光伏发电的原理和基础知识

说到光伏产业,很多人都认为这是“高污染、高能耗”的产业,说光伏发电成本太高得不偿失,没有政府扶持立马玩完。

那么,究竟光伏发电能脱离政府补贴实现商业化运转呢?中国光伏产业是怎么崛起的?又有哪些关键技术呢?

(一)光伏电价有望与煤电齐平?尚需时日

早在1839年,法国科学家贝克勒尔就发现光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”,简称“光伏效应”。然而,第一个实用单晶硅光伏电池直到1954年才在美国贝尔实验室研制成功,从此诞生了太阳能转换为电能的实用光伏发电技术。

上世纪60年代伊始,光伏发电和太阳能电池在美苏太空竞争中发挥了重要作用,成为卫星等航天器的重要能源。90年代开始,中国开始大力发展光伏产业。

而且随着技术的进步,能耗也在下降,就以能耗最大的提纯高纯硅料和铸锭来举例,以前生产一公斤硅料要用电200度,现在降到60度左右;五年前用的炉子来铸锭,一次100公斤,每公斤用电20度,现在的炉子更大也更先进,一次800公斤,每公斤用电6度......

现在的新疆、甘肃的光伏电价成本已经低于天然气电站了,在2-3年后,光伏电价有望跟煤电平齐。

光伏发电有望成为世界上最廉价的清洁电力来源,不过,降低成本、回收成本还需要一个过程,光伏发电的电价要与煤电持平,尚需时日。

(二)那么,光伏究竟怎么来发电?

硅基光伏发电,简单说就是构建了一个N型半导体和P型半导体——PN结,中间形成了一个W区,而且P区的洞穴和N区的电子向对方扩散形成了自建电场Ei。空穴又叫电洞,在固体物理学中是指共价键上流失一个电子,最后在共价键上留下了空位,你可以理解为“带正电”。

(光电效应示意图)

这个W区可以调节电势平衡、阻止刚刚说的扩散,同时又能吸引P区的电子和N区的洞穴,这时候带有电荷的物质微粒比较少,很难形成电流输出电能。但是当光照射到PN结时,光子与电子碰撞,就会加速上述的“吸引”过程,形成与内建电场Ei方向相反的光生电场Eph。

既然方向相反,那么这个光生电场一部分用来抵消内建电场,同时呢,也会在N区和P区之间的薄层产生光生电动势差,再通过连通外部电路,自然就产生了电流,输出电能。将众多这样小的太阳能光伏电池单元组合在一起构成光伏阵列,就会在太阳能作用下输出一定电压和电流电能。

(三)发展光伏产业,首先要攻克太阳能电池的难关

太阳能光伏发电显然是将太阳能转化成电能了,它是利用太阳能电池的光生伏打效应,直接把太阳辐射能,包括直接辐射、散射辐射、反射辐射等,转化为电能。

那么,要发展光伏产业,就必须能制造太阳能电池,而太阳电池可以分为薄膜太阳能电池和晶体硅太阳能电池两种,目前市场上的主流是晶体硅太阳能电池,90%的市场份额都是晶体硅太阳能电池占据。所以,要发展光伏产业,首先要解决的是制造晶体硅太阳能电池。

125单晶硅太阳能电池片

首先,要进行粗硅提炼。

由于粗硅的提纯类似于炼钢,是用焦煤还原石英砂,其化学反应方程式为:SiO2 + C = Si + CO2。这个过程虽然会有一定污染,但由于化学反应的产物是二氧化碳,对环境造成的污染也不至于像媒体炒作的那么吓人。

其次,是制造晶体硅。

在获得粗硅后要进行提纯,一般采用改良西门子法,或者采用国内自主研发的GCL法。GCL法是改良西门子法的进一步改进,主干工艺流程是基于改良西门子法的,但在一些关键环节进行了重新设计,相对于改良西门子法显著降低了单位能耗,这样一来,进一步削减了成本。

在通过上述两种方法制取高纯硅料后——通常纯度在99.9999%以上(6个9)。如果将高纯硅料熔化后直接浇铸成立方硅锭,就得到了多晶硅。如果将高纯熔化后通过提拉法获得单晶,就得到了单晶硅。

目前,由硅料浇铸成多晶硅锭,每公斤约需要消耗6度电;由硅料提拉成单晶硅,每公斤维需要消耗30度电。

也就是说,多晶硅材料的成本低于单晶硅材料。不过从性能角度看,因为单晶硅的内部缺陷较少,单晶硅太阳能电池的光电转化效率高于多晶硅太阳能电池,通常高两个百分点左右。性能好的成本高,不过两者都可以用于制造晶体硅太阳能电池。

(四)光伏发电是绿色能源,那污染源自哪里?

虽然光伏发电本身属于绿色能源,但硅基太阳能电池生产的能耗需要相对于全寿命期发电量具有显著效益,才能达到光伏发电的初衷,而中国在政府扶持下的长期光伏产业投入,通过规模效益降低成本和制造能耗,才让相关的效益得以产生。

再次,是降低对环境的污染。在多晶硅的生产过程中,往往要以氯化氢和冶金级工业硅为原料,制取三氯氢硅,再利用三氯氢硅进行氢还原,生产出多晶硅。因而会产生大量四氯化硅等有毒有害物质。

而要应对四氯化硅泄漏,办法是实现闭环生产。同时,先以四氯化硅一部分加氢形成TCS继续循环反应,剩下的有毒有害物质通过碱液中和,或者利用四氯化硅生产其他化学品。

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较大,会导致较严重的后果。

(五)产自西北戈壁荒漠的电要怎么“送出去”?

光伏并网发电原理图

最后,是光伏发电的储能和输送。在太阳能电池将太阳辐射的能量转变为电能之后,要做的就是将电能存储和输送出去。毕竟中国最适合部署光伏发电的是西北的戈壁荒漠地区,而当地地广人稀,对能源的消耗非常少,而长三角、珠三角等经济发达地区对能源消耗大,但这些经济发达地区寸土寸金,而且气候和地理条件的限制也不适合大规模部署光伏电站。这时候就需要超高压输电技术。

(六)这要是阴天了,光伏发电还能进行吗?

光伏发电实际应用中非常挑战的问题就在于并网,光伏发电受天气因素影响较大,对于电网的系统不稳定,尤其是规模较小的光伏发电,不能满足当地全部电力需求。由于光伏发电储能的技术障碍以及发电功率的波动,用户必须接入传统电网,因此用户需要承担的是光伏发电和传统电网接入的双重费用。

而工业用户对用电稳定有极高的要求,因此传统电网的容量依然必须覆盖全部用电需求,以保障任何极端情况下的用电需求,这更造成了光伏发电并不能减轻传统电网建设需求。所以,需要运用智能电网(Smart Grid)管理算法进行电力调度,才能显著让光伏发电产生效益和减轻传统电网建设需求。

太阳能电池方阵

(七)中国青海龙羊峡坝光伏电站

今年年初,美国NASA曾披露过通过卫星观测对比了中国青海龙羊峡坝光伏电站从2013年4月16日至2017年1月5日的建设对比。

2013年4月16日卫星图

2017年1月5日卫星图

龙羊峡坝光伏电站与相邻的龙羊峡水电站正好组成了“水光互补”的发电系统,并且集中建设便于发电精准预测以及并网管理。中国的光伏发电预测技术采用了综合算法,包含历史统计分析、人工智能判断、气象站/卫星观测数据链等内容。

太阳能清洁机器人

中国光伏产业,涉及到硅基光伏、有机半导体、智能电网、天气预测、信号处理算法、超级计算机等各项技术,不过要想使光伏发电成为家家户户的标配“电器”,恐怕尚需时日。