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  特别报道

开发利用太阳能是人类可持续发展的必然选择/ 孔力、鄂春良、王志峰
——2007世界太阳能大会技术总结
作者:孔力、鄂春良、王志峰  日期:2008-05-03  信息来源:可再生能源部   【背景色 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色) 】  【字体:
 

 

图:2007SWC展览开幕式

国际太阳能学会(ISES2007年世界太阳能大会于2007918-21日在北京胜利召开。世界太阳能大会是世界范围内规模最大、涉及面最广、水平最高的太阳能与可再生能源领域学术与技术交流大会,是两年一度的太阳能开发利用技术交流盛会。本次大会由世界太阳能学会(ISES)和中国太阳能学会主办,中国科学院电工研究所主办,是近十年来世界太阳能大会首次在亚洲召开,更是首次在我国召开,充分表明中国太阳能利用技术和产业的发展越来越受到全世界的关注和重视。

大会期间,来自60多个国家的1000余位代表代表,分14个议题交流了近两年来世界可再生能源技术的最新进展。这些议题包括:太阳能热利用技术(太阳能建筑、太阳能集热器技术和系统、太阳能光-热系统与应用)、光伏发电技术(太阳电池、光伏系统和应用)、风能、生物质能、其它间接太阳能技术和应用(资源评估、能量的储存、燃料和化学过程)、太阳能与可再生能源发展战略和相关政策(市场化和融资、教育和培训、太阳能历史回顾、太阳能与社会)等。

本次大会讨论较多的有太阳能光伏发电、太阳能热利用、风能及生物质能等,充分反映了这些领域的技术热点及发展趋势。通过四天的会议,世界各国与会代表充分交流了可再生能源技术发展的最新进展、发展动态,可再生能源产业界也利用这次大会的机会展示了自己最新的产品和产业发展的趋势。以下重点介绍本次太阳能大会集中交流的技术成果。

国家和地区

论文数

国家和地区

论文数

Argentina

2

Libya

1

Australia

20

Madagascar

2

Austria

9

Malaysia

2

Bahrain

1

Mexico

9

Belgium

1

Nepal

3

Brazil

13

New Zealand

4

Bulgaria

3

Nigeria

1

Canada

1

Norway

2

China

296

Pakistan

2

China Hong Kong

5

Poland

1

China Taiwan

8

Portugal

3

Czech Republic

6

Russia

4

Denmark

14

Singapore

2

Egypt

3

South Africa

4

France

9

Spain

19

Germany

27

Sudan

2

Greece

6

Sweden

10

Hungary

3

Switzerland

2

India

14

Thailand

6

Indonesia

1

United Arab Emirates

2

Iran

9

UK

7

Ireland

1

USA

30

Italy

7

Uruguay

1

Japan

16

Vietnam

1

Korea

17

Yemen

1

Latvia

4

Zimbabwe

1

Lebanon

1

总计

53

622

         

1 来自不同国家和地区的论文数

1、太阳能光伏发电

本次大会光伏发电部分的论文有167篇,占大会总论文的27%,这些论文来自30个国家和地区,涉及到光伏技术领域的各个方面,包括光伏器件及相关工艺和材料,光伏组件、光伏系统、BIPV、光伏并网,太阳级硅材料,聚光光伏系统等。

薄膜太阳电池的研发活动主要集中在两个方面:硅基薄膜太阳电池,如a-Simc-Sia-Si/mc-Sipoly-Si 薄膜等以及化合物半导体薄膜太阳电池,如CdTeCIGSGaAs电池等。

美国国家实验室(NREL)的王奇博士和他的小组采用HWCVD技术在p-c-Si 区熔单晶硅片上制备硅异质结(SHJ)太阳电池,创造了18.2%的该种电池效率新记录。图1为采用不同背面涂层连接方式的双面SHJ太阳电池结构,该电池的正面为a-Si接触,背面为ITO接触或者为a-Si直接接触,电池面积1 cm2。这是迄今采用HWCVD技术在p-型硅上制作的效率最高的SHJ太阳电池。

                               

1 双面SHJ接触的c-Si太阳电池

(a)   背面为ITO接触;(b)通过金属直接接触背面涂层

来自日本的Masafumi Yamaguchi和他的同事发表了11.27%效率的InGaAsN 1-结电池的记录。当固有层厚优化为600nm时,该电池获得11.27%的效率。该电池是4结和5GaAs基多结迭层电池的一个分电池,这意味着他们在向制作4-结和5-GaAs基多结叠层电池的道路上迈出了重要一步,迄今为止,光伏界还没有成功制备4结以上的太阳电池的先例。4结以上太阳电池的研制成功是电池效率突破50%甚至更高的必由之路。

染料敏化电池成为近几年光伏器件研发的重要活动之一,特别是中国对这一电池的研发给予了特别的关注,是本次大会论文较多的领域之一。

晶硅电池(包括HIT电池),仍然是光伏器件的主要研发对象之一。商业化晶硅电池化效率近年来得到了很大提高,已经达到20%,如Sunpower太阳电池等。商业化晶硅电池在向薄片化发展方面最近几年取得了很大成就,硅片厚度已经从几年前的320-360mm降低到目前的180-200mm,而且切缝宽度也相应地由以前的260300mm降低到目前160200mm,大大节约了硅原材料的用量,使光伏组件成本得到了进一步的降低。

光伏发电系统与应用领域的学术论文,占光伏发电领域学术论文的40%,内容涵盖了在光伏发电系统、光伏与建筑一体化(BIPV)、光伏系统规划与评估、太阳光伏跟踪系统、光伏水泵、以及在其它应用领域内的最新研究成果,这反映了光伏市场在许多国家的法规和政策推动下快速发展的形势。本次会议的论文还反映出光伏并网技术在近几年光伏市场的快速发展中得到快速提升和进步。

    大会有六篇论文对聚光式光伏发电系统进行了研究,包括复合聚光型光伏模块的设计和制备、聚光式光/热太阳能系统研究;设备几何形状对4倍点聚光器聚光比例影响的模型研究;高倍点聚光光伏系统的光学和热性能预测研究;使用新型跟踪技术的线性聚光式PV系统研制 ;非对称复合抛物线形聚光器的光伏模块的实验研究。

    中科院电工研究所和北京科诺伟业公司设计联合研制了三种形式的太阳跟踪系统,并组成13.2kWp太阳跟踪并网光伏系统在西藏羊八井并网运行。通过冬季现场运行数据可知,双轴跟踪系统(图3)比固定式系统发电量提高了43%,水平单轴跟踪系统比固定式系统发电量提高了4.7%

                              

3 双轴跟踪太阳能光伏发电系统

     对于光伏系统构成的微电网,国内外的研究刚刚开始,目前尚处于理论研究阶段,大会论文对微网控制的机理进行了探索,包括微网中光伏发电厂的功率控制策略和PV系统脱网运行的无缝转换控制算法研究。

从本次大会可以看出未来光伏发电技术发展的趋势。

目前晶硅电池(包括单晶、多晶、带硅及HIT电池)占光伏市场的92%以上,薄膜电池约8%,尽管薄膜电池降低成本的潜力很大,而且发展速度很快,但由于薄膜电池技术难度高,走向产业化所需要克服的技术障碍多,因此需要更多的研发投入。世界光伏界的主流预测认为,2020年世界光伏系统累计安装将达到200GW,太阳电池的年产量将达到50GW,年薄膜电池的市场份额可达到20%。这表明薄膜电池要在14年增加50倍,年增长率平均达到50%。

薄膜电池中,CdTeCIGS具有较长期的研发历史,电池效率高,性能稳定,已经实现商业化生产,但市场份额增加缓慢。非晶硅薄膜电池也有较长的发展历史和较长的商业化生产历史,是市场份额最大的薄膜电池,2006年达到4%。另一个非常值得关注的是“微非硅”薄膜电池(a-Si/mc-Si迭层电池),具有效率较高、性能较稳定、材料资源丰富并与环境友好等特点,具有很大的潜在竞争优势,未来有超越非晶硅电池的可能。

近年来太阳级硅材料的严重短缺产生了一系列正面和负面效应:负面效应就是材料短缺直接引起硅材料价格暴涨,导致光伏组件的价格下降速度减缓。另外,少数企业对硅材料纯度认识不清或受利益驱动,在硅锭制造过程中原料纯度控制不严,严重影响太阳电池效率和质量。

硅材料短缺引起的正面效应就是激发了光伏技术的全面快速提升,包括硅片减薄速度加快,商业化电池效率提升速度加快,生产自动化程度提升加快等,以抵消硅材料涨价的影响;同时还促进了薄膜电池以及聚光光伏的发展速度。硅材料短缺最直接的效应是加快了硅材料产业和技术的发展。2005年后世界高纯硅材料产能和产量开始快速增加,预计2010年可能达到10万吨。我国硅材料产业近几年发展迅速,预计2010年,我国硅材料产业将会超过5000吨。届时世界硅材料会得到根本性缓解。光伏组件成本也会随之加快。

 

2、太阳能热利用

在太阳能热利用方面收到论文110篇,占大会论文总数的17.7%。内容涵盖太阳能热发电技术、太阳能制冷、太阳能供暖、集热器技术等相关领域。大会论坛还有国际太阳能热发电市场和政策的专题报告。研究热点包括开发商业化太阳能热发电站(如世界上首个商业化太阳能塔式热发电站PS10在西班牙成功运行)、热传输技术、太阳能热聚焦发电热能储存等。

太阳能热发电技术

在本次大会上太阳能热发电技术方面展现的亮点有:西班牙有5050MW的光热发电以及7.5小时的储热系统正在建设中;摩洛哥也正在建设聚光太阳能热系统(CGST),包括135MW的发电系统及25MW的供热系统;美国低成本的塔式和菲涅耳式400MW发电系统也正在建设中;中国也报告研发了70kW塔式发电系统。

大会的论文报告反映出太阳能热发电技术发展趋势。太阳能热发电技术已经发展到可以商业化推广的阶段,世界上包括西班牙、美国、希腊在内的众多国家已经开展了深入地研究、示范工作,更有不少国家制定了自己的研究发展计划。降低发电成本是未来技术发展的主要目标和动力,未来20年太阳能热发电有可能成为可再生能源领域成本最低的发电方式,有报告分析塔式热发电系统预计在2018年将达到46美分/kWh

蓄热问题引起业界的广泛重视,采用低成本、运行可靠性高的蓄热材料和系统是未来技术发展的主要趋势。提高吸热工质参数是提高系统效率的重要手段,发展空气吸热器、燃气-蒸汽组合循环发电是未来重要的研究方向之一。槽式真空管是目前槽式发电系统的关键部件,降低产品成本、提高吸热温度将是未来20年内该领域的不变主题。材料领域的研究对推动技术发展意义重大,如吸热工质、吸热材料、耐高温涂层研究等方面的技术突破已成为带动太阳能热发电技术发展的原动力。在产业化起始阶段,政府税收调节、电力补贴等政策性支持是太阳能热发电事业蓬勃发展的另一不可或缺因素。

太阳能制冷。太阳能用于太阳能制冷主要有两种形式,一种是闭式集热循环用于冷水机,另一种是开式的集热热循环用于除湿蒸发冷却系统。目前主要进行的研究大体上可分为两个方向,一个是开发低容量的冷水机组,通常是采用液体吸附材料,如溴化锂溶液,氨水溶液,沸石与水,硅石与水等,另一个主要的研究方向为采用液体除湿剂的开式冷却系统,通过液体除湿可以及时的分离吸附与再生过程同时还可以更为容易的实现吸附过程的冷却。关于小型聚焦型集热器的研究,以提高工质的温度和集热器的效率为目的,对16kW两级吸收式制冷机进行研究。

太阳能供暖。太阳能供暖系统可以采用真空管集热器也可以是平板式集热器,主要研究方向是实现供暖方式与建筑物本身的有机结合,如地板式供暖等方式,也有采用空气集热器通过通风及房间气流组织形式的结合实现有效采暖。

关于太阳能与建筑结合方面,瑞士有人研究了吸热体藏在彩色玻璃窗的后面,太阳光穿过单层玻璃窗,在玻璃窗的内面有一层彩色的选择性滤光膜,然后照到吸热体上。

中国在太阳能供热方面是世界上产量和用量最大的国家,目前约有3000个公司生产太阳能热水系统,约有100个公司生产真空集热管。在本次大会的产品展览会上不少公司也展示了一些具有创新技术的新产品,如清华阳光的全玻璃热管真空集热管,北京欧科能光伏发电与光热组合的器件,皇明公司在真空管的外管上增加了减反涂层。

集热器技术。集热器技术主要分为全玻璃真空管集热器与平板式集热器。对于真空管集热器来说,主要的核心部件是真空管选择性吸收涂层方面的研究,在材料以及涂层方面的研究有不少新的进展。另外无论是真空管式集热器还是平板式集热器现在都在与太阳能供暖,太阳能制冷,太阳能建筑等利用方面进行着十分广泛的研究。

在集热器及热水器测试方面,目前除了根据各项国际标准,EN标准等进行了各方面的测试系统的研究与开发外,关于各种新的测试评价方法,包括稳态测试,准稳态以及瞬态测试方法的理论模型研究和实验研究都在快速发展。

图:2007SWC展览展出的太阳能热水器

3、风能

本次大会收到风能论文18篇,占论文总数的2.9%。内容涉及离网风电系统、并网风电系统、风电系统模型及控制等多个方面。其中控制技术方面的文章占有较大比例。

在离网风电方面,会议论文讨论了离网型协调控制结构下最大功率控制策略研究与仿真问题,以及混合型离网风力发电系统随机模型的建立。在并网风电方面主要有对风力发电机组空气动力学模型研究以及对流经大型风电机组的空气气流的不同特性的研究;基于内模控制器的变速恒频风电机组切入控制以及关于变桨变速风电机组模型与控制方面的研究。

其他方面的研究还有:气候条件变化对风电机组发电设备的影响分析,风电机组叶片外形设计与三维实体模型研究,以及风力发电可靠性简化方法研究,提出了一种运用近似功率输出曲线评估风力发电系统可靠性和强制停机率的简化方法。

                     图:下一届太阳能大会主办国南非接旗

 

结语

路甬祥院长在给大会的贺信中指出:“今后50-100年,人类将会逐步从主要依靠化石能源转移到既要高效、清洁地利用地球上还存在的化石能源,同时又要把重点转移到更多地开发利用先进的可再生能源和其它先进清洁的新能源,把能源体系推向可持续能源时代。” 提高能源利用效率、降低污染排放、发展清洁高效、低成本的可再生能源利用技术是全世界科学家和工程技术人员所面临的重大挑战,也是中国科技界的重大任务。

我们必须面向未来的能源需求,大力发展先进高效节能技术和传统能源的清洁利用技术;鼓励创新,积极发展高效低成本可再生能源技术,包括探索研究新一代高效廉价光电、光热、光化学转换技术、生物质能源技术和多种能源互补集成应用系统;大力发展分布式能源技术、新型储能技术,促进可再生能源产业的发展,推动可再生能源的大规模应用,调整能源结构,逐步实现向可持续能源体系的过渡;发展基于可再生能源的再生资源、水资源循环利用系统,致力于探索可再生能源与经济社会协调发展的模式。让我们携手共进、开拓创新,为人类社会的和谐与可持续发展做出我们应有的重要贡献!

SWC’2007 组委会秘书处)



   相关链接
·我与2007世界太阳能大会 [2008-04-29]
·我所成功举办2007世界太阳能大会/ 朱文瑜 [2008-04-29]

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