这场由太阳能光伏技术引发的能源革命不仅发生在大皇家线上官网（中国）有限公司园等大型公共机构,而且已经渗透到中国的一些家庭。一批太阳能光伏的拥趸,特别是相关科研人员更是身体力行,率先在自己的家里实践清洁能源生产理想,上海电力研究所原所长赵春江就是其中的一位先行者。早在2006年,他就在自家屋顶建造了光伏电站,实际上这也是中国第一个“家庭光伏电站”。特别值得一提的是,赵春江的光伏电站不仅能完全满足全家使用,而且还实现了与国家电网并网,把余电输送出去。
今天,当我们行进在中华大地上,不经意间会发现,太阳能光伏早已经成为我们生产和生活中常见的一部分,无论是荒漠戈壁还是江河湖滩,无论是高楼鳞次栉比的城市还是辽阔空旷的乡野,那一片片深蓝色的太阳能光伏面板都随处可见,它们是碧蓝的天宇下一道道亮丽的科技风景。
将光能直接转化为电能
传统化石能源消耗对环境造成的危害日益突出,世界各国都纷纷把目光投向了可再生能源,希望可再生能源能够改变人类的能源结构,实现可持续发展。而太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源,是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。据测算,太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦,假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能,转变率5%,年发电量将是世界上能耗的40倍。
光伏就是对太阳能利用的直接方式之一。由于光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差,这就是光生伏特效应。太阳光伏发电就是依据此原理,把将太阳光中的光子直接转化为光电流的一种能量转换技术。发电原理也决定了其不涉及机械部件,大部分是电子元件,主要构成器件是太阳能电池板、控制器和逆变器,具有低噪音、耐磨耐用等优点。
目前广泛应用的太阳能电池板主要采用单晶硅、多晶硅等半导体材料,利用半导体界面的光生伏特效应,将一个个小的太阳能电池进行串联,封装后组成大范围电池组合件,一块块的太阳能电池板可以构成光伏发电阵列,通过功率控制器就可以将太阳能转化成电能直接供家庭使用或者通过逆变器将产生的电能供给输电网。
对太阳能光伏发电的优势,已故中国光伏行业泰斗、上海交通大学教授崔容强教授曾将其总结提炼为4个方面:一是光伏发电是将光能直接转换成电能的能量转换技术,是一种直接的能量转化,不像水力发电、火力发电和风力发电等需要涡轮转动,光伏发电在发电过程中没有机械做工,故而损耗小；二是太阳能作为一种可再生能源,无枯竭危险,分布区域广、光照时间长且可再生,不需运输燃料,就地生产、就地消耗,是一种理想的能源；三是光伏发电在整个发电过程中,绿色安全,不会产生污染气体,也几乎没有噪音,是一种理想的发电技术；四是光伏发电设备相对简单,其安装和拆卸都很方便,运行中不需值守,很少需要维护,维护成本非常低。这些优势使得太阳能光伏技术成为各国竞相投入研发和取得突破的重点领域。
光伏发电跨越式增长
1978年3月,在盛况空前的全国科学大会上,有一项科研成果获得重大科技成果奖,成为走进“科学春天”最先绽放的“迎春花”,这就是“NP结硅太阳电池”。彼时,这项科研成果还鲜为人知,而其应用对象则是运行在九天之上的中国实践一号卫星,这是中国自主研制的科学试验卫星系列首颗星,于1971年3月发射升空。为了克服性能衰减,给实践一号装配性能更优越的太阳能电池,中国科研人员进行了夙兴夜寐的苦战攻关,终于研发成功,使其在8年的寿命期内,功率衰降控制在设定范围。曾参与该项攻关的中国科学院院士、中国科学院半导体所研究员王占国不仅留下永恒的记忆,而且手上也留下攻关时被灼伤的疤痕。
“美国1957年左右拉出了首块硅单晶,中国1958年也研制出了首块硅单晶,随后,中科院物理所新成立的半导体研究室正式开始研发太阳能电池。”王占国对中国太阳能光伏技术在起跑阶段取得的成就充满自豪之情。在上世纪60年代中期,中国太阳能光伏电池研制水平与国际上相差不大,并且在相当长时间主要应用于空间领域。王占国介绍说,进入改革开放初期,中国与国际同期开展了砷化镓太阳能电池研究,这类新型太阳能电池具有很高的光发射和光吸收系数,经过约20年潜心攻关,到1999年,使这类电池的转换效率大幅提升。从整体上而言,上世纪八九十年代,由于需求端牵引力不强等因素制约,中国太阳能光伏电池的研发工作进展并不快。就研发项目而言,比较大的是1986年国家计委在农村能源“1986—1990年第七个五年计划”中列出的太阳能电池专题,当时全国有6所大学和6个研究所进行晶体硅电池等的研究。
在科研攻关的同时,中国太阳能光伏应用也逐步从空间领域拓展开来,随着在浙江宁波和河南开封等地成立太阳能电池厂,太阳能电池开始进入批量生产阶段。20世纪80年代末期,中国引进了多条太阳能电池生产线,使中国太阳能电池的生产能力由原来的几百KW(千瓦)一下子提升到4.5MW(兆瓦)。
随着国家于2000年之后启动“送电到乡”“光明工程”等一系列项目的实施,随着光伏发电技术成熟、成本逐步降低、上网电价初步明确以及国家改善能源结构的需要日益增加,集中式光伏发电得到迅猛的发展。从2009年开始,我国启动了旨在促进光伏发电产业技术进步和规模化发展、培育战略性新兴产业的“金太阳示范工程”,带动了大型光伏电站和分布式光伏快速增长。之后,《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》《关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》等接连出台,光伏产业迎来跨越式增长时期。2016年11月出台的《太阳能发电发展“十三五”规划》提出,到2020年底,中国太阳能发电装机达到1.1亿千瓦以上。
发力薄膜太阳能电池
经过多年的发展,中国在太阳能电池硅材料生产、电池和组件生产、专用设备等方面取得很大进步。在王占国看来,这些突破和进步还是不够的,与国外最先进水平相比,仍然存在一些差距,主要表现在技术水平、产业和市场发展等方面。比如,无论是单晶硅还是多晶硅,其实验室效率都要比国外的来得要低一些。在太阳能电池制造设备方面,王占国认为要加强自主研发力度,实现进口设备的国产替代,一方面可以节省资金,进一步降低终端成本；另一方面,可以避免受制于人,实现技术自立。
在科研方面,中国太阳能光伏领域在目前阶段具备更雄厚的基础条件,应该瞄准最前沿领域。薄膜太阳能电池是太阳能光伏发电领域研究的重要方向,该类电池放弃或大幅减少对晶硅体材料的使用,直接采用薄膜,具有安全、可折叠、方便连接、轻巧、抗热性能好、不易破损等特点和优点,适应了太阳能电池高效率、低成本、大规模生产发展的需要。中国科学界和产业界要携手合作,争取尽快把薄膜非晶硅太阳能电池的转换效率提高到新水平,率先真正实现薄膜太阳能电池的低成本、大面积、高效率使用。
