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太陽能,照進現實的能源神話
發布者:admin | 來源: 老汪聊碳中和 | 0評論 | 3748查看 | 2021-09-06 10:09:14    

著名的環境學教授瓦茨拉夫·斯米爾(Vaclav Smil)在其著作《能源神話與現實》中,認為太陽能和風力發電能夠成為主力電力設施是那些狂熱分子鼓吹出來的、永遠不可能實現的神話故事。他這樣說的主要依據是2000年到2009年光伏系統的成本價僅僅下降了不到10%,離實現平價上網遙遙無期。


然而(er),他沒有料(liao)到(dao)的(de)是(shi),光伏(fu)行業的(de)技術發(fa)展從(cong)2010年開始(shi)就一路狂奔,成(cheng)本(ben)(ben)(ben)以肉眼可見的(de)速度迅速下降,通威股份集團董事局(ju)主席劉漢元(yuan)在其(qi)著作《重構大格局(ju)》中提到(dao),過去十年,光伏(fu)發(fa)電系統的(de)成(cheng)本(ben)(ben)(ben)下降了90%以上,2020年平(ping)均上網電價已(yi)降至(zhi)0.35元(yuan)/千瓦時(shi)(shi),預計“十四五”期間還將降低到(dao)0.25元(yuan)/千瓦時(shi)(shi)以下,屆(jie)時(shi)(shi)光伏(fu)發(fa)電成(cheng)本(ben)(ben)(ben)將低于絕(jue)大部分煤電。


而現(xian)實(shi)比劉漢(han)元的(de)(de)預(yu)測還要激進,在(zai)2021年6月國家電(dian)投集團在(zai)四川甘孜州(zhou)中標項的(de)(de)的(de)(de)一(yi)個(ge)光伏項目的(de)(de)上網(wang)電(dian)價已經低至0.1476元/千瓦時(shi),不(bu)到當地脫硫電(dian)價的(de)(de)一(yi)半(ban)。同年4月,位于(yu)沙特的(de)(de)某項目最終上網(wang)電(dian)價更是低到難以置信的(de)(de)0.068元/千瓦時(shi),幾乎等于(yu)白給。這是連科幻小說都不(bu)敢寫的(de)(de)逆轉劇情,但卻真(zhen)真(zhen)真(zhen)切(qie)切(qie)地實(shi)現(xian)了(le),光伏的(de)(de)能(neng)源神話(hua)已然變成了(le)現(xian)實(shi)。


為什么光伏發電(dian)的(de)(de)(de)成本(ben)(ben)能(neng)(neng)(neng)夠夠以(yi)難以(yi)置信的(de)(de)(de)速度下降,這與光伏發電(dian)自身的(de)(de)(de)特點(dian)有(you)關。通威集團主席(xi)劉漢元曾在某次采訪中提到:“太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)是(shi)我們目前可(ke)使用(yong)的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)源中一次性轉(zhuan)化效率(lv)最高,并且使用(yong)最簡單、最可(ke)靠(kao)、最經濟的(de)(de)(de)新(xin)興能(neng)(neng)(neng)源,具(ju)備(bei)十分獨特的(de)(de)(de)優勢,是(shi)未來新(xin)能(neng)(neng)(neng)源發展(zhan)的(de)(de)(de)必然選擇。”光伏發電(dian)是(shi)所有(you)發電(dian)技(ji)術中唯一不需要通過機械(xie)能(neng)(neng)(neng)轉(zhuan)化就可(ke)以(yi)發電(dian)的(de)(de)(de)技(ji)術,這就代(dai)表了它的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)源轉(zhuan)化效率(lv)更高,成本(ben)(ben)下降空間更大。


太陽(yang)能(neng)發(fa)(fa)電的(de)(de)發(fa)(fa)展空(kong)間有多大?根(gen)據Carbon Tracker的(de)(de)報(bao)告(gao)《天(tian)空(kong)的(de)(de)極限》顯示(shi),太陽(yang)通(tong)過(guo)輻射(she)照射(she)到地球的(de)(de)總功率約為173,000TW,而人(ren)類從(cong)技術上可通(tong)過(guo)光伏發(fa)(fa)電實現每年最高5500PWh的(de)(de)發(fa)(fa)電量,超過(guo)當前(qian)全球總能(neng)源需求的(de)(de)80倍,看起來非常樂觀,即使我們(men)只開(kai)發(fa)(fa)其中的(de)(de)2%,也能(neng)完全滿足當前(qian)的(de)(de)能(neng)源需求。


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光伏(fu)發(fa)電的(de)原理是利(li)用半導體(ti)的(de)光生(sheng)伏(fu)特效應,即只(zhi)需要將(jiang)太陽光照到薄薄的(de)半導體(ti)上就(jiu)(jiu)能形成電流,我(wo)們(men)將(jiang)一(yi)張張半導體(ti)做成的(de)電池片組裝(zhuang)成電池組件,就(jiu)(jiu)能讓電流規模(mo)化持續(xu)地流動,形成光伏(fu)電站。我(wo)國內最大的(de)光伏(fu)電站規劃(hua)裝(zhuang)機容量已經超(chao)過了1GW。


光伏發電(dian)主要(yao)包括純晶硅發電(dian)和薄(bo)膜發電(dian)兩種技(ji)術(shu),純晶硅發電(dian)是由高純晶硅切成(cheng)非常薄(bo)的(de)薄(bo)片,通過(guo)(guo)刻蝕成(cheng)電(dian)路(lu)后(hou)再經過(guo)(guo)相(xiang)互(hu)連接組成(cheng)電(dian)池組件,這些組件再進一步排列形成(cheng)更大的(de)光伏陣列,以產生(sheng)較大的(de)電(dian)量。


純(chun)晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)發(fa)電(dian)又分(fen)為單(dan)晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)和多晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)兩種,單(dan)晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)發(fa)電(dian)效率高(gao),對溫(wen)度(du)的耐(nai)受高(gao),弱光性略好于多晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui),但制(zhi)造成本高(gao);多晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)發(fa)電(dian)效率低(di),對溫(wen)度(du)耐(nai)受低(di),但勝(sheng)在(zai)成本低(di)。目前規模化生(sheng)產的單(dan)晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)電(dian)池太(tai)陽能(neng)轉化率已達到23%,多晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)19.4%,隨著單(dan)晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)生(sheng)產成本的下降,多晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)正逐漸(jian)被市(shi)場淘汰。因為高(gao)純(chun)晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)非(fei)常薄(bo)而脆(cui)弱,所以必須安裝在(zai)堅硬的框(kuang)架上(shang)。


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目(mu)前(qian)為止還(huan)有很多(duo)人仍然認(ren)為光伏材料的生(sheng)產(chan)是高污(wu)染(ran)高排放(fang)行業,光伏發電是“偽新能(neng)(neng)源(yuan)”。誠然,在十多(duo)年(nian)前(qian),因為相關技術不成熟,光伏系統特別是上游多(duo)晶硅(gui)生(sheng)產(chan)過(guo)程中(zhong)消耗(hao)了大(da)量(liang)能(neng)(neng)源(yuan),能(neng)(neng)量(liang)回收期(qi)長達(da)十年(nian),還(huan)會排放(fang)四氯化硅(gui)等(deng)高污(wu)染(ran)廢水。


而如今的(de)(de)多晶(jing)硅生(sheng)產早(zao)已實現零廢棄(qi)物(wu)排放,所(suo)有資(zi)源實現循環再利(li)用;能耗也(ye)下(xia)降(jiang)到(dao)不到(dao)以(yi)前的(de)(de)十分之(zhi)一。以(yi)一個350W光伏組件為例,其全生(sheng)命(ming)周期生(sheng)產過程中大(da)約耗電(dian)150kwh,而該組件投用后不到(dao)4個月就能回收所(suo)消耗的(de)(de)電(dian)能,剩下(xia)的(de)(de)25-30年都是凈輸出的(de)(de)電(dian)能,可以(yi)說是名副(fu)其實的(de)(de)清潔能源。


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薄(bo)膜發電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)材料則屬于一種柔性(xing)材料,它不存在剛性(xing)的(de)(de)晶(jing)體結(jie)構,所以(yi)可以(yi)將(jiang)半導體材料的(de)(de)微小晶(jing)粒(li)沉積在任何基材上(shang)。薄(bo)膜光(guang)伏(fu)電(dian)(dian)(dian)池可以(yi)根據需要(yao)制(zhi)(zhi)造得有柔韌度。未來(lai),噴涂光(guang)伏(fu)薄(bo)膜甚至可以(yi)應用到(dao)布料上(shang),讓我們的(de)(de)衣(yi)服在陽光(guang)下產生電(dian)(dian)(dian)能(neng)。相對(dui)于晶(jing)硅發電(dian)(dian)(dian),薄(bo)膜發電(dian)(dian)(dian)技術(shu)的(de)(de)轉(zhuan)化率(lv)普遍較低,而且(qie)成本偏高,但優勢是可以(yi)制(zhi)(zhi)造成任何的(de)(de)形狀,未來(lai)有望(wang)在光(guang)伏(fu)建筑一體化(BIPV)上(shang)廣泛應用。


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薄膜(mo)發(fa)電技術(shu)的發(fa)電材(cai)(cai)料比較廣泛,目(mu)前(qian)主(zhu)(zhu)要的薄膜(mo)太陽能電池材(cai)(cai)料研究方向包括非晶硅、碲(di)化(hua)鎘(ge)、銅銦(yin)硒(xi),銅銦(yin)鎵(jia)硒(xi)、砷化(hua)鎵(jia)、和銅鋅錫(xi)硫和鈣鈦礦(kuang)等,其中(zhong)碲(di)化(hua)鎘(ge)和銅銦(yin)鎵(jia)硒(xi)是目(mu)前(qian)薄膜(mo)電池最為流行的材(cai)(cai)料,鈣鈦礦(kuang)仍(reng)處于實驗室階段、還有許多難題需要攻克,但因為其成(cheng)(cheng)本(ben)非常(chang)低且(qie)無毒(du)性,所(suo)以一旦實現技術(shu)突破(po),將(jiang)戰勝其它所(suo)有對(dui)手(shou),成(cheng)(cheng)為主(zhu)(zhu)流薄膜(mo)發(fa)電技術(shu)。


除了太陽(yang)能光(guang)伏(fu)發電以外,另一個以太陽(yang)能為能源的發電技術也需要介(jie)紹(shao)一下,那就是太陽(yang)能光(guang)熱發電。


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太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)光(guang)熱(re)(re)發電(dian)(dian),是將(jiang)比較集中的(de)太(tai)陽(yang)(yang)光(guang)能(neng)(neng)通(tong)過傳遞(di)介(jie)質(zhi)(zhi)轉(zhuan)化(hua)為熱(re)(re)能(neng)(neng),然(ran)后(hou)再轉(zhuan)化(hua)為電(dian)(dian)能(neng)(neng)的(de)技術。太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)光(guang)熱(re)(re)發電(dian)(dian)通(tong)過大(da)量(liang)的(de)光(guang)學發射(she)裝置將(jiang)陽(yang)(yang)光(guang)聚焦在一(yi)個接收器上,將(jiang)接收器內的(de)導熱(re)(re)介(jie)質(zhi)(zhi)溫度加熱(re)(re)到350℃—1000℃,然(ran)后(hou)這些(xie)導熱(re)(re)介(jie)質(zhi)(zhi)通(tong)過熱(re)(re)交(jiao)換產生蒸汽(qi)(qi),蒸汽(qi)(qi)再推動汽(qi)(qi)輪機實現(xian)發電(dian)(dian)。我們(men)可以(yi)看出太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)光(guang)熱(re)(re)發電(dian)(dian)的(de)原理跟傳統的(de)火力發電(dian)(dian)相同,只(zhi)是制造蒸汽(qi)(qi)的(de)熱(re)(re)量(liang)來自太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)而(er)已(yi)。


目(mu)前太陽能(neng)光熱發(fa)電(dian)整體效率(lv)在20%~34%之間,略高(gao)于光伏發(fa)電(dian),但(dan)因為要經過一(yi)系(xi)列的(de)能(neng)源轉化(hua)(hua)過程,其建(jian)造(zao)成(cheng)本和運行成(cheng)本都遠(yuan)遠(yuan)大于光伏發(fa)電(dian)。目(mu)前光熱發(fa)電(dian)的(de)成(cheng)本高(gao)于1元/kwh,隨著技(ji)術的(de)成(cheng)熟(shu)及產業的(de)規模化(hua)(hua),預計(ji)到(dao)2030年可以下降到(dao)0.4元/kwh。


因(yin)為(wei)光熱(re)發(fa)電(dian)(dian)(dian)中的導熱(re)介質自帶儲能功能,可以實現24小時不間斷發(fa)電(dian)(dian)(dian),而且啟停響(xiang)應速度遠高于傳統(tong)的火電(dian)(dian)(dian),所(suo)以是最好(hao)的調(diao)(diao)峰電(dian)(dian)(dian)源。在考(kao)慮到儲能和碳價(jia)成本的情況下(xia),太陽(yang)能光熱(re)發(fa)電(dian)(dian)(dian)或(huo)許(xu)將成為(wei)基荷和調(diao)(diao)峰電(dian)(dian)(dian)站的主力。


有(you)陽(yang)光的地方,就有(you)清潔(jie)能源(yuan)(yuan)。從(cong)某種意義上說,人類所用的所有(you)能源(yuan)(yuan)包括(kuo)化石能源(yuan)(yuan)在內,都來自太陽(yang)。地球上任何一個地方都有(you)陽(yang)光照(zhao)耀,也就等同(tong)于任何一個地方都可以獲得清潔(jie)的能源(yuan)(yuan)。


現在(zai),為(wei)了讓氣候變暖不至于(yu)對人(ren)類(lei)造成毀滅性傷害,人(ren)類(lei)已經吹(chui)響了碳中(zhong)和(he)的(de)號(hao)角,化石能源將(jiang)在(zai)未來(lai)30-40年退(tui)出歷史舞臺。在(zai)新(xin)一(yi)代的(de)太陽(yang)能技術下(xia),太陽(yang)能成為(wei)人(ren)類(lei)主(zhu)要(yao)能源已不再是神話(hua)。在(zai)碳中(zhong)和(he)目標的(de)推(tui)動下(xia),相信在(zai)不久的(de)將(jiang)來(lai),以太陽(yang)能為(wei)主(zhu)體的(de)清潔能源完全替(ti)代化石能源終(zhong)將(jiang)從(cong)神話(hua)照(zhao)進現實。

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