說到光伏產(chǎn)業(yè)，很多人都認為這是“高污染、高能耗”的產(chǎn)業(yè)，說光伏發(fā)電成本太高得不償失，沒有政府扶持立馬玩完。
那么，究竟光伏發(fā)電能脫離政府補貼實現(xiàn)商業(yè)化運轉(zhuǎn)呢？中國光伏產(chǎn)業(yè)是怎么崛起的？又有哪些關(guān)鍵技術(shù)呢？聽聽網(wǎng)易推出的《了不起的中國制造》怎么說。
（一）光伏電價即將與煤電齊平
早在1839年，法國科學家貝克勒爾就發(fā)現(xiàn)光照能使半導體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應(yīng)”，簡稱“光伏效應(yīng)”。然而，第一個實用單晶硅光伏電池直到1954年才在美國貝爾實驗室研制成功，從此誕生了太陽能轉(zhuǎn)換為電能的實用光伏發(fā)電技術(shù)。
上世紀60年代伊始，光伏發(fā)電和太陽能電池在美蘇太空競爭中發(fā)揮了重要作用，成為衛(wèi)星等航天器的重要能源。90年代開始，中國開始大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)。
而且隨著技術(shù)的進步，能耗也在下降，就以能耗最大的提純高純硅料和鑄錠來舉例，以前生產(chǎn)一公斤硅料要用電200度，現(xiàn)在降到60度左右；五年前用的爐子來鑄錠，一次100公斤，每公斤用電20度，現(xiàn)在的爐子更大也更先進，一次800公斤，每公斤用電6度......
現(xiàn)在的新疆、甘肅的光伏電價成本已經(jīng)低于天然氣電站了，在2-3年后，光伏電價有望跟煤電平齊，成為世界上最廉價的清潔電力來源。
（二）那么，光伏究竟怎么來發(fā)電？
硅基光伏發(fā)電，簡單說就是構(gòu)建了一個N型半導體和P型半導體——PN結(jié)，中間形成了一個W區(qū)，而且P區(qū)的洞穴和N區(qū)的電子向?qū)Ψ綌U散形成了自建電場Ei?？昭ㄓ纸须姸?，在固體物理學中是指共價鍵上流失一個電子，最后在共價鍵上留下了空位，你可以理解為“帶正電”。
（光電效應(yīng)示意圖）
這個W區(qū)可以調(diào)節(jié)電勢平衡、阻止剛剛說的擴散，同時又能吸引P區(qū)的電子和N區(qū)的洞穴，這時候帶有電荷的物質(zhì)微粒比較少，很難形成電流輸出電能。但是當光照射到PN結(jié)時，光子與電子碰撞，就會加速上述的“吸引”過程，形成與內(nèi)建電場Ei方向相反的光生電場Eph。
既然方向相反，那么這個光生電場一部分用來抵消內(nèi)建電場，同時呢，也會在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層產(chǎn)生光生電動勢差，再通過連通外部電路，自然就產(chǎn)生了電流，輸出電能。將眾多這樣小的太陽能光伏電池單元組合在一起構(gòu)成光伏陣列，就會在太陽能作用下輸出一定電壓和電流電能。
（三）發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，首先要攻克太陽能電池的難關(guān)
太陽能光伏發(fā)電顯然是將太陽能轉(zhuǎn)化成電能了，它是利用太陽能電池的光生伏打效應(yīng)，直接把太陽輻射能，包括直接輻射、散射輻射、反射輻射等，轉(zhuǎn)化為電能。
那么，要發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，就必須能制造太陽能電池，而太陽電池可以分為薄膜太陽能電池和晶體硅太陽能電池兩種，目前市場上的主流是晶體硅太陽能電池，90%的市場份額都是晶體硅太陽能電池占據(jù)。所以，要發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，首先要解決的是制造晶體硅太陽能電池。
125單晶硅 太陽能電池片
首先，要進行粗硅提煉。
由于粗硅的提純類似于煉鋼，是用焦煤還原石英砂，其化學反應(yīng)方程式為：SiO2 + C = Si + CO2。這個過程雖然會有一定污染，但由于化學反應(yīng)的產(chǎn)物是二氧化碳，對環(huán)境造成的污染也不至于像媒體炒作的那么嚇人。
其次，是制造晶體硅。
在獲得粗硅后要進行提純，一般采用改良西門子法，或者采用國內(nèi)自主研發(fā)的GCL法。GCL法是改良西門子法的進一步改進，主干工藝流程是基于改良西門子法的，但在一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行了重新設(shè)計，相對于改良西門子法顯著降低了單位能耗，這樣一來，進一步削減了成本。
在通過上述兩種方法制取高純硅料后——通常純度在99.9999%以上（6個9）。如果將高純硅料熔化后直接澆鑄成立方硅錠，就得到了多晶硅。如果將高純?nèi)刍笸ㄟ^提拉法獲得單晶，就得到了單晶硅。
目前，由硅料澆鑄成多晶硅錠，每公斤約需要消耗6度電；由硅料提拉成單晶硅，每公斤維需要消耗30度電。
也就是說，多晶硅材料的成本低于單晶硅材料。不過從性能角度看，因為單晶硅的內(nèi)部缺陷較少，單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率高于多晶硅太陽能電池，通常高兩個百分點左右。性能好的成本高，不過兩者都可以用于制造晶體硅太陽能電池。
（四）光伏發(fā)電是綠色能源，那污染源自哪里？
雖然光伏發(fā)電本身屬于綠色能源，但硅基太陽能電池生產(chǎn)的能耗需要相對于全壽命期發(fā)電量具有顯著效益，才能達到光伏發(fā)電的初衷，而中國在政府扶持下的長期光伏產(chǎn)業(yè)投入，通過規(guī)模效益降低成本和制造能耗，才讓相關(guān)的效益得以產(chǎn)生。
再次，是降低對環(huán)境的污染。在多晶硅的生產(chǎn)過程中，往往要以氯化氫和冶金級工業(yè)硅為原料，制取三氯氫硅，再利用三氯氫硅進行氫還原，生產(chǎn)出多晶硅。因而會產(chǎn)生大量四氯化硅等有毒有害物質(zhì)。
以前由于控制不好，容易有四氯化硅泄漏，由于四氯化硅毒性比較大，會導致較嚴重的后果。而要應(yīng)對四氯化硅泄漏，辦法是實現(xiàn)閉環(huán)生產(chǎn)。同時，先以四氯化硅一部分加氫形成TCS繼續(xù)循環(huán)反應(yīng)，剩下的有毒有害物質(zhì)通過堿液中和，或者利用四氯化硅生產(chǎn)其他化學品。
（五）產(chǎn)自西北戈壁荒漠的電要怎么“送出去”？
光伏并網(wǎng)發(fā)電原理圖
最后，是光伏發(fā)電的儲能和輸送。在太陽能電池將太陽輻射的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苤?，要做的就是將電能存儲和輸送出去。畢竟中國最適合部署光伏發(fā)電的是西北的戈壁荒漠地區(qū)，而當?shù)氐貜V人稀，對能源的消耗非常少，而長三角、珠三角等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)對能源消耗大，但這些經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)寸土寸金，而且氣候和地理條件的限制也不適合大規(guī)模部署光伏電站。這時候就需要超高壓輸電技術(shù)。
（六）這要是陰天了，光伏發(fā)電還能進行嗎？
光伏發(fā)電實際應(yīng)用中非常挑戰(zhàn)的問題就在于并網(wǎng)，光伏發(fā)電受天氣因素影響較大，對于電網(wǎng)的系統(tǒng)不穩(wěn)定，尤其是規(guī)模較小的光伏發(fā)電，不能滿足當?shù)厝侩娏π枨蟆Ｓ捎诠夥l(fā)電儲能的技術(shù)障礙以及發(fā)電功率的波動，用戶必須接入傳統(tǒng)電網(wǎng)，因此用戶需要承擔的是光伏發(fā)電和傳統(tǒng)電網(wǎng)接入的雙重費用。
而工業(yè)用戶對用電穩(wěn)定有極高的要求，因此傳統(tǒng)電網(wǎng)的容量依然必須覆蓋全部用電需求，以保障任何極端情況下的用電需求，這更造成了光伏發(fā)電并不能減輕傳統(tǒng)電網(wǎng)建設(shè)需求。所以，需要運用智能電網(wǎng)（Smart Grid）管理算法進行電力調(diào)度，才能顯著讓光伏發(fā)電產(chǎn)生效益和減輕傳統(tǒng)電網(wǎng)建設(shè)需求。
太陽能電池方陣
（七）中國青海龍羊峽壩光伏電站
今年年初，美國NASA曾披露過通過衛(wèi)星觀測對比了中國青海龍羊峽壩光伏電站從2013年4月16日至2017年1月5日的建設(shè)對比。
2013年4月16日衛(wèi)星圖
2017年1月5日衛(wèi)星圖
龍羊峽壩光伏電站與相鄰的龍羊峽水電站正好組成了“水光互補”的發(fā)電系統(tǒng)，并且集中建設(shè)便于發(fā)電精準預(yù)測以及并網(wǎng)管理。中國的光伏發(fā)電預(yù)測技術(shù)采用了綜合算法，包含歷史統(tǒng)計分析、人工智能判斷、氣象站/衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)鏈等內(nèi)容。
太陽能清潔機器人
中國光伏產(chǎn)業(yè)，涉及到硅基光伏、有機半導體、智能電網(wǎng)、天氣預(yù)測、信號處理算法、超級計算機等各項技術(shù)，再過兩三年，光伏即可實現(xiàn)平價上網(wǎng)，成為家家戶戶的標配“電器”，所以，光伏不是騙局，沒補貼也能活下去。
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