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光伏革命:新能源革命的“主打歌”

作者:李河君   出版社:中信出版社  和讯读书
  为什么法国的农场主愿意投资2 000万欧元建造太阳能发电大棚?为什么“沪上太阳能屋顶发电第一人”赵春江愿意等待7年,最终将自己发的剩余电力并入国家电网?

  “太阳能,量无限,面无边,照无时,盖无偏,取无价,用无染。”在第三次工业革命中,光伏将是可再生能源的最佳选择。光伏技术经过三代的发展之后,目前大规模发展的三大条件已经具备。

  好戏正在上演

  2008年,在法国东部的孚日山脉,一家原本以种植、养殖为主的农场吸引了其他农民和不少投资者的目光—这家农场的主人韦斯特法尔在自家的5座大棚屋顶上建造起了面积达3.6万平方米、装机容量达4.5MW的巨型太阳能发电装置。

  韦斯特法尔的工程预算为2 000万欧元,完工后可为4 000户家庭供电,有望实现年创收200万欧元。由于获得了法国人民银行集团和农业信贷银行的贷款,他又与政府签订了20年的供电合同。韦斯特法尔的创收新途径让其他农场主羡慕不已。据台湾《联合报》2009年2月25日报道,由于农作物价格下跌、农业成本上涨,2008年法国农场的平均收入下跌了15%。

  在中国,这样的故事也时有发生。2012年12月26日,青岛市的徐鹏飞实现了自建家用分布式光伏系统的想法,装机总容量为2KW,并网电压为380/220V,采用电量自发自用、余量上网方式并入电网。这套2KW的光伏系统总投资仅2万多元,在并网的当天就发电8.5度,一年发电量预计超过3 000度。

  对比徐鹏飞,上海电力学院太阳能研究所所长、“沪上太阳能屋顶发电第一人”赵春江的胜利显得来之不易。从2006年年底开始,赵春江自掏腰包建起了家庭式太阳能屋顶电站,连续运行近7年,日均发电近9度,除供家庭用电外,剩余的1/3电量一直无法并入国家电网。2013年7月的最后一天,赵春江终于迎来了上海市南电力公司的工作人员,并与之签订了购电协议:自给自足后的余电上传至电网,电力部门暂时按照0.477元/度的电价进行收购。

  泰兴市农民张长旗花2万元在自家屋顶建成了一个小型光伏发电站,可满足2~4户的家庭用电,并向泰州供电公司提交了并入国家电网的申请。

  武汉市居民高松自建由18块太阳能电池板组成的小型电站,目前已正式并网发电,预计一年能节约电费近2 000元。

  这样的例子会越来越多,家庭电站在国内不再是能源孤岛。

  这种故事也许会进一步验证可再生能源的未来商业模式。正如杰里米·里夫金所说,“第三次工业革命”的第二个经济支柱就是,将世界上每个大洲的建筑都转化为微型发电厂,以便就地收集可再生能源。

  “发迹”于石油危机

  继第一次工业革命用煤炭替代木柴、第二次工业革命用石油替代煤炭之后,在已经降临的第三次工业革命中,必然会有一种新能源来替代石油。

  所谓“新能源革命”,不能理解为“新”的“能源革命”,更确切的理解应该是“新能源”的“革命”。必须引入“新能源”的概念,这样才不会出现偏差。抓住这个实质,我们对第三次工业革命的认识和理解才算到位,否则,说得再多也还是不得要领。

  那么,替代石油的主角会是谁呢?

  太阳能是可再生能源中最具优势的选择。为了说明太阳能的好处,我编了几句顺口溜:“太阳能,量无限,面无边,照无时,盖无偏,取无价,用无染。”

  首先,从能量的角度看,太阳普照大地,不同种族、不同国籍、不同宗教的人都能够沐浴在太阳光之中。每秒钟到达地面的太阳能相当于燃烧500万吨煤释放的热量。这意味着只需一个小时,到达地球的太阳能就能为地球提供一年所需的能量。其次,从“无污染”的角度看,在各种新能源中,太阳能的优势非常明显。更重要的是,太阳能没有安全隐患,不存在分布不均衡的问题,而且不受其他资源的制约。所以,无论是从自然禀赋来看,还是从实际利用来看,新能源的代表者和主体、替代化石能源的主力军只能是太阳能。

  和任何一种新能源一样,太阳能的利用也经历了一个颇为漫长的过程。这个过程也是受石油兴衰刺激的过程,其发展因石油价格下跌而停滞,因石油价格上涨而加速。

  人类利用太阳能的历史已经有3 000多年,而人类将太阳能视为一种能源和动力的历史只有300多年。1615年,法国工程师所罗门·德·考克斯发明了世界上第一台由太阳能驱动的发动机。其工作原理是,采用聚光方式采集阳光,利用太阳能加热空气使其膨胀做功来抽水。

  太阳能利用取得突破性进展则集中在20世纪以后。1900~1945年,太阳能的研究进展缓慢,主要是因为化石燃料大量开发,石油廉价且丰富;在“二战”结束后的20年里,有识之士觉察到石油与天然气的消耗量剧增,存量有枯竭之势,于是呼吁推动太阳能研究。而此时,光伏发电大规模应用的基础—实用型硅太阳能电池于1945年由美国贝尔实验室研制成功;10年后,伊斯雷尔·塔尔沃特等人在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论,并研制出实用的黑镍等选择性涂层,为高效集热器的发展创造了条件。

  太阳能利用在1973年的石油危机之后才真正得到重视。石油输出国组织采取减产、提价等办法支持中东人民以斗争维护本国利益,这使得依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家的经济遭到重创。这使各国意识到,石油已成为左右经济发展甚至决定一个国家生死存亡的关键因素,而且是一个极其不稳定的因素,现有的能源结构必须改变。

  从那时起,人们才真正将太阳能视为“近期急需的补充能源”、“未来能源结构的基础”,太阳能研究与发展由此进入快车道。

  1973 年,美国制订了联邦级的阳光发电计划,大幅提高太阳能研究经费,并且成立太阳能开发银行,促进太阳能产品的商业化。1974年,日本公布了政府制订的“阳光计划”,其中,太阳能的研究开发项目包括太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。在我国,“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会” 于1975年在河南安阳召开,推动了太阳能事业的发展。这段时间,CPC(复合抛物面聚光器)、真空集热管、非晶硅太阳能电池、光解水制氢技术、太阳能热发电等纷纷研制成功。

  不过,在1980~1992年,太阳能热潮再度遇冷,原因是石油价格大幅回落,而太阳能产品的价格居高不下,技术上也没有重大突破。直到1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”,并通过了《里约热内卢环境与发展宣言》、《21世纪议程》和《联合国气候变化框架公约》等一系列重要文件,确立了可持续发展的模式,并将环境与发展纳入统一的框架,太阳能才再度受到高度重视。

  1996年,联合国在津巴布韦召开“世界太阳能高峰会议”,会上讨论了《世界太阳能10年行动计划》(1996~2005年)、《国际太阳能公约》、《世界太阳能战略规划》等重要文件,会后发表了《哈拉雷太阳能与持续发展宣言》。这次会议进一步表明了联合国和世界各国开发太阳能的坚定决心,要求全球共同行动,广泛利用太阳能。

  三大条件已具备

  进入21世纪,太阳能时代终于到来。虽然太阳不会一直照耀,我们现在也无法完全收集并充分利用太阳光,但人类已经掌握的技术完全可以实现合理成本下的太阳能应用。

  现阶段,太阳能的利用方式主要有两种。一种是利用太阳能辐射所产生的热能发电,即“光热模式”,简称“光热”。光热发电的基本原理是,使用汇聚的太阳光将集热器中的介质(液体或气体)加热,然后将热能转化为机械能,再将机械能转化为电能的一种发电方式。

  另外一种形式是“光电模式”,全称是太阳能光伏发电系统,简称“光伏”(PV)。这是一种利用太阳能电池半导体材料的光伏效应,将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。其中,单块太阳能光伏电池的发电量较少,但将很多电池串联或并联起来就可以组成能够输出较大功率的太阳能电池方阵。

  光热发电与光伏发电各有优劣。光热发电目前面临的主要问题是,其成本必须借助于规模效应才能迅速下降。这种规模效应决定了光热发电将主要应用于大规模的发电站建设,其能量可储存的优势和类似火电的发电原理使得电网更能接受其电量。但是光热发电还存在因远距离传输而引起能源损耗的缺点,这使得光热发电与传统能源相比,竞争力不强。

  光伏发电的规模限制相对较小,更适用于小型发电站和分布式电站,例如在没有大量空地可建设大规模太阳能发电站的地方,就可以依附于建筑建设离网或并网的光伏发电系统。

  在中国乃至全球太阳能发电市场越来越大的背景下,这两种技术路线都有其市场。但从里夫金对第三次工业革命的描述来看,光伏发电无疑更适合未来的能源独立式、分散式生产。

  光伏发电的全部光电转化都已经被完整地包含在一个模块当中,功能独立,因此非常适合分散式发电。光伏发电的集中式发电也是基于对数目众多的太阳能电池模块的叠加效应,是对单块电池的拼装和连接。

  当然,光伏若要实现大规模应用,需要三个基本因素:转化效率,平价上网和储存。目前这些因素都已具备。

  转化效率的核心技术指标是“光电转化率”,即单位光能通过光伏电池转化为电能的比率。光电转化率不仅是技术指标,而且在很大程度上决定着光伏利用的经济指标。转化率越高,单位电能的生产成本就越低,光伏发电的利用也就越广泛。

  自1969年法国第一个太阳能电站建成以来,光伏发电的推进并没有像人们理想中的那样迅速,原因就是在相当长时间内都受到转化率低、成本高的制约。一提及光伏,有些人立刻就会产生“成本高”的反应。

  但是,事物是不断变化的。人们往往高估了1~2年的变化,而低估5~10年的变化,这样根本没法看清事物发展的趋势。一两年的变化还处在量变状态,5~10年量变的累积则可能发生质变,摩尔定律正在光伏产业上演。

  10年前,光电转化率大约在10%以下。那时,人们认为超过10%、达到11%~12%就相当了?起了,这个跨越需要很长时间。但实际情况很快就超出了这个预期,目前薄膜光电转化率已经达到17%以上,而且提升的速度还在加快。过去,转化率每提升1%至少需要两年时间,但现在情况完全不同了。MiaSole公司在2012年5月到2012年9月不足5个月的时间里,就把转化率从13.4%提升到了15.5%。目前,研发转化率最高已达17.6%。

  光伏大规模应用的上网条件也成熟了很多。逆变器生产已经成为光伏产业的重要组成部分。逆变器可以把光伏发出的直流电转换为交流电,技术难关已经突破。把现在的“统一发电,统一供电”的电网改造成“自发自用,多余上网”的分布式电站,从技术上讲早已不是问题,而光伏从业者思考的更多的是商业模式和政策问题。

  与此同时,智能电网时代可能即将来临。所谓的智能电网就是电网的智能化,也被称为“电网2.0”,它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础之上,通过先进的传感和测量技术、设备技术、控制方法以及决策支持系统技术的应用,实现电网可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。

  欧洲在2005年建立了“未来电网欧洲技术联盟”,其目的就是研究如何把电网转换成一个用户和运营者互动的服务网,以提高欧洲输配电系统的效率、安全性和可靠性,并为分布式和可再生能源大规模整合扫除障碍。2009年,智能电表首先在德、法、意、西等国得到应用。欧盟还有一个超级智能电网计划,其目标是把高压输电和智能电网结合起来。

  就储存条件而言,目前也已经不是什么难题。由于太阳能发电具有波动性(白天阳光充足,发电量大;夜间没有阳光,不能发电),这就需要使用储电电池把电能储存起来,调节波动。现在,小容量的储电电池已经得到广泛应用,而且还在不断改进。太阳能城市照明、电动汽车使用的电池都已经投入实际应用。家庭小型太阳能电站所需的储电设备也不存在什么障碍。虽然眼下可重复使用的大容量储能技术还没有突破性进展,但这并不会从根本上影响光电上网。

  目前,电网最大的调峰是白天用电量大和夜间用电量小之间的调峰。工业企业大多是白天用电,其太阳能电站的发电高峰正好与用电高峰重合,这就自然地减轻了储能压力,同时降低了使用外电的比重,实际上也有助于电网缓解调峰压力。

  从长远看,电力储存不仅能够更好地解决电力系统的“调峰”问题,还可以更好地解决电能移动利用的问题。这不仅是光伏产业的课题,也是整个电力产业和科学技术界的课题,需要全社会一起努力攻关。

  杰里米·里夫金指出的第三次工业革命五大经济支柱的第三点,即在每一栋建筑物以及基础设施中使用氢和其他存储技术,以存储间歇式能源,在未来是完全可以实现的。

  三代技术已来临

  如果说新能源革命的核心是光伏革命,那么光伏革命的核心就是太阳能光伏发电技术的广泛应用。

  除上述优势外,太阳能还有一个技术优势,即太阳能发电技术已趋于成熟,太阳能的发电成本已迅速逼近传统电能的发电成本。

  太阳能光伏产业是最具发展前景的清洁能源产业, 薄膜化、柔性化是全球太阳能发展的总趋势和方向。我认为,0.5元/度的光伏发电成本可谓是新能源发展的里程碑。因为火电发电成本(包括环境成本)已超过0.5元/度,而且还在不断上升,所以,新能源,特别是以太阳能为代表的新能源大规模替代传统能源的时代已经来临。

  太阳能光伏发电技术主要体现在太阳能电池方面。这种电池又叫作“太阳能芯片”或“光伏电池”,是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被太阳光照射到,瞬间就可输出电流。

  1883年,光伏电池被美国发明家查尔斯·弗里茨首次制备成功。他的方法是在硒表面镀上薄薄的一层金,这种电池的最高光电效率还不到1%。然而,在短短几十年时间里,太阳能电池技术已历经三代:从第一代硅基板、第二代薄膜到第三代复合薄膜材料,技术早已不可同日而语。

  值得一提的是薄膜电池。它最大的优势在于成本,在面积相同的情况下,晶体硅太阳能电池的厚度是0.2毫米左右,而薄膜电池的厚度只有它的1%,材料用量节约至极,在硅原料的使用上,薄膜电池的单位成本要远远低于晶硅电池的单位成本。

  如今,太阳能电池的切片已经达到0.1毫米量级,而薄膜电池的研发转化率最高已经达到18.7%,单晶硅市场上已有转化率为19%~20%的电池片,多晶硅市场也有转化率达到18%左右的电池片。

  如今,由于新技术以及规模经济等因素的影响,光伏发电成本以每年8%左右的速度下降,越发受到各国重视。这也与世界各国都在实施“上网电价补贴”政策有关。

  随着光伏发电技术的广泛应用、国家政策的支持,当数以万计的小型光伏能源生产者被纳入智能电网,这就意味着里夫金所说的新能源与新技术的融合已经实现,全新的社会变革也会由此开始。

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