太阳能发电成本降低的途径

2014-05-04 10:03 来源:未知 打印 扫码手机看

  李树伟

  (哈尔滨电机厂有限责任公司, 黑龙江哈尔滨 150040)

  【摘要】 在开发和利用新能源过程中,我国的风力发电装机容量现在已经跃居世界第一。然而,太阳能发电产业,却远远落在许多国家后面,主要原因在于受到成本太高这个瓶颈的约束。最重要的解决途径就是自主创新,要在发电规模、电站容量、提高效率和创新材料等各个领域进行探索发现,开发和应用一切能够使太阳光能和热能发电成本降低的高新科技,力争在较短的时间内,最大限度地提高它的市场竞争能力,赶超世界先进水平。

  【关键词】 太阳能; 发电成本; 降低

  0 太阳能的成本

  在新能源中,当前太阳能发电的成本太高,影响了它的大规模发展。阳光发电设备的造价通常包括太阳电池、台架、逆变器、控制保护装置等的成本、工事费及其它费用,其中太阳电池比重最大,约占2/3 ~ 3/4 ;其次是台架等结构支撑部分,约占1/4 ~ 1/3 。阳光发电设备的容量主要取决于太阳电池的串联和并联,所以降低贵重而又量大的太阳电池成本,是降低整个系统造价的主要途径。然而,尽管太阳能电池板的价格已经大幅度下降,作为主要原料的太阳能级的硅也出现了供过于求的现象,太阳能电力的成本仍远远高于其他与之竞争的电力形式。即使除去电池板的成本以后,太阳能发电站的单位千瓦建设成本仍然高达8000元,大约是生物质发电(如沼气发电等)的7~12倍,风能发电的6~10倍,已经成为太阳能产业发展的瓶颈。为了解决这个瓶颈问题,可以借鉴国外的经验。

  1 政府优惠补贴

  太阳能发电成本瓶颈的解决,需要时间。当前世界各国主要依靠政府的政策支持,实施税收优惠补贴、退税补贴和担保补贴等措施来予以支持和缓解。

  (1)美国-------通过政策鼓励和技术创新,使太阳能发电成本不断降低。在西南部,考虑到联邦税收优惠之后,太阳热能发电的电价成本约合每度13到17美分。能源部已经设定目标,通过补贴等各种方式,争取到2020年将新能源电力的成本降到每度5到7美分,约合人民币0.4元左右,使其可以能和煤电等传统发电方式相竞争。

  (2)德国----于2004年公布了对太阳能光伏发电行业的强力支持政策(新的上网电价法),光伏发电行业出现了爆发式的增长。在2008年给以近30亿欧元的补贴,消耗了全球太阳能电池的49%以上,推动了阳光发电产业的发展。

  (3)日本----提出到2020年要使日本太阳能发电量达到现在的10倍,到2040年达到现在的40倍;由于实施补助金制度和税制优惠政策,在3至5年内实现使日本太阳能发电价格减半的目标。

  (4)瑞士-------对太阳能发电给予20年的持续补贴,并且通过立法形式予以确立。

  (5)印度----采取了一系列措施,为光伏发电的发展提供诸多机会,争先恐后地想当太阳能发电行业的领先者。

  (6)澳大利亚----也出台了对阳光发电行业的支持政策。

  (7)中国----在2009年把新能源发展提到国家战略层面以后,实施了国家支持和优惠政策,启动了国内首个光伏发电示范工程特许权项目的招投标工作,推动了太阳能发电产业的发展,同时还改善了光伏发电产业中存在的“两头在外”(技术来自国外,产品出口到国外)以及原料生产过程中的高污染、高耗能等现象。现在国产的光伏电池已经实现了出口转内销,主要用于国内的发展。

  此外,欧盟以及世界各国都相继出台了对太阳能发电产业的支持政策,缓解了发电成本瓶颈难题,带动了全世界开发和利用太阳能发电行业的快速增长。各国太阳能发电成本及其预期目标的对比见表1 。

  表1 太阳能发电成本对比

  国别 单位 成本 年代 发电站 备注

  国际 元/kWh 1.8~2.0 2009 热能发电 平均价格

  3~4 2009 光能发电 平均价格

  中国 元/kWh 1.4~1.6 2015 光能发电

  0.6~0.8 2020 光能发电

  美国 美分/kWh 14 2009 热能发电

  8~10 2015 热能发电

  日本 美分/kWh 8 2009 光能发电 太空发电站

  20 2009 热能发电 高塔发电站

  60 2009 光能发电

  澳洲 澳分/kWh 15 2009 首批投运 以后降低

  (注:煤电为5美分/kWh ;气电为 7美分/kWh;核电为10美分/kWh ;风电为15美分/kWh )

  2 增加发电容量

  太阳能发电产业属于规模性经济,太阳能发电站必须建造得相当大和发电容量不断增加,才能发挥较大生产效力和降低发电成本。德国是去年对太阳能发电量需求最大的市场,其次是意大利,日本和美国。德国12家大公司联合投资4000亿欧元在非洲北部撒哈拉大沙漠建立世界最大的太阳能发电站。到2050年的时候,将达到100 GW (10万MW),相当于100座火力发电厂的发电量,将满足欧洲15 % 的用电需求。电能的输送将采用高压直流输电技术,可以使其损耗降低至10 % 以下,从而提高发动效率。送电将横跨地中海,穿越直布罗陀海峡,经过摩洛哥、西班牙、巴利阿里群岛、阿尔及利亚、法国、突尼斯、意大利、利比亚、希腊、塞浦路斯、埃及、土耳其。太阳能发电产业将成为印度继原子能、航天以及信息技术之后的又一科学与工业前沿,到2022年印度将累计新增2.2万 MW发电容量,印度将成为太阳能领域的领先者。30年后阳光发电容量将超过水力发电,是21世纪的主要能源。各国太阳能发电容量预期值的对比见表2。

  表2 各国太阳能发电容量对比 ( MW )

  国家 电站容量 年代 类别 注

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  德国 10 万 2050 光能发电

  3000 2016 光能发电

  印度 5000 2017 光能发电

  22000 2022 光能发电

  中国 2000 2020 光能发电 青海省

  法国 134 2020 光能发电

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  3 采用高新技术

  3.1 高塔发电

  向高空发展,能够大幅度降低太阳能发电成本。建设一个发电量为10亿kW的高空发电站,并且要将建设成本控制在10亿美元以下,每度电的成本也不高于8美分。与一般煤电每度5美分、核电每度10美分的成本相比,这个价格也算得上经济实惠。

  与采用光伏电池的太阳光能发电不同,它是太阳热能发电。它不是把阳光直接转化成电能,而是利用成千上万的定日镜,以超过98 % 的精度把将照射进来的太阳光反射到一个位于高塔顶端的聚焦吸热器表面,并穿过集热装置玻璃板的吸热管,形成800 ℃ 以上的高温,再通过传热介质(比如:水)产生500 ℃ 以上的蒸汽,推动汽轮发电机发电。

  这种高效率发电系统,是在沙漠中建造一座高达千米的烟囱和数公里宽的玻璃屋顶。玻璃窗下的空气经阳光加热后形成上升气流,带动烟囱底部的涡轮机发电。由抛物面镜片组合的镜面长达数百米,覆盖了多达5.1万m2的土地,比70个足球场还要大。

  3.2 卫星发电

  近年来太阳能领域的三大技术突破可使太阳能发电卫星的大小和成本降到可接受的水平。与20世纪70年代相比,太阳能电池的效率提高了4倍,因此所需的电池板的面积可大幅度缩小。其次,微波传送技术也大大提高,利用固定装置就能使微波光束实现精确指向,而不再需要旋转天线。因此可以用体积小、组装简便的模块天线替代原来1公里长的天线。新型激光设备将向地球传送能量。机器人可以替代宇航员在太空中完成组装工作。 美国在2007年以前将投入100亿美元建造一颗能将10 MW 太阳能传回地球的试验卫星,能为人类提供价格合理、清洁、安全、可靠、可持续发展的能源。

  由于大气层外没有大气吸收、昼夜交替和云层遮挡,因此相同时间内,太空发电站的发电量将是地球上相同面积太阳能电站产能的20倍。即便将建设期间所需能量考虑进去,太空发电站产生的能量也比地面上占地面积相同的太阳能发电站高5倍。

  3.3 月球电站

  日本拟于2035年建设一条沿月球赤道(长约11000 km)的太阳能电池带,将电力转换成强大的微波和激光束射向地球,然后由地面接收站再转换为电能。将能满足全世界的用电需求。机器人将在建设中担当主力,这些机器人可以24小时不间断接受来自地球的遥控,完成诸如平整地面和组装机器设备等任务,同时还将安排一支宇航员队伍在现场提供支持。

  由于需要大量的太阳能电池板和其他材料,可能利用月球资源来制造水泥和混凝土材料,而太阳能热处理技术也可帮助生产砖、玻璃纤维和其他建筑材料。建设宽度将扩大为400 km 。产生的电能转换为微波束和激光束后,通过直径为20 km 的天线射向地球接收站,具有导向功能的无线电指向标将保证波束传输方向的准确。波束能量再由地面站重新转换为电力送入电网。月球几乎没有大气层,不存在影响太阳能电池板效率的坏天气或云层,可以24小时持续不断地接收清洁能源。其1年的发电规模相当于17亿吨石油或1.3万个核电站的年发电量,以目前的能源消耗计,足够全球使用30年。2035年动工的原因是考虑到届时地球上的传统能源资源将被开发得所剩无几。这一雄伟计划有可能结束人类对有限地球能源资源的依赖。

  3.4 日夜发电

  法国建成的第一座能"追踪"太阳的太阳能发电站在法国正式投入使用。它的光电转换板都运用了"阳光感应追踪"技术,能在白天日照时间内自动调节太阳能光板朝向光面位置,能多接收和转化20 % ~ 40 % 的太阳能。

  德国的太阳能发电设备甚至在夜间也能运转:太阳下山之后,位于储热器中部的热储存装置会释放出所需要的热能。太阳热能的储存成本要比电池储存电能的成本低得多。它的接收器是由金属管和玻璃套管组成,两管之间是真空的,以保证金属管绝热,从而尽可能减少热损失。因为要使尽可能多的太阳光,豪无反射地透过玻璃套管照射到金属管上并被吸收,所以需要非常特殊的材料,这些材料的组合成分还是一个秘密。在世界范围内仅有两家企业能制造这种接收器,其中一家就是德国美因兹的玻璃和光电专业生产厂商肖特公司。西班牙采用了它的技术。

  4 提高发电效率

  各种太阳电池的光电变换效率不同,通常单结晶硅为14.5%,多结晶薄膜为14.9 %,将来的薄膜可达18 % ~ 20 %。近年来太阳能电池的效率提高了4倍。为了增大功率,美国正在开发多件结合的太阳电池制造技术。美国太阳能公司是世界第八大太阳能电池生产厂商,其生产的太阳能电池发电效率已经达到了21.5 % ,为世界最高水平。最近日本开发的串联元件的效率为30.3 %,达到了世界最高值。这种高效率的化合物太阳电池还能承受放射线的作用,特别适用于航天工业。此外,日本东芝自行开发的变压装置,与传统变压器相比,可将电力损耗减少三分之一左右,从而提高发电效率,同时还将其太阳能发电设备的占地面积减少30 % ,重量减轻25 % 。

  5 开发最新材料

  用于太阳电池的原材料主要是硅,其中包括结晶硅和非晶质硅,此外还有化合物太阳电池。单晶硅太阳电池的短路电流基本上是与太阳的辐射强度成正比的,其开路电压主要受电池温度影响,也受太阳辐射强度影响。而阳光发电系统的输出电流和电压虽然也主要受太阳辐射强度和电池温度影响,但其短路电流基本上与太阳辐射强度成正比,而开路电压随太阳辐射强度的变化则不很明显。非晶质硅太阳电池是采用几层厚度为1 μm 的薄膜叠积而成,具有较低的成本,而且原材料只是结晶硅的1/1000 ,它的年产量即使高达1000 MW,也不会受到原材料的约束,从而解决了原材料硅的限制问题

  太阳电池是美国于1954年发明的,最早是在1958年3月用于人造卫星。直到1997年7月成功地在火星着陆的卫星上应用了以Ge为基板的高效率新材料GaAs太阳电池。太阳能电池包括各种商业化太阳能电池、多晶硅、非晶硅以及薄膜太阳能电池等。安装计算机在线监测系统,能显示出每一种电池的发电情况。

  采用非晶硅薄膜电池的最大优势是使太阳能电池的产品价格大幅下降,发电成本仅为多晶硅电池的40 % 左右,而年发电量比晶体硅电池增加12 % ~ 15 % 。随着产能扩大和薄膜电池转换效率提升,上网电价将逐步降至0.50元/ kWh ~ 0.60元/ kWh 。

  6 结束语

  在开发和利用新能源过程中,我国的风力发电装机容量现在已经跃居世界第一。然而,太阳能发电产业,却排列在美国、德国、意大利、日本、印度等国之后,主要原因在于受到成本太高这个瓶颈的约束。纵观世界各国的发展经验,在政府加大支持力度的同时,最重要的解决途径就是自主创新。要在发电规模、电站容量、提高效率和创新材料等各个领域进行探索发现,开发和应用一切能够使太阳光能和热能发电成本降低的新技术,力争在较短的时间内,最大限度地提高它的市场竞争能力,赶超世界先进水平。

  7 作者简介

  李树伟,男,(1970.3.18—) ,哈尔滨理工大学,电子计算机专业毕业,从事发电设备生产技术工作,高级工程师。

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