我国和世界光伏发电技术

我国和世界光伏发电技术、产业、市场发展情况比较引言光伏发电系利用半导体材料的光生伏打效应原理直接将太阳辐射能转换为电能的技术。通过光伏电池进行太 阳能 - 电能的直接转换，并与储能装置、测量控制装置和直流—交流转换装置相配套，就构成了光伏发电系统。太阳能光伏发电具有许多其它发电方式无法比拟的优点：不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单、寿命较长等等，所以自从实用性硅太 阳能电池问世以来，世界上很快就开始了太阳能光伏发电的应用。国际光伏工业在过去 10 年中的平均年增 长率为 20%， 1998 年世界太阳能电池组件生产量为 155MW， 2000 年增长到 288MW， 2002 年达到 540MW。截止到 2000 年底，世界光伏发电累计总装机容量达到 1 300MW。在产业化方面，各国一直在通过改进工艺、扩大规模和开拓市场等措施降低成本，并取得了巨大进展。目前全球太阳能光伏电 池产业的销售收入超过 20 亿美元。预计到 2050 年左右，太阳能光伏发电将达到世界总发电量 10%~20%，成为人类的基本 能源之一。届时，太阳能光伏发电产业销售收入将超过 1000 亿美元。1 世界光伏产业发展情况1.1 技术： 晶体硅光伏电池仍然主导光伏发电市场， 薄膜电 池是未来太阳能电池发展的方向经过几十年的发展，人们先后研究过数十种材料的光伏电池。当前国际上最新的研发热点主要集中在低成本、高效率、高稳定性的光伏器件和光伏建筑集成应用系统等方面，并已取得了可喜的成果。但是，在光伏器 件及制造技术方面，自光伏电池问世以来，晶体硅就作为基本的电池材料一直保持着主导地位， 是目前国际光伏市场上的主流产 品， 2000 年占世界光伏电池产量的 80% 以上。其实验室效率，单晶硅电池最高可达 23.7%，多晶硅电池最高可达 18.6%，工业化产品效率一般在 13%~15%。各种晶体硅电池技术发展情况如 下：1）澳大利亚新南威尔士大学多晶硅电池效率突破 19.8%；2）日本京都陶瓷公司多晶硅电池效率达到 17.1% （ 12.5cm× 12.5cm） ；3）澳大利亚新南威尔士大学高效单晶硅电池效率已达 23.7%；4）德国 ASE公司片状晶 体硅电池效率为 14.5%；5）美国 Astro Power（ AP）公司的带状多晶硅电池效率为 10.5%；6）日本三洋公 司的 HIT 晶体 / 非晶硅复合电池效率达 18%；7）美国、日本、德国多晶硅铸锭 240kg/炉，已能规模化生产。晶体硅太 阳能电池的成本一般在 2~3 美元 WP/ ，销售价格在 3~4 美元 / WP 。预计晶体硅太阳能电池的主导地位在相当长一段时期内，还 将会继续保持。由硅材料加工出适合制造电池的硅片，要采用大容量的晶体生长或铸造装置和价格昂贵的多线切割机，因而硅片成本较高。研究人员正在探索用切薄 硅片、扩大平面晶体或者使用聚光等方法，力争把硅片的成本降低到 0.8 美元 /WP 。据预测，在今后 5~10 年间利用这几种方法有望把硅片的成本降低到 1 美 元 /WP ，并将在 15~20 年间将进一步降低到接近 0.5 美元 /WP ，这样，所生产的光伏电池组件的成本，就会从目前的 3 美元 /WP 降低到 1.5 美元 /WP 。随着光伏市场的发展， 10 年后光伏系统的价格将会降低到 6 美元 /WP ， 30 年之后可以进一步降低到接近 3 美元 /WP 。 为实现这样的设想， 高效率、 低成本晶体硅光伏电池的研究开发是必需的。薄膜电池是在廉价衬底上采用低温制备技术 沉积半导体薄膜的光伏器件，材料与器件制备同时完成，工艺技术简单，便于大面积连续化生产；制备能耗低，缩短了回收期。太阳能电 池实现薄膜化，大大节省了昂贵的半导体材料，具有大幅度降低成本的潜力，是当前国际上研究开发的主要方向。目前已实现产业化和正在实现产业化的有多晶化合 物半导体薄膜电池（碲化镉、硒铟铜） 、非晶硅薄膜电池，还有很有发展前景目前尚处于探索阶段的多晶硅薄膜电池。据估计，薄膜电池的生产成本可以随着其生产 规模的扩大而降低，一旦技术上有重大突破，其成本可以降到 1 美元 /WP 以下。英国、美国和德国都在着手建设100MW 规模的薄膜太阳能电池 生产线。 估计到 2020 年薄膜太阳能电池的市场份额在整个市场中的比例将超过 50%。1.2 产业： 近几年一些国际财团参与 到光伏发电产业中， 加速了光伏电池的产业化步伐光伏发电发展的初期主要是依靠各国政府在政策及资金 方面的大力支持，现在已逐步商业化，进入了一个新的发展阶段。光伏发电的市场前景吸引了一批国际知名企业或企业财团介入光伏电 池制造业。在 20 世纪 90 年代以前，介入光伏电池制造业的国际著名企业只有西门子，而现在进入该领域的大财团有荷兰壳牌石油公 司、英国石油公司和美国阿莫科石油公 司、阿科石油公司以及日本的京都陶瓷、夏普集团等，并且很快成为光伏发电领域的超级集团。 2000 年夏普的产量达 50.4MW， 居世界首位； 京陶达 42MW，居世界第二位； BP达 41MW，居世界第三位；超过了具有 20 多年生产和经营光伏发电技术经验 的西门子太阳能集团，成为光伏发电领域的龙头企业。这些大公司的介入，使产业化进程大大加快。预计今后 10 年光伏组 件的生产将以每年增长 20%~30%甚至更高的递增速度发展，到 2010 年将可能达到 4 600MW/年的生产量，总装机容量将可能达到 18GW。1.3 市场：由作为边远和农村地区的补充能源，向全社会的替代能源方向过渡光伏发电产业自 20 世纪 80 年代以来得到了迅速发展，平均年增长率达到15%，近几年更出现供不应求的局面，其发展更加迅速，成为全球增长最快的高新技术产业之一。到 2000 年 底世界累计安装的光伏发电系统总容量超过了 1 300MW，光伏市场的结构为： 36%用于为住宅、村庄和泵水系统供 电； 35%用作通信设备和远程设备的电源； 24%用于并网发电； 5%用于为计算器、手表和其它小型产品供电。近年来，世界光伏市场发生了很 大变化，开始由主要为边远农村地区和通信设备、气象台站、航标灯等特殊应用领域解决供电问题，逐步向并网发电和与建筑相结合的常规供电方向及商业化应用方 向发展。目前世界上已经建成了 10 多座 MW级的光伏发电系统，光伏发电技术和其它可再生能源技术一样成为全球 减排温室气体的重要技术手段。例如德国近年来并网发电光伏组件的安装容量达到 33MW，其中仅 1997 年一年安装的光伏组件 就达 10MW。到1995 年，美国并网发电的光伏系统，已达到 12MW的装机容量。全世界已有 6 个MW级的联网光伏电站，最 大的一座容量为 6.45MW。世界各大公司纷纷制定和实施扩大规模的计划， 总计新增光伏组件生产能力达 263.5MW/年。 可以说， 光 伏发电技术及其产业正在腾飞。2 我国光伏产业发展情况2.1 技术：光伏电池技术不断进步，与发达国家相比有差距，但差距在不断缩小我国的光伏电池技 术是从 60 年代发展空间用太阳电池开发起步的，地面用光伏电池的生产是 从 1970 年代初开始，主要的低成本技术及生产能力则在 80 年代 中期建立起来。经过十多年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池转换效率不断提高，目前单晶硅电池实验室效率达 20%，批量生产效率为 14%，多晶硅实验室效率为 12%。到 1999 年，我国光伏电池的主要产品是单晶硅电池和非晶硅电池，多晶硅电池只 限于实验室和中试产品，但在2000 年之后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生产，目前批量生产效率为 11%。与发达国家相比，技术差距在不断缩 小。2.2 产业： 2000 年以后，我国光伏产业又一次进入快速发展期，但整体发展水平仍然落后于国际先进水平，参与国际竞争 有一定的难度我国光伏电池生产线的建立有两个高峰期，其一为 80 年代，共引进 7 条总计 4.5MW的生产线，这些生产线规模 小，技术为国外 60、 70 年代的水平，设备陈旧，加上硅片等原材料供应不足等原因，这些生产线开工不足的情况普遍存在。 1999 年以后我国进入又一光 伏电池生产线建设高峰期， 新建的光伏电池生产企业有无锡尚德、保定英利、浙江中意、上海国飞、天津京瓷等，生产线规模在 2 ~10MW，技术先进，并且浙江、保定已经开始多晶硅太阳电池的生产，市场上形成了单晶硅和多晶硅两种主打光伏电池产品的局面。此外，一些光 伏电池的老企业包括云南半导体、宁波太阳能电源等也新上了几条规模均在几个MW、技术较为先进的生产线。 2003 年国内光伏电 池的生产能力约 20MW，但光伏组件的封装能力约 50MW，远大于光伏电池的生产能力。虽然到 2002 年底， 我国已有近 20MW的光伏电池生产能力，但实际生产量仅为 4MW左右， 占世界光伏电池实际生产量的 1%左右。 生产能力不能充 分发挥的主要原因是， 生产线规模偏小、 产品价格偏高等。 这 10 多家光伏电池制造厂，总的规模仅相当于国际上一个中等规模生产厂的水平，平均 每个企业实际年产量只有 500kW左右，不足以维持正常的生产，更谈不上提高质量和降低成本。尽管在 2003年企业发展速度加快， 但是由于规模小和技术等 原因， 在 2002~2003年国家实施的总装机容量 20MW的“送电到乡”项目中，国内生产的光伏电池的应用量不足 10%，错过了这一市场 时机。造成这种局面也是由于投入不足，既缺乏政府扶持，也缺乏大企业的投入。而国外光伏电池的主要业主是传统能源大公司，如石油财 团或发电设备制造企业等，而我国参与这一行业的都是新建企业和小型企业，在技术水平和资金投入方面很难参与国际竞争。2.3 市场：近期内 我国光伏发电市场仍将是为无电地区供电为主，有一定的市场潜力，但也有局限性。2001 年及以前，我国光伏产 品的年销售量均保持在 3~4MW，其中单晶硅产品占 80%，非单晶硅产品占 20%。 2002 年，送电到乡项目使市场年销售量猛增到20MW，光伏系 统保有量达到 40MW左右。从市场份额上看，光伏发电在 2000 年前的主要应用领域是： 通讯行业占 40%~50%， 农村电气化行业 ( 主要包 括户用光伏系统和乡村级光伏电站 ) 占 40%左右，其它领域占 10%左右。但 2002 年当年农村电气化领域的市场份额占到 85%以上。1) 户用光伏系统：户用光伏系统和独立光伏电站是解决我国边远无电地区居民和社会 用电问题的重要方式。到 2002 年，全国累计推广 10~100Wp的户用光伏发电系统近 30 万台，光伏电池组件总功率 6 MW左右，其中 10~20WP的小系统应用较多。随着边远地区经济发展和农牧民收入水平的提高，户用光伏系统存在一定的市场潜力。2) 独立 / 村级光伏电站：几个千瓦到兆瓦级的独立光伏电站具有质量稳定、维护方便、安全可靠、故障率低等优点，适用于人口 相对集中的无电县、乡、村，预计到 2003 年底，小型独立光伏电站的总容量将达到 20MW。3) 并网光伏发电 系统： 对于联网的光伏发电系统， 由于在电网覆盖的地区，光电应用成本太高，目前没有竞争力，因此我国只在 1997 年有少许示范性的并网光伏发电系统。但作为光伏发电未来应用的重要领域之一，预计并网光伏发电系统在未 来 10~20年内将迅速发展。目前，除了通信等专业化应用的场合之外，国际光伏发电系统的市场主要是依赖政府政策营造的，例如发达国家的屋顶计 划和对外援助行动，主要以政府资金拉动光伏发电系统的市场。而我国的光伏发电系统市场主要是特殊需要和无电边远的农牧业地区 需要。我国尚有大约 2 000 多万人口的农牧民生活在无电的农牧区， 60%的有电县处于缺电甚至严重缺电状态，主要分布在西北和西南等地区，这些地方通电率低的原因在于：① 地广人稀，用电水平很低（人均年用电量仅为 120kWh），农村输配电网 难以建立；② 经济条件差，电力建设资金严重匮乏；③ 气候、交通条件差，电力建设施工和运行管理困难。而另一方面，大部分无电地区太阳能资源丰富，是光伏发电的主 要市场之一，开发潜力大， 如果有 50%的农村无电户利用光伏发电系统来解决用电问题， 每户平均使用 20W，则光伏发电系统的 总需求量即可达 120MW。如果达到初级电气化的水平，则每户需要 100 W，总需要量将为 600MW。据测算，在距电网距离大于 20km，供电负荷小于 10kW的地区，光伏发电具有竞争力。因此，尽管光伏发电系统价格昂贵，应用地区自然条件恶劣， 但在这些已经有 50 多家从事太阳能光伏发电系统销售的企业，他们大多数为民办企业。2001 年 9 月， 世界银行 / 全球环境基金“中国可再生能源发展项目”正式启动，该项目的主要活动内容之一是利用 2 550 万美元的赠款支持在内蒙古、甘肃、青海、新疆、四川西部和西藏等六省区推广共 10 MW 及以上的光伏发电系统，其中 1 500 万美元将直接作为补贴，推动光伏市场的发展。这些项目和送电到乡项目以及其它农村电气化项目将在近期对我国光伏发电的 技术发展、生产和市场开拓等起到积极的作用。但是必须看到，光伏发电的农村电气化市场总的容量，仅相当于目前世界上一年光 伏电池的生产量。在电网不能吸纳光伏发电的电量之前，我国光伏发电系统的市场是十分有限的。