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为何火的是二代薄膜电池不是三代聚光光伏?

钜大LARGE  |  点击量:371次  |  2019年08月07日  

摘要
第一代光伏技术指晶体硅光伏发电,有单晶硅和多晶硅的差别。第二代太阳能指花式品种繁多的薄膜电池,主要有:1)非晶、纳米晶、微晶等硅薄膜,2)CIGS即铜铟镓硒组成... 关键字:光伏技术 晶体硅光伏发电 薄膜电池 太阳能炼硅 高效聚光硅电池。

第一代光伏技术指晶体硅光伏发电,有单晶硅和多晶硅的差别。


第二代太阳能指花式品种繁多的薄膜电池,主要有:


1)非晶、纳米晶、微晶等硅薄膜,


2)CIGS即铜铟镓硒组成的薄膜,


3)TeCd碲化镉薄膜,


4)一个新发展是CZS3(Sn,Se,S)即由铜锌二价元素和六价元素硒和硫还有四价元素锡组成的薄膜,优点是材料成本低廉,而且比较丰富。


5)新出现的一个品种是,GaAs砷化镓薄膜电池,据报导,其转化率已高达28.4%!这可能是是诸多薄膜电池中,最有发展前景的品种。


汉能收购的CIGS即铜铟镓硒及砷化镓(GaAs)薄膜发电属第二代光伏技术。


第三代光伏发电技术=太阳能炼硅+跟踪+聚光+高效聚光硅电池。


300102乾照光电生产的砷化镓电池外延片属于第三代光伏技术,能否应用于二代的砷化镓(GaAs)薄膜发电需要求证。


二代薄膜电池顾名思义就是将一层薄膜制备成太阳能电池,其用硅量极少,更容易降低成本,同时它既是一种高效能源产品,又是一种新型建筑材料,更容易与建筑完美结合。在国际市场硅原材料持续紧张的背景下,薄膜太阳电池已成为国际光伏市场发展的新趋势和新热点。汉能于近年收购Solibro、MiaSolé、Global Solar Energy、Alta Devices等世界顶尖的铜铟镓硒(CIGS)及砷化镓(GaAs)薄膜发电技术。目前,汉能薄膜发电的CIGS及GaAs薄膜太阳能电池转化率分别高达21%及30.8%。


A股太阳能热的时候炒作的晶硅电池属于第一代太阳能电池,薄膜电池属于第二代太阳能电池,就成本而言,二代电池生产线投入成本较高,但生产成本低,而晶硅电池正好反过来,在转换率上,薄膜电池上市之初也远远不如晶硅电池,市场普遍认为薄膜电池会昙花一现,直接被三代聚光电池替代,当时的无锡尚德,放弃了薄膜电池,转而巨资砸向晶硅电池,而汉能李河君,却固执的坚持了下来。时过境迁,无锡尚德走向了破产的结局,而汉能薄膜,却用三年超200倍的投资回报,助李河君登顶了首富位置。


为何火的是二代薄膜电池不是三代聚光光伏?


个人以为有三点:


其一,三代转化率虽高,但需要聚光跟踪装置,应用场景有限;


其二,三代光伏成本居高不下,上网运营需要补贴;


其三,二代薄膜的转化率在逐步提升,CIGS及GaAs薄膜太阳能电池转化率分别高达21%及30.8%。


其三,李河君的经营观点很先进——你什么时候放弃地面电站,什么时候才算真正理解了什么叫做光伏。


中国很多企业家,包括做晶硅的,都没有理解光伏的真正意义。薄膜化、柔性化、分布式能源,移动能源才是是太阳能产业的发展方向。


李河君认为传统光伏企业做的光伏是小光伏,我做的是大光伏,大光伏是移动能源、分布式电站,别看西北的地面电站那么大,那只是小光伏,没有国家补贴做不了。我们不用补贴,我们直接干。


工业为辅,民用为主真正光伏不是发电上网,而是移动能源、分布式能源,完全跟传统能源相反,地面电站对于光伏来讲不应是主流。


第三代光伏发电技术取得重大突破


中国科学院理论物理研究所何祚庥


当代太阳能光伏产业的发展方向是第三代光伏技术。第三代发电技术,也就是绿色光伏发电技术,特点是绿色、高效(单位峰值功率发电量多)、价廉和寿命长。


第一代光伏发电技术=晶体硅光伏发电,有单晶硅和多晶硅的差别。


第二代光伏发电技术=花式品种繁多的薄膜电池,主要有:


1)非晶、纳米晶、微晶等硅薄膜,


2)CIGS即铜铟镓硒组成的薄膜,(注:汉能技术路线)


3)TeCd碲化镉薄膜,


4)一个新发展是CZS3(Sn,Se,S)即由铜锌二价元素和六价元素硒和硫还有四价元素锡组成的薄膜,优点是材料成本低廉,而且比较丰富。


5)新出现的一个品种是,GaAs砷化镓薄膜电池,据报导,其转化率已高达28.4%!我个人认为,这将是诸多薄膜电池中,最有发展前景的品种。(注:汉能技术路线)


第三代光伏发电技术=太阳能炼硅+跟踪+聚光+高效聚光硅电池。


当然,也有人认为是高倍聚光+跟踪+高效聚光砷化镓电池。


当前人们对光伏产业的发展,有不少质疑,工信部就认为光伏产业从高纯硅的提炼到光伏组件的生产,有不少环节属高耗能、高污染的行业,仅能量的回收,至少长达2~3年!原因在于,用改良西门子法生产多晶硅,耗能高达150~200度/公斤,同时又产生出高污染环境的四氯化硅。第三代光伏技术将大幅度减少多晶硅的用量,而太阳能炼硅就不仅可少耗能,而且没有污染,已在2011年第7期的《物理学报》,写了一篇正式发表的论文。


为什么第三次光伏技术能大幅度节约多晶硅?其技术措施是:


1)跟踪:已做出性能极好的,可避免风、雨、雷、雹,包括沙尘暴污染的跟踪漏斗,至少将直射光发电量增加30%~40%。这将使多晶硅的用量减少30%~40%,而且已做到2.0~3.0元/每瓦的跟踪成本。


2)聚光:能大幅度降低光电池硅材料和非硅材料用量。例如,4倍聚光,尤其对直射光的聚光,可将硅材料、非硅材料的每度电耗能下降到原有的1/4。


这一散热片的突出优点:能大幅度降低硅片工作温度,同时也就增加了发电量和延长电池片的使用寿命。增加发电量和延长了使用寿命,也就是少使用多晶硅。


3)聚光高效硅基电池:硅电池的转化率越高,所消耗的多晶硅就越少。目前用的是美国SunPower公司供应的转化率为22%的n型硅基聚光电池。而很妙的是,在聚光的条件下,聚光电池,会出现非线性增长。4倍聚光导致闭路开环电压增长了10%!因而这一n型光电池就呈现出24.5%的转化率!很希望有新型更高效的,如砷化镓薄膜等聚光电池的出现。


4)在所有上述介绍的绿色技术中,最为核心的技术是太阳能炼硅。


太阳能炼硅有一系列优点:a)将大幅度降低化石能源消耗,b)完全没有四氯化硅……等污染,c)高质量,寿命长,只有微弱的光致衰减,d)低成本,有可能将当前太阳能高纯硅约250~500元/公斤的市场价下降到仅75~150元/公斤,e)将多晶硅产业变为绿色产业。


上述绿色发电技术,或第三代光伏发电技术,已有一个演示的窗口,也就是在甘肃省武威地区已建成的4倍聚光+转盘式跟踪,峰值功率为1兆瓦的小型光伏电站。


最近,在距北京市180公里的内蒙古多伦地区又建设一组示范电站。已选择其中两个转盘(峰值功率为100千瓦)每天纪录发电量,长期在绿色电力网上公布。


自2011年9月16日起,直到10月9日止,共发了13280度电。平均每千瓦日发电5.5度,约是内蒙古地区同等峰值功率不跟踪的平板式光伏电池每千瓦日平均发电量3.5度的1.57倍。当然,这一光伏发电站年平均日发电量是多少,要在一年以后,才能给出最终数字。


2011年第六期的《光伏产业观察》发起一个讨论,聚光光伏是颠覆我国光伏产业,还是夭折的讨论。


原因是,国外已出现聚光光伏的飞跃,已做到每年以大于40%的速度迅速上升。下面是国外对聚光光伏现有和未来安装量的统计和预测:


由于国外聚光光伏发电技术用的是砷化镓电池片,其光电转化率可高达30%~40%,聚光后可能大幅度降低发电成本。虽然砷化镓价格比硅电池贵100~300倍,但400倍、1000倍或2000倍聚光后,可大幅度抵消砷化镓光电池比硅基电池贵100~300倍的价格。可望和晶体硅以及各式各样的薄膜电池,在价格上进行竞争。国外有报导说,在太阳能资源属一类地区,上述高倍聚光技术,已做到0.8元/度电的发电成本。国内已有不少单位投入巨额资金,跟踪这一新技术。据报导,四川中汉太阳能电力有限公司已投资76亿元打造太阳能聚光光伏发电装备基础,已在成都双流新能源产业功能区开工。而我国光伏产业中占90%以上的多数企业,均是晶体硅技术。这就提出这一新崛起的第三代光伏发电技术,是否可能颠覆我国正在飞速发展的晶体硅光伏产业的质疑!


我们的回答是:我们很赞成大力发展聚光发电技术,应积极推进这一技术的产业化。现在国外将‘聚光+跟踪’光伏发电技术,称为‘第三代’光伏发电技术,意思是说可以取代第一代的晶体硅,第二代的薄膜电池。虽然国内光伏发电专家尚有不同意见,认为应‘三者并举’;科技部已认同了这一‘齐头并进’的发展思路。实际上,上述发展方向已是国际主流技术共识。


我能提供的情况是,中国科学院理论物理研究所陈应天研究员独立自主开发的‘4倍聚光+跟踪+n型光伏电池’转盘式发电技术。已做到的指标是:


1)峰值功率售价低。当前在内蒙古多伦地区,包括聚光漏斗在内的光伏组件、跟踪装置、逆变器在内的整个光伏系统每瓦峰值功率的售价已下降到1.6万/千瓦。现在就已做到,工信部草拟的《十二五太阳能光伏产业发展规划(征求意见稿)》,所提出的2015年光伏系统成本下降到1.5万元/千瓦的目标。这也是当前售价较低的薄膜电池系统的市场售价。但这一新技术每瓦峰值功率的平均日发电量,却大大超过各类不跟踪的平板式光伏电池。


现在这一4倍聚光+跟踪+高效硅基聚光电池发电装置的全套技术已完全成熟,已能大规模应用于国内外市场。一个新的改进是,已能向国内外市场提供高效P型硅基聚光电池,以及提供直到4倍聚光漏斗,转盘式跟踪系统的全套生产线,现正在设法推进全套生产线的产业化。


遗憾的是,这一聚光+跟踪发电技术,对散射光无增益,而且,这一高效p型聚光电池,虽然其每瓦售价要比n型聚光电池低出很多,其转化率,仍比n型聚光电池低16%,而且也有微弱的光致衰减效应!在紫外线比较丰富的地区,在技术上仍需要依存于国外供应的高效n型聚光伏电池,离这一技术的全盘国产化还有一段距离。


但是,这一低倍聚光技术将不会颠覆我国正在蓬勃发展的晶体硅光伏电池产业,而是互利双赢。


2)单位峰值功率发电量多。以青海地区峰值功率为1瓦的平板式晶体硅或薄膜电池为例,由于青海地区的日照较强,峰值功率为1瓦的平板式光电池,年发电约1.65度/瓦。(注:在内蒙古约为1.28度/瓦,在河北省北部约为1.24度/瓦,山东省约为1.23度/瓦)。由于这里采用了三大技术:a)跟踪,直射光的发电量将增加30%~35%;b)4倍聚光导致的非线性增长,(注:聚光将导致闭路开环电压呈对数性增长),将增加10%;c)强有力的均匀散热,视当地气温和环境,将增加10%~15%。由以上这三种因素的乘积,在内蒙古多伦地区,每瓦峰值功率发电量,将是1.28×1.3×1.1×1.1=1.28×1.573=2.0度/瓦,青海地区峰值功率每瓦发电量将是1.65×1.3×1.1×1.1=2.6度/瓦,在采取进一步改进措施后,可能上升到2.8度/瓦。


3)发电成本低。由于单位峰值功率售价低,而且发电量多,已做到在内蒙古多伦地区加上聚光+跟踪技术后,可年发电2000小时,(注:青海省将大于此数,可能上升到2600小时),因而按10年回收期计算的发电成本,将下降到0.7元/千瓦时。如果撇开劳动力成本、运输成本等地区差别因素,青海省将下降到0.7×2000/2600=0.54元/千瓦时。


据我们所知,这是国内各企业所能做到的最低的成本电价。虽然前一时期,有的企业在竞标活动中,宣布已达到0.7元/千瓦时的水平,但那是以18~20年回收发电成本来计价,而且没有计及必须维持企业生存发展的利润。


在发展的未来,在这一技术大规模实现产业化、规模化后,还有大幅度降价空间。例如,完全可能进一步提高硅基聚光电池的转化效率,在实现了太阳能炼硅的产业化后,再度大幅度降低多晶硅售价,也完全有可能将4倍聚光改为6倍聚光、8倍聚光等,进一步大幅度降低发电成本。


4)单位面积发电量高。每平方米的发电功率是50~60W/m2。与此对比,一切清洁能源包括核能,(因有放射性,至少在5公里为半径的范围内不能住人),均占地较多。下面是各类清洁能源占地简表:


太阳能光伏发电:4倍聚光+跟踪,50~60W/m2;


平板式晶体硅,25~30W/m2;


各类薄膜电池,10~15W/m2;


太阳能槽式热发电;10W/m2。


核能:10W/m2,(是否为清洁能源,现在有争论);


风能:5W/m2;


当前大规模发展光伏发电技术的困难之一,是许多地区尤其是东部、南部地价太高。北京郊区地价已高达30万元/亩。如果在北京地区大量发展光伏发电等清洁能源,就必需大幅度节约土地用量!


也许这一特点对幅员广阔的荒漠地区不甚重要,而实际上为节约管线等输电装置,节省土地平整费用,仍是荒漠地区值得关注的问题。


5)太阳能是最便于实现和水能互补的新能源。太阳能和水能是互相补充、匹配合作,最自然的一对双生子。水能发电有丰水季节、枯水季节的不均衡。太阳能发电有白天、夜间,和阴雨连绵、阳光明媚天气发电的间隙性。水能发电通常年发电2000多小时,甚而只能年发电1500小时。在水量极其丰富的长江三峡,也只能年发电4000多小时。在太阳能贫乏地区,太阳能仅能发电1000~1500小时;在丰富地区,可年发电2500~3000小时。但是,连续阴雨天气往往是水能的丰水季节;而枯水季节又往往是旭日高照的天气。水能特点是:只要有足够的水能的储存,随时可以发电,可以不发电,可以多发电,也可以少发电。其启动和关闭仅需几十至一百多秒钟。所以,水能+太阳能不仅能在发电时间上相互弥补不足,而且能在稳定发电功率上相互匹配补充。而如果再有风能+抽水储能电站弥补水能发电的水量的短缺,就不仅可用太阳能+水能+风能+抽水储能电站+动力、储能兼容的大型蓄电装置的综合发电体系,作为调整峰谷等不同需求不同的调峰电力,而且在未来还能取代火力发电+核电,充任长年发电的基本电力。


6)新发展的4倍聚光发电,还是最适合于在同一地区实现风、光互补的发电技术。原因是:当人们在同一地区实现风光互补发电时,风机叶片的阴影将不可避免地减少太阳能光电池的发电量;但在通常平板式光伏电池的设计中,除阴影将减少发电量外,还出现有严重的阴影堵塞效应。一片树叶的阴影,将堵塞一大片光电池的发电通道,将至少减少10%~30%的发电量。而4倍聚光+跟踪减少的发电量,仅等同于阴影面积;在广阔草原或荒漠地区,风机叶片造成的阴影,只有极微弱的电量损失。


可在同一地区实现风光互补,也就大量节约了用地。


7)新发展的4倍聚光+跟踪的光伏发电技术,也是和环境友好兼容的技术。在荒漠地等干旱地区,这里推荐的转盘式跟踪技术具有的另一优点是,所覆盖的土壤仍能均匀地接受光辐射,可大幅度减少蒸发量,同时可抽取少量地下水改良土壤,促进农作物的生长和发育。只需将发电转盘支架略为升高一些,就可将所覆盖的土地全部变为肥沃的牧场,大规模放养羊、兔、鸡、鹅等,身高不超过一米的肉食动物。同样,在水量丰富地区,这一技术也能和种养其它动植物兼容,因为转盘式跟踪技术仅能减少光辐照总量,不会造成长期覆盖的阴影。


8)新出现的一个亮点是,这一4倍聚光+跟踪的光伏发电技术,非常易于在水面实现太阳能睡莲。其最大优点是,可利用聚光漏斗的浮力取代支撑漏斗实现跟踪的构架。在通常转盘式跟踪技术中,每100千瓦将用到66吨的钢材,约占全部售价的20%。由于这一聚光漏斗是常年浸在水中,所以极易散去聚光时产生的巨大热量,可又增加约10%~15%的发电量。至于水波起伏,定向跟踪等技术问题,均不难用锚、舵等技术来解决。


陈应天教授曾做过一个试验,将聚光漏斗搁置水下15厘米深处,历时2个多月后,在漏斗内没有发现丝毫水汽!而现有平板式光伏组件,通常均不能抗拒水汽的干扰。


为解决许多地区土地价格过高,其最简单的措施是,大力发展更为价廉物美的水上太阳能睡莲技术。


其实,在国外已有类似设想。


据国际在线报导,苏格兰著名建筑公司ZM为格拉斯哥市由皮特理查森设计师设计出了一套可持续能源方案,其中最引人注目的,是一种漂浮在河面上的‘太阳能睡莲’。


科研人员在格拉斯哥市的克莱德河中摆放了一些‘太阳能睡莲’,在外表上和真正的睡莲很相像,但实际上是巨型的太阳能浮板,能将日间吸收到的太阳能收集起来,转化为电能向城市输送。ZM建筑公司的负责人表示:这种太阳能浮板转化的电能,比通常放置在屋顶的太阳能板以及风力涡轮机转化的更多,这是城市能源计划中一个非常有创新性的点子。此外,由于太阳能浮板外形美观,一旦投入使用,也将为城市增添一道独特的风景。目前,格拉斯哥科学中心正考虑在部分河道测试此方案。


据外电报导,以色列已在他们的水库上,放置了一个约200千瓦的小型光伏电站。


又据2011年11月9日《经济日报》报导:


新加坡计划建太阳能光伏浮岛发电站


新加坡经济发展局日前宣布,计划明年在西部地区的登格水库进行水上太阳能光伏浮岛试点项目,预计2013年完成。


据介绍,把太阳能极板装置在水库的池面上,是因为水库里的水是淡水,没有风浪,比在海面上建设太阳能浮岛要容易得多。计划建设中的登格太阳能光伏浮岛将耗资1100万新元(约合5500万元人民币),届时将能提供2兆瓦的电量(其峰值功率约为27500元/千瓦)。若以每个月消耗400千瓦的能量来计算,登格太阳能浮岛可以为450个居住在四房式组屋的家庭提供一个月的电量。


据新加坡方面称,登格太阳能浮岛是东南亚地区第一个太阳能浮岛项目,新加坡将通过这个项目的试点,来探讨水上太阳能浮岛是否能在新加坡有限的国土上进一步开拓出新的能源渠道。


该试点项目也将研究在水上建立太阳能极板的难度,以及这类装置的成本和效益等。另外,此类浮岛对于水库周围环境会带来何种影响,也是研究的内容之一。


一般来说,太阳能浮岛不但能够合理利用土地资源,也能够减少水的蒸发。另外,它在水面上的遮蔽处可以减少水藻的生长,同时较低的水温也有助于提高浮岛产电的效率。


新加坡经济发展局官员认为,洁净能源的开发对新加坡具有战略意义,不仅可以减少对传统能源的依赖,而且有助于经济的进一步增长。该官员预计到2015年,新加坡的洁净能源产业将聘用7000名员工,创造的国内生产总值将达到17亿新元。如果此次试点项目成功,新加坡将进一步考虑扩大使用范围,在其他水库也建设太阳能浮岛项目。记者陶杰


据我们所知,北京地区的密云水库、官厅水库、十三陵水库,共有250平方公里的水面,加上天津的水库,共约有400多平方公里的水上面积。如以每平方米来发电50W/m2计,400平方公里的水面可装机达2000万千瓦之多。所以,为解决土地价格过高问题,北京市和天津市走向绿色能源的方向之一,是大力发展水上太阳能睡莲。


在中国有许多水面可以建设大型、超大型光伏电站。中国的青海湖、鄱阳湖,太湖和洪泽湖,其面积均超过4000平方公里。中国地处云南大理市的洱海,其水面约为250平方公里。中国的渤海湾实际上是中国的内海,其覆盖的水面,超过20000平方公里。仅渤海湾就可以放置10亿千瓦功率的太阳能电池板。


9)新出现的技术思维,是将4倍聚光改为6倍聚光;而与此同时,在内蒙古地区河北丰宁地区等荒漠地发电成本,下降到0.7元/1.4=0.5元/度电。而如果将这一6倍聚光技术,走上规模化,自动化和产业化,将完全能在不久的将来,实现太阳能光伏发电平价上网。而如果将这一6倍聚光+跟踪的发电技术,移用于太阳能睡莲,这将是比陆上发电更低廉的发电的技术。中国的东部、南部,其太阳能资源一般属三类地区,年发电约1000~1500小时。但这一地区有大片水面可以大量放置水上电站,有大片水面可建设大、中、小型各式各样的抽水储能电站,同时也就能在水库里建设水面光伏电站。所以,这一6倍聚光+跟踪的太阳能睡莲,将能廉价地在中国的东部、南部地区,实现光能、水能就近互补,做到平价上网。


10)前一时期,读到一份由工信部草拟的《十二五太阳能光伏产业发展规划(征求意见稿)》,其中除规定到2015年,我国国内光伏发电装机容量规模要达到10GW外,在能耗方面规定到2015年,多晶硅生产实现产业规模、产品质量和环保水平的同步提高,平均综合电耗低于120kWh/公斤,副产物综合利用率达99%以上,在能耗方面不合格的企业将被关停、淘汰。规划还对光伏发电成本目标做出了预期,计划到2015年,光伏系统成本下降到1.5万元/kW,发电成本下降到0.8元/kWh,配电则达到‘平价上网’;到2020年,系统成本下降到1万元/kW,发电成本达到0.6元/kWh。不难看出,这里介绍的第三代光伏发电技术,尤其是新提出的6倍聚光+跟踪+水上睡莲的光伏发电技术,即使在阳光不甚充足地区,也有望全面达到,甚而超过《规划》所规定各项技术指标。


问题是如何全面落实这一新兴技术的产业化。


欢迎社会公众,尤其是我国机械制造业、光伏产业共同合作推进这一新型的低倍聚光+跟踪的光伏产业的快速发展。


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