大力發(fā)展第三代光伏發(fā)電技術

1、大力發(fā)展“第三代”光伏發(fā)電技術，應對“碳關稅”的挑戰(zhàn)中國科學院理論物理研究所 研究員 何祚庥我國無疑應迅速決策大力發(fā)展太陽能，把發(fā)展太陽能提高到國家發(fā)展戰(zhàn)略高度，一方面是為了應對國際金融危機，另一方面也是為了回應發(fā)達國家為扼制我國而發(fā)起的“征收碳關稅”的挑戰(zhàn)。最近，美國總統(tǒng)奧巴馬一再宣稱：“在開發(fā)、生產、利用和節(jié)約能源的新技術方面，沒有什么比創(chuàng)新更重要”。應對“碳關稅”的重要措施之一，是大力發(fā)展光伏發(fā)電技術，要在1015年間，將光伏發(fā)電成本下降到可以和火力發(fā)電相競爭的水平。從國際發(fā)展的態(tài)勢來說，當前光伏產業(yè)正由晶體硅發(fā)電為核心的“第一代”技術，向硅薄膜或其它薄膜（如碲化鎘，銅銦鎵硒等）發(fā)電等“

2、第二代”技術轉變。由于薄膜的厚度僅為幾個微米，所用材料僅為價格十分昂貴的晶體硅的1%。所以，“第二代”技術的發(fā)電成本，一般約為“第一代”技術的1/2。但是，時代又在前進?，F(xiàn)在光伏發(fā)電技術，又出現(xiàn)了“第三代”技術。這就是中國科學院理論物理研究所特聘研究員，陳應天教授所開拓的“4倍聚光+跟蹤+太陽能煉硅+晶體硅（p型或n型）+薄膜”的光伏發(fā)電技術。1我個人認為，這是當前最先進、發(fā)電成本也最低廉的光伏發(fā)電技術?，F(xiàn)在國際上也出現(xiàn)了類似的意見。下面是華北電力大學、可再生能源學院的陳諾夫教授在高效聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)的報告中給出的，國外最近發(fā)布的，有關未來光伏發(fā)電成本發(fā)展趨勢的預測圖。這一預測圖也指出，第二

3、代光伏發(fā)電成本，約是第一代光伏發(fā)電成本的1/2，而第三代光伏發(fā)電成本，亦即“聚光+跟蹤”技術的光伏發(fā)電成本，又將是第二代的技術的1/2。下面簡略地介紹一下陳應天教授及其團隊在太陽能光伏發(fā)電技術方面，所獲得的成就。一、當前“4倍聚光+跟蹤”的光伏發(fā)電技術有較大突破，其成本已下降到平板光電池的1/3，發(fā)電成本也下降到0.51元/度電。a）傳統(tǒng)的光伏電池是將光電池做成平板，固定放在屋頂或墻面，或按最佳方位，用支架排成接受陽光的陣列。優(yōu)點是結構簡單、易加工，缺點是有較大的余弦損失，每塊光電池只接受一倍陽光，利用率太低！提高電能有效產出的辦法之一：聚光+跟蹤。b）下圖是陳應天教授所發(fā)明的4倍聚光裝置。關

4、鍵在于所設計的光漏斗能夠保證在一次反射的條件下，在太陽電池表面上有均勻光強的分布。圖片說明：光漏斗的外形圖理論預期，4倍聚光將輸出4倍電力。實際上由于反射、吸收等原因，實測證明，在直射光是4倍光強的條件下，光電池的輸出是3.3倍。如果再加上跟蹤裝置，可比平板電池提高30%，發(fā)電量是3.3×1.3=4.3倍。如果扣去光漏斗對漫射光的阻擋（注：漫散光一般占太陽光的10%30%），在干旱地區(qū)，漫射光僅占10%，也就是一塊光電池能產生4.3×（1-0.10=3.87）倍的電力；在陰雨、多云地區(qū)，一塊光電池將能產生4.3×（1-0.30=3.01）倍的電力。c）為什么這一四

5、倍聚光技術能在短期內獲得成功？原因是：1）僅要求“4倍”而不是高倍聚光，所以可用目前市場上有充分供應，價格較低廉的光伏電池，不必要求有能承受1020倍，或幾百倍，但質量難以保證，價格十分昂貴的，“特殊”的聚光電池；2）這一光漏斗能保證太陽光在光電池表面有均勻的光強分布，這就極大地減少了熱應力的不均勻和受熱量的不均勻，帶來“光漏斗”的制作和散熱的困難，如果是市場上隨便買來的劣質光電池，四倍聚光會扭曲成“碗”；3）由于這是光的均勻“折疊”，僅要求太陽光的垂直輸入，使“光漏斗”成為“向日葵”；只需將地球繞太陽公轉和自轉的高精密的運行公式，輸入芯片，就能將陽光垂直送進光漏斗，不必采用“測量”和“反饋”

6、等，復雜而又不甚精密的控制方案，也大幅度降低了跟蹤成本。下面是發(fā)電功率為150瓦的樣機：圖片說明：李政道教授在進行現(xiàn)場指導圖片說明：多倍聚光發(fā)電可以用在路燈上既美觀又可靠d）有許多人對4倍聚光技術提出批評或懷疑：如，能否有效地散去4倍聚光帶來的熱量？是否真的達到4倍的輸出？跟蹤精度能否滿足要求？能否長期安全可靠地運行？能否經受沙漠地區(qū)，常有的狂風、冰雹、高溫、驟冷、沙塵暴等惡劣氣候的考驗？如何解決灰塵的清洗？能否比平板電池有更長的持續(xù)壽命？能否和別的聚光方案相競爭？等等 。對上述難點、疑點，陳應天教授采用了一系列高新技術，做了有針對性的回答。尤其是“光漏斗”的設計，除了耐冰雹、強風之外，還有效

7、地防沙、防水，有效地消除了最為困擾平板電池的熱島效應，能保證>25年的使用壽命，而且易拆、易裝，便于維修。實踐也已部分地做了回答。這一4倍聚光技術，已在內蒙古鄂爾多斯建造了一個功率為205千瓦小型光伏電站。已安全、可靠、持續(xù)運行了2年多，只在安裝調試早期有千分之一、二的光漏斗需要維修！下面是在內蒙鄂爾多斯正在運行的小型光伏電站的照片：圖片說明：國內第一座由國家批準的在鄂爾多斯正式運行的商業(yè)化的光伏電站e）近來，這一四倍聚光技術，又做了大幅度改進。已在蚌埠研發(fā)了一臺直徑為35米的，峰值功率為50千瓦，50KWp的光伏發(fā)電機。這一樣機所用結構材料更少，占地面更小，控制更簡單，成本也更低。這一

8、4倍聚光單元，已獲得歐洲TUV長達一年之久的測試，認為可銷售到歐洲市場。據(jù)我們所知，這是世界上第一例聚光漏斗，通過TUV測試?，F(xiàn)在已接到國外大批訂單，已出口國外市場。極有興趣的是：最近，在蚌埠地區(qū)出現(xiàn)大風暴、大冰雹，一個厘米直徑的冰雹砸向4倍聚光漏斗，全部結構安全運轉，安然無恙。下面是在西班牙安裝的50KWp光伏電機的跟蹤系統(tǒng)：圖片說明：西班牙工人在緊張地安裝來自中國的發(fā)明下面是在西班牙安裝和運行的50KW轉盤式光伏電機的照片：圖片說明：中國發(fā)明的大型跟蹤光伏發(fā)電站在西班牙正常運行f）更令人感興趣的，是4倍聚光技術的發(fā)電成本。這涉及50KWp光伏電機的使用壽命。由于一塊光電池已能發(fā)出4倍電力；

9、這一50KWp并網光伏電機包括利稅、土地、知識產權費用在內的總投資將下降到25000元/千瓦。如果此光伏電機使用壽命是25年，年平均發(fā)電1967小時（注：這是甘肅武威地區(qū)年平均日照時間），易算出以25年壽命計的這一光伏電機的平均發(fā)電成本，是0.51元/度電。如果此光伏電機獲得1.09元/度電的優(yōu)惠上網電價，將在12年內回收全部成本。最近，我們到甘肅武威地區(qū)，對陳應天所發(fā)明的50KWP的轉盤式光伏電站，和863計劃支持的500KWP平板式光伏電站的投資和運行做一比較性的考察，其結果是：這一轉盤式光伏電站不僅其單位投資僅為平板光伏電站的1/3，而且發(fā)電量還多出55%！但是，這一 4倍聚光光伏電機的

10、光電池，現(xiàn)僅有20%轉化率；如果進一步增加到25%30%（注：這將是進一步研究和解決的重大課題），上述4倍聚光光伏電機的發(fā)電成本，還將進一步下降！總之，光伏發(fā)電技術在我國的大規(guī)模應用，已是為期不遠！二、更重要的是已研發(fā)出價廉，而聚光高達1000015000倍的太陽爐，溫度可達3500度，成本只有國外同類研發(fā)產品的1/301/503，已用來冶煉出太陽能級的高純硅，而且將為高溫光冶金、光化學的研究和發(fā)展，提供了新的工具a)陳應天教授在太陽能領域內的重大貢獻之一，是發(fā)明了無光象主動光學理論及其技術。已利用這一理論和技術建造出價廉物美而且質量極高的定日鏡。其直接應用之一，是建造聚光達100001800

11、0倍的太陽爐。下面是鏡面尺寸為6m×6m，聚光15000倍，熱功率高達1525千瓦的太陽爐。下面是相關的圖片：已做到將15000倍太陽光聚焦在某一固定方位，在約為一個乒乓球大小的空間，將溫度上升到35000C，其未將研發(fā)費用計算在內的成本僅約為20萬人民幣！ 近來，陳應天教授又將上述定日鏡擴展為8m×8m的鏡面，也制成相應的產品出口到國外，其售價高達人民幣150萬元。但國外所研發(fā)的太陽爐，其售價卻至少是150萬元的10倍，在性能上也不如陳式太陽爐優(yōu)越，所以，陳式太陽爐仍是市場受歡迎的廉價產品。b）近12年來，國際市場上太陽能級多晶硅材料飛速上漲，2008年上半年曾高達3500元/公斤。由于遭受金融危機的打擊，近年來太陽能級高純硅售價已下降到約80美元/公斤，集團內供貨仍高達5070美元/公斤。原因之一，是高純硅的制作耗電太多，每公斤多晶硅耗電達250450千瓦小時！所以，僅電費支出就達1525美元/公斤，幾乎達到實際成本30美元/公斤的1/23/4！為大幅度減少用改良西門子法冶煉高純硅的高耗能，降低硅產業(yè)所產生的四氯化硅等產物的重污染，其發(fā)展方向之一，是用太陽能煉硅。c）由于太陽爐是一種極好的廉價的的高溫光源，已利用這一太陽爐先后在銀川、鄂爾多斯和武威等地對太陽能煉硅進行了多次試驗和反復改進。4大