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太陽能光伏“曬出”綠色中華(改革開放四十周年科技系列報道之能源篇①)
張保淑
http://www.workercn.cn    2018-06-13     來源:人民日報海外版
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  近日,北京交通大學校園內的一幢樓成為很多人關注的“網紅”,該樓的一組照片出現在很多網站首頁醒目位置。在微信等社交媒體上,這組照片也廣為傳播。這幢一共10層的男生宿舍樓到底有什麼引人矚目的特別之處呢?答案就在該樓的外牆上:大樓向陽一側的外牆上“爬滿”了太陽能光伏面板,其數量之多、安裝之密集讓人驚歎。這就是該校推出的太陽能光伏示範項目,通過外牆分布式光伏和相關儲能設備,既可以讓該樓舊貌換新顏,又使宿舍樓這樣傳統上的能源消費中心變身為電能生產中心,靜悄悄地完成了能源“身份”和“角色”的轉換。

  這場由太陽能光伏技術引發的能源革命不僅發生在大學校園等大型公共機構,而且已經滲透到中國的一些家庭。一批太陽能光伏的擁躉,特別是相關科研人員更是身體力行,率先在自己的家裡實踐清潔能源生產理想,上海電力研究所原所長趙春江就是其中的一位先行者。早在2006年,他就在自家屋頂建造了光伏電站,實際上這也是中國第一個“家庭光伏電站”。特別值得一提的是,趙春江的光伏電站不僅能完全滿足全家使用,而且還實現了與國家電網併網,把餘電輸送出去。

  今天,當我們行進在中華大地上,不經意間會發現,太陽能光伏早已經成為我們生產和生活中常見的一部分,無論是荒漠戈壁還是江河湖灘,無論是高樓鱗次櫛比的城市還是遼闊空曠的鄉野,那一片片深藍色的太陽能光伏面板都隨處可見,它們是碧藍的天宇下一道道亮麗的科技風景。

  將光能直接轉化為電能

  傳統化石能源消耗對環境造成的危害日益突出,世界各國都紛紛把目光投向了可再生能源,希望可再生能源能夠改變人類的能源結構,實現可持續發展。而太陽能以其獨有的優勢而成為人們重視的焦點。豐富的太陽輻射能是重要的能源,是取之不盡、用之不竭的、無汙染、廉價、人類能夠自由利用的能源。據測算,太陽能每秒鐘到達地面的能量高達80萬千瓦,假如把地球表面0.1%的太陽能轉為電能,轉變率5%,年發電量將是世界上能耗的40倍。

  光伏就是對太陽能利用的直接方式之一。由於光照能使半導體材料的不同部位之間產生電位差,這就是光生伏特效應。太陽光伏發電就是依據此原理,把將太陽光中的光子直接轉化為光電流的一種能量轉換技術。發電原理也決定了其不涉及機械部件,大部分是電子元件,主要構成器件是太陽能電池板、控制器和逆變器,具有低噪音、耐磨耐用等優點。

  目前廣泛應用的太陽能電池板主要採用單晶矽、多晶矽等半導體材料,利用半導體界面的光生伏特效應,將一個個小的太陽能電池進行串聯,封裝後組成大範圍電池組合件,一塊塊的太陽能電池板可以構成光伏發電陣列,通過功率控制器就可以將太陽能轉化成電能直接供家庭使用或者通過逆變器將產生的電能供給輸電網。

  對太陽能光伏發電的優勢,已故中國光伏行業泰鬥、上海交通大學教授崔容強教授曾將其總結提煉為4個方面:一是光伏發電是將光能直接轉換成電能的能量轉換技術,是一種直接的能量轉化,不像水力發電、火力發電和風力發電等需要渦輪轉動,光伏發電在發電過程中沒有機械做工,故而損耗小;二是太陽能作為一種可再生能源,無枯竭危險,分布區域廣、光照時間長且可再生,不需運輸燃料,就地生產、就地消耗,是一種理想的能源;三是光伏發電在整個發電過程中,綠色安全,不會產生汙染氣體,也幾乎沒有噪音,是一種理想的發電技術;四是光伏發電設備相對簡單,其安裝和拆卸都很方便,運行中不需值守,很少需要維護,維護成本非常低。這些優勢使得太陽能光伏技術成為各國競相投入研發和取得突破的重點領域。

  光伏發電跨越式增長

  1978年3月,在盛況空前的全國科學大會上,有一項科研成果獲得重大科技成果獎,成為走進“科學春天”最先綻放的“迎春花”,這就是“NP結矽太陽電池”。彼時,這項科研成果還鮮為人知,而其應用對象則是運行在九天之上的中國實踐一號衛星,這是中國自主研製的科學試驗衛星系列首顆星,於1971年3月發射升空。為了克服性能衰減,給實踐一號裝配性能更優越的太陽能電池,中國科研人員進行了夙興夜寐的苦戰攻關,終於研發成功,使其在8年的壽命期內,功率衰降控制在設定範圍。曾參與該項攻關的中國科學院院士、中國科學院半導體所研究員王占國不僅留下永恒的記憶,而且手上也留下攻關時被灼傷的疤痕。

  “美國1957年左右拉出了首塊矽單晶,中國1958年也研製出了首塊矽單晶,隨後,中科院物理所新成立的半導體研究室正式開始研發太陽能電池。”王占國對中國太陽能光伏技術在起跑階段取得的成就充滿自豪之情。在上世紀60年代中期,中國太陽能光伏電池研製水平與國際上相差不大,並且在相當長時間主要應用於空間領域。王占國介紹說,進入改革開放初期,中國與國際同期開展了砷化鎵太陽能電池研究,這類新型太陽能電池具有很高的光發射和光吸收係數,經過約20年潛心攻關,到1999年,使這類電池的轉換效率大幅提升。從整體上而言,上世紀八九十年代,由於需求端牽引力不強等因素制約,中國太陽能光伏電池的研發工作進展並不快。就研發項目而言,比較大的是1986年國家計委在農村能源“1986—1990年第七個五年計劃”中列出的太陽能電池專題,當時全國有6所大學和6個研究所進行晶體矽電池等的研究。

  在科研攻關的同時,中國太陽能光伏應用也逐步從空間領域拓展開來,隨著在浙江寧波和河南開封等地成立太陽能電池廠,太陽能電池開始進入批量生產階段。20世紀80年代末期,中國引進了多條太陽能電池生產線,使中國太陽能電池的生產能力由原來的幾百KW(千瓦)一下子提升到4.5MW(兆瓦)。

  隨著國家於2000年之後啟動“送電到鄉”“光明工程”等一系列項目的實施,隨著光伏發電技術成熟、成本逐步降低、上網電價初步明確以及國家改善能源結構的需要日益增加,集中式光伏發電得到迅猛的發展。從2009 年開始,我國啟動了旨在促進光伏發電產業技術進步和規模化發展、培育戰略性新興產業的“金太陽示範工程”,帶動了大型光伏電站和分布式光伏快速增長。之後,《關於促進光伏產業健康發展的若干意見》《關於發揮價格槓桿作用促進光伏產業健康發展的通知》等接連出台,光伏產業迎來跨越式增長時期。2016年11月出台的《太陽能發電發展“十三五”規劃》提出,到2020年底,中國太陽能發電裝機達到1.1億千瓦以上。

  發力薄膜太陽能電池

  經過多年的發展,中國在太陽能電池矽材料生產、電池和組件生產、專用設備等方面取得很大進步。在王占國看來,這些突破和進步還是不夠的,與國外最先進水平相比,仍然存在一些差距,主要表現在技術水平、產業和市場發展等方面。比如,無論是單晶矽還是多晶矽,其實驗室效率都要比國外的來得要低一些。在太陽能電池製造設備方面,王占國認為要加強自主研發力度,實現進口設備的國產替代,一方面可以節省資金,進一步降低終端成本;另一方面,可以避免受制於人,實現技術自立。

  在科研方面,中國太陽能光伏領域在目前階段具備更雄厚的基礎條件,應該瞄準最前沿領域。薄膜太陽能電池是太陽能光伏發電領域研究的重要方向,該類電池放棄或大幅減少對晶矽體材料的使用,直接採用薄膜,具有安全、可摺疊、方便連接、輕巧、抗熱性能好、不易破損等特點和優點,適應了太陽能電池高效率、低成本、大規模生產發展的需要。中國科學界和產業界要攜手合作,爭取儘快把薄膜非晶矽太陽能電池的轉換效率提高到新水平,率先真正實現薄膜太陽能電池的低成本、大面積、高效率使用。

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