1、21 世紀(jì)我國太陽能利用發(fā)展趨勢趙玉文100083)摘要： 簡述我國太陽能資源分布、 國際太陽能光伏發(fā)電技術(shù)及產(chǎn)業(yè)和太陽能熱利用技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展概況和趨勢； 介紹我國太陽能利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及同國外的差距， 并對我國太陽能利用在 21 世紀(jì)的發(fā)展提出設(shè)想和建議。關(guān)鍵詞 ：太陽能利用；太陽能資源；熱利用技術(shù)；光伏發(fā)電技術(shù)。0、引言太陽能利用指太陽能的直接轉(zhuǎn)化和利用。 利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理， 把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能稱太陽能光伏技術(shù)。 把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能的屬于太陽能利用技術(shù)， 再利用 熱能進(jìn)行發(fā)電的稱為太陽能熱發(fā)電，也屬于這一技術(shù)領(lǐng)域。20 世紀(jì) 50 年代，太陽能利用領(lǐng)域出現(xiàn)了 2 項重

2、大突破：一是1954 年美國貝爾實驗室研制出6%的實用型單晶硅電池；二是 1955 年以色列 Tabor 提出選擇性吸收表面概念和理論，并研制成功選擇性太陽吸收涂層。 這 2 項突破既是太陽能利用進(jìn)入現(xiàn)代發(fā)展時期的劃時代標(biāo)志， 也是人類能源技術(shù)又一次變革時期的劃時代標(biāo)志， 也是人類能源技術(shù)又一次變革的技術(shù)基礎(chǔ)。 70 年代以來，鑒于常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力的增加，世界上許多國家掀起了開發(fā)利用太陽能的熱潮，開發(fā)利用太陽能成為各國制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。近30 年來，太陽能利用技術(shù)在研究開發(fā)、商業(yè)化生產(chǎn)、市場開拓方面都獲得了長足發(fā)展，成為世界快速、穩(wěn)定發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。包括太陽能在內(nèi)

3、的可再生能源在21 世紀(jì)將會以前所未有的速度發(fā)展，逐步成為人類的基礎(chǔ)能源之一。據(jù)預(yù)測，到 21 世紀(jì)中葉，可在生能源在世界能源結(jié)構(gòu)中將占到50%以上。1、資源太陽內(nèi)部進(jìn)行著劇烈的由氫聚變成氦的核反應(yīng)， 并不斷向宇宙空間輻射出巨大能量。 太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)足以維持6X1010年，相對于人類歷史的有限年代而言，可以說是“取之不盡、用之不竭”的能源。地面上的太陽輻射能隨著時間、地理緯度、氣候變化，實際可利用量較低， 但可利用資源仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滿足現(xiàn)在人類全部能耗及2100 年后規(guī)劃的能源利用量。地球上太陽能資源一般以全年總輻射量kJ/ (m2- a)和全年日照總時數(shù)表示。就全球而言，美國西南部、非洲、澳

4、大利亞、中國西藏、中東等地區(qū)的全年總輻射量或日照總時數(shù)最大，為世界太陽能資源最豐富地區(qū)。我國陸地面積每年接收的太陽輻射總量在3.3 x 1038.4 X 106 kJ/ (m2 a)之間,相當(dāng)于2.4 X 104億t標(biāo)準(zhǔn)煤，屬太陽能資源豐富的國家之一。全國總面積 2/3以上地區(qū)年日照 時數(shù)大于2000h,日照在5X106 kJ/ （m2a）以上。我國西藏、青海、新疆、甘肅、寧夏、 內(nèi)蒙古高原的總輻射量和日照時數(shù)均為全國最高， 屬太陽能資源豐富地區(qū)； 除四川盆地、 貴 州資源稍差外，東部、南部及東北等其它地區(qū)為資源較富和中等區(qū)。. 國外發(fā)展概況和趨勢太陽能光伏發(fā)電世界光伏組件在過去15a 平均年

5、增長率約15%。 90 年代后期，發(fā)展更加迅速，最近3a平均年增長率超過 30% 1999年光伏組件生產(chǎn)達(dá)到200MW/在產(chǎn)業(yè)方面，各國一直通過擴(kuò)大規(guī)模、提高自動化程度、改進(jìn)技術(shù)水平、開拓市場等措施降低成本，并取得了巨大進(jìn)展。商品化電池效率從 10%13假高到13%15%生產(chǎn)規(guī)模從15MW/a發(fā)展到525MW/a并正在向 50MW甚至100MW擴(kuò)大；光伏組件的生產(chǎn)成本降到3美元/W以下。發(fā)展中國家印度處于領(lǐng)先地位，目前有50 多家公司從事與光伏發(fā)電技術(shù)有關(guān)的制造業(yè)，其中有6 個太陽電池制造廠和12個組件生產(chǎn)廠，年生產(chǎn)組件11MW累計裝機(jī)容量約40MW/在研究開發(fā)方面，單晶硅電池效率已達(dá)24.7

6、%, 多晶硅電池效率突破19.8%。非晶硅薄膜電池通過雙結(jié)、三結(jié)迭層和 GeSi 合金層技術(shù)，在克服光衰減和提高效率上不斷有新的突破， 實驗室穩(wěn)定效率已經(jīng)突破15%。 碲化鎘電池效率達(dá)到 15.8%， 銅銦硒電池效率18.8%。晶硅薄膜電池的研究工作自 1987 年以來發(fā)展迅速，成為世界關(guān)注的新熱點。21 世紀(jì)世界光伏發(fā)電的發(fā)展將具有以下特點：（ 1）產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)以高增長速率發(fā)展。多年來光伏產(chǎn)業(yè)一直是世界增長速度最高和最穩(wěn)定的領(lǐng)域之一， 預(yù)測今后 10a 光伏組件的生產(chǎn)將以20%30%甚至更高的遞增速度發(fā)展。光伏發(fā)電的未來前景已補愈來愈多的國家政府和金融界（如世界銀行）所認(rèn)識。許多發(fā)達(dá)國家和地區(qū)

7、紛紛制定光伏發(fā)展規(guī)劃，如到 2010 年， 美國計劃累計安裝 4.6GW（含百萬屋頂計劃）；歐盟計劃累計安裝 6.7GW何再生能源白皮書）, 其中3.7GW安裝在歐洲內(nèi)部，3GWB 口；日本計劃累計安裝 5 GW（NEDO日本新陽光計劃）;預(yù) 計其它發(fā)展中國家1.8GW （估計約10%）,預(yù)計世界總累計安裝18 GW.到下世紀(jì)中頁，光伏發(fā)電成為人類的基礎(chǔ)能源之一。 （2） 太陽電池組件成本將大幅度降低。光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝成本每年以9%速率降低。1996 年平均安裝成本約 7 美元 /W， 預(yù)計 2005 年可降到 3 美元 /W， 相當(dāng)于光伏發(fā)電成本 0.11美元/ （kW h）, 2010年發(fā)

8、電成本將降到 6美分/ （kW h）。降低成 本可通過擴(kuò)大規(guī)模、 提高自動化程度和技術(shù)水平、 提高電池效率等技術(shù)途徑實現(xiàn)。 歐洲就擴(kuò) 大水平、 提高電池效率等技術(shù)途徑實現(xiàn)。 歐洲就擴(kuò)大規(guī)模對降低成本的影響進(jìn)行了可行性研究，結(jié)果表明，年產(chǎn)500MW勺規(guī)模，采用現(xiàn)有幾種晶硅電池生產(chǎn)技術(shù)，可使光伏組件成本降 低到 0.711.78 歐元 /W。 如果加上技術(shù)改進(jìn)和提高電池效率等措施， 組件平均成本可降低到1美元/W以下，發(fā)電成本約為 6美分/ （kW-h）?？紤]到下世紀(jì)薄膜電池技術(shù)會有重大突破， 其降低成本的潛力更大。因此下世紀(jì)太陽電池組件成本大幅度降低是必然趨勢。（3）光伏產(chǎn)業(yè)向百兆瓦級規(guī)模和更高

9、技術(shù)水平發(fā)展。目前光伏組件的生產(chǎn)規(guī)模在520MW/a殼牌公司在德國建立的年產(chǎn) 25MW疹多晶硅組件生產(chǎn)廠于今年4月份開工。許多公司在計劃擴(kuò)建和新建年產(chǎn)50700M儂光伏組件生產(chǎn)廠。同時自動化程度、技術(shù)水平也將大大提高，電池效 率將由現(xiàn)在的水平（單晶硅13%15%，多晶硅11%13%）向更高水平（單晶硅18%20%，多晶硅16%18%）發(fā)展。（4）薄膜電池技術(shù)將獲得突破。薄膜電池具有大幅度降低成本的潛力， 世界許多國家都在大力研究開發(fā)薄膜電池。 下世紀(jì)薄膜電池技術(shù)將獲得重大突破， 規(guī)模 會向百兆瓦級以上發(fā)展， 成本會大幅度降低， 實現(xiàn)光伏發(fā)電與常規(guī)發(fā)電相競爭的目標(biāo)， 從而 成為可替代能源。（ 5

10、）太陽能光伏建筑集成及并網(wǎng)發(fā)電的快速發(fā)展。建筑光伏集成具有多功能和可持續(xù)發(fā)展的特征， 建筑物的外殼能為光伏系統(tǒng)提供足夠的面積， 不需要占用昂貴的土地， 省去光伏系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)； 光伏陣列可以替常規(guī)墻包覆裝修成本與光伏組件成本相當(dāng)；光伏系統(tǒng)的安裝可集成到建筑施工過程， 降低施工成本； 在用電地點發(fā)電， 避免傳輸和分電損失（ 5%10%） ， 降低了電力傳輸、 分配投資和維修成本； 集成設(shè)計使建筑更加潔凈、 完美，使人賞心悅目， 容易被專業(yè)建筑師、 用戶和公眾接受。 太陽能光伏系統(tǒng)和建筑的完美結(jié)合體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的理想范例， 國際社會十分重視。 許多國相繼制定了本國的屋頂計劃， 使得建筑光伏集成技

11、術(shù)如旭日東升，蓬勃發(fā)展。 1997 年 6 月美國宣布了“克林頓總統(tǒng)百萬屋頂光伏計劃”， 2010 年完成；歐洲于大致相同的時間宣布了百萬屋頂計劃，于2010 年完成；日本政府在21997財政年度計劃安裝 9 400套4kW的屋頂系統(tǒng)，總計 37MW日本政府的計劃目標(biāo)是，到2010年安裝5 000MW屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)。德國聯(lián)合政府在歐洲百萬屋頂?shù)目蚣芟掠?1998 年 10 月份提出一個光伏工業(yè)20 a 來最龐大的計劃即在6 a 內(nèi)安裝 10 萬套光伏屋頂系統(tǒng)，總?cè)萘吭?00500MW/總費用約9.18億馬克。該計劃于1999年1月實施，在德國引起很大反響，對德國的PV 工業(yè)將產(chǎn)生不可估量的影

12、響。光伏系統(tǒng)和建筑結(jié)合將使太陽能光伏發(fā)電向替代能源過渡， 成為世界能源結(jié)構(gòu)組成的重要部分。2.2 太陽能熱利用太陽能熱水器熱水器是太陽能熱利用中商業(yè)化程度最高、應(yīng)用最普遍的技術(shù)。 1998 年世界太陽能熱水器的總保有量約5 400萬m2塞浦路斯和以色列人均使用太陽能熱水器面積居世界首位，分別為 1 m2/ 人。日本和以色列太陽能熱水器戶用比例分另為20%和 80%。 21 世紀(jì)熱水器將仍然是太陽能熱利用的最主要市場之一。 目前雖然許多國家都得到了較普遍應(yīng)用， 但世界太陽能熱水器的平均用戶比例還非常低，約1%2%，同日本的20%和以色列的80%相比，相差很遠(yuǎn)；此外，服務(wù)業(yè)、旅游業(yè)、公共福利事業(yè)等

13、中低溫?zé)崴畱?yīng)用市場也非常大。 1997 年世界太陽能熱水器的市場約 7 億美元。 2015 年世界人口約 70 億， 如果熱水器用戶比例達(dá)到 20%（日本今天的水平），社會經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益將非常顯著。太陽能建筑發(fā)展很迅速。80年代國際能源組織（IEA）組織15個國家的專家對太陽能建筑技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)， 歐美發(fā)達(dá)國家紛紛建造綜合利用太陽能示范建筑。 試驗表明， 太陽能建筑節(jié)能率大約75%左右，已成為最有發(fā)展前景的領(lǐng)域之一。建筑能耗占世界總能耗的1/3 ，其中空調(diào)和供熱能耗占有相當(dāng)大的比例， 是太陽能熱利用的重要市場。 太陽能建筑的發(fā)展不僅要求建筑師和太陽能專家互相密切合作，而且要求在概念、技術(shù)上相

14、互融合、滲透、集成一體，形成新的建筑概念和設(shè)計。 目前太陽能建筑集成已成為國際上不僅要求有高性能的太陽能部件，同時要求高效的功能材料和專用部件，如隔熱材料、透光材料、儲能材料、智能窗（變色玻璃）、透明隔熱材料等，這些都是未來技術(shù)開發(fā)的內(nèi)容。太陽能熱發(fā)電目前熱發(fā)電系統(tǒng)主要有3 種類型： 槽式線聚焦系統(tǒng)、 塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)。 槽式系統(tǒng)是利用拋物柱面槽式反射鏡將陽光聚焦到管狀的接收器上，并將管內(nèi)偉傳熱工質(zhì)加熱產(chǎn)生蒸汽， 推動常規(guī)汽輪機(jī)發(fā)電； 塔式系統(tǒng)是利用獨立跟蹤太陽的定日鏡， 將陽光聚焦到一個固定在塔頂部的接收器上， 以產(chǎn)生很高的溫度； 碟式系統(tǒng)是由許多鏡子組成的拋物面反射鏡， 接 收器在拋物面

15、的焦點上，接收器內(nèi)的傳熱工質(zhì)被加熱到 750 左右，驅(qū)動發(fā)動機(jī)進(jìn)行發(fā)電。以色列魯茲（Luz）公司1985年起先后在美國加州的Mojave沙漠是建成9個槽式發(fā)電裝置，總?cè)萘?54MW隨著技術(shù)不斷發(fā)展，系統(tǒng)效率由起初的11.5%提高到13.65,發(fā)電成本由26.3%美分/（kW h）降低到12美分/（kW h）。但二幾年來這種系統(tǒng)沒有擴(kuò)大和推廣，可 認(rèn)為只是一種大型的商業(yè)化示范系統(tǒng)。 其它 2 種處在研究開發(fā)和示范階段， 其中由于碟式系 統(tǒng)光學(xué)效率高、啟動損失小及效率高達(dá)295 ，在3 類系統(tǒng)中位居首位。太陽能熱發(fā)電技術(shù)同其它太陽能技術(shù)一樣，在不斷完善和發(fā)展，但其它太陽能技術(shù)一樣，在不斷完善和發(fā)展

16、，但 其商業(yè)化程度還未達(dá)到熱水器和光伏發(fā)電的水平。太陽能熱發(fā)電正處在商業(yè)化前夕，預(yù)計 2020 年前，太陽能熱發(fā)電將在發(fā)達(dá)國家實現(xiàn)商業(yè)化，并逐步向發(fā)展中國家擴(kuò)展。3、我國太陽能利用概況和21 世紀(jì)發(fā)展思考3.1 光伏發(fā)電我國太陽池的研究始于1958 年, 1959 年研制成功第1 個有實用價值的太陽電池。 1971年 3 月首次成功地應(yīng)用于我國第2 顆衛(wèi)星上， 1973 年太陽電池開始在地面應(yīng)用， 1979 年開始生產(chǎn)單晶硅太陽電池。 80 年代中后期，引進(jìn)國外太陽電池生產(chǎn)線或關(guān)鍵設(shè)備，初步形成 生產(chǎn)能力達(dá)到4.5MW太陽能光伏產(chǎn)業(yè)。其中單晶硅電池 2.5MW,非晶硅電池2MW工業(yè)組件的 轉(zhuǎn)換

17、效率單晶硅電池為 11%13%,非常硅電池為5%6%。我國光伏組件生產(chǎn)逐年增加，成本不斷降低， 市場不斷擴(kuò)大， 裝機(jī)容量逐年增加， 1999 年底累計約15MW應(yīng)用領(lǐng)域包括農(nóng)村電氣化、交通、通信、石油、氣象、國防等。特別是 光伏電源系統(tǒng)解決了許多農(nóng)村學(xué)校、 醫(yī)療所、 家庭照明、 電視等用電， 對發(fā)展邊遠(yuǎn)貧困地區(qū) 的社會經(jīng)濟(jì)和文化發(fā)揮了十分重要的作用。 西藏有 7 個無電縣城采用光伏電站供電， 社會經(jīng) 濟(jì)效益非常顯著。在研究開發(fā)方面，開展了單晶硅、多晶硅電池研究及非晶硅、 碲化鎘、 硒銅等薄膜電池 研究，同時還開展了澆鑄多晶硅、銀 /鋁漿、EVA等材料研究，并取得可喜成果，其中刻槽 埋柵電池效率

18、達(dá)到國際水平。年來我國光伏產(chǎn)業(yè)已形成了較好基礎(chǔ)，但在總體水平上我國同國外相比還有很大差距，表現(xiàn)為：（1）生產(chǎn)規(guī)模小。我國太陽電池制造廠的生產(chǎn)能力約為0.51MW/a,比國外生產(chǎn)規(guī)模低一個多數(shù)量級。（ 2 ）技術(shù)水平較低。電池效率、封裝水平同國外存在一定差距。（ 3 ）專用原材料國產(chǎn)化經(jīng)過“八五”攻關(guān)取得一定成果，但性能有待能有待進(jìn)一步改進(jìn)，部分材料仍采用進(jìn)口品。（4）成本高。目前我國電池組件成本約30元/W,平均售價42元/W,成本和售價都高于國外產(chǎn)品。（5）市場培育和發(fā)展遲緩，缺乏市場培育和開拓的支持政策、法規(guī)、措施。世紀(jì)我國光伏發(fā)電的發(fā)展可考慮2 種模式， 即年增長率約15%的常規(guī)模式和在

19、政策法規(guī)驅(qū)動下年增長率約25%的快速模式。根據(jù)光伏工業(yè)自身的發(fā)展經(jīng)驗，生產(chǎn)量和規(guī)模每增加1 倍，成本下降約20%，而價格通常比成本高30%；發(fā)電成本考慮了總系統(tǒng)價格、經(jīng)濟(jì)壽命（折舊期）、利率、運行和維護(hù)費用、保險費等因素。按照這種估算， 2010 年我國光伏組件年生產(chǎn)量將分別達(dá)到11MW 27MVV發(fā)電成本分別為 1.14和0。96元，裝機(jī)容量分別達(dá)到80MVf口 140MW 2030年光伏組件年生產(chǎn)量分別達(dá)到175MW 2 320MW 發(fā)電成本分別為0.57和0.28元，總裝機(jī)容量分別達(dá)到1 700MW 11 700MW 光伏技術(shù)的發(fā)電成本在2020年估計在0.51.0元/(kWh)范圍，在

20、相當(dāng)大的市場上開始具有競爭力；在2030年左右，則在幾乎整個電力市場上都具有競爭力 ; 聯(lián)合國專家組針對世界光伏技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作了更詳細(xì)的分析和預(yù)測 , 結(jié)果更為樂觀: 20052015 年發(fā)電成本在0.0450.091 美元/(kWh)之間，在相當(dāng)大的市場上開始具有競爭力；2015年后，發(fā)電成本低于0.045美元/(kW h),則在幾乎整個電力市場上都具有競爭力。3.2 太陽能熱利用技術(shù)熱水器太陽能熱水器是我國太陽能利用中應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最迅速的領(lǐng)域， 19791998 年期間平均年增長率35%。 1987 通過引進(jìn)銅鋁復(fù)合吸熱板技術(shù)并與我國自選研制成功的鋁陽極化選擇性吸收涂層技術(shù)相

21、結(jié)合，使我國太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)進(jìn)入現(xiàn)代化生產(chǎn)階段。 80 年代后期，我國先后研制成功全玻璃和熱管式真空管集熱器并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。 1998 年全國熱水 器產(chǎn)量約400萬m2,總安裝量約1 400萬m2,占世界第1位。我國目前太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)已處在商業(yè)化良性運作時期， 絕大部份熱水器企業(yè)都有良好的經(jīng)濟(jì)效益。 目前我國有上千個熱水器企業(yè)都有良好的經(jīng)濟(jì)效益。 目前我國有上千個熱水器生產(chǎn)廠家，年安裝量約 1 400萬m2,占世界第1位。但戶用比例僅 3%與日本和以色列等國家相比，差距很大。到 2010 年，我國人口約 14 億，熱水器戶用比例如果能達(dá)到10%，平均戶用面積也將有所增加，熱水器總安裝量將達(dá)到

22、1億m2亞太銀行專家對我國太陽能熱水器的利用給出估計：10%勺住宅安裝太陽能熱水器(2m2/戶)，熱水負(fù)荷的75燦太陽能 供給，每年可節(jié)約310億kW- h電(相當(dāng)于1 050萬t標(biāo)煤)，相當(dāng)于減排 3 850萬t CO2,說明太陽能熱水器的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會效益非常好。太陽能建筑我國70年代開始被動太陽年采暖建筑的研究開發(fā)和示范，至今已抗議約1 000萬m2(建筑面積 ) 。目前被動太陽房開始由群體建筑向住宅小區(qū)發(fā)展，如甘肅省臨夏市建成占地9.8hm2、建筑面積9.2萬m2的太陽能小區(qū)；蘭州“陽光計劃”投資4.28億在郊區(qū)興建73.3 萬m2太陽能住宅小區(qū)等。我國被動太陽房采暖節(jié)能60%70%平土勻每m2建筑面積每年可節(jié)約 2040kg 標(biāo)準(zhǔn)煤， 發(fā)揮著良好的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)社會效益， 但在技術(shù)水平上同國外還有相當(dāng)大的差 距。21 世紀(jì)，應(yīng)組織建筑師和太陽能專家聯(lián)合攻關(guān)，解決太陽能技術(shù)與建筑的集成技術(shù)，使太陽能采暖和熱水