這場(chǎng)由太陽(yáng)能光伏技術(shù)引發(fā)的能源革命不僅發(fā)生在大學(xué)校園等大型公共機(jī)構(gòu),而且已經(jīng)滲透到中國(guó)的一些家庭。一批太陽(yáng)能光伏的擁躉,特別是相關(guān)科研人員更是身體力行,率先在自己的家里實(shí)踐清潔能源生產(chǎn)理想,上海電力研究所原所長(zhǎng)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(shí)際上這也是中國(guó)第一個(gè)“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(shí)現(xiàn)了與國(guó)家電網(wǎng)并網(wǎng),把余電輸送出去。

今天,當(dāng)我們行進(jìn)在中華大地上,不經(jīng)意間會(huì)發(fā)現(xiàn),太陽(yáng)能光伏早已經(jīng)成為我們生產(chǎn)和生活中常見的一部分,無(wú)論是荒漠戈壁還是江河湖灘,無(wú)論是高樓鱗次櫛比的城市還是遼闊空曠的鄉(xiāng)野,那一片片深藍(lán)色的太陽(yáng)能光伏面板都隨處可見,它們是碧藍(lán)的天宇下一道道亮麗的科技風(fēng)景。

將光能直接轉(zhuǎn)化為電能

傳統(tǒng)化石能源消耗對(duì)環(huán)境造成的危害日益突出,世界各國(guó)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?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。而太陽(yáng)能以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)而成為人們重視的焦點(diǎn)。豐富的太陽(yáng)輻射能是重要的能源,是取之不盡、用之不竭的、無(wú)污染、廉價(jià)、人類能夠自由利用的能源。據(jù)測(cè)算,太陽(yáng)能每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá)80萬(wàn)千瓦,假如把地球表面0.1%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為電能,轉(zhuǎn)變率5%,年發(fā)電量將是世界上能耗的40倍。

光伏就是對(duì)太陽(yáng)能利用的直接方式之一。由于光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差,這就是光生伏特效應(yīng)。太陽(yáng)光伏發(fā)電就是依據(jù)此原理,把將太陽(yáng)光中的光子直接轉(zhuǎn)化為光電流的一種能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。發(fā)電原理也決定了其不涉及機(jī)械部件,大部分是電子元件,主要構(gòu)成器件是太陽(yáng)能電池板、控制器和逆變器,具有低噪音、耐磨耐用等優(yōu)點(diǎn)。

目前廣泛應(yīng)用的太陽(yáng)能電池板主要采用單晶硅、多晶硅等半導(dǎo)體材料,利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng),將一個(gè)個(gè)小的太陽(yáng)能電池進(jìn)行串聯(lián),封裝后組成大范圍電池組合件,一塊塊的太陽(yáng)能電池板可以構(gòu)成光伏發(fā)電陣列,通過(guò)功率控制器就可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能直接供家庭使用或者通過(guò)逆變器將產(chǎn)生的電能供給輸電網(wǎng)。

對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電的優(yōu)勢(shì),已故中國(guó)光伏行業(yè)泰斗、上海交通大學(xué)教授崔容強(qiáng)教授曾將其總結(jié)提煉為4個(gè)方面:一是光伏發(fā)電是將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換技術(shù),是一種直接的能量轉(zhuǎn)化,不像水力發(fā)電、火力發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等需要渦輪轉(zhuǎn)動(dòng),光伏發(fā)電在發(fā)電過(guò)程中沒(méi)有機(jī)械做工,故而損耗??；二是太陽(yáng)能作為一種可再生能源,無(wú)枯竭危險(xiǎn),分布區(qū)域廣、光照時(shí)間長(zhǎng)且可再生,不需運(yùn)輸燃料,就地生產(chǎn)、就地消耗,是一種理想的能源；三是光伏發(fā)電在整個(gè)發(fā)電過(guò)程中,綠色安全,不會(huì)產(chǎn)生污染氣體,也幾乎沒(méi)有噪音,是一種理想的發(fā)電技術(shù)；四是光伏發(fā)電設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單,其安裝和拆卸都很方便,運(yùn)行中不需值守,很少需要維護(hù),維護(hù)成本非常低。這些優(yōu)勢(shì)使得太陽(yáng)能光伏技術(shù)成為各國(guó)競(jìng)相投入研發(fā)和取得突破的重點(diǎn)領(lǐng)域。

光伏發(fā)電跨越式增長(zhǎng)

1978年3月,在盛況空前的全國(guó)科學(xué)大會(huì)上,有一項(xiàng)科研成果獲得重大科技成果獎(jiǎng),成為走進(jìn)“科學(xué)春天”最先綻放的“迎春花”,這就是“NP結(jié)硅太陽(yáng)電池”。彼時(shí),這項(xiàng)科研成果還鮮為人知,而其應(yīng)用對(duì)象則是運(yùn)行在九天之上的中國(guó)實(shí)踐一號(hào)衛(wèi)星,這是中國(guó)自主研制的科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星系列首顆星,于1971年3月發(fā)射升空。為了克服性能衰減,給實(shí)踐一號(hào)裝配性能更優(yōu)越的太陽(yáng)能電池,中國(guó)科研人員進(jìn)行了夙興夜寐的苦戰(zhàn)攻關(guān),終于研發(fā)成功,使其在8年的壽命期內(nèi),功率衰降控制在設(shè)定范圍。曾參與該項(xiàng)攻關(guān)的中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所研究員王占國(guó)不僅留下永恒的記憶,而且手上也留下攻關(guān)時(shí)被灼傷的疤痕。

“美國(guó)1957年左右拉出了首塊硅單晶,中國(guó)1958年也研制出了首塊硅單晶,隨后,中科院物理所新成立的半導(dǎo)體研究室正式開始研發(fā)太陽(yáng)能電池。”王占國(guó)對(duì)中國(guó)太陽(yáng)能光伏技術(shù)在起跑階段取得的成就充滿自豪之情。在上世紀(jì)60年代中期,中國(guó)太陽(yáng)能光伏電池研制水平與國(guó)際上相差不大,并且在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間主要應(yīng)用于空間領(lǐng)域。王占國(guó)介紹說(shuō),進(jìn)入改革開放初期,中國(guó)與國(guó)際同期開展了砷化鎵太陽(yáng)能電池研究,這類新型太陽(yáng)能電池具有很高的光發(fā)射和光吸收系數(shù),經(jīng)過(guò)約20年潛心攻關(guān),到1999年,使這類電池的轉(zhuǎn)換效率大幅提升。從整體上而言,上世紀(jì)八九十年代,由于需求端牽引力不強(qiáng)等因素制約,中國(guó)太陽(yáng)能光伏電池的研發(fā)工作進(jìn)展并不快。就研發(fā)項(xiàng)目而言,比較大的是1986年國(guó)家計(jì)委在農(nóng)村能源“1986—1990年第七個(gè)五年計(jì)劃”中列出的太陽(yáng)能電池專題,當(dāng)時(shí)全國(guó)有6所大學(xué)和6個(gè)研究所進(jìn)行晶體硅電池等的研究。

在科研攻關(guān)的同時(shí),中國(guó)太陽(yáng)能光伏應(yīng)用也逐步從空間領(lǐng)域拓展開來(lái),隨著在浙江寧波和河南開封等地成立太陽(yáng)能電池廠,太陽(yáng)能電池開始進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。20世紀(jì)80年代末期,中國(guó)引進(jìn)了多條太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線,使中國(guó)太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)能力由原來(lái)的幾百KW(千瓦)一下子提升到4.5MW(兆瓦)。

隨著國(guó)家于2000年之后啟動(dòng)“送電到鄉(xiāng)”“光明工程”等一系列項(xiàng)目的實(shí)施,隨著光伏發(fā)電技術(shù)成熟、成本逐步降低、上網(wǎng)電價(jià)初步明確以及國(guó)家改善能源結(jié)構(gòu)的需要日益增加,集中式光伏發(fā)電得到迅猛的發(fā)展。從2009年開始,我國(guó)啟動(dòng)了旨在促進(jìn)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步和規(guī)?；l(fā)展、培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的“金太陽(yáng)示范工程”,帶動(dòng)了大型光伏電站和分布式光伏快速增長(zhǎng)。之后,《關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》《關(guān)于發(fā)揮價(jià)格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》等接連出臺(tái),光伏產(chǎn)業(yè)迎來(lái)跨越式增長(zhǎng)時(shí)期。2016年11月出臺(tái)的《太陽(yáng)能發(fā)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出,到2020年底,中國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)達(dá)到1.1億千瓦以上。

發(fā)力薄膜太陽(yáng)能電池

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,中國(guó)在太陽(yáng)能電池硅材料生產(chǎn)、電池和組件生產(chǎn)、專用設(shè)備等方面取得很大進(jìn)步。在王占國(guó)看來(lái),這些突破和進(jìn)步還是不夠的,與國(guó)外最先進(jìn)水平相比,仍然存在一些差距,主要表現(xiàn)在技術(shù)水平、產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)發(fā)展等方面。比如,無(wú)論是單晶硅還是多晶硅,其實(shí)驗(yàn)室效率都要比國(guó)外的來(lái)得要低一些。在太陽(yáng)能電池制造設(shè)備方面,王占國(guó)認(rèn)為要加強(qiáng)自主研發(fā)力度,實(shí)現(xiàn)進(jìn)口設(shè)備的國(guó)產(chǎn)替代,一方面可以節(jié)省資金,進(jìn)一步降低終端成本；另一方面,可以避免受制于人,實(shí)現(xiàn)技術(shù)自立。

在科研方面,中國(guó)太陽(yáng)能光伏領(lǐng)域在目前階段具備更雄厚的基礎(chǔ)條件,應(yīng)該瞄準(zhǔn)最前沿領(lǐng)域。薄膜太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能光伏發(fā)電領(lǐng)域研究的重要方向,該類電池放棄或大幅減少對(duì)晶硅體材料的使用,直接采用薄膜,具有安全、可折疊、方便連接、輕巧、抗熱性能好、不易破損等特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn),適應(yīng)了太陽(yáng)能電池高效率、低成本、大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)展的需要。中國(guó)科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界要攜手合作,爭(zhēng)取盡快把薄膜非晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率提高到新水平,率先真正實(shí)現(xiàn)薄膜太陽(yáng)能電池的低成本、大面積、高效率使用。