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光伏发电的演变史
双击自动滚屏 发布者:zq1229 发布时间:2015-8-18 19:10:25 阅读:1927次 【字体:
 

    1905年初春的伯尔尼,依然有些寒意。“克拉姆大街49号”里,一个头发蓬乱的年轻人一边看着论文,一边不时地喝着手中的咖啡。在确认文章正确无误后,他将论文装到信封,然后邮寄给当时国际物理学界声望最高的杂志——德国《物理年鉴》。年轻人腼腆的对编辑说:“如果您能在你们的年报中找到篇幅为我刊出这篇论文,我将感到很愉快。”

    这篇“被不好意思”送出的论文名叫《关于光的产生和转化的一个推测性观点》,而那个年轻人就是爱因斯坦。爱因斯坦在论文中把量子概念推广到光在空间中的传播情况,提出光量子假说。

    自从1839年法国一名摄影师发现光照通过特殊材料会产生电流以来,人们一直对神秘的光电效应充满了好奇。直到1905年,这其中的原理才被爱因斯坦利用量子理论解释清楚:光子和电子作为粒子,其能量是可以进行离散式的交换的。

    《物理年鉴》最终刊登了爱因斯坦的论文,而也正是凭借“光电效应定律的发现”,在论文刊发16年后,爱因斯坦获得了诺贝尔物理学奖。

    这篇论文的更伟大之处,则在于“这一伟大的发现让刚刚进入电气时代的人类社会激动不已,尤其是学界和工业界。长期以来基于卡诺循环驱动的发电机慢慢占据了整个世界,已经有不少富有远见卓识的物理学家和发明家已经发现,化石燃料对人类能源需求的支撑时间尺度是无法和直接利用太阳能相比的。而如果利用光生伏打效应(光伏效应)导出电流,就可以得到极其理想的能源转化系统。”有光伏行业内的人曾这样评价。

     不过,“利用光伏效应导出电流的理想”直到半个世纪后才真正在应用层面实现。1954年,贝尔实验室的杰拉德和他的同事,在受到爱因斯坦的启发后,做出世界上第一片基于硅半导体的太阳能电池,获得了6%的光电转换效率。而在这之前,所有的太阳能电池效率都无法超过0.5%。

    光电转化效率的进步,为光伏发电大规模应用奠定了基础。美国、日本和法国纷纷加入太阳能光伏行列。不过,相比常规能源,各国对太阳能的投资力度和重视程度并不理想。

演化:“石油危机”下的抉择

转折,开始于1970年代爆发“石油危机”。

    1973年10月第四次中东战争爆发,石油输出国组织为了打击对手,宣布石油禁运,暂停出口。原油价格从此前的每桶不到3美元暴涨到超过13美元。

石油危机使许多国家,开始将太阳能视为“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年起,美国制定了政府级阳光发电计划,太阳能研究经费大幅度增长,并且成立太阳能开发银行,促进太阳能产品的商业化。时任美国总统吉米?卡特不光推动能源节约和替代计划,自己也身体力行——他在白宫楼顶安装了太阳能面板,供应白宫的热水。

开始重视太阳能光伏产业的,不只是在美国。1974年日本公布“阳光计划”,其中太阳能的研究开发项目有: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。为实施这一计划,日本政府投入了大量人力、物力和财力。

全球出现的开发利用太阳能热潮,对中国也产生了影响。1975年7月,国家计委和科学院在河南安阳召开全国太阳能利用经验交流会。这次会议之后,太阳能研究和推广工作纳入中国政府计划,获得了专项经费和物资支持。也就是在这一年,宁波、开封先后成立太阳电池厂,太阳能电池的应用开始从空间“降落”到地面。
太阳能光伏步入黄金时期。

然而,好景不长。上世纪80年代,伴随石油价格回跌,以及核电的快速发展,许多国家相继大幅削减太阳能研究经费,太阳能光伏产业开始落潮。1986年,当时的美国总统里根以维修屋顶为理由,拆除白宫的太阳能面板,扔到了仓库中。多年以后,一所大学把白宫废弃的太阳能热水器运到大学实验室收藏了起来。

历史在轮回。到了上世纪90年代,石油价格再次暴涨,加之由于大量燃烧矿物能源,全球性的环境污染和生态破坏日趋严重,发展太阳能光伏再次回归各国政府的视野。

    1993年,日本重新制定“阳光计划”;1997年,美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”;1998年,中国政府决定拟建第一套3MW的多晶硅电池及应用系统示范项目。同样是在1998年,澳大利亚一所大学创造了单晶硅太阳电池效率25%的世界纪录。

太阳能光伏进入一个新的发展时期。

未来:晶硅与薄膜的路径选择

    进入21新世纪后,伴随原油从2000年的每桶不足30美元,暴涨到2008年7月时的150美元,全球太阳能电池年产量也从399MW快速增加到6.85GW。8年,整整翻了170多倍。这当中,得益于全球市场的巨大需求,中国太阳能电池产量迅猛增加,2008年,中国的太阳能电池产量占到了全球总量的26%。

    成为世界第一大太阳能电池生产国的中国,其一举一动都会给整个太阳能光伏产业带来巨大的影响。

    不过,中国光伏产业快速发展之路上,占据光伏市场大多数的晶体硅太阳能电池一直存在能耗大、不环保,生产成本高等问题。加之2011年后欧美发起对中国光伏产品进行的“双反”,多晶硅价格急剧下降,部分企业出现经营困难。中国的光伏产业,尤其是晶硅太阳能企业,跌入深谷。

    中国的太阳能光伏,如何走出困境?在中科院院士王占国看来,未来的主导是薄膜太阳能。他曾对媒体表示,晶体硅太阳能电池的市场需求逐渐饱和,而薄膜太阳能电池是未来发展的大趋势,需求量很大,在美国它的需求量超过了单晶硅电池。东南大学化学化工学院院长孙岳明也看好薄膜太阳能电池,他认为未来唯一能与多晶硅太阳能电池技术竞争的是薄膜。在接受媒体采访时,他这样表示:“将来的竞争更激烈,薄膜电池提升转换效率的空间大,但多晶硅的工艺和技术也在进步。”

    北京低碳清洁能源研究所太阳能中心主任陈颉给出了自己的看法:公允地说,晶硅和薄膜在应用上各具优劣。从地面电站建设角度来看,在相等的装机容量下,晶硅不需要更多的土地;而薄膜则需要更大的面积。“当然薄膜也具有独特的优势,它具有更好的弱旋光性、温度不敏感性。所以,在实际发电量上,薄膜优势则更为突出。”

    一份对薄膜太阳能电池行业的预测分析报告显示,2014-2016年全球薄膜电池产量的年均增长率在25%左右,预计在2016年,全球薄膜电池产量将达到12.5GW,行业产值将达70亿美元。

    从爱因斯坦提出光量子假说,到贝尔实验室生产出第一片实用太阳能电池;从只是“石油危机”下的过渡品,到全球能源战略中不可忽视的重要一员。走过了110年之后,太阳能光伏已经从当初的一纸论文,渐渐演化成清洁能源“美丽生活”的全新主角。
 
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