【小科普】太阳能 – 发展历程与现状

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【小科普】太阳能 – 发展历程与现状

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发展历程

据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。

在1615年至1900年之间，世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，采用光热转换发动机功率不大，工质主要是水蒸汽，价格昂贵，实用价值不大，大部分为太阳能爱好者个人研究制造。

在1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）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“光生伏特效应”，是太阳能光伏技术的物理基础。

20世纪的100年间，太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段。

第一阶段（1900~1920年），世界上太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置，但采用的聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64kW，实用目的比较明确，造价仍然很高。

第二阶段（1920~1945年），太阳能研究工作处于低潮，与矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战有关。

第三阶段（1945~1965年），在第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少，呼吁人们重视这一问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展，并且成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会，再次兴起太阳能研究热潮。

在这一阶段，太阳能研究工作取得一些重大进展，例如：1945年，美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，为光伏发电大规模应用奠定了基础；1955年，以色列泰伯等在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论，并研制成实用的黑镍等选择性涂层，为高效集热器的发展创造了条件。此外,平板集热器有了很大的发展，技术上逐渐成熟。太阳能吸收式空调的研究取得进展，建成一批实验性太阳房。对难度较大的斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术进行了初步研究。

第四阶段（1965~1973年），太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。

第五阶段（1973~1980年），上世纪七十年代世界发生了“能源危机”（有的称“石油危机”）,在客观上使人们认识到：现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持。

这一时期，太阳能开发利用工作处于前所未有的大发展时期，开发利用太阳能成为政府行为，支持力度大大加强，不少国家制定了近期和远期阳光计划，例如美国1973年的“阳光计划”等。国际间的合作十分活跃，一些第三世界国家开始积极参与太阳能开发利用工作。此外研究领域不断扩大，研究工作日益深入，取得一批较大成果，如CPC、真空集热管、非晶硅太阳电池、光解水制氢、太阳能热发电等。

然而，各国制定的太阳能发展计划，普遍存在要求过高、过急问题，对实施过程中的困难估计不足，希望在较短的时间内取代矿物能源，实现大规模利用太阳能。

在市场方面，太阳热水器、太阳电池等产品开始实现商业化，太阳能产业初步建立，但规模较小，经济效益尚不理想。这主要受制于技术运用及科研水平。

第六阶段（1980~1992年），开发利用太阳能热潮进入80年代后不久逐渐进入低谷。世界上许多国家相继大幅度削减太阳能研究经费，其中美国最为突出。导致这种现象的主要原因是：世界石油价格大幅度回落；太阳能技术没有重大突破，提高效率和降低成本的目标没有实现，缺乏竞争力；核电发展较快，对太阳能的发展起到了一定的抑制作用。

这一阶段，虽然太阳能开发研究经费大幅度削减，但研究工作并未中断，有的项目还进展较大，而且促使人们认真地去审视以往的计划和制定的目标，调整研究工作重点，争取以较少的投入取得较大的成果。

第七阶段（1992年~21世纪初），由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。在这样背景下，1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，把环境与发展纳入统一的框架，确立了可持续发展的模式。此后，世界太阳能利用又进入一个发展期，其特点是：

太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合，全球共同行动，为实现世界太阳能发展战略而努力；太阳能发展目标明确，重点突出，措施得力，有利于克服以往忽冷忽热、过热过急的弊端，保证太阳能事业的长期发展；在加大太阳能研究开发力度的同时，加速商业化进程，扩大太阳能利用领域和规模，经济效益逐渐提高；国际太阳能领域的合作空前活跃，规模扩大，效果明显。这一阶段光伏发电快速发展，美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家。1997年又提出“百万屋顶”计划。日本、德国、瑞士、法国等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。

通过以上回顾可知，太阳能利用的发展历程与煤、石油、核能完全不同，人们对其认识差别大，反复多，发展时间长。这一方面说明太阳能开发难度大，短时间内很难实现大规模利用；另一方面也说明太阳能利用还受矿物能源供应，政治和战争等因素的影响，发展道路比较曲折。尽管如此，从总体来看，20世纪取得的太阳能科技进步仍比以往任何一个世纪都快。

发展现状

进入二十一世纪以来，太阳能行业发展非常快，许多国家投入大量研发经费推进光伏的转换效率，给与制造企业财政补贴，使得太阳能发电制造企业，在材料技术上不断创新，效率不断增长，成本不断下降。同时很多国家都认同政策支持对太阳能发展的重要性，通过上网电价补贴政策以及可再生能源比例标准等政策极大地促进了太阳能在各国的广泛应用。

2.1太阳能光伏

全球市场现状与预测

尽管太阳能光伏发电在目前只占到全球总发电量的1%，2000年以来，太阳能光伏在全世界上百个国家投入使用，发电量增长十分迅猛。2014年太阳能全球装机量达到至少40GW，比上年装机量增长3GW，全球总量累计达到178GW，与2000年相比，短短14年间增长了100倍。

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（图片来源: Top Solar Power Industry Trends for 2015 by IHS）

2014年太阳能光伏新装机量前三名的国家依然是中国日本和美国，分别为13.1GW 9.4GW和6.9GW，并且根据各方预测这三个市场还将保持较强的增长势头。在欧洲方面，欧洲在2014年总的装机量约为7GW，与美国相当，首次由英国领先，随后是德国意大利法国等。实际上2014年对欧洲是一个重要的转折年份，新能源（太阳能风能水能等总合）的发电量首次超过核能，光伏发电量累计已达到89GW。在装机量连续下跌三年后，由于2014年新政策的出台，SolarPower Europe的预计此后的几年应该不会有大幅度的进一步下降，反而可能有所回升。其他的一些新兴市场也值得注意，如印度南非智利等。

根据SolarPower Europe的预计，太阳能光伏发电还将持续高速发展，在2020年之前将会达到540GW的累计总装机量。

技术创新

太阳能电池作为太阳能光伏的核心组件，其成本和效率一直是影响太阳能光伏应用的重要技术因素。目前市场上大量产的单晶与多晶硅的太阳电池平均效率约在15%上下，也就是说，这样的太阳电池只能将入射太阳光能转换成15%可用电能，其余的85%都转换成了无法利用的热能。第二代薄膜电池尽管有较高的可塑性易于建筑界和，但也有转换效率低的缺点。

超高效率的太阳电池（第三代太阳电池）的技术发展，除了运用新颖的元件结构设计，来尝试突破其物理限制外，也尝试新材料的引进，以达成大幅增加转换效率的目的，例如染料敏化电池灯。另外，也有许多后续的封装技术和光学技术，例如聚光型太阳能电池，透过光学的方式将太阳光聚集于太阳能面板上，而此类型的太阳能电池必须能承受高温环境。

此外，太阳能电池除了硬件成本外，还有安装、管理、资金等软成本，许多国家在非硬件成本上都有很大的降价空间。可以预测随着使用材料、技术上的不断进步，以及制造产业的发展成熟，光伏系统的价格将变得更加低廉。

应用趋势

太阳能光伏发电系统夜间无法发电，且易受云层移动干扰，具有较难预测的其间断性和不稳定性。但由于太阳能电池的发电尖峰通常接近电力使用尖峰，因此要到较高的安装量才会造成问题。目前太阳能光伏的发展趋势是从相对简单的单向系统，即大型光伏电站通过电网传输分配给用户，转变到多向连接用户与混合式小型分布式电站的。一方面提高供电端的稳定性和连续性，通过太阳能与风能、天然气、水力发电等互补，或研发高效能的电池技术以储存太阳能，例如蓄电池、飞轮储能、压缩空气等，另一方面使用数据分析更好的预测优化供需平衡。

另外一方面光伏产业有向聚光光伏（Concentrated Photovoltaic Voltaire，简称CPV发展的趋势）

中国市场

长期作为太阳能电板最大的生产商，中国的太阳能电板企业以获得大量政府低息贷款，迅速扩展国际业务而备受争议，中国庞大的太阳能电板产量极大地拉低了这一商品的全球价格。中国太阳能企业实际上也备受其害。在2012年经历“双反”风波后，目前，中国正在转变策略，大量购买自己生产的太阳能电板。根据中国国家能源局的信息，仅2014年，中国大约三分之一的太阳能电板被用于建设中国国内的太阳能发电厂。

2.2太阳热能

全球市场现状与预测

采用太阳能热发电技术，于光伏发电相比，其兼容性很强，更有利于电力系统的稳定，在发展新能源上有强大的优势。

实际上聚光太阳能发电厂的商业部署从1984年在美国兴建太阳能发电系统（SEGS）开始，直到1990年建成。从1991年到2006年，没有CSP发电厂在世界任何地方被建造。

2004-2013全球聚光太阳能容量

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（图片来源：Renewable 2014 Global Status Report by REN21 ）

截至目前，西班牙和美国仍是聚光太阳能热发电的全球领先者，同时安装CSP的国家数量在不断增加。对于具有高太阳辐射的发展中国家和地区存在显著趋势。自2008年以来，全球光热发电开始提速。根据最新统计，截至2014年底，全球累计光热发电装机容量达到4533GW。

从美国到欧洲，都将太阳能热发电作为未来替代能源的关键候选之一。根据美国加州的计划，到2030年，新能源发电容量中太阳能热发电与光伏发电的比例为4比1。

2009年7月启动的“欧洲沙漠行动”，堪称可再生能源领域最具雄心的计划。计划在未来十年内投资4000亿欧元，在中东及北非地区建立一系列并网的太阳能热发电站，来满足欧洲15％的电力需求。

中国也已经将太阳能热发电作为重要的战略性新兴产业，不断出台扶持政策。2012年3月，科技部印发的《太阳能发电科技发展“十二五”转型规划》就提出：在十二五期间，太阳能热发电要具备建立100MW级太阳能热发电站的设计能力和成套装备供应能力。此后，国家能源局也很快提出，要在2015年底太阳能热发电装机达到1000MW。此后，国家发改委和国务院也先后发文，将太阳能热发电作为能源科技创新战略方向。

可以看到随着技术发展和管理水平的提高，太阳能光热发电成本不断下降，在各国政策的大力支持下，太阳能光热发电将进一步在全球范围内高速发展，与光伏发电相互补充，成为能源结构中重要的一部分。国际能源署(IEA)曾预测，到2050年，太阳能光热发电可满足全球电力总需求的11%，新兴经济体光热发电市场的表现更为抢眼，万亿元的产业正在形成。

技术与应用趋势

太阳能热发电机组可以根据电网用电负荷的需求，快速调节汽轮发电机组的出力，即参与电网一次调频和二次调频；通过配置足够容量的储热系统，机组可实现24小时连续运行。稳定的电力输出和良好的调节性能，适于集中大规模建设太阳能发电基地，可作为电力系统中的主力机组，替代燃煤机组调节电力系统中风电场造成的发电出力与用电负荷的不平衡，实现太阳能发电和风力发电的稳定外送。

全球范围来看，已建成的光热发电站以槽式电站为主，塔式电站市场份额继续增长，线性菲涅尔式技术和蝶式技术仍处于商业化应用的前期。随着技术进步，塔式发电技术凭借其高效率，将继续加快发展。另外，熔盐蓄热技术已在太阳能热发电中得到广泛应用。

目前光热发电电价成本高于光伏发电水平，但光热发电成本的下降空间很大，未来可以低于光伏发电。

中国市场

目前整个光热产业市场的持续性、增长速度都没达到成熟产业的程度，但整体成井喷式增长，已进入产业化初期。中国目前还处于光热发电技术试验阶段，其发展和市场渗透却比预期慢，主要原因是暂时缺乏相关政策的支持，包括技术政策、价格政策、科技创新政策等，尤其是上网电价政策。

尽管如此，中国的太阳能热电正逐步走向前台，2010年至2014年，中国启动了各种技术路线的光热发电试验回路和小规模电站示范工程建设。截至2014年底，已建成实验示范性太阳能光热发电站（系统）6座，装机规模约13.8GW。国家能源局已基本确定光热发电产业发展的进度表，即2014-2016年通过示范电价政策扶持完成一批商业化示范项目建设，2017年进入大规模开发建设阶段。目前在建的甘肃阿克塞50MW项目，将通过国际合作共同建设，取得经验消化再吸收后逐步扩大国产化比例。这一示范项目也将为中国的太阳能热发电电站的建设和运营提供经验。

与此同时，随着国家能源系统从体制改革到审批下放的改革正在推进，太阳能热发电无疑将加速推进。光热示范项目的评审工作已于2015年11月中旬结束，评审牵头机构水电水利规划设计总院已将评审结果提交给国家能源局新能源司，国家能源局和发改委价格司协商确定示范项目电价。

日前，国内的新能源投资项目也层出不穷，产业资本高度关注能源革命下的新能源技术发展，太阳能热发电无疑将成为继光伏发电之后的又一个投资风口。

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