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光伏革命：新能源革命的“主打歌”

為什么法國的農場主愿意投資2 000萬歐元建造太陽能發(fā)電大棚？為什么“滬上太陽能屋頂發(fā)電第一人”趙春江愿意等待7年，最終將自己發(fā)的剩余電力并入國家電網？
　　“太陽能，量無限，面無邊，照無時，蓋無偏，取無價，用無染。”在第三次工業(yè)革命中，光伏將是可再生能源的最佳選擇。光伏技術經過三代的發(fā)展之后，目前大規(guī)模發(fā)展的三大條件已經具備。

好戲正在上演

2008年，在法國東部的孚日山脈，一家原本以種植、養(yǎng)殖為主的農場吸引了其他農民和不少投資者的目光—這家農場的主人韋斯特法爾在自家的5座大棚屋頂上建造起了面積達3.6萬平方米、裝機容量達4.5MW的巨型太陽能發(fā)電裝置。
　　韋斯特法爾的工程預算為2 000萬歐元，完工后可為4 000戶家庭供電，有望實現年創(chuàng)收200萬歐元。由于獲得了法國人民銀行集團和農業(yè)信貸銀行的貸款，他又與政府簽訂了20年的供電合同。韋斯特法爾的創(chuàng)收新途徑讓其他農場主羨慕不已。據臺灣《聯合報》2009年2月25日報道，由于農作物價格下跌、農業(yè)成本上漲，2008年法國農場的平均收入下跌了15%。
　　在中國，這樣的故事也時有發(fā)生。2012年12月26日，青島市的徐鵬飛實現了自建家用分布式光伏系統的想法，裝機總容量為2KW，并網電壓為380/220V，采用電量自發(fā)自用、余量上網方式并入電網。這套2KW的光伏系統總投資僅2萬多元，在并網的當天就發(fā)電8.5度，一年發(fā)電量預計超過3 000度。
　　對比徐鵬飛，上海電力學院太陽能研究所所長、“滬上太陽能屋頂發(fā)電第一人”趙春江的勝利顯得來之不易。從2006年年底開始，趙春江自掏腰包建起了家庭式太陽能屋頂電站，連續(xù)運行近7年，日均發(fā)電近9度，除供家庭用電外，剩余的1/3電量一直無法并入國家電網。2013年7月的最后一天，趙春江終于迎來了上海市南電力公司的工作人員，并與之簽訂了購電協議：自給自足后的余電上傳至電網，電力部門暫時按照0.477元/度的電價進行收購。
　　泰興市農民張長旗花2萬元在自家屋頂建成了一個小型光伏發(fā)電站，可滿足2~4戶的家庭用電，并向泰州供電公司提交了并入國家電網的申請。
　　武漢市居民高松自建由18塊太陽能電池板組成的小型電站，目前已正式并網發(fā)電，預計一年能節(jié)約電費近2 000元。
　　這樣的例子會越來越多，家庭電站在國內不再是能源孤島。
　　這種故事也許會進一步驗證可再生能源的未來商業(yè)模式。正如杰里米·里夫金所說，“第三次工業(yè)革命”的第二個經濟支柱就是，將世界上每個大洲的建筑都轉化為微型發(fā)電廠，以便就地收集可再生能源。

“發(fā)跡”于石油危機

繼第一次工業(yè)革命用煤炭替代木柴、第二次工業(yè)革命用石油替代煤炭之后，在已經降臨的第三次工業(yè)革命中，必然會有一種新能源來替代石油。
　　所謂“新能源革命”，不能理解為“新”的“能源革命”，更確切的理解應該是“新能源”的“革命”。必須引入“新能源”的概念，這樣才不會出現偏差。抓住這個實質，我們對第三次工業(yè)革命的認識和理解才算到位，否則，說得再多也還是不得要領。
　　那么，替代石油的主角會是誰呢？
　　太陽能是可再生能源中最具優(yōu)勢的選擇。為了說明太陽能的好處，我編了幾句順口溜：“太陽能，量無限，面無邊，照無時，蓋無偏，取無價，用無染。”
　　首先，從能量的角度看，太陽普照大地，不同種族、不同國籍、不同宗教的人都能夠沐浴在太陽光之中。每秒鐘到達地面的太陽能相當于燃燒500萬噸煤釋放的熱量。這意味著只需一個小時，到達地球的太陽能就能為地球提供一年所需的能量。其次，從“無污染”的角度看，在各種新能源中，太陽能的優(yōu)勢非常明顯。更重要的是，太陽能沒有安全隱患，不存在分布不均衡的問題，而且不受其他資源的制約。所以，無論是從自然稟賦來看，還是從實際利用來看，新能源的代表者和主體、替代化石能源的主力軍只能是太陽能。
　　和任何一種新能源一樣，太陽能的利用也經歷了一個頗為漫長的過程。這個過程也是受石油興衰刺激的過程，其發(fā)展因石油價格下跌而停滯，因石油價格上漲而加速。
　　人類利用太陽能的歷史已經有3 000多年，而人類將太陽能視為一種能源和動力的歷史只有300多年。1615年，法國工程師所羅門·德·考克斯發(fā)明了世界上第一臺由太陽能驅動的發(fā)動機。其工作原理是，采用聚光方式采集陽光，利用太陽能加熱空氣使其膨脹做功來抽水。
　　太陽能利用取得突破性進展則集中在20世紀以后。1900~1945年，太陽能的研究進展緩慢，主要是因為化石燃料大量開發(fā)，石油廉價且豐富；在“二戰(zhàn)”結束后的20年里，有識之士覺察到石油與天然氣的消耗量劇增，存量有枯竭之勢，于是呼吁推動太陽能研究。而此時，光伏發(fā)電大規(guī)模應用的基礎—實用型硅太陽能電池于1945年由美國貝爾實驗室研制成功；10年后，伊斯雷爾·塔爾沃特等人在第一次國際太陽熱科學會議上提出選擇性涂層的基礎理論，并研制出實用的黑鎳等選擇性涂層，為高效集熱器的發(fā)展創(chuàng)造了條件。
　　太陽能利用在1973年的石油危機之后才真正得到重視。石油輸出國組織采取減產、提價等辦法支持中東人民以斗爭維護本國利益，這使得依靠從中東地區(qū)大量進口廉價石油的國家的經濟遭到重創(chuàng)。這使各國意識到，石油已成為左右經濟發(fā)展甚至決定一個國家生死存亡的關鍵因素，而且是一個極其不穩(wěn)定的因素，現有的能源結構必須改變。
　　從那時起，人們才真正將太陽能視為“近期急需的補充能源”、“未來能源結構的基礎”，太陽能研究與發(fā)展由此進入快車道。
　　1973 年，美國制訂了聯邦級的陽光發(fā)電計劃，大幅提高太陽能研究經費，并且成立太陽能開發(fā)銀行，促進太陽能產品的商業(yè)化。1974年，日本公布了政府制訂的“陽光計劃”，其中，太陽能的研究開發(fā)項目包括太陽房、工業(yè)太陽能系統、太陽熱發(fā)電、太陽電池生產系統、分散型和大型光伏發(fā)電系統等。在我國，“全國第一次太陽能利用工作經驗交流大會” 于1975年在河南安陽召開，推動了太陽能事業(yè)的發(fā)展。這段時間，CPC（復合拋物面聚光器）、真空集熱管、非晶硅太陽能電池、光解水制氫技術、太陽能熱發(fā)電等紛紛研制成功。
　　不過，在1980~1992年，太陽能熱潮再度遇冷，原因是石油價格大幅回落，而太陽能產品的價格居高不下，技術上也沒有重大突破。直到1992年聯合國在巴西召開“世界環(huán)境與發(fā)展大會”，并通過了《里約熱內盧環(huán)境與發(fā)展宣言》、《21世紀議程》和《聯合國氣候變化框架公約》等一系列重要文件，確立了可持續(xù)發(fā)展的模式，并將環(huán)境與發(fā)展納入統一的框架，太陽能才再度受到高度重視。
　　1996年，聯合國在津巴布韋召開“世界太陽能高峰會議”，會上討論了《世界太陽能10年行動計劃》（1996~2005年）、《國際太陽能公約》、《世界太陽能戰(zhàn)略規(guī)劃》等重要文件，會后發(fā)表了《哈拉雷太陽能與持續(xù)發(fā)展宣言》。這次會議進一步表明了聯合國和世界各國開發(fā)太陽能的堅定決心，要求全球共同行動，廣泛利用太陽能。

三大條件已具備

進入21世紀，太陽能時代終于到來。雖然太陽不會一直照耀，我們現在也無法完全收集并充分利用太陽光，但人類已經掌握的技術完全可以實現合理成本下的太陽能應用。
　　現階段，太陽能的利用方式主要有兩種。一種是利用太陽能輻射所產生的熱能發(fā)電，即“光熱模式”，簡稱“光熱”。光熱發(fā)電的基本原理是，使用匯聚的太陽光將集熱器中的介質（液體或氣體）加熱，然后將熱能轉化為機械能，再將機械能轉化為電能的一種發(fā)電方式。
　　另外一種形式是“光電模式”，全稱是太陽能光伏發(fā)電系統，簡稱“光伏”（PV）。這是一種利用太陽能電池半導體材料的光伏效應，將太陽光輻射能直接轉換為電能的一種新型發(fā)電系統。其中，單塊太陽能光伏電池的發(fā)電量較少，但將很多電池串聯或并聯起來就可以組成能夠輸出較大功率的太陽能電池方陣。
　　光熱發(fā)電與光伏發(fā)電各有優(yōu)劣。光熱發(fā)電目前面臨的主要問題是，其成本必須借助于規(guī)模效應才能迅速下降。這種規(guī)模效應決定了光熱發(fā)電將主要應用于大規(guī)模的發(fā)電站建設，其能量可儲存的優(yōu)勢和類似火電的發(fā)電原理使得電網更能接受其電量。但是光熱發(fā)電還存在因遠距離傳輸而引起能源損耗的缺點，這使得光熱發(fā)電與傳統能源相比，競爭力不強。
　　光伏發(fā)電的規(guī)模限制相對較小，更適用于小型發(fā)電站和分布式電站，例如在沒有大量空地可建設大規(guī)模太陽能發(fā)電站的地方，就可以依附于建筑建設離網或并網的光伏發(fā)電系統。
　　在中國乃至全球太陽能發(fā)電市場越來越大的背景下，這兩種技術路線都有其市場。但從里夫金對第三次工業(yè)革命的描述來看，光伏發(fā)電無疑更適合未來的能源獨立式、分散式生產。
　　光伏發(fā)電的全部光電轉化都已經被完整地包含在一個模塊當中，功能獨立，因此非常適合分散式發(fā)電。光伏發(fā)電的集中式發(fā)電也是基于對數目眾多的太陽能電池模塊的疊加效應，是對單塊電池的拼裝和連接。
　　當然，光伏若要實現大規(guī)模應用，需要三個基本因素：轉化效率，平價上網和儲存。目前這些因素都已具備。
　　轉化效率的核心技術指標是“光電轉化率”，即單位光能通過光伏電池轉化為電能的比率。光電轉化率不僅是技術指標，而且在很大程度上決定著光伏利用的經濟指標。轉化率越高，單位電能的生產成本就越低，光伏發(fā)電的利用也就越廣泛。
　　自1969年法國第一個太陽能電站建成以來，光伏發(fā)電的推進并沒有像人們理想中的那樣迅速，原因就是在相當長時間內都受到轉化率低、成本高的制約。一提及光伏，有些人立刻就會產生“成本高”的反應。
　　但是，事物是不斷變化的。人們往往高估了1~2年的變化，而低估5~10年的變化，這樣根本沒法看清事物發(fā)展的趨勢。一兩年的變化還處在量變狀態(tài)，5~10年量變的累積則可能發(fā)生質變，摩爾定律正在光伏產業(yè)上演。
　　10年前，光電轉化率大約在10%以下。那時，人們認為超過10%、達到11%~12%就相當了不起了，這個跨越需要很長時間。但實際情況很快就超出了這個預期，目前薄膜光電轉化率已經達到17%以上，而且提升的速度還在加快。過去，轉化率每提升1%至少需要兩年時間，但現在情況完全不同了。MiaSole公司在2012年5月到2012年9月不足5個月的時間里，就把轉化率從13.4%提升到了15.5%。目前，研發(fā)轉化率最高已達17.6%。
　　光伏大規(guī)模應用的上網條件也成熟了很多。逆變器生產已經成為光伏產業(yè)的重要組成部分。逆變器可以把光伏發(fā)出的直流電轉換為交流電，技術難關已經突破。把現在的“統一發(fā)電，統一供電”的電網改造成“自發(fā)自用，多余上網”的分布式電站，從技術上講早已不是問題，而光伏從業(yè)者思考的更多的是商業(yè)模式和政策問題。
　　與此同時，智能電網時代可能即將來臨。所謂的智能電網就是電網的智能化，也被稱為“電網2.0”，它是建立在集成的、高速雙向通信網絡的基礎之上，通過先進的傳感和測量技術、設備技術、控制方法以及決策支持系統技術的應用，實現電網可靠、安全、經濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標。
　　歐洲在2005年建立了“未來電網歐洲技術聯盟”，其目的就是研究如何把電網轉換成一個用戶和運營者互動的服務網，以提高歐洲輸配電系統的效率、安全性和可靠性，并為分布式和可再生能源大規(guī)模整合掃除障礙。2009年，智能電表首先在德、法、意、西等國得到應用。歐盟還有一個超級智能電網計劃，其目標是把高壓輸電和智能電網結合起來。
　　就儲存條件而言，目前也已經不是什么難題。由于太陽能發(fā)電具有波動性（白天陽光充足，發(fā)電量大；夜間沒有陽光，不能發(fā)電），這就需要使用儲電電池把電能儲存起來，調節(jié)波動。現在，小容量的儲電電池已經得到廣泛應用，而且還在不斷改進。太陽能城市照明、電動汽車使用的電池都已經投入實際應用。家庭小型太陽能電站所需的儲電設備也不存在什么障礙。雖然眼下可重復使用的大容量儲能技術還沒有突破性進展，但這并不會從根本上影響光電上網。
　　目前，電網最大的調峰是白天用電量大和夜間用電量小之間的調峰。工業(yè)企業(yè)大多是白天用電，其太陽能電站的發(fā)電高峰正好與用電高峰重合，這就自然地減輕了儲能壓力，同時降低了使用外電的比重，實際上也有助于電網緩解調峰壓力。
　　從長遠看，電力儲存不僅能夠更好地解決電力系統的“調峰”問題，還可以更好地解決電能移動利用的問題。這不僅是光伏產業(yè)的課題，也是整個電力產業(yè)和科學技術界的課題，需要全社會一起努力攻關。
　　杰里米·里夫金指出的第三次工業(yè)革命五大經濟支柱的第三點，即在每一棟建筑物以及基礎設施中使用氫和其他存儲技術，以存儲間歇式能源，在未來是完全可以實現的。

三代技術已來臨

如果說新能源革命的核心是光伏革命，那么光伏革命的核心就是太陽能光伏發(fā)電技術的廣泛應用。
　　除上述優(yōu)勢外，太陽能還有一個技術優(yōu)勢，即太陽能發(fā)電技術已趨于成熟，太陽能的發(fā)電成本已迅速逼近傳統電能的發(fā)電成本。
　　太陽能光伏產業(yè)是最具發(fā)展前景的清潔能源產業(yè)， 薄膜化、柔性化是全球太陽能發(fā)展的總趨勢和方向。我認為，0.5元/度的光伏發(fā)電成本可謂是新能源發(fā)展的里程碑。因為火電發(fā)電成本（包括環(huán)境成本）已超過0.5元/度，而且還在不斷上升，所以，新能源，特別是以太陽能為代表的新能源大規(guī)模替代傳統能源的時代已經來臨。
　　太陽能光伏發(fā)電技術主要體現在太陽能電池方面。這種電池又叫作“太陽能芯片”或“光伏電池”，是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導體薄片。它只要被太陽光照射到，瞬間就可輸出電流。
　　1883年，光伏電池被美國發(fā)明家查爾斯·弗里茨首次制備成功。他的方法是在硒表面鍍上薄薄的一層金，這種電池的最高光電效率還不到1%。然而，在短短幾十年時間里，太陽能電池技術已歷經三代：從第一代硅基板、第二代薄膜到第三代復合薄膜材料，技術早已不可同日而語。
　　值得一提的是薄膜電池。它最大的優(yōu)勢在于成本，在面積相同的情況下，晶體硅太陽能電池的厚度是0.2毫米左右，而薄膜電池的厚度只有它的1%，材料用量節(jié)約至極，在硅原料的使用上，薄膜電池的單位成本要遠遠低于晶硅電池的單位成本。
　　如今，太陽能電池的切片已經達到0.1毫米量級，而薄膜電池的研發(fā)轉化率最高已經達到18.7%，單晶硅市場上已有轉化率為19%~20%的電池片，多晶硅市場也有轉化率達到18%左右的電池片。
　　如今，由于新技術以及規(guī)模經濟等因素的影響，光伏發(fā)電成本以每年8%左右的速度下降，越發(fā)受到各國重視。這也與世界各國都在實施“上網電價補貼”政策有關。
　　隨著光伏發(fā)電技術的廣泛應用、國家政策的支持，當數以萬計的小型光伏能源生產者被納入智能電網，這就意味著里夫金所說的新能源與新技術的融合已經實現，全新的社會變革也會由此開始。

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