我國發(fā)展太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的思考
0 引言
能源問題，成為我國經(jīng)濟發(fā)展的一個重要問題。為了落實科學(xué)發(fā)展觀，建設(shè)節(jié)約型社會，到“十一·五”計劃末，要實現(xiàn)資源利用效率顯著提高，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低20%左右。包括太陽能發(fā)電在內(nèi)的新的可再生能源的利用，將成為實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。為此，“可再生能源法”已于2006年1 月1日正式實施。到2020 年，我國將大力扶持包括產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的可再生能源產(chǎn)業(yè)，我國的太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)將迎來一個大發(fā)展時期。
據(jù)不完全統(tǒng)計，現(xiàn)在我國從事太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的單位已超過100家，出現(xiàn)了類似無錫尚德太陽能電力公司和保定英利新能源有限公司等知名的大企業(yè)，中電電氣集團等其他行業(yè)的大企業(yè)紛紛進(jìn)入，我國的太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅速壯大，早已突破以前提出的2006 年年產(chǎn)太陽電池20MW，太陽能發(fā)電設(shè)備累計裝機容量80MW的指標(biāo)。但是，也存在一些問題。其中主要產(chǎn)品太陽電池組件的上下游兩頭在外：90%以上的原依賴進(jìn)口，90%以上的產(chǎn)品依賴出口。很可能將阻礙我國太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
太陽能發(fā)電技術(shù)作為一種多學(xué)科綜合交叉技術(shù)，包括物理電源（太陽電池）、化學(xué)電源（蓄電池）和電源變換（逆變器、充電器）等電源技術(shù)，也受到越來越多的電源工作者的注意。期刊《電源資訊》2006 年第6 期發(fā)表了“太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢和展望”，讀后深受啟發(fā)，也引起筆者進(jìn)行思考。在這里，從國際貫用分析產(chǎn)業(yè)項目的幾個方面：技術(shù)、材料、國外現(xiàn)狀（同行業(yè)現(xiàn)狀）、相關(guān)技術(shù)等，對我國發(fā)展太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的問題和趨勢談?wù)効捶?，和大家進(jìn)行交流。如果有什么不當(dāng)之處，敬請指正。
1 太陽能發(fā)電技術(shù)
1.1 太陽能發(fā)電的特點
太陽能發(fā)電技術(shù)主要包括：太陽電池和矩陣、蓄電池和充電器、逆變器等技術(shù)。它具有以下特點。
?。?）利用太陽能。優(yōu)點是太陽能總量巨大，是使用不會枯竭的能源；沒有影響環(huán)境的排泄物，是最清潔的能源；不集中在某個地方，是在整個地球上都可以利用的能源。但是，不集中也是它的缺點。有時可采取聚焦等方法，來提高效率。另外，還受天氣影響，一般在計算太陽電池的轉(zhuǎn)換功率時，都是在規(guī)定的天氣和輻射條件下來確定，采用單位叫峰瓦，符號為Wp。下面為了方便起見，在本文中仍用瓦（W）作為單位，但是實際意義是峰瓦（Wp）。
（2）太陽能發(fā)電使用的是靜止裝置，無可動部分，容易維護(hù)。太陽電池、蓄電池和逆變器都可以采用模塊結(jié)構(gòu)，自由組合，可大可小，可以大規(guī)模生產(chǎn)，降低成本。不需要運送燃料，可以放置在邊遠(yuǎn)地區(qū)和海島上。建設(shè)工期比水電站和火電站短，節(jié)省施工費用。
?。?）太陽能發(fā)電一般把設(shè)備安裝在用戶所在地，可以節(jié)省輸配電設(shè)備。據(jù)日本有關(guān)統(tǒng)計資料，可節(jié)約供電成本25%左右。但是1MW（1 000kW）以上的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，仍然要采用輸配電設(shè)備，形成獨立電網(wǎng)。
根據(jù)國家發(fā)改委、國家科技部共同提出的可再生能源發(fā)展的總目標(biāo)：“提高轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本，增大在能源結(jié)構(gòu)中所占比例?！碧柲馨l(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向主要也是提高轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本。
1.2 太陽電池
太陽電池技術(shù)是太陽能發(fā)電技術(shù)的主要組成部份。太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率是代表材料性能、器件結(jié)構(gòu)、制備技術(shù)、工藝設(shè)備和檢測手段等綜合性能水平的標(biāo)志性指標(biāo)。太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率分為兩種。一種是小尺寸（例如1cm2）的研究開發(fā)水平：單晶硅太陽電池24.7%，多晶硅太陽電池19.8%，非晶硅太陽電池15%，銅銦硒太陽電池18.8%，砷化鎵太陽電池33%，有機納米晶太陽電池5.48%。一種是大尺寸（例如1200cm2）的商品化生產(chǎn)水平：單晶硅太陽電池15%，多晶硅太陽電池12%，非晶硅太陽電池8%，銅銦硒太陽電池10%。以上數(shù)據(jù)都是從已經(jīng)公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料中收集來的，現(xiàn)在可能已有所變化。
提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率是降低太陽能發(fā)電設(shè)備成本的主要手段。轉(zhuǎn)換效率高，可以在同樣發(fā)電容量下，減少太陽電池矩陣面積，減少太陽電池模塊用量。因此成為太陽能發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展方向。
我國從上世紀(jì)50 年代起就開始對太陽電池進(jìn)行研究。1993年成立中國光電發(fā)展技術(shù)中心，上世紀(jì)80 至90 年代先后從國外引進(jìn)多條太陽電池生產(chǎn)線。到2001 年，太陽電池的年生產(chǎn)能力達(dá)到6.5MW/年。近幾年，太陽電池的研究開發(fā)和生產(chǎn)飛躍地發(fā)展。保定英利新能源有限公司建成500MW的太陽電池生產(chǎn)線。南開大學(xué)在天津建立銅銦硒太陽電池中試線，使我國成為繼德、美、日之后第4 個開展這種電池中試的國家。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所對非晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率下降機制的研究取得國際上領(lǐng)先的成果，轉(zhuǎn)換效率最低可限制在10%以內(nèi)。中國科學(xué)院物理研究所研制的有機納米晶太陽電池，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5.48%，向?qū)嵱眯援a(chǎn)品邁出了重要一步。從整體上看，我國不但在太陽電池生產(chǎn)能力上進(jìn)入國際先進(jìn)行列，而且在兩大主要發(fā)展的太陽電池產(chǎn)品：非晶硅太陽電池和銅銦硒太陽電池的研究開發(fā)上達(dá)到國際先進(jìn)水平。同時還在新的有機納米晶太陽電池的研究中取得國際領(lǐng)先的成果。
1.3 逆變器技術(shù)
逆變器技術(shù)也是的主要組成部分。對逆變器的主要要求有以下三點。
?。?）可靠，能滿足使用條件要求國大多數(shù)獨立型太陽能發(fā)電設(shè)備用于邊遠(yuǎn)地區(qū)和海島，要求逆變器能承受惡劣的使用條件，能保證在少維護(hù)條件下長期工作。大多數(shù)并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備用于家庭，要求逆變器的電磁干擾少，不影響人的生活環(huán)境，也不妨礙其他家用電器工作。
（2）效率高國由于現(xiàn)在常用的太陽電池矩陣的光電轉(zhuǎn)換效率小于15%，如果逆變器效率低，將太陽電池好不容易轉(zhuǎn)換來的電能損耗掉，十分可惜。這樣勢必要增加矩陣中太陽電池組件的數(shù)量，增大矩陣所占的面積，從而大大增加太陽能發(fā)電設(shè)備的投資和土建費用。所以，要求逆變器效率要大于90%。
?。?）波形畸變小，功率因數(shù)高國并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備要并網(wǎng)，逆變器輸出波形必須與外電網(wǎng)一致，波形畸變小于5%，高次諧波含量小于3% ，功率因數(shù)接近于1。獨立型太陽能發(fā)電設(shè)備中的逆變器波形畸變可以大一些，小于10%。
太陽能發(fā)電用逆變器分為以下幾種形式。
?。?）工頻變壓器絕緣方式國用于獨立型太陽能發(fā)電設(shè)備，可靠性高，維護(hù)量少，開關(guān)頻率低，電磁干擾小。
?。?）高頻變壓器絕緣方式國用于并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備，體積小，重量輕，成本低。要經(jīng)兩級變換，效率問題比較突出，采取措施后，仍可達(dá)到90%以上，高頻電磁干擾嚴(yán)重，要采用濾波和屏蔽措施。
?。?）無變壓器非絕緣方式國本來希望進(jìn)一步降低成本，從兩級變換變?yōu)閱渭壸儞Q，提高效率，使它成為并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備中更理想的逆變器，但是使用中出現(xiàn)一系列問題。無變壓器非絕緣方式逆變器不能使輸入的太陽電池與輸出電網(wǎng)絕緣隔離，輸入的太陽電池矩陣正、負(fù)極都不能直接接地。太陽電池矩陣面積大，對地有很大的等效電容存在，將在工作中產(chǎn)生等效電容充放電電流。其中低頻部分，有可能使供電電路的漏電保護(hù)開關(guān)誤動作。其中高頻部分，將通過配電線對其他用電設(shè)備造成電磁干擾，而影響其他用電設(shè)備工作。這樣，必須加濾波和保護(hù)，達(dá)不到降低成本的預(yù)期效果。
?。?）正激變壓器絕緣方式國是在無變壓器非絕緣方式使用效果不佳之后開發(fā)出來的，既保留了無變壓器非絕緣方式單級變換的主要優(yōu)點，又消除無絕緣隔離的主要缺點，是到目前為止并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備比較理想的逆變器。
我國從上世紀(jì)80 年代起開始對太陽能發(fā)電設(shè)備用逆變器進(jìn)行研究開發(fā)，現(xiàn)在已有專門的單位研究開發(fā)和生產(chǎn)。由于我國并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備還未形成規(guī)模生產(chǎn)，如何正確選定并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備用逆變器，將是近期必須面對的一個重要課題。最近報道，國內(nèi)有人開發(fā)出“零功耗光伏并網(wǎng)逆變器”。在這里對此發(fā)表一點不同的意見，供研究開發(fā)者參考。“零功耗”，或者“無功耗”，雖然據(jù)研究開發(fā)者說，實際上有功耗只不過功耗小到接近于零，是略有夸張之意的一種說法。但是，有與無，大與小，零與微小是兩種不同概念。絕不能把“小”說成“無”，把“微小”說成“零”。這樣，“零功耗”，效率將達(dá)到100%，是不是開發(fā)出一種新的“永動機”了嗎？有時，真理和謬誤只相差一步，邁過這一步，就會鬧出大笑話！作為科技工作者，要使用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)用詞，不能使用廣告式的語言，希望與有關(guān)的朋友共勉吧。
2 材料是決定技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大問題
和研究開發(fā)階段不同，在規(guī)模生產(chǎn)階段，開發(fā)出來的產(chǎn)品，需要有足夠的原材料才能批量生產(chǎn)。如果沒有可靠穩(wěn)定的材料來源，技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展很可能停滯，甚至夭折，這方面的經(jīng)驗教訓(xùn)相當(dāng)不少，值得注意。
我國現(xiàn)在生產(chǎn)的太陽電池所用的，90%以上采用提煉的純凈硅（包括單晶硅和多晶硅）。據(jù)資料報導(dǎo)，2005 年我國太陽電池需用多晶硅2 691 噸，其中無錫尚德太陽能電力有限公司和保定英利新能源有限公司兩家生產(chǎn)太陽電池的大企業(yè)就需用多晶硅1000噸左右。國內(nèi)目前只有峨嵋半導(dǎo)體材料廠和洛陽單晶硅有限公司生產(chǎn)多晶硅，2004年產(chǎn)量為60 噸。90%以上的多晶硅只能從國外進(jìn)口。但是，在我國多晶硅供需嚴(yán)重失衡的情況下，國外多晶硅主要生產(chǎn)企業(yè)結(jié)成企業(yè)聯(lián)盟，嚴(yán)格控制技術(shù)轉(zhuǎn)讓并壟斷全球多晶硅材料，抬高多晶硅價格，從13 美元/kg上漲到2005 年的80 美元/kg。更有，由于我國出口的太陽電池組件價格低于某些多晶硅供應(yīng)國生產(chǎn)出口的太陽電池組件價格，他們對我國采取限購甚至禁購多晶硅材料的辦法，以維護(hù)自身的市場。使我國某些太陽電池生產(chǎn)企業(yè)，即使出高價也購買不到足夠的多晶硅材料，形成非常尷尬的局面。太陽電池90%以上的多晶硅材料依賴進(jìn)口，已經(jīng)成為制約我國產(chǎn)業(yè)的瓶頸。
為了改變這一尷尬局面，必須集中力量突破原材料這一難關(guān)。雖然以前我國從“七·五”計劃立項到“十·五”期末都未能突破多晶硅材料的關(guān)鍵技術(shù)，但是現(xiàn)在情況不一樣了。在如此巨大的市場需求和經(jīng)濟效益推動下，投資者和科技工作者都會集中力量攻關(guān)，使多晶硅材料從60 噸迅速擴產(chǎn)到3000 噸是完全可能的。因為國內(nèi)已有生產(chǎn)單位可以作為依托，并不是從零開始。據(jù)報道，洛陽中硅高科技有限公司2005 年9 月投產(chǎn)300 噸多晶硅生產(chǎn)線，就是一例。與此同時，還正在研究開發(fā)用其他材料的太陽電池項目，例如銅銦硒太陽電池，有機納米晶太陽電池和非純凈硅材料太陽電池生產(chǎn)技術(shù)。現(xiàn)在，我國太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的最佳切入點，不再是擴大多晶硅太陽電池生產(chǎn)，而是開發(fā)其他材料的太陽電池，尤其是如何解決太陽電池的多晶硅材料供應(yīng)問題。
3 市場
現(xiàn)在，我國90%以上的太陽電池出口，也會成為限制我國太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的另一個大問題。
我國太陽能源豐富。按各地區(qū)接受年太陽輻射總量的多少，可以把全國劃分為五類地區(qū)。一類地區(qū)為太陽能資源最豐富的地區(qū)，年太陽輻射總量6 680~8 400MJ/m2 ，包括寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海本部和西藏西部。二類地區(qū)為太陽能資源較豐富地區(qū)，年太陽輻射總量5 850~6 680 MJ/m2，包括北京、天津、河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古中部和南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、新疆南部和西藏東南部。三類地區(qū)為太陽能資源中等類型地區(qū)，年太陽輻射總量為5 000~5 850 MJ/m2，包括河北東南部、山西南部、吉林、遼寧、陜西北部、甘肅東南部、新疆北部、云南、河南、廣東南部、香港、澳門、山東、江蘇北部、安徽北部、福建南部和臺灣西南部。四類地區(qū)為太陽能資源較差地區(qū)，年太陽輻射總量4200~5 000 MJ/m2，包括內(nèi)蒙古北部、黑龍江、陜西南部、湖北、湖南、廣西、廣東北部、上海、江蘇南部、安徽南部、江西、浙江、福建北部和臺灣東北部。五類地區(qū)為太陽能資源最差地區(qū)，年太陽輻射總量3 350~4 200MJ/m2，包括四川、重慶和貴州。我國總面積2/3以上屬于一、二、三類地區(qū)，年平均日輻射量在4 000MJ/m2以上，年日照時數(shù)超過2 000 小時。同世界上同緯度的其他國家相比較，與美國相接近，比日本和歐洲國家都好。我國這樣豐富的太陽能資源，為發(fā)展太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)，提供了良好的市場。例如日本大部份地區(qū)相當(dāng)于我國的四類地區(qū)，建造同樣的3 kW并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，按綜合效率75%，太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率10%計算，日本需用28m2太陽電池，我國三類地區(qū)需用20m2太陽電池，可節(jié)約28.5%太陽電池費用，有利于并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備的推廣使用。
要把良好的市場條件變成現(xiàn)實的市場，關(guān)鍵取決于成本，也就是太陽能發(fā)電設(shè)備的發(fā)電成本。太陽能發(fā)電設(shè)備的發(fā)電成本，由設(shè)備初投資和利息加運行維修費再按運行壽命20 年，每年日照時數(shù)所發(fā)出的電量分?jǐn)偅涂捎嬎愠雒慷入姡╧W·h）的發(fā)電成本。太陽能發(fā)電設(shè)備運行中不消耗燃料，在運行壽命20 年期間，除蓄電池外，基本上不需要維修，因此發(fā)電成本主要決定于設(shè)備初投資和利息。太陽能發(fā)電設(shè)備的投資大致分為太陽電池矩陣占60%，逆變器占15%，蓄電池占15%，其他為10%，其中太陽電池價格是主要因素。所以，一般文獻(xiàn)資料在列出太陽能發(fā)電設(shè)備的發(fā)電成本時，都要同時列出太陽電池價格和太陽能發(fā)電設(shè)備價格?，F(xiàn)在看到的文獻(xiàn)資料說法不一致。作者比較相信的是2006年的太陽電池價格為3.15美元/W，發(fā)電設(shè)備價格6美元/W，發(fā)電成本0.25美元/kW·h。2010 年的太陽電池價格1.8 美元/W，發(fā)電設(shè)備價格3 美元/W，發(fā)電成本0.1 美元/kW·h。遺憾的是，沒有明確是指國外還是國內(nèi)的平均價格，也沒有說明發(fā)電成本和上網(wǎng)電價之間的關(guān)系，所以才出現(xiàn)上網(wǎng)電價3.4 元或4.5 元/kW·h 與發(fā)電成本0.25 美元/kW·h 之間有比較大的差距，讓讀者無法弄清楚到底是怎么一回事？根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]中提供的風(fēng)力發(fā)電成本與售價關(guān)系，可以推算出：上網(wǎng)電價等于發(fā)電成本乘120%（考慮20%利潤）再乘117%（再考慮17%增值稅），也就是上網(wǎng)電價等于1.404倍發(fā)電成本。接照這個算法，2006 年的太陽能發(fā)電設(shè)備的上網(wǎng)電價為（人民幣）2.8 元/kW·h 左右，2010年的上網(wǎng)電價應(yīng)為1.12 元/kW·h 左右（接1 美元等8 元人民幣計算）。
根據(jù)“可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃”，2010 年，我國太陽能發(fā)電設(shè)備累計裝機容量達(dá)到500MW，其中300~350 MW 用于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)無電區(qū)的供電。2020 年達(dá)到2 000MW，為我國太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了巨大的機遇，除了通訊、交通和照明，我國的太陽能發(fā)電設(shè)備的市場主要有兩個：獨立型發(fā)電設(shè)備和并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備。下面分別討論其中的一些問題。
我國從上世紀(jì)80 年代起就開始推廣100~500W的農(nóng)牧民戶用太陽能發(fā)電設(shè)備。后來實施光明工程，解決邊遠(yuǎn)地區(qū)無電的2 300 萬人民的生活用電問題。從2001 年起，實施“全球環(huán)境基金/ 世界銀行可再生能源發(fā)展項目”和聯(lián)合國開發(fā)計劃署支持的可再生能源村落發(fā)電項目計劃，到現(xiàn)在為止，已安裝50 萬套以上100~500W的用戶太陽能發(fā)電設(shè)備，在邊遠(yuǎn)地區(qū)和海島上建立了縣級、鄉(xiāng)級、村級、學(xué)校用1 kW、10 kW 至100 kW大大小小的太陽能發(fā)電站將近1000 座，累計總?cè)萘恳堰_(dá)50MW，今后還會以超過30%的速度逐年迅速增加。從1985 年在甘肅省榆中縣園子鄉(xiāng)建成10 kW 太陽能發(fā)電站起，經(jīng)過20 多年，我國獨立型戶用和100 kW 以下太陽能發(fā)電設(shè)備技術(shù)已基本成熟。今后，除了繼續(xù)推廣戶用和中小型太陽能發(fā)電設(shè)備外，還要向大型1MW以上的太陽能發(fā)電站發(fā)展。2004 年9 月在廣東深圳建成1MW太陽能發(fā)電站。2007 年以前上海準(zhǔn)備建設(shè)總?cè)萘?MW的示范太陽能發(fā)電站，其中首先在崇明島建設(shè)1MW太陽 能發(fā)電站。四川攀西地區(qū)準(zhǔn)備建設(shè)2MW太陽能發(fā)電站。2005 年甘肅《敦煌8MW并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)預(yù)可行性報告》，已通過專家評審，列入國家“十一·五”規(guī)劃，如果建成容量將超過現(xiàn)在世界上最大的6.45MW太陽能發(fā)電站。
我國發(fā)展獨立型太陽能發(fā)電設(shè)備具有獨特的優(yōu)勢?，F(xiàn)在的無電區(qū)都處于太陽能資源豐富的一、二、三類的西部地區(qū)和東南部海島，太陽能輻射總量大，年平均日照時間長，建設(shè)太陽能發(fā)電站可以少用太陽電池和蓄電池，年發(fā)電量高，從而使太陽能發(fā)電成本顯著下降。如果用柴油發(fā)電來解決這些無電地區(qū)的供電問題，其發(fā)電成本考慮運輸費用在內(nèi)，超過太陽能發(fā)電成本。如果從現(xiàn)有輸電網(wǎng)架設(shè)線路來解決這些無電地區(qū)的供電問題，投資費用大。據(jù)資料介紹，建設(shè)1km的輸電線路，相當(dāng)于5~6 kW 太陽能電設(shè)備的投資費用。無電地區(qū)絕大部分都離輸電網(wǎng)幾十km，即使建設(shè)100 kW以上的太陽能發(fā)電站的投資費用也低于建設(shè)輸電線路的費用。
獨立型太陽能發(fā)電設(shè)備中的逆變器，要根據(jù)容量大小來選用不同的類型。100~500W戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，現(xiàn)在主要采用工頻變壓器絕緣方式。10 kW以下的太陽能發(fā)電站也可以采有工頻變壓器絕緣方式。因為既可靠，又穩(wěn)定，維修量少，比較適合在邊遠(yuǎn)地區(qū)工作。但是，現(xiàn)在的工頻變壓器絕緣方式逆變器，主變壓器鐵心采用取向冷軋硅鋼，為了減少鐵心損耗，工作磁密低，體積和重量大。為改變這種主變壓器，美國在上世紀(jì)80 年代，就已經(jīng)采用鐵基非晶合金鐵心，在同樣的逆變器效率下，鐵心重量減少三分之一，主變壓器重量減少五分之二?，F(xiàn)在，我國鐵基非晶合金鐵心和變壓器生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟，同時取向冷軋鋼的價格上漲，已超過鐵基非晶合金價格，完全有條件采用鐵基非晶合金鐵心制造太陽能發(fā)電設(shè)備中的逆變變壓器。100kW以上的太陽能發(fā)電站可以采用高頻變壓器絕緣方式或者正激變壓器絕緣方式，高頻變壓器和正激變壓器都可以采用非晶和納米晶合金鐵心，工作頻率20kHz，可以完全保證90%以上的逆變效率。現(xiàn)在50kW以上的太陽能發(fā)電站中的逆變器，國外已有企業(yè)采用模塊結(jié)構(gòu)，每個模塊10 kW 或20 kW，既便于生產(chǎn)，又可以靈活組成各種容量的逆變器，還可以提高運行的可靠性。10 kW 以上的太陽能發(fā)電站，如果供一個地區(qū)使用，還需要小型的輸配電網(wǎng)，供電距離小于500m，可采用380/220V電壓等級。供電距離3km以上，可采用1kV或6kV電壓等級。逆變器輸出從220 V升至1 kV 或6 kV，線路結(jié)構(gòu)不變，只需要改變主變壓器的參數(shù)和絕緣結(jié)構(gòu)，這時逆變器采用工頻變壓器絕緣方式比較好，便于實現(xiàn)高壓絕緣隔離。
并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備將成為我國太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的另一個主要市場。根據(jù)2006年1 月1 日實施的《可再生能源法》，并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備可以合法地與電網(wǎng)相聯(lián)，在白天可以把太陽發(fā)電設(shè)備發(fā)出的多余的電供給電網(wǎng)，在晚上可以由電網(wǎng)供電。標(biāo)志著太陽能發(fā)電由邊遠(yuǎn)和海島地區(qū)的特殊供電電源向一般電網(wǎng)電源發(fā)展，由補充能源向替代能源發(fā)展。并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備有以下優(yōu)點：
?。?）安裝在屋頂上，節(jié)省太陽電池矩陣結(jié)構(gòu)；
?。?）直接與電網(wǎng)相連，不需要蓄電池和充電器；
（3）直接供給用戶，不需要輸配電設(shè)備。
因此，發(fā)電成本比同地區(qū)的獨立型太陽能發(fā)電設(shè)備低。
不過，目前并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備的上網(wǎng)電價超過3 元/kW·h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電網(wǎng)城鄉(xiāng)電價0.5 元/kW·h，電網(wǎng)公司不可能用這樣高的價格購買并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備多余的電力。如果并入電網(wǎng)讓所有的用戶分?jǐn)偅瑢p害收入較低人群的利益，不利于建設(shè)和諧社會。在這種高發(fā)電成本條件下，在我國推廣并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，即使采用政府補貼，仍然相當(dāng)困難?，F(xiàn)階段應(yīng)當(dāng)通過試驗性并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，使發(fā)電成本降到接近火力發(fā)電成本，并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備才能在真正意義上大規(guī)模推廣。
4 國外現(xiàn)狀
目前全世界有136 個國家正在普及推廣應(yīng)用，其中95 個國家正在大規(guī)模研究開發(fā)和生產(chǎn)各種太陽能發(fā)電設(shè)備和太陽電池應(yīng)用產(chǎn)品。2005 年全世界太陽電池總產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到2 000MW。其中日本發(fā)展較快，太陽電池產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的50%，10 年內(nèi)太陽電池的每W成本下降90%。2001 年時日本太陽能發(fā)電設(shè)備累計總裝機容量為450 MW，2003 年為887 MW，2004 年達(dá)到1 900 MW，估計到2008 年達(dá)到2 350 MW，2010 年達(dá)到5 000MW。2010 年全世界太陽能發(fā)電設(shè)備累計總裝機容量達(dá)到18000MW。
世界各主要國家都在努力提高太陽能發(fā)電設(shè)備的生產(chǎn)規(guī)模和應(yīng)用規(guī)模，因為太陽電池從生產(chǎn)量10MW 開始，每增加一倍，成本將降低20%。應(yīng)用上建立MW級的大型太陽能發(fā)電站，不但可以降 低成本，還可以緩解荒漠和海島地區(qū)的供電和環(huán)境問題，為荒漠地區(qū)打井抽水和海島淡化海水提供動力，改善生態(tài)環(huán)境。現(xiàn)在世界上MW級太陽能發(fā)電站已超過10 座，其中最大的一個容量達(dá)到6.45MW。
并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，從1994 年后迅速發(fā)展，到2003 年已占當(dāng)年太陽能發(fā)電設(shè)備的55%。其中比較突出的是美國，1997 年提出的“百萬太陽能屋頂計劃”，按每戶3 kW 計算，計劃到2010 年將在100 萬個用戶屋頂上安裝共計3 000MW 的太陽能發(fā)電設(shè)備。德國1999 年開始實施的10 萬太陽能屋頂計劃，在2005 年安裝共計300~500MW的太陽能發(fā)電設(shè)備。日本從1994年開始發(fā)展并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，到2004年已安裝58000套，到2008年要達(dá)到147600套。
日本為了發(fā)展并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備（3~5kW），把它作為一種新的家用電器來對待，突破關(guān)鍵技術(shù)，降低成本。這其中包括把太陽電池的轉(zhuǎn)換效率提高到15%以上，發(fā)展新型的高頻變壓器絕緣方式或正激變壓器絕緣方式逆變器。據(jù)資料介紹，2005 年日本太陽電池價格為140 日元/W，并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備價格為370 日元/W，發(fā)電成本為30 日元/kW·h。2010 年將分別下降為120 日元/W，300 日元/W和25 日元/kW·h。2020年將分別下降為60日元/W，200 日元/W和15 日元/kW·h。到那時完全可以和火力發(fā)電價格相競爭。
5 相關(guān)技術(shù)
我國發(fā)展的可再生能源技術(shù)比較多，與太陽能發(fā)電技術(shù)可以相比的首推風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。據(jù)估計，中國10 m 高度層實際可開發(fā)的風(fēng)能儲量為2.53×108kW，如果年滿發(fā)電按2 000 小時到2500小時計，風(fēng)力發(fā)電年發(fā)電量可達(dá)5.06×1011 kW·h到6.325×1011 kW·h。
現(xiàn)在已開發(fā)出100W到10 kW的獨立型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，10 kW到200 kW的風(fēng)力發(fā)電與柴油發(fā)電機或太陽能發(fā)電混合供電設(shè)備。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，由單機容量150 kW 到2 500 kW風(fēng)力發(fā)電機組成。規(guī)模在10MW以上的并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電場已超過10 座。
到2005 年，我國風(fēng)力發(fā)電設(shè)計總裝機容量為1 000~1 500 MW，為太陽能發(fā)電設(shè)備的20 倍以上。到2020 年規(guī)劃風(fēng)力發(fā)電累計總裝機容量可達(dá)30 000MW，為太陽能發(fā)電設(shè)備的15 倍。據(jù)計算，2001 年風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)電價不含增值稅為0.55 元/kW·h，含增值稅為0.64 元/kW·h。2005年6 月上海12家企業(yè)以1 元/kW·h 的價格購買了上海的風(fēng)力發(fā)電的電力，成本和價格也比太陽能發(fā)電低。因此，即使到2020年，太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)也趕不上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模。
6 結(jié)語
本文從國外情況、相關(guān)技術(shù)等5個方面討論了我國發(fā)展太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的問題和趨勢。太陽電池生產(chǎn)能力雖然進(jìn)入國際先進(jìn)行列，但光電轉(zhuǎn)換效率還有較大差距。逆變器技術(shù)發(fā)展并不成熟，面臨著選型的重要問題。多晶硅材料依賴進(jìn)口，制約著我國太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必須集中力量打破這一難關(guān)。獨立型太陽能發(fā)電設(shè)備技術(shù)基本成熟，有比較可靠的市場前景。并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備發(fā)電成本較高，現(xiàn)在要通過建立試驗性并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，解決關(guān)鍵性技術(shù)問題，使發(fā)電成本接近火力發(fā)電成本，才能大規(guī)模推廣使用。世界上太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)在2010 年前都會快速發(fā)展。應(yīng)當(dāng)大力吸取國外（例如日本）的經(jīng)驗，提高光電轉(zhuǎn)換效率，降低發(fā)電成本，才能擴大太陽能發(fā)電在我國能源結(jié)構(gòu)中所占的比例。與相關(guān)技術(shù)風(fēng)力發(fā)電相比，在現(xiàn)在的技術(shù)條件下，到2020 年，太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)也趕不上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模，必須在太陽電池等關(guān)鍵技術(shù)上有重大實破，才能改變這種局面。
能源問題，成為我國經(jīng)濟發(fā)展的一個重要問題。為了落實科學(xué)發(fā)展觀，建設(shè)節(jié)約型社會，到“十一·五”計劃末，要實現(xiàn)資源利用效率顯著提高，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低20%左右。包括太陽能發(fā)電在內(nèi)的新的可再生能源的利用，將成為實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。為此，“可再生能源法”已于2006年1 月1日正式實施。到2020 年，我國將大力扶持包括產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的可再生能源產(chǎn)業(yè)，我國的太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)將迎來一個大發(fā)展時期。
據(jù)不完全統(tǒng)計，現(xiàn)在我國從事太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的單位已超過100家，出現(xiàn)了類似無錫尚德太陽能電力公司和保定英利新能源有限公司等知名的大企業(yè)，中電電氣集團等其他行業(yè)的大企業(yè)紛紛進(jìn)入，我國的太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅速壯大，早已突破以前提出的2006 年年產(chǎn)太陽電池20MW，太陽能發(fā)電設(shè)備累計裝機容量80MW的指標(biāo)。但是，也存在一些問題。其中主要產(chǎn)品太陽電池組件的上下游兩頭在外：90%以上的原依賴進(jìn)口，90%以上的產(chǎn)品依賴出口。很可能將阻礙我國太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
太陽能發(fā)電技術(shù)作為一種多學(xué)科綜合交叉技術(shù)，包括物理電源（太陽電池）、化學(xué)電源（蓄電池）和電源變換（逆變器、充電器）等電源技術(shù)，也受到越來越多的電源工作者的注意。期刊《電源資訊》2006 年第6 期發(fā)表了“太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢和展望”，讀后深受啟發(fā)，也引起筆者進(jìn)行思考。在這里，從國際貫用分析產(chǎn)業(yè)項目的幾個方面：技術(shù)、材料、國外現(xiàn)狀（同行業(yè)現(xiàn)狀）、相關(guān)技術(shù)等，對我國發(fā)展太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的問題和趨勢談?wù)効捶?，和大家進(jìn)行交流。如果有什么不當(dāng)之處，敬請指正。
1 太陽能發(fā)電技術(shù)
1.1 太陽能發(fā)電的特點
太陽能發(fā)電技術(shù)主要包括：太陽電池和矩陣、蓄電池和充電器、逆變器等技術(shù)。它具有以下特點。
?。?）利用太陽能。優(yōu)點是太陽能總量巨大，是使用不會枯竭的能源；沒有影響環(huán)境的排泄物，是最清潔的能源；不集中在某個地方，是在整個地球上都可以利用的能源。但是，不集中也是它的缺點。有時可采取聚焦等方法，來提高效率。另外，還受天氣影響，一般在計算太陽電池的轉(zhuǎn)換功率時，都是在規(guī)定的天氣和輻射條件下來確定，采用單位叫峰瓦，符號為Wp。下面為了方便起見，在本文中仍用瓦（W）作為單位，但是實際意義是峰瓦（Wp）。
（2）太陽能發(fā)電使用的是靜止裝置，無可動部分，容易維護(hù)。太陽電池、蓄電池和逆變器都可以采用模塊結(jié)構(gòu)，自由組合，可大可小，可以大規(guī)模生產(chǎn)，降低成本。不需要運送燃料，可以放置在邊遠(yuǎn)地區(qū)和海島上。建設(shè)工期比水電站和火電站短，節(jié)省施工費用。
?。?）太陽能發(fā)電一般把設(shè)備安裝在用戶所在地，可以節(jié)省輸配電設(shè)備。據(jù)日本有關(guān)統(tǒng)計資料，可節(jié)約供電成本25%左右。但是1MW（1 000kW）以上的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，仍然要采用輸配電設(shè)備，形成獨立電網(wǎng)。
根據(jù)國家發(fā)改委、國家科技部共同提出的可再生能源發(fā)展的總目標(biāo)：“提高轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本，增大在能源結(jié)構(gòu)中所占比例?！碧柲馨l(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向主要也是提高轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本。
1.2 太陽電池
太陽電池技術(shù)是太陽能發(fā)電技術(shù)的主要組成部份。太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率是代表材料性能、器件結(jié)構(gòu)、制備技術(shù)、工藝設(shè)備和檢測手段等綜合性能水平的標(biāo)志性指標(biāo)。太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率分為兩種。一種是小尺寸（例如1cm2）的研究開發(fā)水平：單晶硅太陽電池24.7%，多晶硅太陽電池19.8%，非晶硅太陽電池15%，銅銦硒太陽電池18.8%，砷化鎵太陽電池33%，有機納米晶太陽電池5.48%。一種是大尺寸（例如1200cm2）的商品化生產(chǎn)水平：單晶硅太陽電池15%，多晶硅太陽電池12%，非晶硅太陽電池8%，銅銦硒太陽電池10%。以上數(shù)據(jù)都是從已經(jīng)公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料中收集來的，現(xiàn)在可能已有所變化。
提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率是降低太陽能發(fā)電設(shè)備成本的主要手段。轉(zhuǎn)換效率高，可以在同樣發(fā)電容量下，減少太陽電池矩陣面積，減少太陽電池模塊用量。因此成為太陽能發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展方向。
我國從上世紀(jì)50 年代起就開始對太陽電池進(jìn)行研究。1993年成立中國光電發(fā)展技術(shù)中心，上世紀(jì)80 至90 年代先后從國外引進(jìn)多條太陽電池生產(chǎn)線。到2001 年，太陽電池的年生產(chǎn)能力達(dá)到6.5MW/年。近幾年，太陽電池的研究開發(fā)和生產(chǎn)飛躍地發(fā)展。保定英利新能源有限公司建成500MW的太陽電池生產(chǎn)線。南開大學(xué)在天津建立銅銦硒太陽電池中試線，使我國成為繼德、美、日之后第4 個開展這種電池中試的國家。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所對非晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率下降機制的研究取得國際上領(lǐng)先的成果，轉(zhuǎn)換效率最低可限制在10%以內(nèi)。中國科學(xué)院物理研究所研制的有機納米晶太陽電池，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5.48%，向?qū)嵱眯援a(chǎn)品邁出了重要一步。從整體上看，我國不但在太陽電池生產(chǎn)能力上進(jìn)入國際先進(jìn)行列，而且在兩大主要發(fā)展的太陽電池產(chǎn)品：非晶硅太陽電池和銅銦硒太陽電池的研究開發(fā)上達(dá)到國際先進(jìn)水平。同時還在新的有機納米晶太陽電池的研究中取得國際領(lǐng)先的成果。
1.3 逆變器技術(shù)
逆變器技術(shù)也是的主要組成部分。對逆變器的主要要求有以下三點。
?。?）可靠，能滿足使用條件要求國大多數(shù)獨立型太陽能發(fā)電設(shè)備用于邊遠(yuǎn)地區(qū)和海島，要求逆變器能承受惡劣的使用條件，能保證在少維護(hù)條件下長期工作。大多數(shù)并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備用于家庭，要求逆變器的電磁干擾少，不影響人的生活環(huán)境，也不妨礙其他家用電器工作。
（2）效率高國由于現(xiàn)在常用的太陽電池矩陣的光電轉(zhuǎn)換效率小于15%，如果逆變器效率低，將太陽電池好不容易轉(zhuǎn)換來的電能損耗掉，十分可惜。這樣勢必要增加矩陣中太陽電池組件的數(shù)量，增大矩陣所占的面積，從而大大增加太陽能發(fā)電設(shè)備的投資和土建費用。所以，要求逆變器效率要大于90%。
?。?）波形畸變小，功率因數(shù)高國并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備要并網(wǎng)，逆變器輸出波形必須與外電網(wǎng)一致，波形畸變小于5%，高次諧波含量小于3% ，功率因數(shù)接近于1。獨立型太陽能發(fā)電設(shè)備中的逆變器波形畸變可以大一些，小于10%。
太陽能發(fā)電用逆變器分為以下幾種形式。
?。?）工頻變壓器絕緣方式國用于獨立型太陽能發(fā)電設(shè)備，可靠性高，維護(hù)量少，開關(guān)頻率低，電磁干擾小。
?。?）高頻變壓器絕緣方式國用于并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備，體積小，重量輕，成本低。要經(jīng)兩級變換，效率問題比較突出，采取措施后，仍可達(dá)到90%以上，高頻電磁干擾嚴(yán)重，要采用濾波和屏蔽措施。
?。?）無變壓器非絕緣方式國本來希望進(jìn)一步降低成本，從兩級變換變?yōu)閱渭壸儞Q，提高效率，使它成為并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備中更理想的逆變器，但是使用中出現(xiàn)一系列問題。無變壓器非絕緣方式逆變器不能使輸入的太陽電池與輸出電網(wǎng)絕緣隔離，輸入的太陽電池矩陣正、負(fù)極都不能直接接地。太陽電池矩陣面積大，對地有很大的等效電容存在，將在工作中產(chǎn)生等效電容充放電電流。其中低頻部分，有可能使供電電路的漏電保護(hù)開關(guān)誤動作。其中高頻部分，將通過配電線對其他用電設(shè)備造成電磁干擾，而影響其他用電設(shè)備工作。這樣，必須加濾波和保護(hù)，達(dá)不到降低成本的預(yù)期效果。
?。?）正激變壓器絕緣方式國是在無變壓器非絕緣方式使用效果不佳之后開發(fā)出來的，既保留了無變壓器非絕緣方式單級變換的主要優(yōu)點，又消除無絕緣隔離的主要缺點，是到目前為止并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備比較理想的逆變器。
我國從上世紀(jì)80 年代起開始對太陽能發(fā)電設(shè)備用逆變器進(jìn)行研究開發(fā)，現(xiàn)在已有專門的單位研究開發(fā)和生產(chǎn)。由于我國并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備還未形成規(guī)模生產(chǎn)，如何正確選定并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備用逆變器，將是近期必須面對的一個重要課題。最近報道，國內(nèi)有人開發(fā)出“零功耗光伏并網(wǎng)逆變器”。在這里對此發(fā)表一點不同的意見，供研究開發(fā)者參考。“零功耗”，或者“無功耗”，雖然據(jù)研究開發(fā)者說，實際上有功耗只不過功耗小到接近于零，是略有夸張之意的一種說法。但是，有與無，大與小，零與微小是兩種不同概念。絕不能把“小”說成“無”，把“微小”說成“零”。這樣，“零功耗”，效率將達(dá)到100%，是不是開發(fā)出一種新的“永動機”了嗎？有時，真理和謬誤只相差一步，邁過這一步，就會鬧出大笑話！作為科技工作者，要使用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)用詞，不能使用廣告式的語言，希望與有關(guān)的朋友共勉吧。
2 材料是決定技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大問題
和研究開發(fā)階段不同，在規(guī)模生產(chǎn)階段，開發(fā)出來的產(chǎn)品，需要有足夠的原材料才能批量生產(chǎn)。如果沒有可靠穩(wěn)定的材料來源，技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展很可能停滯，甚至夭折，這方面的經(jīng)驗教訓(xùn)相當(dāng)不少，值得注意。
我國現(xiàn)在生產(chǎn)的太陽電池所用的，90%以上采用提煉的純凈硅（包括單晶硅和多晶硅）。據(jù)資料報導(dǎo)，2005 年我國太陽電池需用多晶硅2 691 噸，其中無錫尚德太陽能電力有限公司和保定英利新能源有限公司兩家生產(chǎn)太陽電池的大企業(yè)就需用多晶硅1000噸左右。國內(nèi)目前只有峨嵋半導(dǎo)體材料廠和洛陽單晶硅有限公司生產(chǎn)多晶硅，2004年產(chǎn)量為60 噸。90%以上的多晶硅只能從國外進(jìn)口。但是，在我國多晶硅供需嚴(yán)重失衡的情況下，國外多晶硅主要生產(chǎn)企業(yè)結(jié)成企業(yè)聯(lián)盟，嚴(yán)格控制技術(shù)轉(zhuǎn)讓并壟斷全球多晶硅材料，抬高多晶硅價格，從13 美元/kg上漲到2005 年的80 美元/kg。更有，由于我國出口的太陽電池組件價格低于某些多晶硅供應(yīng)國生產(chǎn)出口的太陽電池組件價格，他們對我國采取限購甚至禁購多晶硅材料的辦法，以維護(hù)自身的市場。使我國某些太陽電池生產(chǎn)企業(yè)，即使出高價也購買不到足夠的多晶硅材料，形成非常尷尬的局面。太陽電池90%以上的多晶硅材料依賴進(jìn)口，已經(jīng)成為制約我國產(chǎn)業(yè)的瓶頸。
為了改變這一尷尬局面，必須集中力量突破原材料這一難關(guān)。雖然以前我國從“七·五”計劃立項到“十·五”期末都未能突破多晶硅材料的關(guān)鍵技術(shù)，但是現(xiàn)在情況不一樣了。在如此巨大的市場需求和經(jīng)濟效益推動下，投資者和科技工作者都會集中力量攻關(guān)，使多晶硅材料從60 噸迅速擴產(chǎn)到3000 噸是完全可能的。因為國內(nèi)已有生產(chǎn)單位可以作為依托，并不是從零開始。據(jù)報道，洛陽中硅高科技有限公司2005 年9 月投產(chǎn)300 噸多晶硅生產(chǎn)線，就是一例。與此同時，還正在研究開發(fā)用其他材料的太陽電池項目，例如銅銦硒太陽電池，有機納米晶太陽電池和非純凈硅材料太陽電池生產(chǎn)技術(shù)。現(xiàn)在，我國太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的最佳切入點，不再是擴大多晶硅太陽電池生產(chǎn)，而是開發(fā)其他材料的太陽電池，尤其是如何解決太陽電池的多晶硅材料供應(yīng)問題。
3 市場
現(xiàn)在，我國90%以上的太陽電池出口，也會成為限制我國太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的另一個大問題。
我國太陽能源豐富。按各地區(qū)接受年太陽輻射總量的多少，可以把全國劃分為五類地區(qū)。一類地區(qū)為太陽能資源最豐富的地區(qū)，年太陽輻射總量6 680~8 400MJ/m2 ，包括寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海本部和西藏西部。二類地區(qū)為太陽能資源較豐富地區(qū)，年太陽輻射總量5 850~6 680 MJ/m2，包括北京、天津、河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古中部和南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、新疆南部和西藏東南部。三類地區(qū)為太陽能資源中等類型地區(qū)，年太陽輻射總量為5 000~5 850 MJ/m2，包括河北東南部、山西南部、吉林、遼寧、陜西北部、甘肅東南部、新疆北部、云南、河南、廣東南部、香港、澳門、山東、江蘇北部、安徽北部、福建南部和臺灣西南部。四類地區(qū)為太陽能資源較差地區(qū)，年太陽輻射總量4200~5 000 MJ/m2，包括內(nèi)蒙古北部、黑龍江、陜西南部、湖北、湖南、廣西、廣東北部、上海、江蘇南部、安徽南部、江西、浙江、福建北部和臺灣東北部。五類地區(qū)為太陽能資源最差地區(qū)，年太陽輻射總量3 350~4 200MJ/m2，包括四川、重慶和貴州。我國總面積2/3以上屬于一、二、三類地區(qū)，年平均日輻射量在4 000MJ/m2以上，年日照時數(shù)超過2 000 小時。同世界上同緯度的其他國家相比較，與美國相接近，比日本和歐洲國家都好。我國這樣豐富的太陽能資源，為發(fā)展太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)，提供了良好的市場。例如日本大部份地區(qū)相當(dāng)于我國的四類地區(qū)，建造同樣的3 kW并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，按綜合效率75%，太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率10%計算，日本需用28m2太陽電池，我國三類地區(qū)需用20m2太陽電池，可節(jié)約28.5%太陽電池費用，有利于并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備的推廣使用。
要把良好的市場條件變成現(xiàn)實的市場，關(guān)鍵取決于成本，也就是太陽能發(fā)電設(shè)備的發(fā)電成本。太陽能發(fā)電設(shè)備的發(fā)電成本，由設(shè)備初投資和利息加運行維修費再按運行壽命20 年，每年日照時數(shù)所發(fā)出的電量分?jǐn)偅涂捎嬎愠雒慷入姡╧W·h）的發(fā)電成本。太陽能發(fā)電設(shè)備運行中不消耗燃料，在運行壽命20 年期間，除蓄電池外，基本上不需要維修，因此發(fā)電成本主要決定于設(shè)備初投資和利息。太陽能發(fā)電設(shè)備的投資大致分為太陽電池矩陣占60%，逆變器占15%，蓄電池占15%，其他為10%，其中太陽電池價格是主要因素。所以，一般文獻(xiàn)資料在列出太陽能發(fā)電設(shè)備的發(fā)電成本時，都要同時列出太陽電池價格和太陽能發(fā)電設(shè)備價格?，F(xiàn)在看到的文獻(xiàn)資料說法不一致。作者比較相信的是2006年的太陽電池價格為3.15美元/W，發(fā)電設(shè)備價格6美元/W，發(fā)電成本0.25美元/kW·h。2010 年的太陽電池價格1.8 美元/W，發(fā)電設(shè)備價格3 美元/W，發(fā)電成本0.1 美元/kW·h。遺憾的是，沒有明確是指國外還是國內(nèi)的平均價格，也沒有說明發(fā)電成本和上網(wǎng)電價之間的關(guān)系，所以才出現(xiàn)上網(wǎng)電價3.4 元或4.5 元/kW·h 與發(fā)電成本0.25 美元/kW·h 之間有比較大的差距，讓讀者無法弄清楚到底是怎么一回事？根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]中提供的風(fēng)力發(fā)電成本與售價關(guān)系，可以推算出：上網(wǎng)電價等于發(fā)電成本乘120%（考慮20%利潤）再乘117%（再考慮17%增值稅），也就是上網(wǎng)電價等于1.404倍發(fā)電成本。接照這個算法，2006 年的太陽能發(fā)電設(shè)備的上網(wǎng)電價為（人民幣）2.8 元/kW·h 左右，2010年的上網(wǎng)電價應(yīng)為1.12 元/kW·h 左右（接1 美元等8 元人民幣計算）。
根據(jù)“可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃”，2010 年，我國太陽能發(fā)電設(shè)備累計裝機容量達(dá)到500MW，其中300~350 MW 用于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)無電區(qū)的供電。2020 年達(dá)到2 000MW，為我國太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了巨大的機遇，除了通訊、交通和照明，我國的太陽能發(fā)電設(shè)備的市場主要有兩個：獨立型發(fā)電設(shè)備和并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備。下面分別討論其中的一些問題。
我國從上世紀(jì)80 年代起就開始推廣100~500W的農(nóng)牧民戶用太陽能發(fā)電設(shè)備。后來實施光明工程，解決邊遠(yuǎn)地區(qū)無電的2 300 萬人民的生活用電問題。從2001 年起，實施“全球環(huán)境基金/ 世界銀行可再生能源發(fā)展項目”和聯(lián)合國開發(fā)計劃署支持的可再生能源村落發(fā)電項目計劃，到現(xiàn)在為止，已安裝50 萬套以上100~500W的用戶太陽能發(fā)電設(shè)備，在邊遠(yuǎn)地區(qū)和海島上建立了縣級、鄉(xiāng)級、村級、學(xué)校用1 kW、10 kW 至100 kW大大小小的太陽能發(fā)電站將近1000 座，累計總?cè)萘恳堰_(dá)50MW，今后還會以超過30%的速度逐年迅速增加。從1985 年在甘肅省榆中縣園子鄉(xiāng)建成10 kW 太陽能發(fā)電站起，經(jīng)過20 多年，我國獨立型戶用和100 kW 以下太陽能發(fā)電設(shè)備技術(shù)已基本成熟。今后，除了繼續(xù)推廣戶用和中小型太陽能發(fā)電設(shè)備外，還要向大型1MW以上的太陽能發(fā)電站發(fā)展。2004 年9 月在廣東深圳建成1MW太陽能發(fā)電站。2007 年以前上海準(zhǔn)備建設(shè)總?cè)萘?MW的示范太陽能發(fā)電站，其中首先在崇明島建設(shè)1MW太陽 能發(fā)電站。四川攀西地區(qū)準(zhǔn)備建設(shè)2MW太陽能發(fā)電站。2005 年甘肅《敦煌8MW并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)預(yù)可行性報告》，已通過專家評審，列入國家“十一·五”規(guī)劃，如果建成容量將超過現(xiàn)在世界上最大的6.45MW太陽能發(fā)電站。
我國發(fā)展獨立型太陽能發(fā)電設(shè)備具有獨特的優(yōu)勢?，F(xiàn)在的無電區(qū)都處于太陽能資源豐富的一、二、三類的西部地區(qū)和東南部海島，太陽能輻射總量大，年平均日照時間長，建設(shè)太陽能發(fā)電站可以少用太陽電池和蓄電池，年發(fā)電量高，從而使太陽能發(fā)電成本顯著下降。如果用柴油發(fā)電來解決這些無電地區(qū)的供電問題，其發(fā)電成本考慮運輸費用在內(nèi)，超過太陽能發(fā)電成本。如果從現(xiàn)有輸電網(wǎng)架設(shè)線路來解決這些無電地區(qū)的供電問題，投資費用大。據(jù)資料介紹，建設(shè)1km的輸電線路，相當(dāng)于5~6 kW 太陽能電設(shè)備的投資費用。無電地區(qū)絕大部分都離輸電網(wǎng)幾十km，即使建設(shè)100 kW以上的太陽能發(fā)電站的投資費用也低于建設(shè)輸電線路的費用。
獨立型太陽能發(fā)電設(shè)備中的逆變器，要根據(jù)容量大小來選用不同的類型。100~500W戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，現(xiàn)在主要采用工頻變壓器絕緣方式。10 kW以下的太陽能發(fā)電站也可以采有工頻變壓器絕緣方式。因為既可靠，又穩(wěn)定，維修量少，比較適合在邊遠(yuǎn)地區(qū)工作。但是，現(xiàn)在的工頻變壓器絕緣方式逆變器，主變壓器鐵心采用取向冷軋硅鋼，為了減少鐵心損耗，工作磁密低，體積和重量大。為改變這種主變壓器，美國在上世紀(jì)80 年代，就已經(jīng)采用鐵基非晶合金鐵心，在同樣的逆變器效率下，鐵心重量減少三分之一，主變壓器重量減少五分之二?，F(xiàn)在，我國鐵基非晶合金鐵心和變壓器生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟，同時取向冷軋鋼的價格上漲，已超過鐵基非晶合金價格，完全有條件采用鐵基非晶合金鐵心制造太陽能發(fā)電設(shè)備中的逆變變壓器。100kW以上的太陽能發(fā)電站可以采用高頻變壓器絕緣方式或者正激變壓器絕緣方式，高頻變壓器和正激變壓器都可以采用非晶和納米晶合金鐵心，工作頻率20kHz，可以完全保證90%以上的逆變效率。現(xiàn)在50kW以上的太陽能發(fā)電站中的逆變器，國外已有企業(yè)采用模塊結(jié)構(gòu)，每個模塊10 kW 或20 kW，既便于生產(chǎn)，又可以靈活組成各種容量的逆變器，還可以提高運行的可靠性。10 kW 以上的太陽能發(fā)電站，如果供一個地區(qū)使用，還需要小型的輸配電網(wǎng)，供電距離小于500m，可采用380/220V電壓等級。供電距離3km以上，可采用1kV或6kV電壓等級。逆變器輸出從220 V升至1 kV 或6 kV，線路結(jié)構(gòu)不變，只需要改變主變壓器的參數(shù)和絕緣結(jié)構(gòu)，這時逆變器采用工頻變壓器絕緣方式比較好，便于實現(xiàn)高壓絕緣隔離。
并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備將成為我國太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的另一個主要市場。根據(jù)2006年1 月1 日實施的《可再生能源法》，并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備可以合法地與電網(wǎng)相聯(lián)，在白天可以把太陽發(fā)電設(shè)備發(fā)出的多余的電供給電網(wǎng)，在晚上可以由電網(wǎng)供電。標(biāo)志著太陽能發(fā)電由邊遠(yuǎn)和海島地區(qū)的特殊供電電源向一般電網(wǎng)電源發(fā)展，由補充能源向替代能源發(fā)展。并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備有以下優(yōu)點：
?。?）安裝在屋頂上，節(jié)省太陽電池矩陣結(jié)構(gòu)；
?。?）直接與電網(wǎng)相連，不需要蓄電池和充電器；
（3）直接供給用戶，不需要輸配電設(shè)備。
因此，發(fā)電成本比同地區(qū)的獨立型太陽能發(fā)電設(shè)備低。
不過，目前并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備的上網(wǎng)電價超過3 元/kW·h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電網(wǎng)城鄉(xiāng)電價0.5 元/kW·h，電網(wǎng)公司不可能用這樣高的價格購買并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備多余的電力。如果并入電網(wǎng)讓所有的用戶分?jǐn)偅瑢p害收入較低人群的利益，不利于建設(shè)和諧社會。在這種高發(fā)電成本條件下，在我國推廣并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，即使采用政府補貼，仍然相當(dāng)困難?，F(xiàn)階段應(yīng)當(dāng)通過試驗性并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，使發(fā)電成本降到接近火力發(fā)電成本，并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備才能在真正意義上大規(guī)模推廣。
4 國外現(xiàn)狀
目前全世界有136 個國家正在普及推廣應(yīng)用，其中95 個國家正在大規(guī)模研究開發(fā)和生產(chǎn)各種太陽能發(fā)電設(shè)備和太陽電池應(yīng)用產(chǎn)品。2005 年全世界太陽電池總產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到2 000MW。其中日本發(fā)展較快，太陽電池產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的50%，10 年內(nèi)太陽電池的每W成本下降90%。2001 年時日本太陽能發(fā)電設(shè)備累計總裝機容量為450 MW，2003 年為887 MW，2004 年達(dá)到1 900 MW，估計到2008 年達(dá)到2 350 MW，2010 年達(dá)到5 000MW。2010 年全世界太陽能發(fā)電設(shè)備累計總裝機容量達(dá)到18000MW。
世界各主要國家都在努力提高太陽能發(fā)電設(shè)備的生產(chǎn)規(guī)模和應(yīng)用規(guī)模，因為太陽電池從生產(chǎn)量10MW 開始，每增加一倍，成本將降低20%。應(yīng)用上建立MW級的大型太陽能發(fā)電站，不但可以降 低成本，還可以緩解荒漠和海島地區(qū)的供電和環(huán)境問題，為荒漠地區(qū)打井抽水和海島淡化海水提供動力，改善生態(tài)環(huán)境。現(xiàn)在世界上MW級太陽能發(fā)電站已超過10 座，其中最大的一個容量達(dá)到6.45MW。
并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，從1994 年后迅速發(fā)展，到2003 年已占當(dāng)年太陽能發(fā)電設(shè)備的55%。其中比較突出的是美國，1997 年提出的“百萬太陽能屋頂計劃”，按每戶3 kW 計算，計劃到2010 年將在100 萬個用戶屋頂上安裝共計3 000MW 的太陽能發(fā)電設(shè)備。德國1999 年開始實施的10 萬太陽能屋頂計劃，在2005 年安裝共計300~500MW的太陽能發(fā)電設(shè)備。日本從1994年開始發(fā)展并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，到2004年已安裝58000套，到2008年要達(dá)到147600套。
日本為了發(fā)展并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備（3~5kW），把它作為一種新的家用電器來對待，突破關(guān)鍵技術(shù)，降低成本。這其中包括把太陽電池的轉(zhuǎn)換效率提高到15%以上，發(fā)展新型的高頻變壓器絕緣方式或正激變壓器絕緣方式逆變器。據(jù)資料介紹，2005 年日本太陽電池價格為140 日元/W，并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備價格為370 日元/W，發(fā)電成本為30 日元/kW·h。2010 年將分別下降為120 日元/W，300 日元/W和25 日元/kW·h。2020年將分別下降為60日元/W，200 日元/W和15 日元/kW·h。到那時完全可以和火力發(fā)電價格相競爭。
5 相關(guān)技術(shù)
我國發(fā)展的可再生能源技術(shù)比較多，與太陽能發(fā)電技術(shù)可以相比的首推風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。據(jù)估計，中國10 m 高度層實際可開發(fā)的風(fēng)能儲量為2.53×108kW，如果年滿發(fā)電按2 000 小時到2500小時計，風(fēng)力發(fā)電年發(fā)電量可達(dá)5.06×1011 kW·h到6.325×1011 kW·h。
現(xiàn)在已開發(fā)出100W到10 kW的獨立型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，10 kW到200 kW的風(fēng)力發(fā)電與柴油發(fā)電機或太陽能發(fā)電混合供電設(shè)備。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，由單機容量150 kW 到2 500 kW風(fēng)力發(fā)電機組成。規(guī)模在10MW以上的并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電場已超過10 座。
到2005 年，我國風(fēng)力發(fā)電設(shè)計總裝機容量為1 000~1 500 MW，為太陽能發(fā)電設(shè)備的20 倍以上。到2020 年規(guī)劃風(fēng)力發(fā)電累計總裝機容量可達(dá)30 000MW，為太陽能發(fā)電設(shè)備的15 倍。據(jù)計算，2001 年風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)電價不含增值稅為0.55 元/kW·h，含增值稅為0.64 元/kW·h。2005年6 月上海12家企業(yè)以1 元/kW·h 的價格購買了上海的風(fēng)力發(fā)電的電力，成本和價格也比太陽能發(fā)電低。因此，即使到2020年，太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)也趕不上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模。
6 結(jié)語
本文從國外情況、相關(guān)技術(shù)等5個方面討論了我國發(fā)展太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的問題和趨勢。太陽電池生產(chǎn)能力雖然進(jìn)入國際先進(jìn)行列，但光電轉(zhuǎn)換效率還有較大差距。逆變器技術(shù)發(fā)展并不成熟，面臨著選型的重要問題。多晶硅材料依賴進(jìn)口，制約著我國太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必須集中力量打破這一難關(guān)。獨立型太陽能發(fā)電設(shè)備技術(shù)基本成熟，有比較可靠的市場前景。并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備發(fā)電成本較高，現(xiàn)在要通過建立試驗性并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，解決關(guān)鍵性技術(shù)問題，使發(fā)電成本接近火力發(fā)電成本，才能大規(guī)模推廣使用。世界上太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)在2010 年前都會快速發(fā)展。應(yīng)當(dāng)大力吸取國外（例如日本）的經(jīng)驗，提高光電轉(zhuǎn)換效率，降低發(fā)電成本，才能擴大太陽能發(fā)電在我國能源結(jié)構(gòu)中所占的比例。與相關(guān)技術(shù)風(fēng)力發(fā)電相比，在現(xiàn)在的技術(shù)條件下，到2020 年，太陽能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)也趕不上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模，必須在太陽電池等關(guān)鍵技術(shù)上有重大實破，才能改變這種局面。
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