàn)略，到下世紀(jì)中葉，可再生能源可占世界電力市場(chǎng)的3/5，燃料市場(chǎng)的2/5。在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中，太陽能處于突出位置。美國(guó)的馬奇蒂博士對(duì)世界一次能源替代趨勢(shì)的研究結(jié)果表明，太陽能將在21世紀(jì)初進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展階段，并在2050年左右達(dá)到30%的比例，次于核能居第二位，21世紀(jì)末太陽能將取代核能居第一位〔5〕。殼牌石油公司經(jīng)過長(zhǎng)期研究得出結(jié)論，下一世紀(jì)的主要能源是太陽能；日本經(jīng)濟(jì)企劃廳和三洋公司合作研究后則更 樂觀地估計(jì)，到2030年，世界電力生產(chǎn)的一半將依靠太陽能。正如世界觀察研 究所的一期報(bào)告所指出：正在興起的“太陽經(jīng)濟(jì)”將成為未來全球能源的主流。其最新一期報(bào)告則指出，1997年全球太陽電池的銷售量增長(zhǎng)了40%，已成為全球發(fā)展最快的能源。
2太陽能開發(fā)利用技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)?
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(gè) 世紀(jì)的事情。1954年美國(guó)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)了太陽能開發(fā)利用。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的努力，太陽能光熱利用技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)異 軍突起，成為能源工業(yè)的一支生力軍。迄今為止，太陽能的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，但最終可歸結(jié)為太陽能熱利用和光利用兩個(gè)方面。
2.1太陽能熱利用及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展?
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，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。?
2.1.1 太陽能熱水器?
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(chǎng)和燃?xì)鉄崴魇袌?chǎng)。國(guó)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(duì)新能源減免稅優(yōu)惠的政策導(dǎo)向，使工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)外太陽能熱水器總量為45萬m2，其中日本為20萬m2，美國(guó)為12萬m2，歐洲為8萬m2，其他國(guó)家為5萬m2。世界環(huán)境發(fā)展大會(huì)之后，許多國(guó)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(guó)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(guó)是世界上太陽能熱水器生產(chǎn)量和銷售量最大的國(guó)家。1992年銷售量為50萬m2 ，為世界其他各國(guó)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(guó)太陽能熱水器銷售量300萬m2，目前，我國(guó)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(dá)80%，日本為11%，臺(tái) 灣達(dá)2.7%.〔6〕.，我國(guó)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(guó)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(guó)和以色列批量生產(chǎn)。
隨著世界范圍內(nèi)的環(huán)境意識(shí)和節(jié)能意識(shí)的普遍提高，太陽能熱水器必將逐步替代電熱水器和 燃?xì)鉄崴鳌ｋm然太陽能熱水器目前仍存在市場(chǎng)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(shì)，而且隨著技術(shù)的發(fā)展其經(jīng)濟(jì)性也逐漸 顯露出來。表1為三種熱水器的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較結(jié)果.，從中可以看出，太陽能熱水器在經(jīng)濟(jì)上已具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。??
表1三種熱水器經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比
項(xiàng)目品種壽命(年) ?使用天數(shù) (天) ?購(gòu)置費(fèi)用?(元) ?運(yùn)行費(fèi)用?(元) ?總投資?(元) ?備 注
太陽能熱水器 ?10～15 ?300*2300 ?250 ?2550 ?均以日
產(chǎn)水量電熱水器 ?5～8 ?300 ?1000 ?4500 ?550080kg
水溫40燃?xì)鉄崴??6 ?300 ?5003 ?700420 ?0～60℃計(jì)算
*有關(guān)專家認(rèn)為該數(shù)字應(yīng)為250天左右。??
2.1.2 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(guó)際公司在美國(guó) 南加州自1984年至1991年共建造了9個(gè)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(guó)政府和州政府先后在1991年取消對(duì)太陽能電站的投資減免稅優(yōu)惠政策，迫使第10號(hào)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(chǎng)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(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(shí)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(huì)，它和米爾斯公司將合建一個(gè)太陽能熱發(fā)電的聯(lián)合體，為奧運(yùn)村旅館和運(yùn)動(dòng)會(huì)主會(huì)場(chǎng)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(shí)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。?
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熱發(fā)電技術(shù)(簡(jiǎn)稱拋物面槽式)；②30～200MW點(diǎn)聚焦中央接收式太陽熱發(fā)電技術(shù)(簡(jiǎn)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(jiǎn)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(guó)加州的9座太陽熱發(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(guó)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(guó)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(jí)。拋物面盤式太陽熱發(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(chǎng)潛力。在美國(guó)加州的太陽熱發(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(hào)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(hào)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(jìng)爭(zhēng)。我國(guó)西南電力設(shè)計(jì)院曾對(duì)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(duì)地中海國(guó)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(chǎng)潛力。一方面，地中海國(guó)家技術(shù)水平高、資金雄厚，且有很好的太陽 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(guó)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/m\+2的面積達(dá)到700 萬km\+2，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(chǎng)。?
2.2太陽能光電技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)?
2.2.1太陽能光電已成為全球發(fā)展最快的能源?
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(chǎng)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(gè)美國(guó)家庭的年耗電量太陽能。?
2.2.2提高轉(zhuǎn)換效率、降低成本是光電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵?
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(shì)，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。目前，世界太陽電池年產(chǎn)量已超過150MW，是1944年產(chǎn)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(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 %.。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/W p，售價(jià)也相應(yīng)降到4~5美元/Wp；非晶硅太陽能電池單結(jié)售價(jià)3~4美元，多結(jié)售價(jià)為4～5 美元/Wp。與十年前相比，太陽光電池價(jià)格普遍降低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(jiǎn)便?？梢灶A(yù)料，隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)的拓展，光電池成本及 售價(jià)將會(huì)大幅下降。表4為地面用光伏組件成本/價(jià)格的預(yù)測(cè)結(jié)果，表5為美國(guó) 國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室對(duì)太陽電池成本與市場(chǎng)的關(guān)系所做的估計(jì)。對(duì)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(shù)進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展時(shí)期。??
表2世界光電組件的產(chǎn)量及年增長(zhǎng)率
年份1989199019911992199319941995199619971998
年產(chǎn)量(MW)42.047.054.058.261.070.781.090.612
表3商品化光伏直流組件效率預(yù)測(cè)(%)
電池技術(shù)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
表4地面用太陽能電池組件成本/價(jià)格預(yù)測(cè)(美元)
電池種類\年份 1990199520002010
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?
表5太陽能電池成本與市場(chǎng)的關(guān)系
太陽能電池成本?(美元/峰瓦)可進(jìn)入的市場(chǎng)
＞6少量應(yīng)用2～5通信、邊遠(yuǎn)地區(qū)
1～2城市屋頂系統(tǒng)＜1大規(guī)模發(fā)電
?2．2．3光伏新技術(shù)發(fā)展日新月異?
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(duì)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.〔15〕.。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。專家推斷，只要有一二種取得突破，就會(huì)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(guó)問世，1 993年美國(guó)國(guó)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(guó)都在爭(zhēng)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〔18〕：通過非晶硅與窄禁帶材料的層疊，是有效利用長(zhǎng)波太陽光，提高非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的良好途徑。研究表明，把1.3ev和1.7ev光 學(xué)禁帶度組合起來的薄膜非晶硅與多晶硅串聯(lián)電池轉(zhuǎn)換效率最高。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〔19〕：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.Grtzel博士領(lǐng)導(dǎo)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(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(jiǎn)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。?
2.2.4各國(guó)的光伏計(jì)劃雄心勃勃?
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(zhǎng)足的進(jìn)展 。目前，已建成多座兆瓦級(jí)光伏電站，最大的是位于美國(guó)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50MW.p，估計(jì)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(guó)準(zhǔn)備建造的另一座電站規(guī)模將達(dá)到100MW.p，已與太陽能熱發(fā)電站容量相匹敵。除此之外，一些國(guó)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(guó)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1～5kW.p，累計(jì)安裝量已達(dá)33MW.p，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)185MW.p，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4kW.p，總?cè)萘繛?80MW.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(tǒng)。意大利1998年開始實(shí)施“全國(guó)太陽能屋頂計(jì)劃”，總投入5500億里拉，總?cè)萘窟_(dá)50MW.p。而最雄心勃勃的屋頂計(jì)劃當(dāng)屬1997年6月美國(guó)總統(tǒng)克林頓宣布實(shí)施的美國(guó)“百萬屋頂計(jì)劃”，計(jì)劃從1997年開始至2010年，將在百萬個(gè)屋頂上，安裝總?cè)萘窟_(dá)到3025MW.p的光伏系統(tǒng)，并使發(fā)電成本降到6美分/kWh。上述各國(guó)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，Photo wott公司， AP公司和三洋/Solec公司15MW。據(jù)美國(guó)Spire公司預(yù)測(cè)，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?。?
光伏技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，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(fā)展。應(yīng)用上將從屋頂系統(tǒng)突破，逐步過渡到與建筑一體化的大型并網(wǎng)光伏電站的發(fā)展。?
2.3太陽能光電制氫?
70年代科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：在陽光輻照下TiO2之類寬頻帶間隙半導(dǎo)體，可對(duì)水的電解提供所需能量，并析出O2和H2，從而在太陽能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域產(chǎn)生了一門新興學(xué)科--光電化學(xué)。隨著光 電化學(xué)及光伏技術(shù)和各種半導(dǎo)體電極試驗(yàn)的發(fā)展，使得太陽能制氫成為發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的最佳選擇。?
1995年，美國(guó)科學(xué)家利用光電化學(xué)轉(zhuǎn)換中半導(dǎo)體/電介質(zhì)界面產(chǎn)生的隔柵電壓，通過固定兩個(gè)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(gè)光粒子床概念的光電化學(xué)水分解機(jī)制為：?
H2的光反應(yīng)4H2O+4M°→2H2+4OH-+4M+?
O2的光反應(yīng)4OH-+M+→O2+2H2O+4M°?
凈結(jié)果為：2H2O→2H2+O2(其中M為氧化還原介質(zhì))?
近來，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)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(xué)研究所以特殊半導(dǎo)體做電極，鉑對(duì)極，電解質(zhì)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(chǎn)業(yè)方面，1990年德國(guó)建成一座500kW太陽能制氫示范廠，沙特阿拉伯已建成發(fā)電能力為350kW的太陽能制氫廠。印度于1995年推出了一項(xiàng)制氫計(jì)劃，投資4 800萬美元，在每年有300個(gè)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(tǒng)制得的氫，以金屬氧化物的形式貯存起來，保證運(yùn)輸?shù)陌踩履茉?。?0年代以來，德、英、日、美等國(guó)已投資積極進(jìn)行氫能汽車的開發(fā)。美 國(guó)佛羅里達(dá)太陽能中心研究太陽能制氫(SH)已達(dá)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(jià)值利用方面獲得成功，為氫燃料汽車的實(shí)用化提供了重要基礎(chǔ)。其他，在對(duì)重量十分敏感的航天、航空領(lǐng)域以及氫燃料電池和日常生活中 “貯氫水箱”的應(yīng)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(fā)力”強(qiáng)、來源廣、品 質(zhì)純凈、貯存便捷等許多優(yōu)點(diǎn)，因此，隨著太陽能制氫技術(shù)的發(fā)展，用氫能取代碳?xì)浠衔锬茉磳⑹?1世紀(jì)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論