1、太阳能利用和新工业革命太阳能利用和新工业革命褚君浩中国科学院院士交流一下太阳能利用和新工业革命的问题。主要是三个方面：第一，引言；第二，光电能量转换和太阳能利用；第三，关于第三次工业革命。一、引言：全球能源和环境状况先是引言，当前认为人类地球面临有十个难题，其中能源与环境是四个难题中非常重要的两个方面，其他还有水、食物、贫困、恐怖主义战争、疾病、教育、民主等，但能源与环境是非常重要的两个方面。过去100年全球变暖，这个曲线很明显，原来都是平平的，但到1900年以后开始温度上升，二氧化碳上升，上升得非常快。能源与环境问题突显，全球可持续发展面临巨大压力，现在二氧化硫排放，我国属于世界第一，酸雨面
2、积已经超过国土面积的三分之一。二氧化硫与酸雨造成的经济损失达到GDP的2%，非常严重。雾霾大家都感受到了，马路上都是烧汽油的车子，这个情况还是比较严重的。2013年，全球二氧化碳排放总量是350.9亿吨，同比增长2.1%。中国的二氧化碳排放总量是95.2%亿吨，占世界排放总量27%。所以我们是全球二氧化碳排放最多的一个国家，那人均排放7吨，比世界人均5.5吨要高，但比美国要低，美国最厉害，美国人均排放18吨，所以中国跟美国比还是低的，跟世界全球来说，它是高的。第二个问题，化石能源越来越少，化石总要采尽用光的，根据现有的开采量和储存量，总只有几十年、一百年这样，但总会发现新的能源，这样一个情况下
3、，太阳能还是无穷无尽的，不断地可以用太阳能。所以现在要发展低碳技术，低碳技术解决能源环境问题，主要是三个方面，第一是减碳技术，第二是无碳技术，第三是去碳技术。发展低碳技术一般是指这三个方面，第一是减碳技术，是指节能减排，LED照明，这肯定是非常重要的。第二是无碳技术，包括核能、太阳能、风能，这都属于无碳技术。还有去碳技术，包括二氧化碳捕获与埋存。那光电科学技术在这里面还是一个非常重要的问题，一方面，它可以作为光电信息处理来解决智慧地球方面的一部分问题；另外一方面，光电能量转化，太阳能电池可以解决城市能源与环境一部分的问题，建设一个低碳地球。而这些方面的问题跟第三次工业革命是密切相关的。二、光电
4、能量转换与太阳能利用第二个问题，太阳能的转化与太阳能的利用。太阳能电池是一个半导体的P-N结，光打到P型材料以后激发出电子-空穴对，然后这个电子-空穴对在里边扩散到P-N结里面，就与内建电场分开了，然后就可以贡献于外电路里面去。所以这里面核心之处，一个是这个材料吸收光的时候的吸收系数比较大。第二，在产生的光生电子和载流子的迁移率要大，少数载流子的寿命要长，能够跑到P-N结里面去。第三，P-N结里的内建电场要大，能够把电子-空穴进行分割开。第四，分开了以后，它在材料里面，电子和空穴就负荷掉了，它不能贡献于外电路，所以这是几个关键的科学问题。所以，光伏发展是早就发现了，最早是由法国物理学家在189
5、3年发现了光生伏特效应，后来光伏这个术语，1949年也就出现了。第一块太阳能电池还是1883年就有了，使用于硒半导体上面，上一层极薄的金属层形成一个半导体金属结，效率只有1%。到了1930年照相机里面已经使用光电效应，曝光计了。到1946年开始有专利，1954年在硅里面掺了杂质，有了P型半导体、N型半导体，这时候太阳正式开始有前景了。所以1960年开始，人造卫星上去用太阳能电池。到了1973年以后，石油危机，大家考虑到太阳能电池将来在民生上会有用处。（一）太阳能利用若干问题和光伏产业现状太阳能利用的“太阳池”存在若干问题。现在这个问题有政策层面的问题、不稳定性的问题、成本的问题、自身能耗的问题
6、、排放问题、应用的方面、前景等，最近大家都考虑这方面的问题。太阳能辐照的资源还是非常丰富的，但这分布很不均匀。不同的地方是分布不均匀的，西部、中部分布都不均匀。另外，受自然气候影响比较严重，一年四季太阳辐射差别比较大，下雨、刮风都会变化，所以在传统的认识上，有的时候也称之为“垃圾电”，因为它的波动比较大。同时，跟用户消耗的时间也不匹配，白天太阳强的时候发电多，其他的时间，要到用的时候，它就没有发电。还有排放的问题，太阳能电池在工作的时候有没有排放。太阳能电池排放是非常低的，核能排放也很低，如碲化镉电池、多晶硅电池都排放很低，煤、石油、天然气相对来说排放比较高。还有能量回收问题，因为有人也提出过
7、问题，做太阳能电池也要消耗能量，那消耗的能量与发出来的电量能否进行相比？回收期是一到两年左右的时间，能量就回收了。它可以用25年，所以能量排放的问题是较低的。能量排放最低的是铜铟镓硒电池和非晶硅电池，不到一年，它的能量就回收了，今年用掉多少能量，它工作一年不到就能够进行能量的回收。另外一个问题是高成本，这个问题的确是一个比较严重的问题。它的成本，54%是组件，还有逆变器、管理成本等，加起来共50%左右。钱到底是多少？有一个地方做过，一亿一千七百六十万，做了四兆瓦的并列网络光伏发电站，这样算下来的成本，一瓦就十块钱，十块钱就全部包含在里头了，当然现在是八块钱，最低可以到七块几。如家里面要做五千瓦
8、的电站，本来要5万块，现在只要8块钱，只要4万块钱左右，家里可以做一个五千瓦的电站。现在价格还在不断地下跌，主要依靠其规模、创新、产业链、政策降低成本等，现在价格正在逐步地下降，转换效率正在一点点上升，现在的转换效率，高的可以接近20%。价格方面，一瓦降到一个美元左右，价格不断地降低。价格也有一个分析，在这张图上有几条曲线，一条是从左下到右上，这是传统的概念，还有几条线是从左下一直往下的概念。那我们可以看到有一个交点，这个淡黄色的交点是2015年到2016年，这期间的价格就要接近了，这是它的成本价。左上有好几条线，这是不同的电池，有晶体硅、多晶硅、铜铟镓硒电池、碲化镉电池等，2015年到201
9、6年，价格就会跟传统的成本会相平，因为传统的电的价格在上升。最近天合总裁高纪凡董事长，他在最近的一次会上有一个预言，这也是有他的根据的，他认为太阳能成本的价格在最近几年里面会降低一半，是这样一个情况，天科毕竟是一个非常大的企业。前一段时间非常地不景气，所以好多太阳能电池的工厂都亏本很厉害，有的关门了，最近这些情况又在恢复。上面一张的情况是某一家上市企业的股票情况，在不断地往上涨，从去年的秋天开始，是这样的一个情况。现在多晶硅的产量又开始上升了。下面一张图，红颜色是指中国的产量，约7万吨。到2013年达7.5万吨。2009年最低潮，只有2万吨，现在在一点点上升，而且是一个趋于稳定的情况。世界上多
10、晶硅的产量现在也在24万吨，中国的7.5万吨，中国要用掉15万吨左右，现在中国的多晶硅一半是自给自足的，还有一半是进口的，是这样一个情况。电池的组件，中国的产量还是世界第一，占到世界60%到70%，红色的是中国的产量，全球的产量是蓝色部分。从2009年开始，2010年2013年，每年的电池组件的产量还是在增加的。而且现在的工厂里的电池组件都卖光了，存货都没有了，前两年存货比较多，主要是因为“双反”，还有是我国自己来应用太阳能电池，没有很好地应用起来，市场应用跟不上产量的发展。装机容量现在也在增加，2013年中国装了8个G瓦，全球是35个G瓦。全球的装机容量在不断地增加，中国过去是应用的小国，产
11、量的大国，产量产出来的太阳能电池全部出口到外国，让外国人去发展节能减排。现在开始，我国逐步在国内也开始应有与发展了。装机容量，原来到“十二五”的终了，2015年，我们现在预测累计的装机容量是35个G瓦，这个数字一直在变，2011年的时候，认为2015年是10个G瓦。2012年后来又修改了，因为大家都感觉到这太落后了，2012年就修改到“十二五”结束为21个G瓦，到2013年2月份又修改了，认为这太保守了，所以2013年就修改到35个G瓦了。35个G瓦是什么概念？长江三角的电站有26台发电机组，后来又增加了6个，每一台是70万千瓦，它是22个G瓦。35个G瓦相当于比三家电站的发电总量都要多一点。
12、现在全球新增光伏容量也在不断地增加，新增的光伏容量，欧洲，最上面的那条曲线是全球的情况，在全球的范围内，欧洲还是对厉害的，再是美国，日本（绿色）少，接下来是中国，中国也是这么一段，最后一段是其他的，也在往上去。所以现在全球，欧洲、美国、中国都在增加。所以，现在光伏发电站总发电量的比重，这是全球的，到2050年要增加50%左右。而且现在的技术水平提高，2008年、2009年、2010年一直到2013年，效率在不断地提高，耗能在逐渐减少。现在的效率，如最上面蓝色的线的多晶硅，2013年多晶硅最高的效率达到19%，这都是工厂里出来的产品，不是指实验室的结果。所以，现在都是19%的效率，多晶硅现在也到
13、17.5%左右的转换效率。而且成本越来越低，一瓦多少美元的成本，现在都已经低于1块钱的成本。那装机成本现在也低了，现在这个装机成本，2008年的时候40块钱一瓦，到2011年的时候也要15块钱一瓦，2012年的时候就已经接近10块钱一瓦了，2013年10块钱一瓦，今年（2014年）是8块钱，一般说8块钱，总是有人会帮你装的。你说我家里要装一个小电站，一般8块钱，人家都会帮你装，包括电池、逆变器等都在里头，就这样一个价格。现在中国的光伏主要是硅电池，在世界上，在整个国家里，还是发展得比较好的一个产业。因为在世界上，组件最多的是英利、天合，都是通过的。2013年，全世界第一到第四名，排在第一、第二
14、，5.8个G瓦。电池片，我们有英利、晶澳、天合，有三家工厂都是全球排第一名、第二名、第三名，所以总的占到世界上15%的数量，这是2013年的结果。现在中国所有的工业里，我们屈指一算，硅太阳能电池工业在世界上，中国还算是非常先进的，其他的都还是比较落后的，但硅的太阳能电池，中国是比较先进的。现在他们也把中国的硅太阳能电池叫做“中国电池”，那他们现在的想法是要用第二代薄膜电池来赶上中国电池的这样一个趋势。（二）加强太阳能利用和发展光伏技术我们现在关键做两件事情，一个是加强太阳能利用，一个是发展光伏技术。现在全球太阳能资源还是很丰富的，中国每天一个平方米有多少太阳能能量可以下来？少的地方有3到4度电
15、的能量，多的地方有4到5度电的能量。拿荒漠总面积的10%出来，放上太阳能电池，只要10%的效率，就够我国一年用的电，这是2007年的水平来比，大概是这样一个水平，10%的太阳能电，现在的硅电池已经有18%、19%了，即使是硅电池上已经有灰尘，已经很脏了，效率大大降低，算它只有10%，只要拿出荒漠面积的10%，那国家一年的用电就可以供应了。现在可再生能源，2006年，可再生能源占7.6%，到2020年希望占15.5%，到2050年希望占26.4%，这个可再生能源里包括水、风能、太阳能、生物质能、地热能、光热、太阳能，都在里头，是这样一个情况，这个指标还是比较落后的。因为欧盟提出2050年100%
16、用可再生能源，美国提出来2050年80%用可再生能源，我们是26.4%，还比较落后，所以这个指标将来还会修改，随着现在对节能减排，对国际上的压力，还有我国技术水平的基础，这个水平还会修改。现在我国应用方面存在的问题是示范比较多，适用的问题还没有很好地解决。如世博会，当时是号称世界最大的屋顶。当然，后来世博会主题馆最大的屋顶也不是最大的了，最大的是虹桥枢纽。但这些都是示范，示范得很好，世博会、虹桥枢纽站的屋顶，节能减排多少，到真正用的时候就产生问题了。如屋顶，这是上海电力学院太阳能研究所赵春江，他在家里面做了一个屋顶，到2011年2月22号，因为电表没有两个方向，他把电送往里面去，但电表还是在转，数字还在不断地增加，所以到2011年2月22号，他把用不掉的电送到网里面去，数字反而增加，交了5000块钱，这是算到2011年，新民晚报头版登出来。那到了去年（2013年）4月份，我问他，现在的问题解决了吗？他说现在是有进步，但没有解决
