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若2035年光伏有10倍增量,未來哪種太陽能技術可能勝出?(一)

日期:2018/08/27  點擊:351 次

原創: 王凱強            能見Eknower      2018822

本文根據劉向鑫博士在2018年8月20日舉行的“碲化鎘全球峰會暨第四屆碲化鎘材料與太陽能電池技術國際研討會”上的演講整理而成。
演講人:劉向鑫  中國科學院電工研究所研究員,博士,博導,“百人計劃”學者,薄膜太陽電池研究組組長
整理人:王凱強  能見研究員

這篇文章將解答三個問題:
 一是光伏產業產能到底有沒有過剩?
二是光伏能不能做的更便宜?能不能滿足我國電力的需求?   
三是未來哪一種光伏技術有可能會勝出?

到2035年我國光伏還有10倍的需求增量

國家能源局“全民光伏計劃”對十九大報告做了要點摘要:到2035年要基本實現社會主義現代化,而現代化和用電水平直接相關。生態環境根本好轉、美麗中國基本實現,要實現環境友好的現代化。推進能源生產和消費革命,構建清潔低碳安全高效的能源體系,發展新能源將是愿景中的重要部分。
2016年我國全社會發電量約6萬億度,如果全部使用光伏發電,相當于需要安裝3.5-6.6TW光伏。為了形象的說明,在我國地圖上標出三個方塊,這三個方塊中任何一個地方鋪滿效率為15%的太陽能電池板,都可以滿足我國2016年全社會用電量。以北京、天津、華北平原一帶為例,只要將效率為15%的太陽能電池板鋪滿邊長210公里的一個正方形區域就可以滿足全國2016年用電需求。雖然光伏能量可以供應的總量巨大,但是短期內不可能所有的用電都來自光伏,應該盡量爭取能源結構多元化,光伏和其他清潔能源在我國能源結構中占到比較顯著比重即可。


2017年我國光伏累計安裝量達到130GW,人均僅100W。2035年我國全民光伏計劃設想累計安裝量將達到1.6TW,相當于人均1000W,2050年將在2035年的基本上再翻一倍,人均達到2000W。

為什么社會現代化程度和光伏有關系?《Handbook of Photovoltaic Sci. and Eng.》這本書給出了聯合國公布的國家人類發展指數與國家人均用電量分布圖。縱軸是人類發展指數,用比較好理解的意思是一個國家生活的幸福程度,橫軸是人均全社會用電量。

人均全社會用電量越大,表明發展指數越高,但這是一個無限逼近1的函數。我國在2000年人均全社會用電量不足1000度,發達國家是每人每年8000度以上的水平。我國到2016年全社會用電總量約6萬億度,均攤到每人是4500度左右。美國、加拿大、澳大利亞這些國家全社會用電水平相當高。
以美國俄亥俄州一家三層樓普通別墅為實例,朝南的屋頂3/5面積裝了二手碲化鎘太陽能電池板,2006年安裝時效率只有9%;整棟房子裝了兩塊電表,分別記錄電網輸入電量和光伏發電賣出的電量,兩塊電表年總電量可以持平,即凈用電量是0。這意味著4.3KW光伏發電量可以滿足這家美國家庭整棟房子全年的用電量,包括空調、熱水以及生活所有方面,同時還包括每天40分鐘電動車的通勤。4.3KW足夠一個標準美國家庭自發自用,如果按7元/W的系統成本僅需要3萬元,所以對于家庭而言安裝光伏發電的成本其實并不大。
現在我國人均全社會年用電量水平約4000-5000度,如果要基本實現現代化,用電水平應該達到9000度水平,從4000-5000度到9000度,增量是4000-5000度。通過測算,1W的光伏電池板一年在我國東部平均發電量是1度;如果到2035年增加一倍的全國用電量,光伏累計安裝量只需要占到其增量中的1/4到1/5,就可以增加每人每年1000度的光伏發電量,相當于1300GW到1500GW的總增量,基本上符合我國能源局規劃的2035年人均1000W光伏的設定。
這說明全民光伏計劃提出2035年每人1000W光伏裝機量不是奇思妙想,但是對于光伏行業來說這將是一個巨大的市場,依據這個規劃將從現在的總安裝量130GW還要再增加一個數量級(10倍)。

為什么說碲化鎘適合大規模應用

如果要支撐我國如此大的用電發展需求,光伏必須要便宜。技術路線要做到三個基礎要求——成本足夠低、轉換效率足夠高、壽命足夠長。
晶體硅技術已經可以做得到這三點,所以成為了主流的技術。碲化鎘這三方面都不是問題,并且具備了很多優勢。
在產業化方面,傳統碲化鎘薄膜太陽能電池組件尺寸是1.2米×0.6米,從去年開始FirstSolar發布第六代、功率達到420W的以上組件產品,尺寸達到1.2米×2.0米,全面積效率可以達到18%,與市面上第一梯隊晶硅組件相當。
為什么要走大面積的路線?碲化鎘薄膜和晶硅組件不同,碲化鎘薄膜電池工藝類似半導體薄膜光電器件工藝的流程,和液晶面板產業類似。設備的折舊成本隨尺寸增加呈現下降的逼近曲線關系,現在以碲化鎘為代表的薄膜組件尺寸越來越大,目的就是為了降低設備攤銷的成本。
新一代碲化鎘組件尺寸比晶硅72片組件略大,應用中可節省系統成本和安裝成本。已經有不同廠家開始籌劃制造更大尺寸的組件產品。類似液晶面板產業以面積增加形成的代際提升趨勢已經開始呈現。

最近“5.31新政”出臺以后,光伏組件售價持續下降,7月份已經出現了1.8元/W的售價,而成本2018上半年已經降低到了2元/W左右,成本下降相對比較緩慢。短期的價格波動帶來的壓力雖大,要找規律還需要看比較長時期的歷史數據。碲化鎘和晶體硅累計出貨量和成本下降的曲線類似摩爾定律,組件成本隨著累計出貨量的數量級呈線性下降,就是產業規模要以數量級的增長來換取成本下降。不過,碲化鎘的摩爾曲線始終在晶硅的下方。目前第6代大面積碲化鎘組件已經可以達到1.3元/W的生產成本,仍然可以和“5.31新政”后預測的低價晶硅組件競爭。

平價上網不只是組件和系統成本,最終要算全運行周期度電成本。碲化鎘目前做到什么水平?2015年最低的上網報價是內華達州的3.87美分,即0.28元人民幣/千瓦時,現在度電的水平在6美分到4美分每度的范圍,可以和煤電、燃氣發電競爭抗衡了,到這個水平就算得上是平價上網了,已經和傳統電力成本相當的。這是在集中式地面電站的數據。

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