探究太阳能发展现状

（1）太阳能电池产业

太阳能电池是指利用半导体材料形成的PN结的光生电动势效应（或称光生伏特效应，Photovoltaic Effect）将太阳能转换为电能的器件。具体描述为，当太阳光照射到半导体材料时，激发出自由电子和空穴，两者分别向PN结两侧漂移，聚集在两端电极上而形成光生电动势，若接上负载后即可产生光生电流，其工作原理如图3.7所示。太阳能电池中最关键和最重要的部分是半导体材料层，半导体材料层的性质优劣直接关系太阳能电池转换效率的高低。根据太阳能电池中半导体材料的种类和状态，将太阳能电池分为单晶硅、多晶硅、非晶硅、化合物半导体、薄膜型，以及染料敏化纳米晶太阳能电池和有机太阳能电池。

目前，硅晶电池和薄膜电池均得到长足的发展。世界上太阳能电池以晶体硅电池为主，占据约90%的市场份额。近年来，随着薄膜电池的生产技术和工艺的提升，能量转换效率有了很大提高，对于高成本的晶体硅电池而言，薄膜电池的性价比更高。2011—2016年，我国硅片、多晶硅和电池片的产量及全球占比情况如图3.8—图3.10所示。在晶硅电池中，标准晶硅电池产量约占世界总产量的75%；高效单晶硅电池产量约占总产量的6%。在薄膜电池中，非晶硅电池产量约占总产量的7.47%，碲化镉（CdTe）太阳能电池的产量约占总产量的9.56%，而CIGS薄膜太阳能电池的产量约占世界总产量的1.56%。

图3.7　太阳能电池工作原理图

图3.8　2011—2016年中国硅片产量及全球占比分析

图3.9　2011—2016年中国多晶硅产量及全球占比分析

图3.10　2011—2016年中国电池片产量及全球占比分析

太阳能电池的历史可追溯到1954年Bell实验室的发明。2002年以来，世界太阳能电池产业一直保持着高速增长的态势。在我国，太阳能电池产业及相关技术的研发一直被广泛关注并受到高度重视，早在“七五”期间，国家重大课题已经将非晶硅半导体的研究开发列入其中；“八五”和“九五”期间，研发的重点转移到大面积太阳能电池的研发方面。2003年，科技部联合国家发改委制订了未来5年太阳能资源开发计划，其中，发改委推出“光明工程”，提出筹资100亿元用于太阳能发电技术的研发和应用。自此以后，我国太阳能电池行业在光伏扶贫、能源转型、鼓励发展分布式光伏以及电价补贴等措施和政策的激励下，一直保持快速发展的态势。目前，太阳能电池已在工、农、商、通信、家电以及军事领域、航天领域和公用设施等领域广泛应用，甚至在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村也在推广使用。从长远来看，伴随太阳能电池制造技术的革新，新光-电转换技术和装置的研发制造，再加上各国对环境保护和对新型清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍是利用太阳辐射能可靠可行的办法，有望为人类大规模利用太阳能开辟广阔的思路和前景，并且越来越被各国重视。2011—2016年，全球太阳能电池产能、产量状况见表3.3，由表可知，2016年全球太阳能电池产量接近90 GW。近年来，我国太阳能电池企业在电池技术方面作了一系列有益的探索，电池技术取得了明显的进步，具体见表3.4。

表3.3　2011—2016年全球太阳能电池产能、产量状况

表3.4　我国部分电池企业技术进步情况

伴随着我国太阳能电池行业的进一步发展，预计未来几年，太阳能电池行业供给将呈现出逐年增长的态势，到2022年，太阳能电池行业产量将达到95 GW，如图3.11所示。伴随科学技术的不断发展，太阳能电池得到了广泛的应用和推广，需求量也呈现出逐年上升的趋势。预计到2022年，需求量将达到49.4 GW，具体如图3.12所示。

图3.11　2020—2022年我国太阳能电池供给预测

图3.12　2020—2022年我国太阳能电池需求预测

总之，太阳能电池相关产业的飞速发展，为人们解决环境污染和能源危机带来了曙光，但目前太阳能电池的成本和价格仍是其广泛应用的一大障碍，太阳能电池产业的进一步推广和继续发展有赖于其能量转换效率的进一步提高、生产成本的降低及生产能耗的减少。而这些目标的实现有赖于新型薄膜太阳能电池特别是钙钛矿太阳能电池的研发、电池结构的创新。这是摆在人类面前的目标和挑战。

（2）光伏发电产业(www.xing528.com)

光伏发电主要是利用太阳能电池元件，基于光生伏特效应，将太阳能直接转化为电能的技术。离网运行（独立太阳能光伏发电系统）、并网运行（与电网相连的太阳能光伏发电系统）和混合系统是目前太阳能光伏并网发电系统的3种主要运行方式，即人们常说的“全部自用、自发自用余量上网、全部上网”3种模式。一般情况下，太阳能光伏并网发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器3部分组成。其工作原理如图3.13所示，具体解释为太阳电池组件在太阳辐射的刺激下产生直流电，该直流电经过并网逆变器进行转换，转换成符合电网要求的交流电并直接进入电网，或者由光伏电池阵列产生的电力除供应交流负载外，多余的电力并入电网。而在阴雨天或夜晚，太阳电池系统没有产生电能或产生的电能不足以供应负载需求，就改为由电网供电。太阳能并网系统是将太阳能多产生的电力直接并入电网，省去了配置蓄电池，也减少了蓄电池储能和释放过程，降低了能量的损耗，并大大降低了成本。

光伏产业是半导体技术与新能源需求相结合而衍生的产业，重视并加大光伏产业的发展对调整能源结构，推进能源生产和消费革命，促进生态文明建设具有重要意义。出于对保护环境和应对全球能源短缺现状的考虑，世界范围内的光伏发电产业均得到了快速发展。伴随光伏行业效率的提高和技术的进步，太阳能发电成本将会逐步降低，经济性上已经能和核电、水电展开竞争。近年来，世界各国表现出对光伏发电的极大热情。西班牙、德国、美国等均大力发展光伏产业，其中，德国是欧洲最大的光伏发电装机国，意大利、捷克、比利时、法国、西班牙等紧跟其后，是欧洲地区光伏发电装机较高的第二梯队国家。

图3.13　全部自用、自发自用余量上网的模式示意图

就我国而言，太阳能资源十分丰富，平均每年照到我国的太阳能能量相当于17 000亿t标准煤，且具有储量丰富、长久性、普遍性、洁净安全等优点，同时也具有分散性（见图3.14、图3.15）、间断性、不稳定性、效率低等缺点。数据显示，我国仅现有屋顶安装的分布式光伏发电系统，其市场潜力就达到3亿kW左右。使用和开发太阳能光伏发电，并结合用户需求实现分布式电力供应已成为调整能源格局的迫切需求。2016年我国的光伏发电装机容量已达7 742万kW，年平均增长率103%（表3.5）。2010年和2011年是增长最快的年份，增长幅度超过了200%，远大于其他发电方式的增速。

我国在《能源发展“十三五”规划》中明确指出，2020年我国太阳能发电规模将超过1.1亿kW，其中分布式光伏发电占有量为6 000万kW。国家能源局统计数据表明，2016年年底，我国分布式光伏累计装机容量为1 032万kW。2017年上半年，全国新增光伏发电装机容量为2 440万kW，同比增长9%。

图3.14　2015年我国光伏累计装机容量分区域占比统计

图3.15　2015年我国光伏新增装机容量分区域统计

表3.5　2007—2016年我国光伏发电累计和新增装机容量

数据来源：国家能源局。

受光伏技术的提升、电池组件效率的提高、制造工艺的进步及原材料价格下降等因素的影响，光伏发电成本不断下降。中国光伏行业协会数据显示，2013—2016年，我国硅材料成本下降了44.4%，组件成本下降了41.6%，逆变器成本下降了57.1%。“十三五”期间，硅基太阳能电池组件的转化效率将保持每年0.2%～0.5%的增速。发电成本的降低有利于实现光伏平价并网，提高其市场竞争力。预计到2020年，光伏发电成本可降至0.3～0.7元/（kW·h），部分地区可实现平价上网。成本降低还使光伏产业的利润大幅度提高，将增强其吸引资本投入的能力，推动光伏市场快速发展。现在，光伏产业已被列为我国战略性新兴产业，在产业政策引导和市场需求驱动的双重作用下，我国光伏产业发展迅速，已经成为可参与国际竞争并取得领先优势的产业。

我国光伏产业产能和产量虽然位居世界第一，但随着国内产能的增加，我国进口的光伏产品量也随之增加，这表明国内光伏产品的技术水平尚不能满足要求，生产效率较低。另外，因关键技术尚未掌握，我国的晶硅电池、薄膜电池生产线上的关键设备、辅佐材料等还依靠进口。虽然我国太阳能光伏产业正面临多种问题和挑战，却仍保持高速的发展势头，并可参与国际竞争，在某些领域有望达到国际先进水平。这些成绩能助力我国工业实现转型升级、调整能源结构、发展社会经济、推进节能减排。再加上作为清洁能源的太阳能得到了政府的政策支持，光伏发电也成为世界各国新能源发展的重点，光伏发电产业正面临前所未有的发展机遇，特别是光伏并网发电产业的推广应用为光伏发电行业的发展带来了巨大活力。

激光器，特别是超短脉冲高性能激光器，是生产薄膜太阳能电池模块的重要工具，它不仅有助于提高产量，还有助于优化加工工艺。激光器在未来光伏产业中会有更多的应用空间，如超短脉冲和高脉冲能量的激光器可以实现晶硅太阳能电池钝化层的选择烧蚀。随着太阳能电池生产成本面临的压力越来越大，促使高性能、高功率激光器被广泛应用在大规模生产中，且超短脉冲的新型激光技术也将催生更高效的生产工艺，将来激光技术的发展和进步，必能大幅降低太阳能电池的生产成本。太阳能电池与环保、节能、高效的半导体发光二极管（LED）技术相结合，开拓出太阳能与LED结合的新能源绿色照明方式。为保障太阳能电池输出的电力满足电网各项指标要求，太阳能并网发电系统需要专用的并网逆变器，光伏并网发电系统的进步必将促进逆变器技术的突破，并有助于逆变器拓扑、并网电流控制、软开关等诸多关键核心技术问题的进步。

太阳能光伏产业将占据未来世界能源消费的重要位置，不仅要实现替代部分常规能源，还将成为世界能源供应的主体。预计到2040年，清洁能源将占总能源消耗的50%以上，而光伏发电将占据总电力的20%以上。到21世纪末，清洁能源将占据总能耗的80%以上，而光伏发电将占到60%以上。这些相关规划充分证明光伏产业的良好前景及战略作用。要实现规划目标，必须基于技术基础需求，研发高效、低污染、低成本的太阳能电池技术，提高大规模光伏应用技术，加强光伏发电系统集成控制技术，布局太阳能产业链系统示范工程，研发太阳能光伏发电产业关键设备。只有统筹布局、刻苦攻关，才能高质量实现规划的宏伟目标。

在大型光伏并网发电领域，国家规划在西部建设兆瓦级集中式并网发电站。如青海省利用自身优势，建成世界上规模最大的龙羊峡850 MW水光互补并网光伏电站（见图3.16）、7 MW分布式离网光伏电站及国内首座商业化运营的10 MW塔式太阳能热发电站。另外，在光伏建筑一体化方面，主要在北京、上海、江苏、山东、广东等发达地区进行城市建筑屋顶光伏发电试点（见图3.17）。预计到2020年，全国将建成2万个屋顶光伏发电项目，总容量100万kW。

图3.16　青海龙羊峡850 MW水光互补并网光伏电站

图3.17　光伏一体化房屋效果图

另外，美国的电子工程师斯科特布尔萨提出，在路上铺上光伏器件建造太阳能公路。该公路的核心技术是把光伏电池结合发光二极管（LED）嵌入面板中，电池将产生足够的能量为企业、城市，最终为整个国家供电，LED光源将使“智能”公路和停车场变得可行，而且由LED光源组成的道路引导线、交通标志符、停车线等可以通过智能终端控制，根据实时情况作出变化调整。