来源:《能源评论》

得晶硅者得天下

  记者:今年的政府工作报告提到,五年来我国清洁能源消费比重提高6.3个百分点。太阳能被视为未来最有前景的绿色能源,您怎么看待太阳能产业化的发展轨迹和经验教训?


  何祚庥:回答这个问题,要先看光伏领域晶硅应用的市场表现。


  就价格而言,在原料方面,2007年以来,供不应求时多晶硅价格一度飙升到400~500美元/公斤,最低时曾降到5美元/公斤左右,近期大多在20美元/公斤以下,虽然还会有些波动,但基本处于低位的走势已经形成;在光伏组件方面,生产成本从3美元/瓦减少到0.37美元/瓦;在光伏发电成本方面,从0.5美元/千瓦时降低到0.1美元/千瓦时,离平价上网只有一步之遥。


  为什么十年间,多晶硅价格下降如此之快,幅度如此之大?原因就在于,多晶硅生产的特点主要是,初始投资比较大、设备费用比较高,但原材料的价格极其低,从基本原理来看,就是硅元素,其原材料就是黄沙。


  过去曾卖到500美元一公斤的背景就在于,一是产业发展初期,设备折旧费用较高,按照10%的折旧率计算,意味着目前基本上第一批设备的折旧基本摊销完成,后边就是零成本了,所以价格快速下降。但在目前的价格下,企业不仅不会赔本,还有利润可以赚。二是发达国家比较懂得利用市场经济规律,在产业发展初期,想方设法造成供不应求的火热态势,并制造价格高企的市场氛围,让大家相信拥有硅者为王。当时,国内有不少企业上了这个当,和硅料企业签订了十年的长期供应合同。这个事情给我们最大的教训是,我们还是不太懂什么叫做市场经济。


  记者:从经济性上而言,晶硅技术会居于主流的地位。也有人认为,薄膜技术大有潜力,您怎么看待二者的关系?


  何祚庥:薄膜也竞争不过单晶硅多晶硅。首先,材料是一个巨大的问题。比如,薄膜技术要用到一些特种材料或稀有材料,其中铜铟镓硒等原材料的成本远远超过黄沙;而且这些材料不能再生,有些还有毒性,会污染环境。


  目前,晶体硅的光电转化效率从16.5%稳定增长到20%或以上的工业水平。而薄膜技术,不仅其原料很昂贵、无法循环利用,而且在光电转化效率上也赶不上晶体硅,同等输出功率,薄膜需要的面积远超出晶硅。所以,除非薄膜能够大幅度降低成本,否则,几乎没有可能取代晶体硅。


  记者:对于光热利用技术,我国“十三五”规划的目标是500万千瓦,您认为光热和光伏两种路线比较,哪种更有可能成为主流技术路线?在市场层面,您认为光热技术未来会有竞争力吗?


  何祚庥:究竟是光热的成本低,还是光电的成本低,这是一个值得研究的问题。不过,光热目前还有一大好处,就是可以贡献热能,问题在于热能如何传输尚未解决。


  降低成本的一个办法就是高倍聚光,2010年我也提倡过高倍聚光。因为当时晶硅成本很高,聚光有经济性优势,但是如果晶硅的成本很低,为提高聚光效率付出的代价,就不一定能得到市场认可了。


  这个目标设定,跟薄膜的问题一样,也是缺少成本意识,说白了还是技术思维,跟我们以前犯的错误一样。如果用市场和产业思维判断,只需要问一个问题,能否达到多晶硅目前的价格,然后再来谈其他的可能。所以这些问题的答案很清楚:产品有没有竞争力,取决于技术成熟度和经济性。目前晶硅的成本下降趋势十分惊人,对其他技术路线杀伤力太大,堪称“核武器”。


  记者:麻省理工学院评出的2017年十大全球突破性技术,包括太阳能热光伏电池,宣称可以让太阳能电池效率翻倍。您对其前景如何评价?


  何祚庥:从基本原理来看,一般的光伏技术,包括多晶硅、单晶硅、薄膜,实际上只有一部分的太阳能光谱可以发电,相当一部分被反射回去,或者是给处理掉了。这种新型技术的核心突破是,充分利用各种波长的光谱。利用折射或其它原理调节入射光源的光谱,基本可以利用绝大部分光线,从而极大提升了光伏发电的效率。这个技术在原理上没有问题,但对于这些提高太阳能发电效率的技术,我们除了要关注其究竟可以做到多高的转化效率,还要看经济性。如果这项技术成本可以做到便宜,我很赞成,现实是,不仅成本很高,而且各种技术限制性条件很多,目前肯定很难跟多晶硅竞争,三年、五年或者十年后,或许值得关注。


  记者:在经济性方面,未来会有哪些技术能赶超晶硅技术呢?


  何祚庥:目前看来,可能具备与多晶硅相竞争的一个方向就是钙钛矿结构的太阳能电池。原因在于,一是这种太阳能电池的转化效率有希望做到与多晶硅相差不多,甚至更高。二是相关材料可能成本适中,并不会过于昂贵。


  轻量化可期


  记者:光伏产业只有降低成本才能走向真正的规模化,您认为,在应用层面,阻碍当今太阳能应用成本降低的障碍有哪些?


  何祚庥:主要的问题有两个:一是占地面积广。在所有的新能源技术中,与核发电、水力发电、风力发电等技术相比,光伏发电的占地面积是最大的,目前地面用光伏系统占地约为每平方米35~45瓦。2016年全球光伏系统发电量达2750亿千瓦时,占全球用电量的1.3%;至2015年年底,全球光伏累计装机容量达230吉瓦,占地约1万平方公里。二是重量大。虽然光电晶片非常轻薄,其输出功率每瓦重量只有2.5克左右,但封装后的光伏组件,每瓦重量可达100克以上,再加上各种支架和紧固件,每瓦重量可达200克以上,放在屋顶上,为解决承重,就要增加投资。


  记者:在光伏发电越来越接近理论极限的今天,您认为,未来光伏应用的潜力在哪里?


  何祚庥:光伏的活力在于轻便和移动。光伏发电的最初应用是在航天工业上,由于星际空间中的真空环境,光伏组件可以采用最简单的封装以发挥其轻便和移动的优势。未来太阳能行业发展的核心元素是轻量化。轻质光伏是光伏产业脱离目前困境,重新迈入康庄大道的重要途径。从这个意义上讲,光伏工业发展到今天,应当回归到上世纪50年代、60年代轻便和移动的概念,以此来扩展光伏更大范围的应用。一个量化的指标是,在保证电学及机械性能不变的情况下,轻型的光伏组件需要达到8克/瓦左右的重量,则其在飞艇、飞机及无人机等方面的应用将指日可待。


  记者:要实现光伏组件轻型化,应该从哪些方面入手解决,目前进展并不乐观的问题在哪里?


  何祚庥:要达到上述目标,光伏设计者或发明者的主要任务是替代光伏组件上的笨重玻璃,或以较轻薄的玻璃代替,或以聚合物薄膜代替。


  十几年来,组件的外层玻璃已经从4mm减为目前最普遍使用的3.2mm,最近国内外开始用2mm的外层钢化玻璃,并且逐渐进入市场。然而,使用减轻玻璃厚度而减轻光伏组件的方法是有局限性的,轻薄玻璃的制造成本会随着厚度的减少而成反比地增加。


  使用聚合物是制造轻型组件的一个方向,随着高分子聚合物材料技术的飞跃发展,许多新的材料,诸如ETFE、KEVLAR等等,其耐候性、透明性及机械性能都可以达到光伏组件表面膜所需要的要求。


  从实践来看,以上述材料代替玻璃的光伏组件之所以不能大量运用,原因总结起来就是一句话,晶体光伏电池片同装载体的热失配,譬如铝箔是它的7倍,PVC是它的25倍,PET是它的20倍等等。实验中已经观察到经过几十个热循环后,该组件就会失效,这种热诱导破坏是造成轻薄太阳能组件工作寿命缩短的主要原因。


  记者:目前看来,有哪些可行的解决方案或方向?


  何祚庥:应对轻薄太阳能组件的结构重新进行设计。一个可能的思路是,光伏组件首先由冷封装的方法制成组件预制件,在这种预制件中晶体硅的晶片由两层一定厚度的聚合物薄膜包裹,其厚度的确定使得在热冲击中薄膜的收缩和膨胀不会对晶体硅产生明显的热应力。预制件同背板的连接通过一种热隔离层,使得受到热冲击的背板的收缩或膨胀对预制件几乎没有影响,其结构类似于在多地震带的房屋建筑中的震动隔离装置。


  同时,对聚合物表面的处理采用氟元素和纳米材料,既有强大的耐候作用,又有类似玻璃一样的耐磨、耐刮性能,如此,其表层可以做得非常薄,真正起到了软玻璃的作用。


2018年05月23日

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