太阳能发电技术产业的冷思考 三

　　和研究开发阶段不同，在规模生产阶段，开发出来的产品，需要有足够的原材料才能批量生产。如果没有可靠稳定的材料来源，技术产业的发展很可能停滞，甚至夭折，这方面的经验教训相当不少，值得注意。

　　我国现在生产的太阳电池所用的，90%以上采用提炼的纯净硅（包括单晶硅和多晶硅）。据资料报导，2005年我国太阳电池需用多晶硅2691吨，其中无锡尚德太阳能电力有限公司和保定英利新能源有限公司两家生产太阳电池的大企业就需用多晶硅1000吨左右。国内目前只有峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅有限公司生产多晶硅，2004年产量为60吨。90%以上的多晶硅只能从国外进口。但是，在我国多晶硅供需严重失衡的情况下，国外多晶硅主要生产企业结成企业联盟，严格控制技术转让并垄断全球多晶硅材料，抬高多晶硅价格，从13美元/kg上涨到2005年的80美元/kg。更有，由于我国出口的太阳电池组件价格低于某些多晶硅供应国生产出口的太阳电池组件价格，他们对我国采取限购甚至禁购多晶硅材料的办法，以维护自身的市场。使我国某些太阳电池生产企业，即使出高价也购买不到足够的多晶硅材料，形成非常尴尬的局面。

　　为了改变这一尴尬局面，必须集中力量突破原材料这一难关。虽然以前我国从“七·五”计划立项到“十·五”期末都未能突破多晶硅材料的关键技术，但是现在情况不一样了。在如此巨大的市场需求和经济效益推动下，投资者和科技工作者都会集中力量攻关，使多晶硅材料从60吨迅速扩产到3000吨是完全可能的。因为国内已有生产单位可以作为依托，并不是从零开始。据报道，洛阳中硅高科技有限公司2005年9月投产300吨多晶硅生产线，就是一例。与此同时，还正在研究开发用其他材料的太阳电池项目，例如铜铟硒太阳电池，有机纳米晶太阳电池和非纯净硅材料太阳电池生产技术。现在，我国太阳能发电技术产业的最佳切入点，不再是扩大多晶硅太阳电池生产，而是开发其他材料的太阳电池，尤其是如何解决太阳电池的多晶硅材料供应问题。

　　现在，我国90%以上的太阳电池出口，也会成为限制我国太阳能发电技术产业发展的另一个大问题。

　　我国太阳能源丰富。按各地区接受年太阳辐射总量的多少，可以把全国划分为五类地区。一类地区为太阳能资源最丰富的地区，年太阳辐射总量6680~8400MJ/m2，包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海本部和西藏西部。二类地区为太阳能资源较丰富地区，年太阳辐射总量5850~6680MJ/m2，包括北京、天津、河北西北部、山西北部、内蒙古中部和南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、新疆南部和西藏东南部。三类地区为太阳能资源中等类型地区，年太阳辐射总量为5000~5850MJ/m2，包括河北东南部、山西南部、吉林、辽宁、陕西北部、甘肃东南部、新疆北部、云南、河南、广东南部、香港、澳门、山东、江苏北部、安徽北部、福建南部和台湾西南部。四类地区为太阳能资源较差地区，年太阳辐射总量4200~5000MJ/m2，包括内蒙古北部、黑龙江、陕西南部、湖北、湖南、广西、广东北部、上海、江苏南部、安徽南部、江西、浙江、福建北部和台湾东北部。五类地区为太阳能资源最差地区，年太阳辐射总量3350~4200MJ/m2，包括四川、重庆和贵州。我国总面积2/3以上属于一、二、三类地区，年平均日辐射量在4000MJ/m2以上，年日照时数超过2000小时。同世界上同纬度的其他国家相比较，与美国相接近，比日本和欧洲国家都好。我国这样丰富的太阳能资源，为发展太阳能发电产业，提供了良好的市场。例如日本大部份地区相当于我国的四类地区，建造同样的3kW并网型户用太阳能发电设备，按综合效率75%，太阳电池光电转换效率10%计算，日本需用28m2太阳电池，我国三类地区需用20m2太阳电池，可节约28.5%太阳电池费用，有利于并网型户用太阳能发电设备的推广使用。

　　要把良好的市场条件变成现实的市场，关键取决于成本，也就是太阳能发电设备的发电成本。太阳能发电设备的发电成本，由设备初投资和利息加运行维修费再按运行寿命20年，每年日照时数所发出的电量分摊，就可计算出每度电（kW·h）的发电成本。太阳能发电设备运行中不消耗燃料，在运行寿命20年期间，除蓄电池外，基本上不需要维修，因此发电成本主要决定于设备初投资和利息。太阳能发电设备的投资大致分为太阳电池矩阵占60%，逆变器占15%，蓄电池占15%，其他为10%，其中太阳电池价格是主要因素。

　　所以，一般文献资料在列出太阳能发电设备的发电成本时，都要同时列出太阳电池价格和太阳能发电设备价格。现在看到的文献资料说法不一致。作者比较相信的是2006年的太阳电池价格为3.15美元/W，发电设备价格6美元/W，发电成本0.25美元/kW·h。2010年的太阳电池价格1.8美元/W，发电设备价格3美元/W，发电成本0.1美元/kW·h。遗憾的是，没有明确是指国外还是国内的平均价格，也没有说明发电成本和上网电价之间的关系，所以才出现上网电价3.4元或4.5元/kW·h与发电成本0.25美元/kW·h之间有比较大的差距，让读者无法弄清楚到底是怎么一回事？根据参考文献[1]中提供的风力发电成本与售价关系，可以推算出：上网电价等于发电成本乘120%（考虑20%利润）再乘117%（再考虑17%增值税），也就是上网电价等于1.404倍发电成本。接照这个算法，2006年的太阳能发电设备的上网电价为（人民币）2.8元/kW·h左右，2010年的上网电价应为1.12元/kW·h左右（接1美元等8元人民币计算）。

　　根据“可再生能源中长期发展规划”，2010年，我国太阳能发电设备累计装机容量达到500MW，其中300~350MW用于解决边远地区无电区的供电。2020年达到2000MW，为我国太阳能发电产业的发展提供了巨大的机遇，除了通讯、交通和照明，我国的太阳能发电设备的市场主要有两个：独立型发电设备和并网型太阳能发电设备。下面分别讨论其中的一些问题。

　　我国从上世纪80年代起就开始推广100~500W的农牧民户用太阳能发电设备。后来实施光明工程，解决边远地区无电的2300万人民的生活用电问题。从2001年起，实施“全球环境基金/世界银行可再生能源发展项目”和联合国开发计划署支持的可再生能源村落发电项目计划，到现在为止，已安装50万套以上100~500W的用户太阳能发电设备，在边远地区和海岛上建立了县级、乡级、村级、学校用1kW、10kW至100kW大大小小的太阳能发电站将近1000座，累计总容量已达50MW，今后还会以超过30%的速度逐年迅速增加。从1985年在甘肃省榆中县园子乡建成10kW太阳能发电站起，经过20多年，我国独立型户用和100kW以下太阳能发电设备技术已基本成熟。今后，除了继续推广户用和中小型太阳能发电设备外，还要向大型1MW以上的太阳能发电站发展。2004年9月在广东深圳建成1MW太阳能发电站。2007年以前上海准备建设总容量5MW的示范太阳能发电站，其中首先在崇明岛建设1MW太阳能发电站。四川攀西地区准备建设2MW太阳能发电站。2005年甘肃《敦煌8MW并网光伏发电系统建设预可行性报告》，已通过专家评审，列入国家“十一·五”规划，如果建成容量将超过现在世界上最大的6.45MW太阳能发电站。

　　我国发展独立型太阳能发电设备具有独特的优势。现在的无电区都处于太阳能资源丰富的一、二、三类的西部地区和东南部海岛，太阳能辐射总量大，年平均日照时间长，建设太阳能发电站可以少用太阳电池和蓄电池，年发电量高，从而使太阳能发电成本显著下降。如果用柴油发电来解决这些无电地区的供电问题，其发电成本考虑运输费用在内，超过太阳能发电成本。如果从现有输电网架设线路来解决这些无电地区的供电问题，投资费用大。据资料介绍，建设1km的输电线kW太阳能电设备的投资费用。无电地区绝大部分都离输电网几十km，即使建设100kW以上的太阳能发电站的投资费用也低于建设输电线路的费用。

　　独立型太阳能发电设备中的逆变器，要根据容量大小来选用不同的类型。100~500W户用太阳能发电设备，现在主要采用工频变压器绝缘方式。10kW以下的太阳能发电站也可以采有工频变压器绝缘方式。因为既可靠，又稳定，维修量少，比较适合在边远地区工作。但是，现在的工频变压器绝缘方式逆变器，主变压器铁心采用取向冷轧硅钢，为了减少铁心损耗，工作磁密低，体积和重量大。为改变这种主变压器，美国在上世纪80年代，就已经采用铁基非晶合金铁心，在同样的逆变器效率下，铁心重量减少三分之一，主变压器重量减少五分之二。现在，我国铁基非晶合金铁心和变压器生产技术已经成熟，同时取向冷轧钢的价格上涨，已超过铁基非晶合金价格，完全有条件采用铁基非晶合金铁心制造太阳能发电设备中的逆变变压器。100kW以上的太阳能发电站可以采用高频变压器绝缘方式或者正激变压器绝缘方式，高频变压器和正激变压器都可以采用非晶和纳米晶合金铁心，工作频率20kHz，可以完全保证90%以上的逆变效率。现在50kW以上的太阳能发电站中的逆变器，国外已有企业采用模块结构，每个模块10kW或20kW，既便于生产，又可以灵活组成各种容量的逆变器，还可以提高运行的可靠性。10kW以上的太阳能发电站，如果供一个地区使用，还需要小型的输配电网，供电距离小于500m，可采用380/220V电压等级。供电距离3km以上，可采用1kV或6kV电压等级。逆变器输出从220V升至1kV或6kV，线路结构不变，只需要改变主变压器的参数和绝缘结构，这时逆变器采用工频变压器绝缘方式比较好，便于实现高压绝缘隔离。

　　并网型户用太阳能发电设备将成为我国太阳能发电产业的另一个主要市场。根据2006年1月1日实施的《可再生能源法》，并网型户用太阳能发电设备可以合法地与电网相联，在白天可以把太阳发电设备发出的多余的电供给电网，在晚上可以由电网供电。标志着太阳能发电由边远和海岛地区的特殊供电电源向一般电网电源发展，由补充能源向替代能源发展。并网型户用太阳能发电设备有以下优点：

　　不过，目前并网型户用太阳能发电设备的上网电价超过3元/kW·h，远远高于电网城乡电价0.5元/kW·h，电网公司不可能用这样高的价格购买并网型户用太阳能发电设备多余的电力。如果并入电网让所有的用户分摊，将损害收入较低人群的利益，不利于建设和谐社会。在这种高发电成本条件下，在我国推广并网型户用太阳能发电设备，即使采用政府补贴，仍然相当困难。现阶段应当通过试验性并网型户用太阳能发电设备，解决关键技术问题，使发电成本降到接近火力发电成本，并网型户用太阳能发电设备才能在真正意义上大规模推广。