太阳能,照进现实的能源神话
发布者:admin | 来源: 老汪聊碳中和 | 0评论 | 643查看 | 2021-09-06 10:09:14    

著名的环境学教授瓦茨拉夫·斯米尔(Vaclav Smil)在其著作《能源神话与现实》中,认为太阳能和风力发电能够成为主力电力设施是那些狂热分子鼓吹出来的、永远不可能实现的神话故事。他这样说的主要依据是2000年到2009年光伏系统的成本价仅仅下降了不到10%,离实现平价上网遥遥无期。


然而,他没有料到的是,光伏行业的技术发展从2010年开始就一路狂奔,成本以肉眼可见的速度迅速下降,通威股份集团董事局主席刘汉元在其著作《重构大格局》中提到,过去十年,光伏发电系统的成本下降了90%以上,2020年平均上网电价已降至0.35元/千瓦时,预计“十四五”期间还将降低到0.25元/千瓦时以下,届时光伏发电成本将低于绝大部分煤电。


而现实比刘汉元的预测还要激进,在2021年6月国家电投集团在四川甘孜州中标项的的一个光伏项目的上网电价已经低至0.1476元/千瓦时,不到当地脱硫电价的一半。同年4月,位于沙特的某项目最终上网电价更是低到难以置信的0.068元/千瓦时,几乎等于白给。这是连科幻小说都不敢写的逆转剧情,但却真真真切切地实现了,光伏的能源神话已然变成了现实。


为什么光伏发电的成本能够够以难以置信的速度下降,这与光伏发电自身的特点有关。通威集团主席刘汉元曾在某次采访中提到:“太阳能是我们目前可使用的能源中一次性转化效率最高,并且使用最简单、最可靠、最经济的新兴能源,具备十分独特的优势,是未来新能源发展的必然选择。”光伏发电是所有发电技术中唯一不需要通过机械能转化就可以发电的技术,这就代表了它的能源转化效率更高,成本下降空间更大。


太阳能发电的发展空间有多大?根据Carbon Tracker的报告《天空的极限》显示,太阳通过辐射照射到地球的总功率约为173,000TW,而人类从技术上可通过光伏发电实现每年最高5500PWh的发电量,超过当前全球总能源需求的80倍,看起来非常乐观,即使我们只开发其中的2%,也能完全满足当前的能源需求。


image.png


光伏发电的原理是利用半导体的光生伏特效应,即只需要将太阳光照到薄薄的半导体上就能形成电流,我们将一张张半导体做成的电池片组装成电池组件,就能让电流规模化持续地流动,形成光伏电站。我国内最大的光伏电站规划装机容量已经超过了1GW。


光伏发电主要包括纯晶硅发电和薄膜发电两种技术,纯晶硅发电是由高纯晶硅切成非常薄的薄片,通过刻蚀成电路后再经过相互连接组成电池组件,这些组件再进一步排列形成更大的光伏阵列,以产生较大的电量。


纯晶硅发电又分为单晶硅和多晶硅两种,单晶硅发电效率高,对温度的耐受高,弱光性略好于多晶硅,但制造成本高;多晶硅发电效率低,对温度耐受低,但胜在成本低。目前规模化生产的单晶硅电池太阳能转化率已达到23%,多晶硅19.4%,随着单晶硅生产成本的下降,多晶硅正逐渐被市场淘汰。因为高纯晶硅非常薄而脆弱,所以必须安装在坚硬的框架上。


image.png


目前为止还有很多人仍然认为光伏材料的生产是高污染高排放行业,光伏发电是“伪新能源”。诚然,在十多年前,因为相关技术不成熟,光伏系统特别是上游多晶硅生产过程中消耗了大量能源,能量回收期长达十年,还会排放四氯化硅等高污染废水。


而如今的多晶硅生产早已实现零废弃物排放,所有资源实现循环再利用;能耗也下降到不到以前的十分之一。以一个350W光伏组件为例,其全生命周期生产过程中大约耗电150kwh,而该组件投用后不到4个月就能回收所消耗的电能,剩下的25-30年都是净输出的电能,可以说是名副其实的清洁能源。


image.png


薄膜发电的材料则属于一种柔性材料,它不存在刚性的晶体结构,所以可以将半导体材料的微小晶粒沉积在任何基材上。薄膜光伏电池可以根据需要制造得有柔韧度。未来,喷涂光伏薄膜甚至可以应用到布料上,让我们的衣服在阳光下产生电能。相对于晶硅发电,薄膜发电技术的转化率普遍较低,而且成本偏高,但优势是可以制造成任何的形状,未来有望在光伏建筑一体化(BIPV)上广泛应用。


image.png


薄膜发电技术的发电材料比较广泛,目前主要的薄膜太阳能电池材料研究方向包括非晶硅、碲化镉、铜铟硒,铜铟镓硒、砷化镓、和铜锌锡硫和钙钛矿等,其中碲化镉和铜铟镓硒是目前薄膜电池最为流行的材料,钙钛矿仍处于实验室阶段、还有许多难题需要攻克,但因为其成本非常低且无毒性,所以一旦实现技术突破,将战胜其它所有对手,成为主流薄膜发电技术。


除了太阳能光伏发电以外,另一个以太阳能为能源的发电技术也需要介绍一下,那就是太阳能光热发电。


image.png


太阳能光热发电,是将比较集中的太阳光能通过传递介质转化为热能,然后再转化为电能的技术。太阳能光热发电通过大量的光学发射装置将阳光聚焦在一个接收器上,将接收器内的导热介质温度加热到350℃—1000℃,然后这些导热介质通过热交换产生蒸汽,蒸汽再推动汽轮机实现发电。我们可以看出太阳能光热发电的原理跟传统的火力发电相同,只是制造蒸汽的热量来自太阳能而已。


目前太阳能光热发电整体效率在20%~34%之间,略高于光伏发电,但因为要经过一系列的能源转化过程,其建造成本和运行成本都远远大于光伏发电。目前光热发电的成本高于1元/kwh,随着技术的成熟及产业的规模化,预计到2030年可以下降到0.4元/kwh。


因为光热发电中的导热介质自带储能功能,可以实现24小时不间断发电,而且启停响应速度远高于传统的火电,所以是最好的调峰电源。在考虑到储能和碳价成本的情况下,太阳能光热发电或许将成为基荷和调峰电站的主力。


有阳光的地方,就有清洁能源。从某种意义上说,人类所用的所有能源包括化石能源在内,都来自太阳。地球上任何一个地方都有阳光照耀,也就等同于任何一个地方都可以获得清洁的能源。


现在,为了让气候变暖不至于对人类造成毁灭性伤害,人类已经吹响了碳中和的号角,化石能源将在未来30-40年退出历史舞台。在新一代的太阳能技术下,太阳能成为人类主要能源已不再是神话。在碳中和目标的推动下,相信在不久的将来,以太阳能为主体的清洁能源完全替代化石能源终将从神话照进现实。

最新评论
0人参与
马上参与