太陽(yáng)能（急需）?。?！

【專家解說(shuō)】：世界太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及我國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思考 高 峰 ?(中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)信息中心 蘭州 730000) 摘要：太陽(yáng)能以其儲(chǔ)量的“無(wú)限性”、存在的普遍性、開(kāi)發(fā)利用 的清潔性以及逐漸顯露出的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)，其開(kāi)發(fā)利用是最終解決常規(guī)能源特別是化石能源 帶來(lái)的能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問(wèn)題的有效途徑，是人類理想的替代能源。當(dāng)前， 太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)及其推廣應(yīng)用突飛猛進(jìn)，1997年，全球太陽(yáng)能電池的銷(xiāo)售量增加了40% ，成為全球發(fā)展最快的能源。太陽(yáng)能熱水器已形成行業(yè)，正以其優(yōu)良的性能價(jià)格比不斷地 沖擊燃?xì)?、電熱水器市?chǎng)；太陽(yáng)能熱電站也已商業(yè)化，是大型太陽(yáng)能電站的希望所在；光電 技術(shù)發(fā)展更快，表現(xiàn)在光電轉(zhuǎn)換效率的不斷提高和光電池制造成本的不斷下降以及各種新型 太陽(yáng)能電池的問(wèn)世。各國(guó)對(duì)太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用給予了極大關(guān)注，突出表現(xiàn)在各國(guó)政府推出的 光伏計(jì)劃，如德國(guó)的“千頂計(jì)劃”，日本的“朝日七年計(jì)劃”以及美國(guó)的“百萬(wàn)屋頂計(jì)劃” 等。以色列在其房屋太陽(yáng)能熱水器安裝率達(dá)80%的情況下，更是明文規(guī)定，凡新建房屋必須 配置太陽(yáng)能熱水器。我國(guó)太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用有其成功之處，但也存在諸多問(wèn)題和不足。在綜合 分析我國(guó)太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)進(jìn)一步發(fā)展我國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了如下思考：① 重視太陽(yáng)能 開(kāi)發(fā)利用，迎接太陽(yáng)能經(jīng)濟(jì)時(shí)代；②加大投資力度，實(shí)施強(qiáng)化的光電發(fā)展戰(zhàn)略；③加大政策 優(yōu)惠程度，扶植太陽(yáng)能熱水器行業(yè)；④發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)，轉(zhuǎn)化產(chǎn)業(yè)優(yōu)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(wèn)題。而能源問(wèn)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(kāi)發(fā)利用帶來(lái)了一系列問(wèn)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(wèn)題，很大程度上是由于能源特別是化石能源 的開(kāi)發(fā)利用造成的。因此，人類要解決上述能源問(wèn)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(kāi)發(fā)利用可再生潔凈能源。太陽(yáng)能以其獨(dú)具的優(yōu)勢(shì)，其開(kāi)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(yáng)能與化石能源的簡(jiǎn)要比較 1．1 化石能源帶來(lái)的問(wèn)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(lái)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〔1〕。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(wàn)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(wèn)題最終將迫使人們改變能源結(jié)構(gòu)，依靠利用太陽(yáng)能等可再生潔凈能源來(lái)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(wèn)題已提到全球的議事日程，其影響甚至已超過(guò)了對(duì)環(huán)境的污染，有關(guān)國(guó) 際組織已召開(kāi)多次會(huì)議，限制各國(guó)CO2等溫室氣體的排放量。 1．2 陽(yáng)能資源及其開(kāi)發(fā)利用特點(diǎn) (1)儲(chǔ)量的“無(wú)限性” 太陽(yáng)能是取之不盡的可再生能源，可利用量巨大。太陽(yáng)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(yáng)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(wàn)倍〔2〕。太陽(yáng)的壽命至少尚有40億年，相對(duì)于人類歷史來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)可源源不斷供給地球的時(shí)間可以說(shuō)是無(wú)限的。相對(duì)于常規(guī)能源的有限性，太陽(yáng)能具有儲(chǔ)量的“無(wú)限性”，取之不盡，用之不竭。這就決定了開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)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(yáng)能輻射的不均勻，但相對(duì)于其他能源來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)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(wèn)題提供了美好前景。? (3)利用的清潔性 太陽(yáng)能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開(kāi)發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染，加之其儲(chǔ)量的無(wú)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(yáng)能利用的經(jīng)濟(jì)性。一是太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽(yáng)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(yáng)能利用已具經(jīng)濟(jì)性，如太陽(yáng)能熱水器一次投入較高，但其使用過(guò)程不耗能，而電熱水器和燃?xì)鉄崴髟谑褂脮r(shí)仍需耗費(fèi)，有關(guān)研究結(jié)果表明〔3〕，太陽(yáng)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(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的技術(shù)突破，太陽(yáng)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(yáng)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(wèn)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(yáng)能等可再生能源，盡管目前太陽(yáng)能的利用僅在世界能源消 費(fèi)中占很小的一部分。如果說(shuō)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(yáng)能的世紀(jì)。據(jù)權(quán)威專家估計(jì)〔4〕，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(yáng)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(如圖1所示) 表明，太陽(yáng)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(yáng)能將取代核能居第一位〔5〕。殼牌石油公司經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期 研究得出結(jié)論，下一世紀(jì)的主要能源是太陽(yáng)能；日本經(jīng)濟(jì)企劃廳和三洋公司合作研究后則更 樂(lè)觀地估計(jì)，到2030年，世界電力生產(chǎn)的一半將依靠太陽(yáng)能〔2〕。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(yáng)經(jīng)濟(jì)”將成為未來(lái)全球能源的主流。其最新一期 報(bào)告則指出，1997年全球太陽(yáng)電池的銷(xiāo)售量增長(zhǎng)了40%，已成為全球發(fā)展最快的能源①①。 2太陽(yáng)能開(kāi)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(yáng)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(kāi)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(yáng)電池，從此揭開(kāi)了太陽(yáng)能開(kāi)發(fā) 利用的新篇章。之后，太陽(yáng)能開(kāi)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(yáng)能開(kāi)發(fā)利用。經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的努力，太陽(yáng)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(yáng)能的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，但最終可歸 結(jié)為太陽(yáng)能熱利用和光利用兩個(gè)方面。太陽(yáng)能利用的具體形式和用途如圖2所示〔2〕。? 圖2太陽(yáng)能利用系統(tǒng) 2.1太陽(yáng)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(yáng)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。從圖2可以看出，太陽(yáng)能熱利用具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，可歸納為太陽(yáng)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(yáng)能熱利用最活躍、并已形 成產(chǎn)業(yè)的當(dāng)屬太陽(yáng)能熱水器和太陽(yáng)能熱發(fā)電。? 2.1.1 太陽(yáng)能熱水器? 在世界范圍內(nèi)，太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能熱水器總銷(xiāo)售量徘徊在幾十萬(wàn)平方米。據(jù)報(bào)道，1992年國(guó)外太陽(yáng)能熱水器總量為45萬(wàn)m2，其中日本為20萬(wàn)m2，美國(guó) 為12萬(wàn)m2，歐洲為8萬(wàn)m2，其他國(guó)家為5萬(wàn)m2。世界環(huán)境發(fā)展大會(huì)之后，許多國(guó)家又開(kāi) 始重視太陽(yáng)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(mén)托市的計(jì)劃，到2000年太陽(yáng)能熱水器將取代該州47000套家用電熱水器；到2000年日本太 陽(yáng)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(yáng)能熱水器 。目前，我國(guó)是世界上太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)量和銷(xiāo)售量最大的國(guó)家。1992年銷(xiāo)售量為50萬(wàn)m2 ，為世界其他各國(guó)銷(xiāo)售量之和；1995年銷(xiāo)售量翻番，達(dá)100萬(wàn)m2。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，1997年我 國(guó)太陽(yáng)能熱水器銷(xiāo)售量300萬(wàn)m2，目前，我國(guó)從事太陽(yáng)能熱水器研制、生產(chǎn)、銷(xiāo)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(wàn)人能源工程，1999 ，(1)：59。但從房屋的熱水器安裝率來(lái)說(shuō)，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(yáng)能熱水器的推廣應(yīng)用潛力仍很大。國(guó) 際上，太陽(yáng)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(yáng)能熱水器必將逐步替代電熱水器和 燃?xì)鉄崴?。雖然太陽(yáng)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(yáng)能熱水器具有不耗能、安全性、無(wú)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(lái)。表1為三種熱水器的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較結(jié)果.〔3〕.，從中可以看出，太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)? 80年代太陽(yáng)能熱利用技術(shù)的最大突破是實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)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(yáng)能熱發(fā)電站，總功 率為354MW，約占當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)容量的2%〔7〕。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(yáng)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(yáng)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(kāi)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(yáng)能熱發(fā)電站的能力。該公司已開(kāi)始在澳大利亞建造 一座70MW的槽型太陽(yáng)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(yáng)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〔7〕。希臘政府1997年開(kāi)始實(shí)施一項(xiàng)500MW的太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能熱電站沙特阿拉伯《中東報(bào)》，1997年12 月1日?qǐng)?bào)道。? 目前，太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)熱發(fā)電技術(shù)(簡(jiǎn)稱塔式 )；③7.5～25kW的點(diǎn)聚焦拋物面盤(pán)式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)(簡(jiǎn)稱拋物面盤(pán)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(yáng)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(yáng)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1 00MW的電站〔8〕。為了提高塔式電站的效率，有人提出了一種新想法〔8〕， 把帶有太陽(yáng)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(yáng)能提高天然氣等級(jí)。拋物面盤(pán)式太陽(yáng)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(yáng)能供電的一種方式，太陽(yáng)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(yáng)熱發(fā)電站建造過(guò)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.〔9〕.。因此，拋物面槽式在太陽(yáng)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(yáng)能熱電站進(jìn)行估算， 如果考慮設(shè)備的折舊和還貸，太陽(yáng)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(yáng)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.〔9〕.。有人估算過(guò)13種太陽(yáng)熱電站在不同日照射條件下 的發(fā)電成本.〔8〕.，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(yáng) 能熱發(fā)電應(yīng)用進(jìn)行過(guò)可行性研究，認(rèn)為太陽(yáng)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(yáng) 熱發(fā)電示范和早期商業(yè)化基礎(chǔ)；另一方面，未來(lái)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(yáng)能資源豐富，年輻射強(qiáng)度大于1700kWh/m\+2的面積達(dá)到700 萬(wàn)km\+2，太陽(yáng)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(yáng)能熱發(fā)電市場(chǎng)。? 2?2太陽(yáng)能光電技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)? 2.2.1太陽(yáng)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(yáng)電池的問(wèn)世，揭開(kāi)了光電技術(shù)的序幕，也揭開(kāi)了人類利用太陽(yáng)能 的新篇章。自60年代太陽(yáng)電池進(jìn)入空間、70年代進(jìn)入地面應(yīng)用以來(lái)，太陽(yáng)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(yáng)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(shuō)，1990年以來(lái)，全球太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置的市場(chǎng)銷(xiāo)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(wàn)個(gè)美國(guó)家庭的年耗電量太陽(yáng)能，1998，(4)：22。? 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(yáng)能光 電仍是花費(fèi)最高的一種形式，因此，發(fā)展陽(yáng)光發(fā)電技術(shù)的主要目標(biāo)是通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有的制造工 藝，設(shè)計(jì)新的電池結(jié)構(gòu)，開(kāi)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(lái)，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(yáng)電池年產(chǎn)量已超過(guò)150MW，是1944年產(chǎn)量的兩倍還多， 如表2所示。單晶硅太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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 %.〔10〕.。表3??〔11〕?為有關(guān)研究人員所做的太陽(yáng)能電池組件的效率預(yù)測(cè)。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(yáng)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/W?p；非晶硅太陽(yáng)能電池單結(jié)售價(jià)3~4美元，多結(jié)售價(jià)為4～5 美元/W?p??〔10〕?。與十年前相比，太陽(yáng)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(yáng)能電池，其光電轉(zhuǎn)換率高達(dá)33%，并成功地采用 了一種無(wú)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(lái)也更加簡(jiǎn)便??〔12〕??？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??〔13〕?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(yáng)電池成本與市場(chǎng)的關(guān)系所做的估計(jì)??〔14〕?。對(duì)比表4， 表5，可以看出，2010年以后，由于太陽(yáng)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 2150年增長(zhǎng)率(%)12%15%8%5%16%15%12%35%23%? 表4地面用太陽(yáng)能電池組件成本/價(jià)格預(yù)測(cè)(美元) 電池種類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 CIS2.00/3.331.20/2.000.75/1.25 CdTe1.50/2.501.20/2.000.75/1.25? 表5太陽(yáng)能電池成本與市場(chǎng)的關(guān)系 太陽(yáng)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 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\= 2?2?3光伏新技術(shù)發(fā)展日新月異? 近年來(lái)，圍繞光電池材料、轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性等問(wèn)題，光伏技術(shù)發(fā)展迅速，日新月異。晶體 硅太陽(yáng)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(yáng)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(wèn)題，近年來(lái)開(kāi)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(wèn)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池研究取得 重大進(jìn)展和各種新型太陽(yáng)能電池的不斷涌現(xiàn)。晶體硅太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池成本驟降80%，為此， 澳大利亞政府投資6400萬(wàn)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.〔16〕.。? 高效新型太陽(yáng)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(lái)，一些 新型高效電池不斷問(wèn)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(yáng)能電池..〔17〕.：1974年CIS電池在美國(guó)問(wèn)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(yáng)能電池具有成 本低(膜厚只有單晶硅的1/100)、可通過(guò)增大禁帶寬度提高轉(zhuǎn)換效率(理論值為單晶30%，多 晶24%)、沒(méi)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(kāi)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(yáng)能電池〔18〕：通過(guò)非晶硅與窄禁帶材料的層疊，是有效利用 長(zhǎng)波太陽(yáng)光，提高非晶硅太陽(yáng)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(lái)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(yáng)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(yáng)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/W?p的成本獲得超 高效率。? (4)大面積光伏納米電池〔20〕：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(guò)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(yáng)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(yáng)能光電技術(shù)的日趨成熟和商業(yè)化發(fā)展，太陽(yáng)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6.5MW. p，現(xiàn)正在希臘克里特島建造的一座陽(yáng)光電站，容量為50MW.p，估計(jì)2003年可建成供電，總 投資1775萬(wàn)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(yáng)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(yáng)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(wàn)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(kāi)始實(shí)施“朝 日七年計(jì)劃”，計(jì)劃到2000年安裝16.2萬(wàn)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(wàn)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(wàn)套太陽(yáng)能屋頂系統(tǒng)。意大利1998年開(kāi)始實(shí)施“全國(guó)太陽(yáng)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(wàn)屋頂計(jì)劃”，計(jì)劃從1997年開(kāi)始至2010年，將在百萬(wàn)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(yáng)能光電的應(yīng)用普及，使太陽(yáng)能光電進(jìn)入千家萬(wàn)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(yáng)能公司50MW ，西門(mén)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②?。? 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(guò)渡到薄膜太陽(yáng)能電池和各 種新型太陽(yáng)能光電池的發(fā)展。應(yīng)用上將從屋頂系統(tǒng)突破，逐步過(guò)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(yáng)能光電制氫? 70年代科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：在陽(yáng)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(yáng)能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域產(chǎn)生了一門(mén)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(yáng)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(guò)固定兩 個(gè)光粒子床的方法，來(lái)解決水的光催化分離問(wèn)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(lái)，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(yáng)能一次性分解成氫燃料的裝置。該 裝置的太陽(yáng)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〔23〕。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(yáng)光照射下制得了氫，光能利用效率為15%左右〔24〕。? 在太陽(yáng)能制氫產(chǎn)業(yè)方面，1990年德國(guó)建成一座500kW太陽(yáng)能制氫示范廠，沙特阿拉伯已建成 發(fā)電能力為350kW的太陽(yáng)能制氫廠〔24〕。印度于1995年推出了一項(xiàng)制氫計(jì)劃，投資4 800萬(wàn)美元，在每年有300個(gè)晴天的塔爾沙漠中建造一座500kW太陽(yáng)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(lái)，保證運(yùn)輸?shù)陌踩履茉矗?7(3)，19 95，19。自90年代以來(lái)，德、英、日、美等國(guó)已投資積極進(jìn)行氫能汽車(chē)的開(kāi)發(fā)。美 國(guó)佛羅里達(dá)太陽(yáng)能中心研究太陽(yáng)能制氫(SH)已達(dá)10年之久，最近用SH作為汽車(chē)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〔25〕，為氫燃料汽車(chē)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(lái)源廣、品 質(zhì)純凈、貯存便捷等許多優(yōu)點(diǎn)