太阳能光伏发电发展趋势和展望

21世纪太阳能光伏发电发展趋势和展望摘 要 本文分析了全世界光伏市场的发展情况和趋势，指出太阳光伏发电在今后十年内将进入一个快速发展阶段，随着太阳能电池的成本降低和国家政策推动，预测未来光伏产业的平均增长率将达到20%左右。提出政府的政策法规是对光伏产业最有影响力的因素的观点。希望政府尽快制定强有力的政策，使光伏产业在激烈的竞争中健康发展。1前言电的发明使人类社会的发展进入了一个划时代的文明阶段，在上世纪的中、后期，人们在航天、交通、通讯等领域的技术发展使人类更多地了解了自然和宇宙的神秘，更快地促进了人类文明的发展，同时，人类对能源的需求也越来越大。直到目前为止，人类主要依赖煤、石油和天然气等化石燃料而生存。随着经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，人们对能源的需求不断扩大，于是给现实社会带来两大问题：能源危机煤和石油的储藏量相当有限，取之有尽；环境污染以煤、石油的大量燃烧而排放的废气（CO2和SO2）所产生的环境污染和温室效应使人类的生存环境不断恶化。上述两大问题迫使人们将眼光投向新的绿色能源的开发和利用。本文总结了近年来全球光伏产业的发展情况，尤其是西方发达国家为推动新能源产业所作的努力，展望了中国和世界光伏产业发展的前景。2发展新能源的迫切性纵观人类的发展历史，每一次能源革命都大力地推动了人类文明的发展。瓦特发明的蒸汽机推动了第一次工业革命，艾迪生发明的灯泡使人类告别黑夜的时代。图1描述了人类能源需演变情况，我们可以将人类能源发展史大体分为前工业时代、工业时代和后工业时代。在前工业时代，人类还未具备开发能源利用的能力，因此社会财富和能源消耗水平均很低；到了工业时代，化石燃料和工业革命结合创造了人类历史上辉煌的文明时代，科学技术飞速发展，物质财富空前增加，人类的生活水平日益提高，孕育了下一个更高的文明时代，但同时也造成了资源的极大浪费，生态环境的恶化和破坏；后工业时代将是一个新的文明时代，能源结构将是各种干净和可再生能源结构的组合，单位能耗的物质财富极大增加，生态环境得到恢复和改善，可持续发展将成为一切社会活动的准则，人和自然将会友好相处。化石燃料所提供的能源只是人类发展历史上一个脉冲，据国际机构预测，化石燃料的产出峰值将会在本世纪2020-2030年之间出现。然而，人类的文明史不能由于化石燃料的枯竭而终止。人类必须寻求其他新能源以确保人类文明发展的源远流长，图2显示了shell公司对过去和现在能源结构的分析以及将来的发展趋势。化石燃料的逐渐枯竭必须由其他的可再生能源进行替代，而太阳能将是新的能源结构的重要组成部分。3光伏发电产业和市场的发展现状31 光伏产业和市场国际光伏工业在过去15年平均年增长率为15。90年代后期，世界市场出现了供不应求的局面，发展更加迅速。1997年世界太阳电池光伏组件生产达122MW，比96年增长38，是4年前的2倍，是7年前3倍，超出光伏界专家最乐观的估计。1998年光伏组件生产达到157.4MW，比1997年增长29,光伏发电总装机容量达到800MW 2 。在产业化方面，各国一直在通过改进工艺、扩大规模和开拓市场等措施降低成本，并取得了巨大进展。以美国为代表，能源部自1990年起动了 PVMaT(光伏制造技术)计划，旨在大幅度降低成本。计划实施产生了非常明显的效果：商品化电池效率达到1215；生产规模从过去的15MW/年发展到520MW/年，并正在向50MW扩大；工艺不断简化，自动化程度不断提高；三年来；光伏组件生产成本降低了32以上，降到3美元/Wp以下，售价降到4美元/Wp左右。美国的目标是：2005年光伏系统安装成本降到3美元/Wp(11美分/KWh), 2010年降到1.5美元/Wp(6美分/KWh以下)。欧洲和日本也有类似的计划，竞争促使各发达国家的产业化技术几乎以大致相同的水平和速度向前发展。在光伏发电领域，印度在发展中国家处领先地位，现有80个公司从事光伏发电事业，其中有6个太阳电池制造厂，12个组件生产厂。19971998年，电池生产8.2MW,组件生产11MW，出口4MW。19982002年印度计划安装150MW。2002年生产将达到50MW/年。截止1998年低，印度光伏发电总装机容量达到35MW。98年7月正当世界金融危机最疯狂的时候，世界PV市场比1997年同期增长了50。世界各大公司业纷纷制定和实施扩产计划，98年初PVIR统计，将于2000年完成的扩产新增能力为263.5MW/年, 比1997年高出2倍. 可以说，光伏发电技术和产业正在腾飞。欧盟科技局局长Wolfgang Palz博士在第二届国际太阳能光伏会议(1998.7.6-10,Vienna)上，对目前光伏技术商业化发展态势发表了如下看法： 光伏技术的发展已经很明显地结束了它的前期开拓(pioneer)阶段,并开始了它的蓬勃发展(explosion)阶段。32 光伏技术的重大进展为降低光伏发电成本的各种研究开发工作一直在发达国家中紧张地进行着。澳大利亚新南威尔士大学高效单晶硅电池和多晶硅电池效率分别达到24.5和19.8，美国、日本、德国也分别达到20以上和17以上。非晶硅薄膜电池通过双结、三结迭层和Ge-Si合金层技术，在克服光衰减和提高效率上不断有新的突破，实验室稳定效率已经突破15。CdTe电池效率达到15.8%，CIS电池效率18.8。多晶硅薄膜电池的研究工作自1987年以来发展迅速，成为世界关注的新热点。33我国光伏发电技术及产业的现状我国太阳能光伏发电产业经过近二十年的努力已经奠定了一个良好的基础。目前有6个单晶硅电池及组件生产厂和2个非晶硅电池生产厂。2004年光伏组件产量达到60MW,装机容量100MW(部分进口品),累计总装机容量达到150MW。 在技术开发方面，先后开展了晶硅高效电池，非晶硅电池，CdTe、CIS电池，多晶硅薄膜电池以及应用系统的关键技术研究。近年来在国家科委的支持下，高效电池和多晶硅薄膜电池的研究开发取得可喜的成果：单晶硅高效电池效率达到16.79，大面积(55cm2)刻槽埋栅电池效率达到18.6，多晶硅电池效率达到14.5%。在多晶硅薄膜电池方面，采用快速热CVD技术在非活性硅衬底上制备的多晶薄膜电池效率达到14.8%。并且建立了国内一流的光伏技术研究开发实验室，形成了一支较强的光伏技术研究开发队伍，成为我国太阳能光伏技术研究开发的重要基地。我国光伏发电技术及产业的发展在总体水平上同国外相比还有很大差距，表现在以下几个方面：生产规模小。目前我国太阳电池生产厂基本上保持在2002年引进时的规模和水平上,实际生产能力均在15.5MW/年左右。2003年随着欧洲国家光伏发电热的影响，仅2003年国太阳电池组件的产量达80MW，约占世界产量的3%。技术水平较低。我国太阳电池的效率平均在1315；组件封装水平低，工程现场证明，部分产品大约57年就出现发黄、起泡、焊线脱落、效率下降等问题，质量同国外有一定差距。专用原材料国产化程度不高。专用材料如银浆、封装玻璃、EVA等尚未完全实现国产化。国家曾将提高商业化电池效率和材料国产化列入“八五”计划，并取得一定成果，但性能有待进一步改进，各厂家部分材料仍然采用进口品。成本高。目前我国电池组件成本约26元/Wp，平均售价35元/Wp，成本和售价主要受太阳能电池片的影响较大。国内市场发展迟缓。我国地域广大、人口众多，7000万人生活在无电地区，光伏发电的潜在市场非常巨大。但光伏发电成本高，目前还不能与常规发电相比。在市场开拓方面，缺乏相应的支持政策、法规、措施，投入少，市场发展迟缓。对比之下，国外各大公司和世界银行对开拓中国光伏市场表现出极大兴趣和热心。例如，世界银行通过GEF(全球环境基金)项目向中国赠款2500万美元用于光伏市场开拓，总计10MW户用光伏发电系统；荷兰政府向新疆赠送近10万套户用光伏电源系统，价值1500万美元；日本、美国、欧洲的一些公司也都有过类似的赠送和示范项目，这对我国光伏事业的发展无疑是起着推动和催化作用。面对将被开发出来的巨大市场，我国的光伏产业必须加快步伐迎接严峻的挑战。4二十一世纪光伏发电发展趋势和展望预测今后10年光伏组件的生产将以2030甚至更高的递增速度发展。 快速发展的屋顶计划、各种减免税政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格为光伏市场的发展提供了坚实的基础。市场将逐步由边远地区和农村的补充能源向全社会的替代能源过渡。预测下世纪中页，光伏发电成为人类的基础能源之一。光伏的未来前景已经被愈来愈多的国家政府和金融界(如世界银行)所认识。特别是97年以来许多发达国家和地区纷纷制定光伏发展规划，如美国到计划到2010年累计安装4.6GW(美国能源部规划,含百万屋顶计划)；欧盟累计安装6.7GW(可再生能源白皮书),其中3.7GW安装在欧洲内部，3GW出口；日本累计安装5GW(NEDO日本新阳光计划)，预计其他发展中国家1.8GW(估计约10)，世界累计安装18GW。是1998年的200多倍，届时世界光伏组件价格：1-1.5美元/Wp，安装成本在2美元以下，发电成本6-8美份/KWh。41光伏发电成本降低趋势PV系统安装价格每年以9速率降低。1996年平均安装成本约7美元/Wp， 预计2005年可降到3美元/Wp， PV发电成本0.11美元/KWh，2010年降到6美分/KWh，相当于系统安装成本1.7美元/Wp。降低成本可通过扩大规模、提高自动化程度和技术水平、提高电池效率等技术途径实现。通过可行性研究分析可以看出，500MW/年的规模,采用现有不同的商业化晶硅技术，可使PV组件成本降低到0.71-1.78欧元/Wp，如果加上技术改进和提高电池效率等措施，组件平均成本可降低到1美元/Wp。在这个组件成本水平上，加上系统其他部件成本也在不断改进和降低，发电成本6美分/KWh, 是可能和现实的。考虑到薄膜电池，未来降低成本的潜力更大，因此，在下世纪前1030年把PV系统安装成本降低到与核电可比或更低是完全可能的。42光伏产业向百兆瓦级规模和更高技术水平发展目前PV组件的生产规模在520MW/年，下世纪将向百兆瓦级甚至更大规模发展。同时自动化程度、技术水平也将大大提高，电池效率将由现在的水平(单晶硅1315，多晶硅1113)向更高水平(单晶硅1820，多晶硅1618)发展,同时薄膜电池在不断研究开发，这些都为大幅度降低光伏发电成本提供了技术基础。43光伏建筑将成为光伏应用的最大市场光伏建筑集成及并网发电近年来获得了快速发展。建筑物能为光伏系统提供足够的面积，不需另占土地；能省去光伏系统的支撑结构、省去输电费用；光伏阵列可代替常规建筑材料，节省材料费用；安装建筑施工结合，节省安装成本；分散发电，避免传输和分电损失(510)，降低输电和分电投资和维修成本。集成设计使建筑更加洁净、完美，更易被专业建筑师、用户和公众接受。太阳能光伏系统和建筑的完美结合体现了可持续发展的理想范例，国际社会十分重视。国际能源组织(IEA)于1991和1997年相继两次年起动建筑光伏集成计划。许多国家相继制定了本国的屋顶计划，使得建筑光伏集成技术如旭日东升，蓬勃发展。例如，1997年6月美国宣布了“克林顿总统百万屋顶光伏计划”，2010年完成。该计划旨在加速和促进美国光伏产业的快速发展，把发电成本降到6美分/KWh以下，起到减排CO2、增加社会就业、保持和加强美国光伏产业在世界的领先地位和支配地位的作用。欧洲于大致相同的时间宣布了百万屋顶计划，于2010年完成。日本政府的计划目标是，到2010年安装5000MW屋顶光伏发电系统。德国联合政府在欧洲百万屋顶的框架下于98年10月份提出了一个PV工业20年来最庞大的计划在6年内安装10万套PV屋顶系统，总容量在300500MW,每个屋顶约35