太陽能發電成本降低的途徑

2014-05-04 10:03 來源:未知 打印 掃碼手機看

  李樹偉

  (哈爾濱電機廠有限責任公司, 黑龍江哈爾濱 150040)

  【摘要】 在開發和利用新能源過程中,我國的風力發電裝機容量現在已經躍居世界第一。然而,太陽能發電產業,卻遠遠落在許多國家后面,主要原因在于受到成本太高這個瓶頸的約束。最重要的解決途徑就是自主創新,要在發電規模、電站容量、提高效率和創新材料等各個領域進行探索發現,開發和應用一切能夠使太陽光能和熱能發電成本降低的高新科技,力爭在較短的時間內,最大限度地提高它的市場競爭能力,趕超世界先進水平。

  【關鍵詞】 太陽能; 發電成本; 降低

  0 太陽能的成本

  在新能源中,當前太陽能發電的成本太高,影響了它的大規模發展。陽光發電設備的造價通常包括太陽電池、臺架、逆變器、控制保護裝置等的成本、工事費及其它費用,其中太陽電池比重最大,約占2/3 ~ 3/4 ;其次是臺架等結構支撐部分,約占1/4 ~ 1/3 。陽光發電設備的容量主要取決于太陽電池的串聯和并聯,所以降低貴重而又量大的太陽電池成本,是降低整個系統造價的主要途徑。然而,盡管太陽能電池板的價格已經大幅度下降,作為主要原料的太陽能級的硅也出現了供過于求的現象,太陽能電力的成本仍遠遠高于其他與之競爭的電力形式。即使除去電池板的成本以后,太陽能發電站的單位千瓦建設成本仍然高達8000元,大約是生物質發電(如沼氣發電等)的7~12倍,風能發電的6~10倍,已經成為太陽能產業發展的瓶頸。為了解決這個瓶頸問題,可以借鑒國外的經驗。

  1 政府優惠補貼

  太陽能發電成本瓶頸的解決,需要時間。當前世界各國主要依靠政府的政策支持,實施稅收優惠補貼、退稅補貼和擔保補貼等措施來予以支持和緩解。

  (1)美國-------通過政策鼓勵和技術創新,使太陽能發電成本不斷降低。在西南部,考慮到聯邦稅收優惠之后,太陽熱能發電的電價成本約合每度13到17美分。能源部已經設定目標,通過補貼等各種方式,爭取到2020年將新能源電力的成本降到每度5到7美分,約合人民幣0.4元左右,使其可以能和煤電等傳統發電方式相競爭。

  (2)德國----于2004年公布了對太陽能光伏發電行業的強力支持政策(新的上網電價法),光伏發電行業出現了爆發式的增長。在2008年給以近30億歐元的補貼,消耗了全球太陽能電池的49%以上,推動了陽光發電產業的發展。

  (3)日本----提出到2020年要使日本太陽能發電量達到現在的10倍,到2040年達到現在的40倍;由于實施補助金制度和稅制優惠政策,在3至5年內實現使日本太陽能發電價格減半的目標。

  (4)瑞士-------對太陽能發電給予20年的持續補貼,并且通過立法形式予以確立。

  (5)印度----采取了一系列措施,為光伏發電的發展提供諸多機會,爭先恐后地想當太陽能發電行業的領先者。

  (6)澳大利亞----也出臺了對陽光發電行業的支持政策。

  (7)中國----在2009年把新能源發展提到國家戰略層面以后,實施了國家支持和優惠政策,啟動了國內首個光伏發電示范工程特許權項目的招投標工作,推動了太陽能發電產業的發展,同時還改善了光伏發電產業中存在的“兩頭在外”(技術來自國外,產品出口到國外)以及原料生產過程中的高污染、高耗能等現象。現在國產的光伏電池已經實現了出口轉內銷,主要用于國內的發展。

  此外,歐盟以及世界各國都相繼出臺了對太陽能發電產業的支持政策,緩解了發電成本瓶頸難題,帶動了全世界開發和利用太陽能發電行業的快速增長。各國太陽能發電成本及其預期目標的對比見表1 。

  表1 太陽能發電成本對比

  國別 單位 成本 年代 發電站 備注

  國際 元/kWh 1.8~2.0 2009 熱能發電 平均價格

  3~4 2009 光能發電 平均價格

  中國 元/kWh 1.4~1.6 2015 光能發電

  0.6~0.8 2020 光能發電

  美國 美分/kWh 14 2009 熱能發電

  8~10 2015 熱能發電

  日本 美分/kWh 8 2009 光能發電 太空發電站

  20 2009 熱能發電 高塔發電站

  60 2009 光能發電

  澳洲 澳分/kWh 15 2009 首批投運 以后降低

  (注:煤電為5美分/kWh ;氣電為 7美分/kWh;核電為10美分/kWh ;風電為15美分/kWh )

  2 增加發電容量

  太陽能發電產業屬于規模性經濟,太陽能發電站必須建造得相當大和發電容量不斷增加,才能發揮較大生產效力和降低發電成本。德國是去年對太陽能發電量需求最大的市場,其次是意大利,日本和美國。德國12家大公司聯合投資4000億歐元在非洲北部撒哈拉大沙漠建立世界最大的太陽能發電站。到2050年的時候,將達到100 GW (10萬MW),相當于100座火力發電廠的發電量,將滿足歐洲15 % 的用電需求。電能的輸送將采用高壓直流輸電技術,可以使其損耗降低至10 % 以下,從而提高發動效率。送電將橫跨地中海,穿越直布羅陀海峽,經過摩洛哥、西班牙、巴利阿里群島、阿爾及利亞、法國、突尼斯、意大利、利比亞、希臘、塞浦路斯、埃及、土耳其。太陽能發電產業將成為印度繼原子能、航天以及信息技術之后的又一科學與工業前沿,到2022年印度將累計新增2.2萬 MW發電容量,印度將成為太陽能領域的領先者。30年后陽光發電容量將超過水力發電,是21世紀的主要能源。各國太陽能發電容量預期值的對比見表2。

  表2 各國太陽能發電容量對比 ( MW )

  國家 電站容量 年代 類別 注

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  德國 10 萬 2050 光能發電

  3000 2016 光能發電

  印度 5000 2017 光能發電

  22000 2022 光能發電

  中國 2000 2020 光能發電 青海省

  法國 134 2020 光能發電

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  3 采用高新技術

  3.1 高塔發電

  向高空發展,能夠大幅度降低太陽能發電成本。建設一個發電量為10億kW的高空發電站,并且要將建設成本控制在10億美元以下,每度電的成本也不高于8美分。與一般煤電每度5美分、核電每度10美分的成本相比,這個價格也算得上經濟實惠。

  與采用光伏電池的太陽光能發電不同,它是太陽熱能發電。它不是把陽光直接轉化成電能,而是利用成千上萬的定日鏡,以超過98 % 的精度把將照射進來的太陽光反射到一個位于高塔頂端的聚焦吸熱器表面,并穿過集熱裝置玻璃板的吸熱管,形成800 ℃ 以上的高溫,再通過傳熱介質(比如:水)產生500 ℃ 以上的蒸汽,推動汽輪發電機發電。

  這種高效率發電系統,是在沙漠中建造一座高達千米的煙囪和數公里寬的玻璃屋頂。玻璃窗下的空氣經陽光加熱后形成上升氣流,帶動煙囪底部的渦輪機發電。由拋物面鏡片組合的鏡面長達數百米,覆蓋了多達5.1萬m2的土地,比70個足球場還要大。

  3.2 衛星發電

  近年來太陽能領域的三大技術突破可使太陽能發電衛星的大小和成本降到可接受的水平。與20世紀70年代相比,太陽能電池的效率提高了4倍,因此所需的電池板的面積可大幅度縮小。其次,微波傳送技術也大大提高,利用固定裝置就能使微波光束實現精確指向,而不再需要旋轉天線。因此可以用體積小、組裝簡便的模塊天線替代原來1公里長的天線。新型激光設備將向地球傳送能量。機器人可以替代宇航員在太空中完成組裝工作。 美國在2007年以前將投入100億美元建造一顆能將10 MW 太陽能傳回地球的試驗衛星,能為人類提供價格合理、清潔、安全、可靠、可持續發展的能源。

  由于大氣層外沒有大氣吸收、晝夜交替和云層遮擋,因此相同時間內,太空發電站的發電量將是地球上相同面積太陽能電站產能的20倍。即便將建設期間所需能量考慮進去,太空發電站產生的能量也比地面上占地面積相同的太陽能發電站高5倍。

  3.3 月球電站

  日本擬于2035年建設一條沿月球赤道(長約11000 km)的太陽能電池帶,將電力轉換成強大的微波和激光束射向地球,然后由地面接收站再轉換為電能。將能滿足全世界的用電需求。機器人將在建設中擔當主力,這些機器人可以24小時不間斷接受來自地球的遙控,完成諸如平整地面和組裝機器設備等任務,同時還將安排一支宇航員隊伍在現場提供支持。

  由于需要大量的太陽能電池板和其他材料,可能利用月球資源來制造水泥和混凝土材料,而太陽能熱處理技術也可幫助生產磚、玻璃纖維和其他建筑材料。建設寬度將擴大為400 km 。產生的電能轉換為微波束和激光束后,通過直徑為20 km 的天線射向地球接收站,具有導向功能的無線電指向標將保證波束傳輸方向的準確。波束能量再由地面站重新轉換為電力送入電網。月球幾乎沒有大氣層,不存在影響太陽能電池板效率的壞天氣或云層,可以24小時持續不斷地接收清潔能源。其1年的發電規模相當于17億噸石油或1.3萬個核電站的年發電量,以目前的能源消耗計,足夠全球使用30年。2035年動工的原因是考慮到屆時地球上的傳統能源資源將被開發得所剩無幾。這一雄偉計劃有可能結束人類對有限地球能源資源的依賴。

  3.4 日夜發電

  法國建成的第一座能"追蹤"太陽的太陽能發電站在法國正式投入使用。它的光電轉換板都運用了"陽光感應追蹤"技術,能在白天日照時間內自動調節太陽能光板朝向光面位置,能多接收和轉化20 % ~ 40 % 的太陽能。

  德國的太陽能發電設備甚至在夜間也能運轉:太陽下山之后,位于儲熱器中部的熱儲存裝置會釋放出所需要的熱能。太陽熱能的儲存成本要比電池儲存電能的成本低得多。它的接收器是由金屬管和玻璃套管組成,兩管之間是真空的,以保證金屬管絕熱,從而盡可能減少熱損失。因為要使盡可能多的太陽光,豪無反射地透過玻璃套管照射到金屬管上并被吸收,所以需要非常特殊的材料,這些材料的組合成分還是一個秘密。在世界范圍內僅有兩家企業能制造這種接收器,其中一家就是德國美因茲的玻璃和光電專業生產廠商肖特公司。西班牙采用了它的技術。

  4 提高發電效率

  各種太陽電池的光電變換效率不同,通常單結晶硅為14.5%,多結晶薄膜為14.9 %,將來的薄膜可達18 % ~ 20 %。近年來太陽能電池的效率提高了4倍。為了增大功率,美國正在開發多件結合的太陽電池制造技術。美國太陽能公司是世界第八大太陽能電池生產廠商,其生產的太陽能電池發電效率已經達到了21.5 % ,為世界最高水平。最近日本開發的串聯元件的效率為30.3 %,達到了世界最高值。這種高效率的化合物太陽電池還能承受放射線的作用,特別適用于航天工業。此外,日本東芝自行開發的變壓裝置,與傳統變壓器相比,可將電力損耗減少三分之一左右,從而提高發電效率,同時還將其太陽能發電設備的占地面積減少30 % ,重量減輕25 % 。

  5 開發最新材料

  用于太陽電池的原材料主要是硅,其中包括結晶硅和非晶質硅,此外還有化合物太陽電池。單晶硅太陽電池的短路電流基本上是與太陽的輻射強度成正比的,其開路電壓主要受電池溫度影響,也受太陽輻射強度影響。而陽光發電系統的輸出電流和電壓雖然也主要受太陽輻射強度和電池溫度影響,但其短路電流基本上與太陽輻射強度成正比,而開路電壓隨太陽輻射強度的變化則不很明顯。非晶質硅太陽電池是采用幾層厚度為1 μm 的薄膜疊積而成,具有較低的成本,而且原材料只是結晶硅的1/1000 ,它的年產量即使高達1000 MW,也不會受到原材料的約束,從而解決了原材料硅的限制問題

  太陽電池是美國于1954年發明的,最早是在1958年3月用于人造衛星。直到1997年7月成功地在火星著陸的衛星上應用了以Ge為基板的高效率新材料GaAs太陽電池。太陽能電池包括各種商業化太陽能電池、多晶硅、非晶硅以及薄膜太陽能電池等。安裝計算機在線監測系統,能顯示出每一種電池的發電情況。

  采用非晶硅薄膜電池的最大優勢是使太陽能電池的產品價格大幅下降,發電成本僅為多晶硅電池的40 % 左右,而年發電量比晶體硅電池增加12 % ~ 15 % 。隨著產能擴大和薄膜電池轉換效率提升,上網電價將逐步降至0.50元/ kWh ~ 0.60元/ kWh 。

  6 結束語

  在開發和利用新能源過程中,我國的風力發電裝機容量現在已經躍居世界第一。然而,太陽能發電產業,卻排列在美國、德國、意大利、日本、印度等國之后,主要原因在于受到成本太高這個瓶頸的約束。縱觀世界各國的發展經驗,在政府加大支持力度的同時,最重要的解決途徑就是自主創新。要在發電規模、電站容量、提高效率和創新材料等各個領域進行探索發現,開發和應用一切能夠使太陽光能和熱能發電成本降低的新技術,力爭在較短的時間內,最大限度地提高它的市場競爭能力,趕超世界先進水平。

  7 作者簡介

  李樹偉,男,(1970.3.18—) ,哈爾濱理工大學,電子計算機專業畢業,從事發電設備生產技術工作,高級工程師。

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