何祚庥第三代光伏发电技术已取得重大进展

贺词各位专家、各位嘉宾、各位代表、各位媒体：上午好！在党的十八大即将召开之际，我们迎来了第五届中国能源高峰论坛的隆重召开，借此机会，请允许我向全体会议代表、全体与会人士表示最诚挚的问候，以及对大会的举办者的辛勤劳动表示最高敬意。我很高兴能有机会与各位同人聚集一堂，共同探讨能源问题，能源是关乎经济发展和国家安全的战略问题，中国作为最大的发展中国家，同时也是能源主要消费大国，能源问题是关乎经济发展和国家安全的重大问题。如何保障能源安全，构建合理的能源结构，是中国经济可持续发展需要决策的重大战略问题。因此，会议的召开对中国乃至世界能源现状以及未来的发展都有重要的意义。太阳能作为分布广泛储量巨大的新兴绿色能源，近年来得到了广泛的重视，我希望在论坛期间，可以和各大专家学者就太阳能能源现阶段发展状况和未来发展趋势进行深入讨论与研究，将太阳能更好的应用于解决能源问题的过程中，最大限度的解决人类对能源需求。下面我将对太阳能如何发展贡献一点意见。在我讲演以前，首先预祝本次大会圆满成功。第三代光伏发电技术已取得重大进展中国科学院理论物理研究所何祚庥摘要：光伏发电技术，已由第一代晶体硅发电技术，第二代薄膜发电技术，转向第三代“低倍聚光+高效硅基聚光电池”技术，未来可能转向第四代“高倍聚光+砷化镓聚光电池”技术。当代光伏产业必定向低倍聚光发电技术发展。原因是：1）一块晶体硅可发出多倍电力，可大幅度降低发电成本。2）聚光将大幅度抵消光转化率较高，但每瓦售价也甚高的光电池，在市场销售上的劣势，可大幅度提高单位占地面积的发电量，大幅度节约土地使用成本。已证明正在运行中的小型光伏电站的光电转化可高达24.5%，每平方米发电60W/m2。3）低倍聚光各有关技术，如聚光漏斗、支架、跟踪、散热等技术，已完全成熟。其4倍聚光光伏组件已下降到5元/瓦，16倍聚光将下降到4元/瓦，正在研发中的8倍聚光将下降到3元/瓦。4）预计未来出现的16~20倍聚光的水上“太阳能睡莲”技术，其光伏组件将下降到2元/瓦。低倍聚光技术的最大难点是散热。水上“太阳能睡莲”既能有效地解决散热困难；又能大幅度节约陆上土地。（一）何谓“第三代”光伏发电技术？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。优点是光电转化率较高，缺点是售价较贵，生产多晶硅耗能较多，也容易污染环境。第二代光伏发电技术=花式品种繁多的薄膜电池，优点是材料用量少，售价较低，重大缺点是光电转化率只有晶体硅的一半，占地面积也较多。主要品种有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。……为克服“第一代”，“第二代”光伏发电技术“固有”缺点，人们相继提出发展“第三代”光伏发电技术许多设想。2003年M.A.Green在撰写了《第三代光伏发电》一书，主张发展一些“新型”电池。在中国发展的“第三代”光伏发电技术=“太阳能炼硅+跟踪+低倍聚光+高效聚光硅电池”。这首先是因为新提出的理念，是要进一步提高光伏电池的“单位面积”的发电量，降低“单位面积”发电成本；尤其是太阳能发电要多“占地”，“地价”已成为影响发电成本的重要因素！于是人们就希望引入新“元素”，从半导体技术，转向现代光学，无光像的自适应光学。如果引入现代光学，引入“跟踪+聚光”，有可能用一块单晶硅，或售价较贵的“多结”的单晶硅，发出“多倍”电量；有“可能”用成本较低廉的光学聚光元件，取代、减少使用代价较昂贵的半导体材料和半导体加工技术。2）聚光可以多发电，这是爱因斯坦光电定律的常识；聚光的前提是跟踪，这是现代天文望远镜已解决的问题。“聚光+跟踪”就成为进一步降低成本的“第三代”光伏技术的最主要特征。“太阳能”聚光有许多特殊要求。首先是为适应太阳光在空中不断移动，人们相继提出许多新的光学课题：例如，a）如何将移动中的太阳光“均匀”地聚集在某一面，让光电池更有效地发生电力；光学就从成像光学走向无光像光学。b）如何既聚集来自太阳的直射光，又聚集相当部分的散射光，增加光电池接收的光量；无光像光学就由简易的窄角聚光走向广角聚光。c）所聚集的，不仅是正射的光线，还包括斜射的光线；聚光理论就从在轴聚光，发展为斜轴或偏轴聚光。d）技术上还要应用和发展自适应光学的许多技巧，如何因地、因时不断追踪阳光，将阳光聚光到某一固定便于应用的方位，如此等等。这一由理论物理研究所陈应天研究员发展的无光像的自适应光学，还在其它领域有许多许多应用，如可制作聚光15000倍，可冶炼高纯度的多晶硅，可融熔一切难熔金属的太阳炉，……等，当前首先是应用到光伏发电、光热发电。3)为什么“高效硅基聚光电池”也是“第三代”光电发电技术的一大“特征”？“高效”可提高单位面积发电量，“高效”可大幅度降低每瓦“聚光+跟踪”成本；而“聚光”不仅可成倍增加光电池的发电量，“聚光”还能提高光电池的转化率。理论分析表明，聚光电池输出功率∝入射光强·ln（入射光强/单位光强）下面是美国国家可再生能源实验室所提供的最新有关太阳能光伏电池发电效率的一张简图：从这一图片可以很清楚地看出，a）用砷化镓制作的光电池的转化率，遥遥领先于各类光电池。2011年“多结+418倍聚光”的转化率更上升到43.5%。由砷化镓薄膜制成的光电池，也做到了28.2%。b）居于第二位是硅基光电池。其单晶的转化率由历史上的17%上升到25.0%，其“单晶+92倍聚光”的光电池转化率，已上升到27.6%。但“多晶”硅光电池却缓慢上升，十年来仅停留在20.3%，远远落后于“单晶+聚光”的硅光电池。但是，除异质结硅电池可高达23.0%外，至今未见有“多结”硅基光电池的报导。c）紧随晶体硅光电池之后的是铜铟镓硒，其实验室中的薄膜转化率已高达20.4%；其次是碲化镉薄膜，实验室效率是17.3%。但如果将CIGS薄膜电池和“单晶+聚光”硅基光电池做一比较，其实验室里的转化率仍远远落后于硅基聚光电池的27.6%！再认识到，薄膜电池生产线的投资约是晶体硅的10倍，大面积的薄膜电池转化率的提高，在技术上有原则性的困难；而相反，聚光电池的光电转化率正在不断提高，“4倍聚光+跟踪”技术已相当成熟，其“聚光+跟踪”花费的“代价”，已证明要比晶体硅电池“低出”很多，其光学成本还有大幅度降价空间。d）国外更看好的是“跟踪+高倍聚光+高效砷化镓聚光电池”的技术路线。理由是砷化镓有更高的转化率，这当然十分有理。但砷化镓的市场价格太贵，必需用到高倍聚光才有经济效益，而高倍聚光技术难点不少！尤其是“散热+抗风”。而且，我们从原则上还看不出，高倍聚光如何能“既聚集直射光，又聚集散射光”。实验表明，即便是阳光明媚的高原地区，散射光仍占到15%，通常是散射光占总光量的30%~40%。两者相较，我们更赞成发展低倍聚光。当代最有希望的，有可能和火力发电、核能发电相竞争的技术，是“太阳能炼硅+跟踪+低倍聚光+高效硅基聚光电池”，或称为“第三代”光伏发电技术。4）“第三代”光伏发电技术另一“特征”是“绿色”。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。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》Vol.60,No.7(2011)078104，写了一篇题为《强辐射催化法提纯多晶硅》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，而且是绿色技术？原因是：a）跟踪：这将使多晶硅的用量减少30%~40%。b）聚光：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。下面是4倍聚光漏斗和散热片的一组照片：c）高效聚光硅基电池：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。如前所述，在聚光条件下，聚光电池，会出现对数式非线性增长。4倍聚光导致开环电压增长了10%！这一n型光电池就呈现出24.5%的转化率！d）在所有上述介绍的“绿色”技术中，最重要的是太阳能炼硅。5）上述“第三代”光伏发电技术，或“绿色”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。下面是这一电站的图片：上述光伏电站已稳定持续运行了2年。2011年9月，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。下面是2012年3月11日16:00的一个发电纪录：内蒙多伦低倍聚光双轴跟踪光伏电站内蒙古2012-03-11光伏装机容量：100.00kW当前发电功率：33.96kW今日总发电量：710.80kWh总累计发电量：53.58MWh二氧化碳减排量：56.12T并网日期：2011-9-16（二）总计中国科学院理论物理研究所陈应天项目研究员独立自主研发的‘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。现在就已做到，工信部发布的《“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”。新改进的4倍聚光漏斗，还能聚集部分散射光，成本又下降5%。2）单位峰值功率发电量多。由于采用三大技术：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：聚光将导致开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，青海格尔木，已建造了峰值功率为200千瓦的小型光伏电站，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，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，在青海省将下降到0.7×2000/2600=0.54元/千瓦时。4）单位面积发电量高。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，30~40W/m2；各类薄膜电池，15~20W/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；5）太阳能是最便于实现和水能互补的新能源。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。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。（三）“第三代”光伏发电技术——能否在中国实现“平价上网”？在中国实现光伏发电“平价上网”有一个特殊困难，中国的火力发电成本，比发达国家低很多。中国已公布的包含补贴的光伏发电上网电价，1.0元/度电，而平价上网就至少要降到0.4~0.5元/度电！1）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”取代支撑跟踪漏斗的构架，大幅度节约钢材。聚光漏斗将常年浸在水中，极易散去聚光时产生的巨大热量，可又增加约10%~20%的发电量。至于水波起伏，定向跟踪等技术问题，不难用锚、舵，将聚光漏斗改为广角聚光等技术来解决。现在这些技术难点均已初步解决，已做出设计，下面是这一设计的示意图：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。陈应天教授曾做过一个试验，将聚光漏斗放在水下15厘米深处，历时6个多月，在漏斗内没有发现丝毫水汽！下面是聚光漏斗浸水实验的照片：2）其实，在国外已有类似设想。下面是国外设想的太阳能‘睡莲’的照片。图：两个美丽的漂浮在水面的‘太阳能睡莲’又据2011年11月9日《经济日报》报导：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。3）北京地区的密云