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編者按：光伏發(fā)電脫離政府補(bǔ)貼如何如何實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)，中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的崛起又是經(jīng)歷了怎樣的過程，本文講述光伏產(chǎn)業(yè)的生存源由。

說到光伏產(chǎn)業(yè)，很多人都認(rèn)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(bǔ)貼實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)呢？中國(guó)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《了不起的中國(guó)制造》怎么說。

（一）光伏電價(jià)即將與煤電齊平

早在1839年，法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾就發(fā)現(xiàn)光照能使半導(dǎo)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(jiǎn)稱“光伏效應(yīng)”。然而，第一個(gè)實(shí)用單晶硅光伏電池直到1954年才在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功，從此誕生了太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)。

上世紀(jì)60年代伊始，光伏發(fā)電和太陽(yáng)能電池在美蘇太空競(jìng)爭(zhēng)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(guó)開始大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)。

而且隨著技術(shù)的進(jìn)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(jìn)，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(jià)成本已經(jīng)低于天然氣電站了，在2-3年后，光伏電價(jià)有望跟煤電平齊，成為世界上最廉價(jià)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(jiǎn)單說就是構(gòu)建了一個(gè)N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體——PN結(jié)，中間形成了一個(gè)W區(qū)，而且P區(qū)的洞穴和N區(qū)的電子向?qū)Ψ綌U(kuò)散形成了自建電場(chǎng)Ei。空穴又叫電洞，在固體物理學(xué)中是指共價(jià)鍵上流失一個(gè)電子，最后在共價(jià)鍵上留下了空位，你可以理解為“帶正電”。


這個(gè)W區(qū)可以調(diào)節(jié)電勢(shì)平衡、阻止剛剛說的擴(kuò)散，同時(shí)又能吸引P區(qū)的電子和N區(qū)的洞穴，這時(shí)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(dāng)光照射到PN結(jié)時(shí)，光子與電子碰撞，就會(huì)加速上述的“吸引”過程，形成與內(nèi)建電場(chǎng)Ei方向相反的光生電場(chǎng)Eph。

既然方向相反，那么這個(gè)光生電場(chǎng)一部分用來抵消內(nèi)建電場(chǎng)，同時(shí)呢，也會(huì)在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)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(yáng)能光伏電池單元組合在一起構(gòu)成光伏陣列，就會(huì)在太陽(yáng)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(yáng)能電池的難關(guān)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電顯然是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能了，它是利用太陽(yáng)能電池的光生伏打效應(yīng)，直接把太陽(yáng)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(yáng)能電池，而太陽(yáng)電池可以分為薄膜太陽(yáng)能電池和晶體硅太陽(yáng)能電池兩種，目前市場(chǎng)上的主流是晶體硅太陽(yáng)能電池，90%的市場(chǎng)份額都是晶體硅太陽(yáng)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(yáng)能電池。


首先，要進(jìn)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(xué)反應(yīng)方程式為：SiO2 + C = Si + CO2。這個(gè)過程雖然會(huì)有一定污染，但由于化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物是二氧化碳，對(duì)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(jìn)行提純，一般采用改良西門子法，或者采用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的GCL法。GCL法是改良西門子法的進(jìn)一步改進(jìn)，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(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，相對(duì)于改良西門子法顯著降低了單位能耗，這樣一來，進(jìn)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(gè)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?yàn)閱尉Ч璧膬?nèi)部缺陷較少，單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率高于多晶硅太陽(yáng)能電池，通常高兩個(gè)百分點(diǎn)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(yáng)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(yáng)能電池生產(chǎn)的能耗需要相對(duì)于全壽命期發(fā)電量具有顯著效益，才能達(dá)到光伏發(fā)電的初衷，而中國(guó)在政府扶持下的長(zhǎng)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(duì)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(jí)工業(yè)硅為原料，制取三氯氫硅，再利用三氯氫硅進(jìn)行氫還原，生產(chǎn)出多晶硅。因而會(huì)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(huì)導(dǎo)致較嚴(yán)重的后果。而要應(yīng)對(duì)四氯化硅泄漏，辦法是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)生產(chǎn)。同時(shí)，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(xué)品。

（五）產(chǎn)自西北戈壁荒漠的電要怎么“送出去”？


最后，是光伏發(fā)電的儲(chǔ)能和輸送。在太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)輻射的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苤?，要做的就是將電能存?chǔ)和輸送出去。畢竟中國(guó)最適合部署光伏發(fā)電的是西北的戈壁荒漠地區(qū)，而當(dāng)?shù)氐貜V人稀，對(duì)能源的消耗非常少，而長(zhǎng)三角、珠三角等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)對(duì)能源消耗大，但這些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)寸土寸金，而且氣候和地理?xiàng)l件的限制也不適合大規(guī)模部署光伏電站。這時(shí)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(jìn)行嗎？

光伏發(fā)電實(shí)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(duì)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(dāng)?shù)厝侩娏π枨?。由于光伏發(fā)電儲(chǔ)能的技術(shù)障礙以及發(fā)電功率的波動(dòng)，用戶必須接入傳統(tǒng)電網(wǎng)，因此用戶需要承擔(dān)的是光伏發(fā)電和傳統(tǒng)電網(wǎng)接入的雙重費(fèi)用。

而工業(yè)用戶對(duì)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(yùn)用智能電網(wǎng)（Smart Grid）管理算法進(jìn)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。


（七）中國(guó)青海龍羊峽壩光伏電站

今年年初，美國(guó)NASA曾披露過通過衛(wèi)星觀測(cè)對(duì)比了中國(guó)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(duì)比。



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(bǔ)”的發(fā)電系統(tǒng)，并且集中建設(shè)便于發(fā)電精準(zhǔn)預(yù)測(cè)以及并網(wǎng)管理。中國(guó)的光伏發(fā)電預(yù)測(cè)技術(shù)采用了綜合算法，包含歷史統(tǒng)計(jì)分析、人工智能判斷、氣象站/衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)鏈等內(nèi)容。

中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)，涉及到硅基光伏、有機(jī)半導(dǎo)體、智能電網(wǎng)、天氣預(yù)測(cè)、信號(hào)處理算法、超級(jí)計(jì)算機(jī)等各項(xiàng)技術(shù)，再過兩三年，光伏即可實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)，成為家家戶戶的標(biāo)配“電器”，所以，光伏不是騙局，沒補(bǔ)貼也能活下去。

原標(biāo)題：中國(guó)光伏發(fā)電脫離政府補(bǔ)貼還能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)嗎？