大力发展“第三代”光伏发电技术

$中环股份(SZ002129)$
大力发展“第三代”光伏发电技术_2010-08-08
 大力发展“第三代”光伏发电技术,应对“碳关税”的挑战
中国科学院理论物理研究所  研究员 何祚庥
我国无疑应迅速决策大力发展太阳能,把发展太阳能提高到国家发展战略高度,一方面是为了应对国际金融危机,另一方面也是为了回应发达国家为扼制我国而发起的“征收碳关税”的挑战。

最近,美国总统奥巴马一再宣称:“在开发、生产、利用和节约能源的新技术方面,没有什么比创新更重要”。

应对“碳关税”的重要措施之一,是大力发展光伏发电技术,要在10~15年间,将光伏发电成本下降到可以和火力发电相竞争的水平。

从国际发展的态势来说,当前光伏产业正由晶体硅发电为核心的“第一代”技术,向硅薄膜或其它薄膜(如碲化镉,铜铟镓硒等)发电等“第二代”技术转变。由于薄膜的厚度仅为几个微米,所用材料仅为价格十分昂贵的晶体硅的1%。所以,“第二代”技术的发电成本,一般约为“第一代”技术的1/2。




但是,时代又在前进。

现在光伏发电技术,又出现了“第三代”技术。这就是中国科学院理论物理研究所特聘研究员,陈应天教授所开拓的“4倍聚光+跟踪+太阳能炼硅+晶体硅(p型或n型)+薄膜”的光伏发电技术。[1]

我个人认为,这是当前最先进、发电成本也最低廉的光伏发电技术。

现在国际上也出现了类似的意见。下面是华北电力大学、可再生能源学院的陈诺夫教授在《高效聚光太阳能发电系统》的报告中给出的,国外最近发布的,有关未来光伏发电成本发展趋势的预测图。这一预测图也指出,第二代光伏发电成本,约是第一代光伏发电成本的1/2,而第三代光伏发电成本,亦即“聚光+跟踪”技术的光伏发电成本,又将是第二代的技术的1/2。

下面简略地介绍一下陈应天教授及其团队在太阳能光伏发电技术方面,所获得的成就。

一、当前“4倍聚光+跟踪”的光伏发电技术有较大突破,其成本已下降到平板光电池的1/3,发电成本也下降到0.51元/度电。[2]

a)传统的光伏电池是将光电池做成平板,固定放在屋顶或墙面,或按最佳方位,用支架排成接受阳光的阵列。优点是结构简单、易加工,缺点是有较大的余弦损失,每块光电池只接受一倍阳光,利用率太低!提高电能有效产出的办法之一:聚光+跟踪。

b)下图是陈应天教授所发明的4倍聚光装置。关键在于所设计的光漏斗能够保证在一次反射的条件下,在太阳电理论预期,4倍聚光将输出4倍电力。实际上由于反射、吸收等原因,实测证明,在直射光是4倍光强的条件下,光电池的输出是3.3倍。如果再加上跟踪装置,可比平板电池提高30%,发电量是3.3×1.3=4.3倍。如果扣去光漏斗对漫射光的阻挡(注:漫散光一般占太阳光的10%~30%),在干旱地区,漫射光仅占10%,也就是一块光电池能产生4.3×(1-0.10=3.87)倍的电力;在阴雨、多云地区,一块光电池将能产生4.3×(1-0.30=3.01)倍的电力。


光漏斗的外形图

c)为什么这一四倍聚光技术能在短期内获得成功?原因是:1)仅要求“4倍”而不是高倍聚光,所以可用目前市场上有充分供应,价格较低廉的光伏电池,不必要求有能承受10~20倍,或几百倍,但质量难以保证,价格十分昂贵的,“特殊”的聚光电池;2)这一光漏斗能保证太阳光在光电池表面有均匀的光强分布,这就极大地减少了热应力的不均匀和受热量的不均匀,带来“光漏斗”的制作和散热的困难,如果是市场上随便买来的劣质光电池,四倍聚光会扭曲成“碗”;3)由于这是光的均匀“折叠”,仅要求太阳光的垂直输入,使“光漏斗”成为“向日葵”;只需将地球绕太阳公转和自转的高精密的运行公式,输入芯片,就能将阳光垂直送进光漏斗,不必采用“测量”和“反馈”等,复杂而又不甚精密的控制方案,也大幅度降低了跟踪成本。

d)有许多人对4倍聚光技术提出批评或怀疑:如,能否有效地散去4倍聚光带来的热量?是否真的达到4倍的输出?跟踪精度能否满足要求?能否长期安全可靠地运行?能否经受沙漠地区,常有的狂风、冰雹、高温、骤冷、沙尘暴等恶劣气候的考验?如何解决灰尘的清洗?能否比平板电池有更长的持续寿命?能否和别的聚光方案相竞争?等等 ……。

对上述难点、疑点,陈应天教授采用了一系列高新技术,做了有针对性的回答。尤其是“光漏斗”的设计,除了耐冰雹、强风之外,还有效地防沙、防水,有效地消除了最为困扰平板电池的热岛效应,能保证>25年的使用寿命,而且易拆、易装,便于维修。

实践也已部分地做了回答。这一4倍聚光技术,已在内蒙古鄂尔多斯建造了一个功率为205千瓦小型光伏电站。已安全、可靠、持续运行了2年多,只在安装调试早期有千分之一、二的光漏斗需要维修!

e)近来,这一四倍聚光技术,又做了大幅度改进。已在蚌埠研发了一台直径为35米的,峰值功率为50千瓦,50KWp的光伏发电机。这一样机所用结构材料更少,占地面更小,控制更简单,成本也更低。这一4倍聚光单元,已获得欧洲TUV长达一年之久的测试,认为可销售到欧洲市场。据我们所知,这是世界上第一例聚光漏斗,通过TUV测试。现在已接到国外大批订单,已出口国外市场。


国内第一座由国家批准的在鄂尔多斯正式运行的商业化的光伏电站

极有兴趣的是:最近,在蚌埠地区出现大风暴、大冰雹,一个厘米直径的冰雹砸向4倍聚光漏斗,全部结构安全运转,安然无恙。下面是在西班牙安装的50KWp光伏电机的跟踪系统:

f)更令人感兴趣的,是4倍聚光技术的发电成本。这涉及50KWp光伏电机的使用寿命。由于一块光电池已能发出4倍电力;这一50KWp并网光伏电机包括利税、土地、知识产权费用在内的总投资将下降到25000元/千瓦。如果此光伏电机使用寿命是25年,年平均发电1967小时(注:这是甘肃武威地区年平均日照时间),易算出以25年寿命计的这一光伏电机的平均发电成本,是0.51元/度电。如果此光伏电机获得1.09元/度电的优惠上网电价,将在12年内回收全部成本。

最近,我们到甘肃武威地区,对陈应天所发明的50KWP的转盘式光伏电站,和863计划支持的500KWP平板式光伏电站的投资和运行做一比较性的考察,其结果是:这一转盘式光伏电站不仅其单位投资仅为平板光伏电站的1/3,而且发电量还多出55%!

但是,这一 4倍聚光光伏电机的光电池,现仅有20%转化率;如果进一步增加到25%~30%(注:这将是进一步研究和解决的重大课题),上述4倍聚光光伏电机的发电成本,还将进一步下降!总之,光伏发电技术在我国的大规模应用,已是为期不远!

二、更重要的是已研发出价廉,而聚光高达10000~15000倍的太阳炉,温度可达3500度,成本只有国外同类研发产品的1/30~1/50[3],已用来冶炼出太阳能级的高纯硅,而且将为高温光冶金、光化学的研究和发展,提供了新的工具

a)陈应天教授在太阳能领域内的重大贡献之一,是发明了无光象主动光学理论及其技术。已利用这一理论和技术建造出价廉物美而且质量极高的定日镜。其直接应用之一,是建造聚光达10000~18000倍的太阳炉。下面是镜面尺寸为6m×6m,聚光15000倍,热功率高达15~25千瓦的太阳炉。下面是相关的图片:






已做到将15000倍太阳光聚焦在某一固定方位,在约为一个乒乓球大小的空间,将温度上升到35000C,其未将研发费用计算在内的成本仅约为20万人民币!近来,陈应天教授又将上述定日镜扩展为8m×8m的镜面,也制成相应的产品出口到国外,其售价高达人民币150万元。但国外所研发的太阳炉,其售价却至少是150万元的10倍,在性能上也不如陈式太阳炉优越,所以,陈式太阳炉仍是市场受欢迎的廉价产品。

b)近1~2年来,国际市场上太阳能级多晶硅材料飞速上涨,2008年上半年曾高达3500元/公斤。由于遭受金融危机的打击,近年来太阳能级高纯硅售价已下降到约80美元/公斤,集团内供货仍高达50~70美元/公斤。原因之一,是高纯硅的制作耗电太多,每公斤多晶硅耗电达250~450千瓦小时!所以,仅电费支出就达15~25美元/公斤,几乎达到实际成本30美元/公斤的1/2~3/4!为大幅度减少用改良西门子法冶炼高纯硅的高耗能,降低硅产业所产生的四氯化硅等产物的重污染,其发展方向之一,是用太阳能炼硅。

c)由于太阳炉是一种极好的廉价的的高温光源,已利用这一太阳炉先后在银川、鄂尔多斯和武威等地对太阳能炼硅进行了多次试验和反复改进。[4]大量试验证明:利用这一高温光源将能在2~3秒左右,将成份约为2个9的工业硅,成功地去除最难去掉的磷和硼。

数据显示,磷和硼的含量均是1.0ppmw,已达到太阳能级高纯硅所要求的6个9。需要略加评注的是:这里给出的数据,是多个样品中“最坏”的结果。大量的测试,均显示出这一太阳能光冶金法,能达到7个9,甚而是8个9。

陈等人已将冶炼出的高纯硅制作成单晶硅,这一单晶硅的重量是12公斤,60%是p型半导体,40%是n型半导体。已切成125mm×125mm的单晶硅片,并制成光电池,其不加特殊处理的所制成的光电池的转化率可达到16.5%,而且不会因太阳光的照射,造成转化率的衰减!一个可能的解释是:这一光电池所用硅材料,已经历10000倍太阳光的照射,所以极大地压低了光致衰减。

e)在研发过程中,陈应天教授也碰到了一系列困难。陈应天等人本来设想利用他所发明的太阳炉所特有的“高温”,加速冶炼提纯过程的进程。试验进行不久,即发现三重困难:1)冶炼温度过高将引起硅蒸汽的大量损失;2)坩锅寿命太短,使用一两次,即不能再用,屡试而屡败;3)极易造成坩锅污染,而且也很难找到价廉而少含杂质的坩锅。

于是,陈教授发明了一种无坩锅作业。将工业硅磨成细粉和CaO,Al2Os ,SiO2等粉状氧化物和某些添加剂,压铸成棒,直接放置在10000倍的太阳炉里照射。利用氧化物混合物会发生由固相到液相的“相变”,可将温度控制在1700~20000C的范围。由于这是10000倍太阳光的辐照,硅棒迅速升温熔化,液滴由硅棒剥离。为保证冶炼过程的充分完成,还需要适当延长高纯硅的冶炼时间。陈教授等人将硅棒放置在约5.5m高的二层楼,利用自由落体,控制冶炼时间在1.0~1.2秒内,堕入某水池冷却而中止。

一个令人惊异的事实是:这一在10000太阳光辐照下的硅棒的持续冶炼过程,竟然仅在2~3秒钟内完成全部作业。工业硅所含杂质,或者气化,或者形成氧化物,萃取到由“相变”控温为1700度的高温氧化物混合物的液体中。

f)由于这一太阳能炼硅所需持续时间仅2~3秒,云层涨落漂移时间,往往长达十几分钟或几小时,所以这一新型太阳能冶炼法完全能走向产业化。已做到将通常西门子法耗电200~300kwh公斤,降低到仅耗电20~30kwh/公斤,实际上是用定向凝固法,进一步提纯时所消耗的电能。

由于上述冶炼过程消耗的材料是2个9的工业硅和高凝土等一类氧化物,其售价仅人民币5~10元/公斤,所用太阳炉却没有任何消耗;所以上述试验,包括压铸成棒等工艺过程所耗费的生产成本,仅约为20~25美元/公斤。一旦实现了这一生产过程的产业化,将完全可能下降到约10~15美元/公斤。

g)不难看出,这一新方法将有如下优越性:1)拥有完全的自主知识产权;2)将大幅度降低能耗和制作成本;3)能完全消除污染,使高纯硅成为“绿色”产业的太阳能级的高纯硅,有足够的实力应对“碳关税”的挑战;4)其生产规模可大可小,从投资到生产仅有一两个星期的周期,既适合国营经济,也适合家庭作坊式作业;5)在国际市场上将有超强竞争力,并还有大幅度成本下降的空间,(如改为10m×10m的聚光镜)。

由于现有“4倍聚光+跟踪”技术中的光电池成本,仅占全部成本的1/3,如果这一太阳炉光照射的新型多晶硅的光冶金法得到成功,将有可能将上述使用寿命为25年的4倍聚光发电装置的发电成本,再下降20%,由0.51元/度电,下降到0.40元/度电。所以,光伏发电产业的未来将是一片光明。

h)最近,经陈应天教授等人研究,认为这一高倍聚光的太阳炉,既是廉价的高温热源也是廉价的高强度的光源。经计算,在聚光10000倍的强度下,其每秒单位面积通过的光子数高达1~2×1022光子/cm2·秒之多,而液态硅对太阳光的吸收系数,却高达70%。

所以,这一高强度的光子流,将激活每个正在反应中的各种化学键,而极大地加速了化学反应速度,成为“普适”的催化剂。这一“太阳炉炼硅”的成功,将开辟一个新领域,太阳能高温光化学的领域。一个显见的结果是,完全可能将上述太阳炉,用来冶炼难熔金属,或其它难以在通常高温炉内冶炼的材料。

i)陈应天等人已将上述实验结果写成科学论文,已在2009年第7期的《中国物理快报》078103-1页,正式发表。已有某些曾获得诺贝尔奖金的国际友人评论为极富创造性的工作。最近,甘肃电力投资公司已决策应用陈教授所开拓的这一太阳能冶炼高纯硅技术进行试生产,预期年产4000吨太阳能级高纯硅,总投资为20亿元人民币。

这一决策的一个直接的效果是:国内不少已预定要 “大干快上”西门子法、硅烷法的企业,纷纷转而持谨慎观望态度。原因是:国内已上马的制作高纯硅的预期产量,已高达10万吨之多,将在2~3年内形成严重的生产过剩;而一旦太阳能炼硅的产业化获得成功,这一10万吨产业将面临十分尴尬的局面!

三、一个有巨大争议的技术“路线”问题:薄膜还是4倍聚光+跟踪?

a)国内外都有不少人认为薄膜电池是当前光伏产业的主流技术。理由是:

a)虽然目前各种产业化后薄膜电池的转化率较低,约为6%~8%,但实验室产品已高达13%~20%;下面是实验室所做到的各种薄膜电池已达到的转化率的简表:

 b)即令某些多个p-n结组成的薄膜的加工技术较复杂,原材料的大量节约总是薄膜技术的一大优势,而且,完全有可能由于“薄”,而发展出廉价加工技术。特别是碲化镉,在近期就可能降到1.0美元/瓦的水平。

国内外还有不少人反对发展聚光技术。因为所有的聚光发电和聚光热发电系统其本质都是用“廉价的聚光材料替代昂贵的半导体材料,而当半导体材料廉价到聚光材料相近时,所有的聚光发电系统均没有生存的意义了”。下面将对现有薄膜技术和现有“4倍聚光+跟踪”技术做一比较性的分析和讨论。

b)陈应天、林文汉等人曾对薄膜和4倍聚光技术的优点、缺点,做了一个详细的比较。

从上述4个比较的表格来看,聚光+跟踪和薄膜可以说各有优势、劣势。薄膜的最大优势是轻巧,“聚光+跟踪”的最大优势,是占地面或屋顶面积只有薄膜的1/3~1/4,两者的发电成本却均为1.0元/度电。特别是各种建筑的“南墙”,就只能用薄膜技术发电。所以,即使聚光技术有快速进展,处在南墙上的薄膜仍将在市场占有一定份额。

但是,上述结论是在高纯硅约为1500元/公斤售价的前提下做出的。但如果高纯硅售价下降到200元/公斤,晶体硅光电池售价下降到5~6元/瓦的水平,其形势立即发生巨大变化。

c)一个最基本的理由是:薄膜的优势在于所用材料较少,材料占薄膜电池成本份额也较小。但如果高纯硅售价下降了10倍,晶体硅电池中硅材料成本也将成为不重要的份额。由于薄膜效率偏低,性能也欠稳定,一个必然的结论:薄膜电池将很难在性价比上和多晶硅电池进行竞争,除非薄膜电池的光电转化率有成倍的提高。这时,“高效晶体硅光电池+4倍聚光+跟踪”,将是光电市场上的首选。原因是:1)每瓦的“4倍聚光+跟踪”的成本和光电转化率成反比,薄膜电池在原则上当然也可以适用聚光跟踪技术来增加发电量,但如果光电转化率太低,其每瓦的“跟踪+聚光”的成本,必定大幅度增高。2)理论上可以认为,“当半导体材料价格降低到与聚光材料同样廉价时,聚光系统就没有存在的必要”;实际上即令高纯硅每公斤售价降低到微不足道的水平,但制作光电池的其它专用材料,如低铁绒面玻璃、EVA、TFT、银浆、铝浆等材料及其加工技术仍将占到约2.5~3元/瓦的水平,至少,在近期还很难和聚光材料相竞争,而且,聚光材料及其加工的成本,也在大幅度下降。3)尤其是“跟踪”,在光电池组成的阵列中,至少将多出30%的电力,在北方或偏南地区,是不可缺少的技术。

d)新出现的问题是,我国即将从美国引入“第一太阳能”公司所发展的碲化镉薄膜电池技术,这就发生一个新的问题,究竟是“聚光+跟踪”还是碲化镉薄膜电池,是未来光伏发电的主流?下面是有关碲化镉薄膜电池的价格成本的估计。

按我们收集到的资料,该项目总量约为2000兆瓦,总投资约为50亿~60亿美元,将铺设在内蒙古的65平方公里的土地上,而成本是0.87美元/瓦,或等价于6.09元/瓦。整个工程将分期进行,2010年6月将开始一期工程,发电为3千万瓦,其二期、三期、四期工程,分别是1亿瓦、8.7亿瓦,10亿瓦,共为19亿瓦,预期2019年全部建成。其技术将使用60×120厘米的玻璃,用3μm厚的薄膜淀积在衬底上,其整个流程约为2个半小时。他们宣称:“我们还在进一步改进元件的光能转化率,增加能量产出”。此外,他们“所用是一种特殊玻璃,所以会和玻璃厂商进行‘太阳能玻璃’的合作”。

如果上述“数据”可靠,由此可算出:

组件系统安装后的成本价将是:22.1元/瓦,其中光伏电池成本约占整个“组件系统”的1/3~1/3.5。未看到有关碲化镉光电转化率的报告:据冯良桓先生文章,“碲化镉效率为8%,成本约为1.5美元/瓦,或10.5元/瓦;当效率为14%时,成本为0.2美元/瓦,或1.4元/瓦”。如认为这一估计可靠,那么当成本为6.09元/瓦时,其效率应为11%。又据夏申江博士文章“美国第一太阳能……研究开发的化学转移气相沉积专利技术,在60×120厘米大小白玻璃上,获得10%以上的转化率,……成为全球第一家实现每瓦生产成本在1美元以下的公司。”

由于“四倍聚光+跟踪”所用光电池的光电转化率是20%,而且其单位面积发电峰值功率是50瓦/m2;如认为碲化镉平板的放置间距和“四倍聚光+跟踪”技术近似相等,可算出碲化镉的单位平方米的瓦数是

但实际上,它的“东西”走向的排列会比“四倍聚光+跟踪”略紧凑一些,所以可认为碲化镉的转化率约为11%,而且这是目前大面积碲化镉薄膜发电技术所能达到的最高水平。

至于资源,我们所看到的材料,“地球上有碲14.9万吨,其中美国有2.5万吨,中国有2.2万吨”。冯良桓先生还以碲化镉的厚度为6μm为基础作估算,认为“地球上的碲化镉可供100个年产100MW的生产线使用100年”。现在“第一太阳能”的碲化镉的厚度是3μm,因此可望其产量再增加一倍。如果其厚度再下降到1μm(?!),可望再乘上因子“3”。但功率总量最多只相当于建造60个核电站,而内蒙古引入的项目才约为2个核电站。所以碲化镉薄膜技术在中国还有较大发展空间。严重的问题是:一旦碲的资源被大量使用,其价格必然上涨到和硅电池价位相持平的价格。

如果上述数据可靠,据我们所知,国内将没有任何厂家能和“第一太阳能”竞争。唯一能竞争的技术,是“4倍聚光+跟踪”的发电技术。原因是:1)这是4倍聚光,所以光伏组件系统中的光电池成本只是平板光伏组件系统中光电池的1/4,2)跟踪将至少增加30%的是力。近来,这一技术的光伏发电成本已下降到18~20元/瓦,而且还有继续大幅度下降的空间。

e)当然,降低光伏发电成本的重要措施:进一步提高晶硅光伏电池的光电转化率。

现在由于“太阳能炼硅”的成功,将在不久的将来,在市场上获得廉价晶体硅材料。这将可能用廉价的晶体硅,取代在薄膜电池中用到的,但价格较昂贵导电玻璃,但却同时仍能发出转化率达16%~18%的电力。现在市场上出售的n型单晶硅制作的光电池,可高达22%的转化率,市场价格已下降到9~10元/瓦。但这一高转化效率仍有大幅提高的潜力。这就是下面建议的发展方向:

“n-型硅半导体(p型硅半导体)+各种形式的硅薄膜+如有必要,再适当增加一些能吸收红外线的薄膜”。现有国内制作的光电池,绝大多数采用的是p-型硅电池的技术路线,这要比n-型硅电池少4个百分点。陈教授倡议的“太阳能炼硅”,将能供应优质、廉价的n-型的硅半导体。这也是陈式“炼硅”技术的一大优势。单晶硅能带间隙约在1.1eV,而各种形式的硅薄膜的能带间隙约在1.5eV~2.2eV。所以,不同性质“单晶硅+硅薄膜”的p-n结的组合,将可能将现有光电池转化率提高到25%~30%;甚而更高。这一“新型”硅电池的出现,将不仅有利于进一步推进“4倍聚光+跟踪”的发电技术,而且还能取代放在“南墙”上的薄膜。

一旦实现上述技术路线的大突破,完全可能将每度电售价下降到0.25~0.3元/度电。所以,我个人预测,中国的光伏发电将在3~7年间迅猛发展,亟需大功率、高储能电池的有力的配合。

参考文献:

[1]陈应天,“从近代物理学来看我的太阳梦”,现代物理知识,2007年03期。PP.28-33
[2]陈应天,林晨星,林文汉,“太阳能低倍聚光器”,中华人民共和国国家知识产权局发明专利,申请号200810139986.5,公开号CN101359697A;专利号ZL.200820188217.X,授权公告号CN201256372Y。
[3]陈应天,林晨星,林文汉,“一种采用自旋——仰角跟踪方式的太阳炉”,中华人民共和国国家知识产权局发明专利,申请号200810213419.X,公开号CN101368764A。
[4]CHEN Ying-Tian(陈应天),LIM Chern-Sing(林晨星),HO Tso-Hsiu(何祚庥),LIM Boon-Han(林文汉),WANG Yi-Nan(王亦楠)。Chinese Physics Letter, Vol. 26, No. 7(2009), pp.078103-1。
Android转发:6回复:16喜欢:8

全部评论

孤独潜行 2014-09-14 21:31

辩证地看待,一分为二,别一棍子打死

twocycle 2014-09-14 21:30

不,认识他他不认识我。一个政治科学家。能创造出毛子的不是一般人。

孤独潜行 2014-09-14 21:28

兄认识他?

twocycle 2014-09-14 21:25

从中科院出来的大都知道他怎么样。

孤独潜行 2014-09-14 16:04

此人颇具前瞻性!看得比别人远!