光伏发电技术-中国能源环境高峰论坛

光伏发电技术-中国能源环境高峰论坛第一页，共85页。

我很高兴能有机会与各位同人聚集一堂，共同探讨能源问题，能源是关乎经济发展和国家安全的战略问题，中国作为最大的发展中国家，同时也是能源主要消费大国，能源问题是关乎经济发展和国家安全的重大问题。如何保障能源安全，构建合理的能源结构，是中国经济可持续发展需要决策的重大战略问题。因此，会议的召开对中国乃至世界能源现状以及未来的发展都有重要的意义。

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太阳能作为分布广泛储量巨大的新兴绿色能源，近年来得到了广泛的重视，我希望在论坛期间，可以和各大专家学者就太阳能能源现阶段发展状况和未来发展趋势进行深入讨论与研究，将太阳能更好的应用于解决能源问题的过程中，最大限度的解决人类对能源需求。

下面我将对太阳能如何发展贡献一点意见。在我讲演以前，首先预祝本次大会圆满成功。

第三页，共85页。第三代光伏发电技术已取得重大进展中国科学院理论物理研究所何祚庥第四页，共85页。摘要：光伏发电技术，已由第一代晶体硅发电技术，第二代薄膜发电技术，转向第三代“低倍聚光+高效硅基聚光电池”技术，未来可能转向第四代“高倍聚光+砷化镓聚光电池”技术。当代光伏产业必定向低倍聚光发电技术发展。第五页，共85页。原因是：1）一块晶体硅可发出多倍电力，可大幅度降低发电成本。2）聚光将大幅度抵消光转化率较高，但每瓦售价也甚高的光电池，在市场销售上的劣势，可大幅度提高单位占地面积的发电量，大幅度节约土地使用成本。第六页，共85页。已证明正在运行中的小型光伏电站的光电转化可高达24.5%，每平方米发电60W/m2。3）低倍聚光各有关技术，如聚光漏斗、支架、跟踪、散热等技术，已完全成熟。其4倍聚光光伏组件已下降到5元/瓦，16倍聚光将下降到4元/瓦，正在研发中的8倍聚光将下降到3元/瓦。第七页，共85页。4）预计未来出现的16~20倍聚光的水上“太阳能睡莲”技术，其光伏组件将下降到2元/瓦。低倍聚光技术的最大难点是散热。水上“太阳能睡莲”既能有效地解决散热困难；又能大幅度节约陆上土地。第八页，共85页。第九页，共85页。

（一）何谓“第三代”光伏发电技术？第十页，共85页。第一代光伏发电技术=晶体硅光伏发电，有单晶硅和多晶硅的差别。优点是光电转化率较高，缺点是售价较贵，生产多晶硅耗能较多，也容易污染环境。第十一页，共85页。第二代光伏发电技术=花式品种繁多的薄膜电池，优点是材料用量少，售价较低，重大缺点是光电转化率只有晶体硅的一半，占地面积也较多。主要品种有1）非晶、纳米晶、微晶等硅薄膜，2）CIGS即铜铟镓硒组成的薄膜，3）TeCd碲化镉薄膜。……第十二页，共85页。为克服“第一代”，“第二代”光伏发电技术“固有”缺点，人们相继提出发展“第三代”光伏发电技术许多设想。第十三页，共85页。2003年M.A.Green在撰写了《第三代光伏发电》一书，主张发展一些“新型”电池。第十四页，共85页。第十五页，共85页。在中国发展的“第三代”光伏发电技术=“太阳能炼硅+跟踪+低倍聚光+高效聚光硅电池”。第十六页，共85页。

这首先是因为新提出的理念，是要进一步提高光伏电池的“单位面积”的发电量，降低“单位面积”发电成本；尤其是太阳能发电要多“占地”，“地价”已成为影响发电成本的重要因素！于是人们就希望引入新“元素”，从半导体技术，转向现代光学，无光像的自适应光学。第十七页，共85页。如果引入现代光学，引入“跟踪+聚光”，有可能用一块单晶硅，或售价较贵的“多结”的单晶硅，发出“多倍”电量；有“可能”用成本较低廉的光学聚光元件，取代、减少使用代价较昂贵的半导体材料和半导体加工技术。

第十八页，共85页。2）聚光可以多发电，这是爱因斯坦光电定律的常识；聚光的前提是跟踪，这是现代天文望远镜已解决的问题。“聚光+跟踪”就成为进一步降低成本的“第三代”光伏技术的最主要特征。第十九页，共85页。“太阳能”聚光有许多特殊要求。首先是为适应太阳光在空中不断移动，人们相继提出许多新的光学课题：例如，a）如何将移动中的太阳光“均匀”地聚集在某一面，让光电池更有效地发生电力；光学就从成像光学走向无光像光学。b）如何既聚集来自太阳的直射光，又聚集相当部分的散射光，增加光电池接收的光量；无光像光学就由简易的窄角聚光走向广角聚光。第二十页，共85页。c）所聚集的，不仅是正射的光线，还包括斜射的光线；聚光理论就从在轴聚光，发展为斜轴或偏轴聚光。d）技术上还要应用和发展自适应光学的许多技巧，如何因地、因时不断追踪阳光，将阳光聚光到某一固定便于应用的方位，如此等等。第二十一页，共85页。这一由理论物理研究所陈应天研究员发展的无光像的自适应光学，还在其它领域有许多许多应用，如可制作聚光15000倍，可冶炼高纯度的多晶硅，可融熔一切难熔金属的太阳炉，……等，当前首先是应用到光伏发电、光热发电。第二十二页，共85页。3)为什么“高效硅基聚光电池”也是“第三代”光电发电技术的一大“特征”？

“高效”可提高单位面积发电量，“高效”可大幅度降低每瓦“聚光+跟踪”成本；而“聚光”不仅可成倍增加光电池的发电量，“聚光”还能提高光电池的转化率。理论分析表明，

聚光电池输出功率∝入射光强·ln（入射光强/单位光强）第二十三页，共85页。下面是美国国家可再生能源实验室所提供的最新有关太阳能光伏电池发电效率的一张简图：第二十四页，共85页。从这一图片可以很清楚地看出，a）用砷化镓制作的光电池的转化率，遥遥领先于各类光电池。2011年“多结+418倍聚光”的转化率更上升到43.5%。由砷化镓薄膜制成的光电池，也做到了28.2%。第二十五页，共85页。

b）居于第二位是硅基光电池。其单晶的转化率由历史上的17%上升到25.0%，其“单晶+92倍聚光”的光电池转化率，已上升到27.6%。但“多晶”硅光电池却缓慢上升，十年来仅停留在20.3%，远远落后于“单晶+聚光”的硅光电池。但是，除异质结硅电池可高达23.0%外，至今未见有“多结”硅基光电池的报导。

第二十六页，共85页。c）紧随晶体硅光电池之后的是铜铟镓硒，其实验室中的薄膜转化率已高达20.4%；其次是碲化镉薄膜，实验室效率是17.3%。第二十七页，共85页。

但如果将CIGS薄膜电池和“单晶+聚光”硅基光电池做一比较，其实验室里的转化率仍远远落后于硅基聚光电池的27.6%！再认识到，薄膜电池生产线的投资约是晶体硅的10倍，大面积的薄膜电池转化率的提高，在技术上有原则性的困难；而相反，聚光电池的光电转化率正在不断提高，“4倍聚光+跟踪”技术已相当成熟，其“聚光+跟踪”花费的“代价”，已证明要比晶体硅电池“低出”很多，其光学成本还有大幅度降价空间。第二十八页，共85页。d）国外更看好的是“跟踪+高倍聚光+高效砷化镓聚光电池”的技术路线。理由是砷化镓有更高的转化率，这当然十分有理。但砷化镓的市场价格太贵，必需用到高倍聚光才有经济效益，而高倍聚光技术难点不少！尤其是“散热+抗风”。而且，我们从原则上还看不出，高倍聚光如何能“既聚集直射光，又聚集散射光”。实验表明，即便是阳光明媚的高原地区，散射光仍占到15%，通常是散射光占总光量的30%~40%。两者相较，我们更赞成发展低倍聚光。第二十九页，共85页。当代最有希望的，有可能和火力发电、核能发电相竞争的技术，是“太阳能炼硅+跟踪+低倍聚光+高效硅基聚光电池”，或称为“第三代”光伏发电技术。第三十页，共85页。4）“第三代”光伏发电技术另一“特征”是“绿色”。

当前人们对光伏产业的发展，有不少质疑，工信部就认为光伏产业从高纯硅的提炼到光伏组件的生产，有不少“环节”属高耗能、高污染的行业。而太阳能炼硅就不仅可少耗能，而且没有污染，已在2011年第7期的《物理学报》Vol.60,No.7(2011)078104，写了一篇题为《强辐射催化法提纯多晶硅》正式发表的论文。

第三十一页，共85页。为什么“第三次”光伏技术能大幅度节约多晶硅，而且是绿色技术？原因是：

a）跟踪：这将使多晶硅的用量减少30%~40%。

b）聚光：4倍聚光，尤其对“直射光”的聚光，可将硅材料、非硅材料的每度电“耗能”下降到原有的1/4。

第三十二页，共85页。下面是4倍聚光漏斗和散热片的一组照片：第三十三页，共85页。c）高效聚光硅基电池：硅电池的转化率越高，所消耗的多晶硅就

越少。目前用的是美国SunPower公司供应的转化率为22%的n型硅基聚光电池。如前所述，在聚光条件下，聚光电池，会出现对数式非线性增长。4倍聚光导致开环电压增长了10%！这一n型光电池就呈现出24.5%的转化率！第三十四页，共85页。

d）在所有上述介绍的“绿色”技术中，最重要的是太阳能炼硅。第三十五页，共85页。5）上述“第三代”光伏发电技术，或“绿色”发电技术，已有一个演示的“窗口”，也就是在甘肃省武威地区已建成的“4倍聚光+转盘式跟踪”，峰值功率为1兆瓦的小型光伏电站。第三十六页，共85页。下面是这一电站的图片：上述光伏电站已稳定持续运行了2年。第三十七页，共85页。2011年9月，在距北京市180公里的内蒙古多伦地区又建设一组示范电站。已选择其中两个转盘（峰值功率为100千瓦）每天纪录发电量，长期在绿色电力网上公布。下面是2012年3月11日16:00的一个发电纪录：第三十八页，共85页。

内蒙多伦低倍聚光双轴跟踪光伏电站内蒙古

2012-03-11

光伏装机容量：100.00kW当前发电功率：33.96kW今日总发电量：710.80kWh总累计发电量：53.58MWh二氧化碳减排量：56.12T并网日期：2011-9-16第三十九页，共85页。（二）总计中国科学院理论物理研究所陈应天项目研究员独立自主研发的‘4倍聚光+跟踪+n型光伏电池’转盘式发电技术。已做到的指标是：第四十页，共85页。1）峰值功率售价低。现在就已做到，工信部发布的《“十二五”太阳能光伏产业发展规划（征求意见稿）》，所提出的“2015年光伏系统‘成本’下降到1.5万元/千瓦的目标”。

第四十一页，共85页。新改进的4倍聚光漏斗，还能聚集部分散射光，成本又下降5%。

2）单位峰值功率发电量多。

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由于采用三大技术：a）跟踪，直射光的发电量将增加30%~35%；b）4倍聚光导致的非线性增长，（注：聚光将导致开路开环电压呈对数性增长），将增加10%；c）强有力的均匀散热，视当地气温和环境，将增加10%~15%。由以上这三种因素的乘积，青海格尔木，已建造了峰值功率为200千瓦的小型光伏电站，每瓦发电量将是1.65×1.3×1.1×1.1=2.6度/瓦，在采取进一步改进措施后，可能上升到2.8度/瓦。第四十三页，共85页。3）发电成本低。由于单位峰值功率售价低，而且发电量多，已做到在内蒙古多伦地区加上“聚光+跟踪”技术后，按10年回收期计算的发电成本，将下降到0.7元/千瓦时。如果撇开劳动力成本、运输成本等地区差别因素，在青海省将下降到0.7×2000/2600=0.54元/千瓦时。第四十四页，共85页。4）单位面积发电量高。下面是各类清洁能源占地简表：第四十五页，共85页。太阳能光伏发电：

“4倍聚光+跟踪”，50~60W/m2；

平板式晶体硅，30~40W/m2；

各类薄膜电池，15~20W/m2；

太阳能槽式热发电；10W/m2。

核能：10W/m2，（是否为清洁能源，现在有争论）；

风能：5W/m2；第四十六页，共85页。5）太阳能是最便于实现和水能互补的新能源。

6）新发展的4倍聚光发电，还是最适合于在“同一”地区实现风、光互补的发电技术。

7）新发展的“4倍聚光+跟踪”的光伏发电技术，也是和环境友好兼容的技术。

第四十七页，共85页。（三）“第三代”光伏发电技术——能否在中国实现“平价上网”？

在中国实现光伏发电“平价上网”有一个特殊困难，中国的火力发电成本，比发达国家低很多。中国已公布的包含补贴的光伏发电上网电价，1.0元/度电，而平价上网就至少要降到0.4~0.5元/度电！第四十八页，共85页。

1）新出现的一个亮点是，这一“4倍聚光+跟踪”的光伏发电技术，非常易于在水面实现“太阳能睡莲”。其最大优点是，可利用聚光漏斗的“浮力”取代支撑跟踪漏斗的构架，大幅度节约钢材。聚光漏斗将常年浸在水中，极易散去聚光时产生的巨大热量，可又增加约10%~20%的发电量。至于水波起伏，定向跟踪等技术问题，不难用锚、舵，将聚光漏斗改为广角聚光等技术来解决。

第四十九页，共85页。现在这些技术难点均已初步解决，已做出设计，下面是这一设计的示意图：第五十页，共85页。为解决许多地区土地价格过高，其最简单的措施是，大力发展更为价廉物美的水上“太阳能睡莲”技术。第五十一页，共85页。陈应天教授曾做过一个试验，将聚光漏斗放在水下15厘米深处，历时6个多月，在漏斗内没有发现丝毫水汽！

下面是聚光漏斗浸水实验的照片：第五十二页，共85页。第五十三页，共85页。2）其实，在国外已有类似设想。下面是国外设想的太阳能‘睡莲’的照片。图：两个美丽的漂浮在水面的‘太阳能睡莲’第五十四页，共85页。又据2011年11月9日《经济日报》报导：

新加坡经济发展局日前宣布，计划明年在西部地区的登格水库进行水上太阳能光伏浮岛试点项目，预计2013年完成。

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3）北京地区的密云水库、官厅水库、十三陵水库，共有250平方公里的水面，加上天津的水库，共约有400多平方公里的水上面积。如以每平方米发电50W/m2计，400平方公里的水面可装机2000万千瓦之多。北京郊区土地售价，已高达30万元/亩。为解决土地价格过高问题，北京市和天津市走向绿色城市的方向之一，是大力发展水上太阳能睡莲。第五十六页，共85页。在中国有许多水面可以建设大型、超大型光伏电站。中国的青海湖、鄱阳湖，太湖和洪泽湖，其面积均超过4000平方公里。中国大理有极好的太阳能资源，而地处云南大理市的洱海，其水面约为250平方公里。中国有80000平方公里的湖泊。中国的渤海湾实际上是中国的内海，水面超过20000平方公里。仅渤海湾就可以放置功率为10亿千瓦太阳能睡莲。第五十七页，共85页。4）新出现的技术思维，是将4倍聚光改为6倍聚光，但光漏斗造价并不显著增加。下面是用无光像聚光理论设计的6倍聚光漏斗：

第五十八页，共85页。此漏斗也可放在水中成为水上漂。

第五十九页，共85页。第六十页，共85页。应用这一新型聚光漏斗，在内蒙古地区，河北丰宁地区等荒漠地发电成本，有望下降到0.7元/1.4=0.5元/度电。而如果将这一“6倍聚光+跟踪”的发电技术，移用于“太阳能睡莲”，这将是比陆上发电成本更低的发电的技术。中国的东部、南部，其太阳能资源一般属三类地区，年发电约1000~1500小时。但这一地区有大片水面可以大量放置水上电站，有大片水面可建设大、中、小型各式各样的抽水储能电站，同时也能就近在水库里建设水面光伏电站。

第六十一页，共85页。所以，这一“6倍聚光+跟踪”的“太阳能睡莲”，以及今后有待发展的“8倍、10倍，……等低倍聚光+跟踪+水上太阳能睡莲”的发电技术，有望在中国的东部、南部地区，廉价地实现光能、水能“就近”互补，做到平价上网。第六十二页，共85页。5）前一时期，工信部正式颁布的《“十二五”太阳能光伏产业发展规划》。已正式规定：

“计划到2015年，光伏组件成本下降到7000元/千瓦，光伏系统成本下降到1.3万元/kW，发电成本下降到0.8元/kWh，到2020年，光伏组件成本下降到5000元/千瓦，系统成本下降到1万元/kW，发电成本达到0.6元/kWh”。第六十三页，共85页。不难看出，这里介绍的“第三代”光伏发电技术，完全有望达到、超过《规划》所规定的2020年的各项技术指标。

问题是如何全面落实这一新兴技术的产业化。

第六十四页，共85页。进一步要解决的重大问题，是如何太阳能光伏发电成本，下降到0.3元/度电，从而彻底解决人类未来所需能源问题。这主要解决以下三个重大问题：

a)进一步将低倍广角聚光技术，发展为在水上跟踪的中低倍（如8~20倍）广角聚光技术，（注：制约中低倍聚光技术的最大难题，散热问题，可在水中获得完全解决！）进一步大幅度降低光伏组件每瓦售价；

第六十五页，共85页。b)大力研发高效硅基多结聚光电池和廉价高效的砷化镓薄膜电池，进一步大幅度提高光伏电池的单位面积发电量；第六十六页，共85页。c)大力研发“‘光伏发电+水能’+‘风能+其它能源+抽水储能电站’+‘天然气或页岩气燃气发电站’”相配合的大中小型分布式发电体系，首先解决我国目前最紧迫需要的高峰用电短缺，将来逐步取代基本电力。当然，我们也很欢迎其它大功率、长寿命、高效储存电能技术的出现。第六十七页，共85页。欢迎社会公众，欢迎科学界，欢迎到会的院士、专家学者们，共同合作推进这一新型的“低倍聚光+跟踪”的光伏技术。第六十八页，共85页。徐锭明同志：

最近中国光伏产业已陷入全面危机，而如果欧盟通过征收的“双反”税率和美国一样，高达30%-220%，那么中国的光伏企业将面临灭顶之灾！第六十九页，共85页。但据我们所知，美国征收的高税额，仅针对“平板式”单晶硅和多晶硅技术，并不对各类薄膜技术、聚光技术，征收高额税率。估计欧盟也将采取类似政策。所以，一个挽救中国光伏企业的重大方向是，利用已有廉价P-型多晶硅、单晶硅，迅速转向发展适用于廉价的P型电池低倍聚光技术。第七十页，共85页。过去，我们一直强调用转化率较高的N-型光电池来实现4倍聚光。原因是用N型电池聚光，其成本较P型更低。而如果改用转化率较低的P型光电池，其发电成本仍可做到比平板光电池略低或相当。其重大优点是：可以回避欧盟和美国推行的高额“双反”税率。

第七十一页，共85页。我国99%以上的光伏企业，均是P型电池。世界各国的光伏企业除少部分是薄膜电池外，绝大多数也是P型电池。国外只有少数企业，如SunPower，能供应转化率较高的N型电池。第七十二页，共85页。

但是国外P型光伏企业会受到国外的保护，而我国将蒙受巨大损失！据我们所知，国内各生产P型光电池企业，在近期尚不能转向生产真正高效而廉价的N型光电池，并和国外SunPower等企业竞争！因此，发奋自强，自力更生地挽救国内光伏企业的重要方法，是立即大力发展适用于P型电池的廉价的低倍聚光技术。

第七十三页，共85页。多年来，陈应天教授和我一直发展和推广低倍聚光技术。而最近，陈教授和我又测算了一下，如果将我们发展的4倍聚光技术，应用于“廉价”的P型电池；虽然其发电效率要比N型电池少低，但和通常平板式光伏组件相