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百年光伏技术史

  • 2020-01-06
  • 来源:交能网
任何技术的产生与发展都要经历一个漫长而曲折的过程,近年来备受瞩目的光伏技术也不例外,本文将为您介绍光伏技术百年来走过的风风雨雨。

“光伏”的诞生

1839年,时年仅19岁的法国科学家A.E.贝克雷尔在他父亲的实验室中,缓慢地将两片铂金属电极插入到氯化银酸性溶液中。他不知道的是,光伏世界的大门,正随着这一场“错误”的实验慢慢大开。在测量在这些电极之间流动的电流时,他发现,光线中的电流略大于黑暗中的电流;他将这种现象被命名为为光生伏特效应。他不曾料到的是,他在这场实验中观测到的小小的光电流,会在百年之后为人类的能源利用带来重大变革。为了纪念他的发现,光生伏特效应也称“贝克雷尔效应”。

在贝克雷尔的实验沉寂了37年之后,英国科学家威廉·格里尔斯·亚当斯和他的学生理查德·埃文斯·戴发现硒在光线下会产生电能。虽然硒无法为当时使用的电子元件提供需要的电能,但这证明了固体金属可以直接将光转换为电能。

1883年,美国科学家查尔斯·弗里茨在锗片上镀上一层硒金属电极,建立了第一块光伏电池。虽然它的转换效率只有1%,而且成本极高,但是弗里茨雄心勃勃的说:“它连续地、稳定地输出电能,不仅仅能在日光下,还能利用散射光,甚至是昏暗的灯光…我们也许很快就能看到光伏板与[燃煤发电厂]的竞争”。可惜的是,他的预言没有成真。他曾把一块光伏电池寄给当时与爱迪生齐名的西门子,后者对他的发明予以盛赞。西门子认为光电技术在科学上有深远的意义,当时的物理学大牛麦克斯韦也表示赞同,他曾因提出著名的“麦克斯韦方程组”名震物理学。从这时起,许多科学家才开始对光电效应进行基础研究。不过,不论是西门子还是麦克斯韦,都没能破解光伏背后的秘密。

这一谜题在悬而未解24年之后终于有了突破,完成这一突破的是另一位如雷贯耳的物理学巨擘阿尔伯特·爱因斯坦。1907年,爱因斯坦提供了基于他1905年的光子量子假设的光电效应的理论解释。为此,他于1921年获得了诺贝尔物理学奖。1912年至1916年,美国实验物理学家罗伯特·安德鲁斯·米利肯通过实验证实了爱因斯坦对光电效应的猜想,并在1923年获得了诺贝尔物理学奖。有了理论的坚实支撑,光伏的发展开始进入快车道。

1916年,波兰化学家扬·柴可拉斯基发现了提纯单晶硅的拉晶工艺,并以他的名字命名为柴可拉斯基法。这项技术直到20世纪50年代才开始实际应用于半导体制造业中晶圆的制造,随着对大规模半导体器件需求的增大,这种工艺也在不断发展。

历史的车轮又向前推进了将近20年,1934年,科学家们开始了对薄膜太阳能电池的研究,并设想通过太阳能电池创造能源自给系统。实验数据显示,通过在材料中掺杂金属杂质可以提高发电效率。

1940年,美国半导体专家拉塞尔·奥尔制造出了固态二极管的基本结构p-n结,这为太阳能电池的发明和制造奠定了坚实的基础,极大地推进了光伏发电向工业领域的进发。

1953年,美国物理学家达里尔·查賓,杰拉尔德·皮尔森和化学家卡尔文·绍瑟·福勒制造出晶体硅太阳能电池,每个大约2厘米大小,生产效率约为4%。从此,太阳能电池逐渐走向工业领域。

进军工业

1958年3月17日,美国的第二颗人造卫星使用化学电池和光伏电池,通过发射器进入太空。这颗小卫星奠定了太阳能电池使用的基础,自此以来,太阳能电池逐渐被开发用于宇宙空间探索。通过电池实现的航天器寿命延长所带来的价值远远超过了太阳能电池制造的高成本。此外,与放射性同位素发生器相比,太阳能电池已经更便宜且风险更小。如今,大多数航天器都会配备太阳能电池,世界上大约有1000颗卫星正在使用光伏发电。在太空中,太阳能电池实现了每平方米220瓦的输出功率。

1976年,澳大利亚政府决定通过光伏电池站运营内陆地区的整个电信网络。光伏电站的建立和运营非常成功,提高了世界范围内对太阳能技术的信心。

1980年起,墨西哥湾的小型无人驾驶石油钻井平台开始配备太阳能电池组件,并以经济性和实用性的优势逐渐取代了以前使用的大型电池。

1983年起,美国海岸警卫队开始使用光伏为其信号灯和导航灯供电。此时,美国占全球光伏市场的份额约为21%,光伏市场主要为独立系统提供解决方案。

1990年起,瑞士工程师Markus Real提出,为每栋房屋配备自己的光伏系统更有经济意义,即支持分散式能源转换。他在苏黎世的个别建筑物中安装了3333kW的屋顶光伏系统。

1991年,德国启动1000个屋顶计划,同时“电力上网法”规定公用事业公司必须从小型可再生能源发电厂获取电力。柏林的Solon AG和弗莱堡的太阳能工厂应运而生。

1994、1997年,日本、美国相继启动百万屋顶计划。

2010年,德国光伏系统的总的额定功率超过10千兆瓦。2015年,全球范围内光伏系统的额定功率达到了200吉瓦。

光伏在中国

中国的太阳能产业经历了三个不同的阶段。在初期阶段,中国一直专注于大规模生产太阳能技术。随后,中国开始在国内应用太阳能技术。与此同时,中国正在将其研究扩展到开发以降低其成本。

中国光伏技术的发展始于1958年,在20世纪80年代首次实现工业化。在2000年代进入世界太阳能市场时,中国最初几乎只生产用于出口的太阳能组件。自2004年以来欧洲国家对光伏系统的需求强劲增长,中国的光伏生产经历了非常强劲的增长。中国的大规模生产以及随后光伏市场的价格下降导致西方生产商无法与价格竞争相抗衡。在德国,许多制造商不得不申请破产,包括Solar Millennium和Q-Cells。西门子于2012年解散其太阳能光热和光伏部门,此前不久,博世退出光伏市场,损失总计24亿欧元。2013年起,中国成为世界最大的光伏市场。

最初,光伏系统的高成本阻碍了中国国内市场的增长。光伏系统的内部市场主要集中在孤立的农村地区的电气化,仅限于少数太阳能装置。中国第一个太阳能公园在甘肃的沙漠地区,于2008年并网发电。

在全球金融危机之后,许多政府大幅削减对太阳能的补贴,中国的太阳能产业面临着产能过剩的问题。出于这个原因,政府开始通过激励措施来加强内部市场的发展,以缓解中国太阳能产业的危机。此外,自2011年以来,中国生产商的优势因美国和欧盟的反倾销措施而进一步削弱,因此政府补贴进一步加强,以减少对外国市场的依赖。截至2010年底,中国国内太阳能装机容量为800兆瓦,而在2016年底已达到76500兆瓦。由此可以看出,中国在过去的10 年内建立了比德国更多的太阳能系统。

2017年,中国能源部门投资865亿美元用于太阳能,这比前一年增加了58%,远高于其余类型的可再生能源的投资量。2017年中国安装了总容量为53千兆瓦的太阳能系统,占世界装机容量的一半以上。其中最大的太阳能项目是江西省扶贫工厂,计划产量为540兆瓦,投资额约为6.53亿美元。

由于中国政府的补贴和安装配额减少以及美国太阳能产品的进口关税提高,中国太阳能系统制造商的利润率和太阳能组件的价格会受到影响。仅在2018年,太阳能组件的价格下降了约35%。然而,价格下降将导致光伏系统的更大扩散,并可能在2019年和2020年刺激市场,促进光伏系统在屋顶或工业园区等不同地点的安装,这些小型项目并不受中国政府对主要太阳能项目配额的影响。因此,越来越多没有国家补贴的能源消费者开始使用太阳能来满足他们的能源需求。

目前在中国,太阳能光伏发电主要分成两类,一种是集中式,常见于西北开阔地区的大型地面光伏发电系统;另一种是分布式(以6WM为界),例如民居屋顶光伏发电系统、太阳能路灯、工商企业楼顶光伏发电系统等。

中国太阳能技术的发展和光伏市场的迅速扩大与国家政策密不可分。中华人民共和国的“十三五”规划(2016-2020)要求中国到2020年通过非化石能源满足约15%的能源需求。总体而言,可再生能源的容量将增加至约680千兆瓦。此外,与“十二五”规划相比,目前的五年计划更少关注大型太阳能发电厂的建设,而不是小型和私人太阳能装置。此外,“十三五”规划还包括太阳能技术领域研发重组的措施。中国在太阳能技术方面发展迅速,但这些措施仍在激励中国对于在过去15年中尚未取得重大突破的技术,争取获得更大进步。

参考文献:

【1】[会议论文]光伏发电大有可为马明昆 等-2015-10-01-上海市老科学技术工作者协会第十三届学术 年会

【2】中华人民共和国的“十三五”规划(2016-2020)

【3】维基百科

【4】百度百科

【5】TheInvention Of The Solar Cell, /article/science/invention-solar-cell#page-2


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