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加快发展太阳能光伏新兴产业发展的思考

2011-6-16 16:36:00 来源:太阳能网资讯中心
    易碳网讯  太阳能作为一种新能源,是人类可以利用的最丰富的能源。发展太阳能光伏产业的关键是生产太阳能电池。本文通过晶硅太阳能电池与薄膜太阳能电池的比较,分析了四川发展太阳能光伏产业的优势,认为晶硅电池仍将在较长时间内占据太阳能光伏的主流,应成为我省太阳能光伏产业发展的主要路径。

    太阳能光伏 产业 探索

   随着人类使用能源特别是化石能源的数量越来越多,能源对人类经济社会发展的制约和对资源环境的影响越来越明显。探索利用化石能源之外的新能源,加快发展新能源产业,已成为全人类需要共同面对的一项重要课题。近年来,由于技术的持续改进和突破,发展太阳能光伏产业已成为实现全球碳减排与替代化石能源的主要途径和手段之一,展露出较大的发展潜力。四川是全国多晶硅产业化生产的发源地,已形成包括高纯多晶硅制造、硅锭/硅片生产、太阳能电池制造、光伏组件以及系统应用等环节比较完整的产业链,在发展太阳能光伏产业方面拥有得天独厚的优势,理应顺应时代要求,加快发展太阳能光伏产业,在全国起到应有的示范和带动作用。但目前省内对发展太阳能光伏产业的各种争论此起彼伏,一些制约产业健康发展的矛盾和问题也逐步显现,需要对产业发展中的能耗污染、技术创新、政策扶持等问题作进一步思考。

    一、太阳能是未来新能源发展的主导方向

    新能源即传统化石能源之外的各种能源形式,指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源。新能源的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部深处所产生的热能。相对于传统能源,新能源普遍具有污染少、储量大的特点,对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源(特别是化石能源)枯竭问题具有重要意义。经济的发展使人类对能源的需求急剧增加,21世纪国与国之间的战略竞争,核心就是能源之争。目前世界各国使用的能源主要是化石能源,但全球化石能源面临枯竭,据专家预测,按照目前的能源消耗速度,全球已知储量的石油大约可开采40年,天然气约可开采50年,原煤约可开采200年。同时,化石能源的大量使用产生温室效应和酸雨污染,严重破坏了人类赖以生存的环境。因此,通过发展新能源来逐步取代化石能源,解决全球气候变化和能源危机,是当今世界各国必然的现实选择,正成为世界经济新的增长点。

    目前人类可利用的新能源主要有太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核能等。由于海洋能和地热能只有特定地方可以利用,我们只对太阳能、风能、核能、生物质能的成本、效率、优缺点等方面作一对比。

    通过比较可以看出,几种新能源中太阳能的利用综合性价比最高,是最具发展潜力的新能源之一。

    一是资源最丰富。地球每秒钟所接受的太阳能高达8×1013千瓦,中国地表每年接受的太阳能,相当于2.4万亿吨标准煤的能量,是2008年全国能源消耗总量的800多倍。而且太阳能取之不尽、用之不竭,不用运输,这是其他几种新能源不可比拟的。

    二是转化最直接。太阳能发电是将太阳辐射能直接转换为电能,是所有清洁能源中一次性转换效率最高、转换环节最少、利用最直接的方式,目前晶硅太阳能电池的转换率应用水平在15-20%之间。风能、生物质能都是太阳光能的各种间接转换形式,其转换率只有太阳光能的几十到几百分之一。目前核能转化率高于太阳能,但原材料选择面窄、标准高,对建设环境的要求也非常高。

    三是最清洁环保。对一个地区来说,太阳光的辐射总是相对稳定的,太阳能电站在长达25年的发电时间里,没有二氧化碳和任何污染物排放,其设备也不会对环境造成任何破坏。可以说,太阳能是我们目前可使用的能源中一次性转换效率最高,使用最简单、最可靠、最经济的新能源。

    二、晶硅电池在较长时间内仍是太阳能光伏的主流

    目前太阳能光伏电池主要有晶硅电池和薄膜电池,晶硅电池又分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池,薄膜太阳能电池基本上分为非/微晶硅薄膜电池、铜铟镓硒薄膜电池和碲化镉薄膜电池三类。

    (一)晶硅太阳能电池的特点。目前,晶硅太阳能电池是发展速度最快、技术最成熟、产业化规模最大的一种太阳能电池。德国费莱堡太阳能研究所制得的晶硅电池转化效率超过23%;印度物理研究所提出一种内部光陷作用的高效硅太阳电池模型可将转换效率提高到28.6%;北京太阳能研究所研制的刻槽埋栅电极2cm×2cm晶体硅电池的转换效率达到19.79%。单晶硅太阳能电池转换效率最高,但对硅的纯度要求高,且复杂工艺和材料价格等因素致使成本较高。多晶硅太阳能电池材料在结晶的质量、纯度等方面要求较低,生产成本低于单晶硅,而且在产业化应用中的转换效率已达到了15-20%的水平,因此多晶硅成为目前采用最广泛的太阳能电池制造原料。总体来看,晶硅电池是目前光伏电池的主流,主要应用于太阳能屋顶电站、太阳能商业电站和太阳能城市电站,是目前技术最成熟、应用最广泛的太阳能光伏产品,占据世界光伏市场的份额超过80%。

    (二)薄膜太阳能电池的特点。非/微晶硅薄膜电池的转换率偏低,提升转换率的技术难度也较大,铜铟镓硒薄膜电池原材料昂贵,碲化镉薄膜电池虽然转换率较高,但受到材料来源和安全性限制,大规模产业化也存在局限。目前薄膜电池的转换效率平均在10%以内,售价约在10元/瓦,单价虽低于晶硅电池,但由于转化率低,综合成本还是要高于晶硅电池。薄膜电池相比晶硅电池生产线的一次性投入要高,由于主要依靠进口设备,动辄数亿元的投资是晶硅电池的7-8倍,再加上在生产过程中同步产生的技术成本、设备成本、运输成本,其整体成本相比晶硅电池并不具有明显优势。而且由于使用寿命较短,占地过多,普及速度因此受到影响。

    (三)正确看待晶硅电池与薄膜电池之争。2005年,全球多晶硅供不应求,售价被持续爆炒,最高达到500美元公斤,导致晶硅电池的生产成本居高不下,薄膜电池在这样的背景下迅速发展起来,国内不少光伏企业先后投身到薄膜电池的投资热潮中,包括无锡尚德、江西赛维、新奥等都从国外购买薄膜电池设备并建立了薄膜电池生产线。随着多晶硅价格接连走低,晶硅电池成本也大幅下降,薄膜电池的成本优势受到挑战,不少薄膜电池生产商的订单量也受到较大冲击,国内不少光伏企业扩张薄膜电池生产线的计划也因此出现不同程度的搁浅,不少项目仍未有实质性突破。数据显示,2009年,我国薄膜电池的产量只占到太阳能电池总产量的2%,全球范围内薄膜电池的市场份额也仅有19%,晶硅电池仍占据绝对优势。国家发改委能源研究所有关专家认为,薄膜电池在未来的确有前景,但短期内还很难与晶硅电池竞争,预计到2030年,薄膜电池市场份额有望上升到30%,另外的70%仍需要晶硅电池来支撑。

    三、多晶硅在较长时间内仍将是太阳能光伏的主要原料

    多晶硅是制备晶硅太阳能电池的主要材料,占整个电池最终价格的30%左右。随着多晶硅生产技术的进步和提高,其高昂的价格将逐步降低,进而降低晶硅电池成本。

    (一)多晶硅生产工艺比较成熟。现有的多晶硅生产工艺技术主要有改良西门子法、硅烷法、流化床法和冶金法等。改良西门子法利用氯气和氢气合成氯化氢,氯化氢和工业硅粉在在250-350℃的温度下合成三氯氢硅,然后对三氯氢硅进行分离精馏提纯,提纯后的三氯氢硅在氢还原炉内进行化学气相沉积反应得到高纯多晶硅。改良西门子法制备的多晶硅纯度高、安全性好,与硅烷法、流化床法相比,沉积速率最高,有利于连续操作,是当今生产多晶硅的主流技术,工艺最为成熟、投资风险最小、最容易扩建,所生产的多晶硅占当今世界生产总量的80%。我国现有的多晶硅绝大部分采用改良西门子法制备。

    (二)多晶硅并不是“高耗能”、“高污染”产业。现在人们常用“提炼1吨多晶硅要消耗16万度电”来认定多晶硅产业是高耗能产业,这种观点是片面的。权威数据显示,从单位产值能耗看,在现有技术条件下,我国每万元光伏组件产值能耗(含多晶硅提炼环节)约900度电(如果仅以多晶硅计算,当多晶硅售价为300万元/吨时,万元产值能耗是533度电,当多晶硅售价为45万元/吨时,万元产值能耗是3550度电),而钢铁行业每万元产值能耗约为3900度电,电解铝每万元产值能耗约为6000度电,光伏产业的单位产值能耗远远低于钢铁和电解铝行业,目前多晶硅的单位产值能耗也低于钢铁和电解铝。(目前,高耗能产业、产品认定是各地根据万元GDP和工业增加值能耗确定的。没有绝对数,是相对概念,是认识问题)更为重要的是,光伏产品是一种在生产过程中耗能而在使用过程中产能的能源产品,其产能远大于耗能。根据测算,在我国中等光照条件的地区,安装一个1兆瓦的太阳能光伏发电系统,年发电量约为130万度;按生产安装1瓦太阳能光伏发电系统综合耗电2.67度计算,1兆瓦的太阳能光伏发电系统生产安装需耗电267万度,只需约2.04年的时间即可回收平衡其自身的耗电量,而太阳能组件的使用平均年限为25年,太阳能组件在实现生产能耗回收后,还可发电约23年。换句话说,用267万度的电量生产安装的多晶硅太阳能电池系统,最终可发电3250万度,也就是说:多晶硅光伏生产耗电与产品发电比为1:12.2,经济和社会效益都非常可观。因此,单纯以多晶硅的能耗来认定多晶硅产业是高耗能产业是不科学的,更是不客观的,应尽快取掉多晶硅光伏是高耗能产业的帽子。

    另外,人们常说的多晶硅产业的污染问题主要是指在多晶硅生产环节要产生大量的副产物四氯化硅,而四氯化硅具有强腐蚀性。目前多晶硅生产厂普遍采用的改良西门子法已做到对四氯化硅完全回收利用,一些多晶硅生产企业之所以造成污染,与环境监管不力和企业投入不够有很大的关系,从技术上说四氯化硅不仅可以处理,而且可以环循利用,以它为原料可生产白炭黑有机单体等产品,通过循环利用可以解决污染问题,随着生产多晶硅技术工艺的不断提高和改进,大量四氯化硅完全可以回收利用。

    (三)光伏发电成本还有较大下降空间。目前,光伏发电成本过高是光伏电站难以大规模推广的关键因素,而多晶硅生产成本较高又是导致光伏发电成本高企的重要原因之一。国内企业生产1公斤多晶硅的成本多在40-50美元,而国外七大多晶硅生产企业的成本在20-30美元之间,国内多晶硅生产成本还有较大的下降空间。实现闭环生产是多晶硅生产中大幅降低能耗物耗的关键,可通过尾气、副产物、余热的回收综合利用来降低生产成本,同时达到节能减排的目的。国外多晶硅企业的建厂,大多是与化工企业结合,在“化工集团”内循环经营,容易实现集团内部的“循环经济”,并可做到废物“零排放”。乐山“国家硅材料及副产物利用产业化基地”除了把四氯化硅氢化成三氯氢硅加以回收利用外,还利用四氯化硅制成气相白炭黑、硅酸乙酯、有机硅产品、人造石英等材料,通过延伸产业链来降低多晶硅生产成本。而随着太阳能电池组件生产和建设大规模太阳能电站技术水平的提高,尤其是逆变器和智能电网的升级换代,降低整个太阳能光伏发电系统的成本还有很大空间。目前国际上一些权威机构对未来光伏发电成本的预测都持很乐观的态度,其中最为乐观的预测认为,到2015年光伏发电成本会降到1.0-0.7元/度,达到传统电力的价格水平。2009年敦煌太阳能电站上网中标价为1.09元,今年8月16日,2010年国家能源局280兆瓦光伏电站特许权项目正式开标,13个项目共有50家企业递交了135分标书,截止8月17日,参投企业的最低价位已经探底到0.7288元/度,这说明太阳能发电更接近传统能源电价,商业推广的时间为时不远了。

    四、四川具备发展太阳能光伏产业的优势

    太阳能光伏产业是目前世界上发展最快的能源产业之一,近年来每年以45%的复合增长率加速发展。四川作为全国多晶硅产业化生产的发源地,拥有一批知名多晶硅及太阳能电池组件的生产企业,而且省内很多地方日照条件非常适合建设太阳能电站,在整个光伏产业链的上、中、下游都有很大的发展空间。目前我省应充分利用国际、国内市场快速发展的机遇,加快推进我省光伏产业的发展。

    (一)产业基础雄厚。四川是国内多晶硅技术的“鼻祖”,全国首条百公斤级、百吨级、千吨级多晶硅生产线均由峨嵋半导体材料厂(739厂)研制成功并投运。目前国内绝大多数采用改良西门子法的多晶硅生产企业,技术和人才都源自峨半厂。新光硅业采用自主创新的“改良西门子法”生产多晶硅纯度达到11个9,即电子级多晶硅,处于国内领先水平;永祥硅业3000吨多晶硅项目采用氢化还原一体化技术,有效控制生产成本,可实现四氯化硅全部回收循环利用,达到国内先进水平;乐电天威加大技术创新力度,节能降耗取得新突破;福华、吉必盛采用燃烧法制备气相白炭黑,科立鑫采用醇解法制备高纯烷氧基硅烷,均填补了国内多晶硅副产物利用的空白。2007年,省政府将乐山硅材料产业化基地列为全省八大高新技术基地(园区)之一;2008年省委、省政府将硅材料产业列入《四川省“7+3”重点优势产业发展规划》,有效助推了太阳能光伏产业的发展。2009年,全省多晶硅产能达到14060吨,产量3027吨,分别占全国的30%和20%。

    (二)产业链配套能力强。太阳能光伏产业链较长,包括从硅矿开采、工业硅冶炼、多晶硅生产和切片到太阳能电池片、电池组件,其中还涉及氯碱化工以及副产物的开发利用等。四川有丰富的高氧化含量石英和硅石资源,其中乐山和广元储量较大,两地工业硅生产企业较多,能满足多晶硅生产需求。乐山境内已经形成了完整的硅材料生产链:峨边、金口河生产工业硅,峨眉、五通和市中区生产多晶硅,高新区和峨眉生产太阳能电池组件,五通提供氯碱化工并开发利用副产物。成都双流县近年来引进了天威新能源、阿波罗太阳能科技、超磊实业等多家有实力的光伏企业,初步形成了产业集聚发展态势。按照《四川光伏产业发展建设规划》,全省将形成以乐山、眉山、成都和雅安为主的国内最大的硅材料生产基地,以成都和乐山为主的多晶硅太阳能电池组件生产基地,以成都、攀枝花、凉山、甘孜和阿坝为主的太阳能建筑一体化及光伏产品应用示范区。

    (三)从“绿色”到“绿色”的低碳路径。四川水能资源蕴藏量占全国的四分之一,2009年川电外送达80亿度。预计到今年底,全省水电装机将达到3100万千瓦;到2015年,水电装机约5800万千瓦,占全省发电装机的72.5%。这是四川发展太阳能光伏产业最大的优势,在于走的是一条从“绿色”到“绿色”的低碳路径,生产多晶硅时使用清洁能源——水电,再利用多晶硅生产太阳能电池发电,发电过程中不产生任何污染,完全符合可持续发展要求。相对于内蒙古、青海等地使用火力发电生产多晶硅,在四川发展太阳能光伏产业更低碳、更环保,更应该得到鼓励和扶持。