作者：李俊峰,等
出版社：机械工业出版社
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中国战略性新兴产业研究与发展·太阳能试读：
前言
从总体上看，21世纪世界能源的需求量仍将继续增长，但能源组成结构无疑将由石油主导型发展为多元共进型，可再生能源势必将扮演重要角色。太阳能是地球的能源之源，风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都来源于太阳。即使是地球上的化石燃料，从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。各国政府对太阳能这种地球上分布最广、资源最丰富的可再生能源高度重视，不断出台相应的政策鼓励太阳能产业的发展。2011年，全球新增光伏发电装机30.2GW，同比增长达到72%，累计装机量达到70GW；光热发电方面，全球新增装机450MW，同比增长35%，累计装机量达到1 760MW。
目前我国的主要能源仍来自于煤炭、石油为主的化石能源，这种单一的供给结构受国际市场价格影响非常大，近年来全球油价波动幅度加大、频率增快，对我国国民经济平稳发展有一定负面作用。我国已经取代美国成为全球第一大能源消费国，但能源结构高碳化和高度依赖进口的现实，决定了我国势必长期进行能源结构调整和促进新能源的开发，平衡能源结构的任务任重道远。我国政府发布的《可再生能源中长期发展规划》中也适时地提出，“到2020年，我国可再生能源消费量占能源消费总量的比重要达到20%”，太阳能作为主要的可再生能源之一，将是不可或缺的组成部分。
目前我国的太阳能利用主要包括光伏和光热部分，其中光伏发电已开始初具规模，产业链也逐渐成形。虽然遭遇了海外市场的围追堵截，但国内光伏电站的建设渐渐被投资者青睐，呈现快速上升势头。相比较于光伏电站建设的风起云涌，在过去相当长一段时间里，光热发电几乎是一个“被遗忘的角落”，转折出现在2011年，光热发电产业开始蓄势发力，其产业开始呈现欣欣向荣之势。
新能源的前途无疑是光明的，迎接这光明的到来还需要我们一起努力。我希望本书出版能够成为迎接太阳能时代的台阶，让更多的人了解并参与到中国太阳能产业发展中，共同为更清洁、更环保的未来作出贡献。2013年1月编写说明《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》确定了我国未来经济社会发展的战略重点和方向是战略性新兴产业，并且根据我国国情和科技、产业基础，又制定出现阶段重点发展节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车七大新兴产业。可见，未来5～10年七大战略性新兴产业将是国家重点支持、大力推广的产业。
为了使大家全面理解、准确把握、深刻领会国家这一战略决定的精神实质，了解其发展内涵，推动产业结构升级和经济发展方式转变，增强国际竞争优势，抢占新一轮经济和科技制高点，机械工业出版社在国家出版基金的支持下，组织各领域权威专家编写了一套《中国战略性新兴产业研究与发展》（以下简称《研究与发展》）图书。《研究与发展》以国家相关发展政策和规划为基础，借鉴国外相关产业发展的成功经验，对产业发展思路、发展目标、发展战略、发展重点、投资方向、政策建议等方面进行了全面、系统的研究；对前瞻性、基础性和目前产业上有瓶颈限制的问题提出了有针对性的对策。《研究与发展》采用分期分批的出版方式陆续出版发行，第一期出版的分册包括太阳能、风能、生物质能、智能电网、新能源汽车、轨道交通、工程机械、水电设备、农业机械、数控机床、轴承和齿轮。今后根据国家产业政策要求及各行业的发展情况还将陆续推出其他分册。
为了出版好《研究与发展》，机械工业出版社成立了《中国战略性新兴产业研究与发展》编委会，全国人大常委会路甬祥副委员长担任编委会主任。路甬祥副委员长对该套图书的编写高度重视，亲自参加编委研讨会，多次提出重要指导意见。他从图书的定位、内容选材、作者队伍建设和运作流程等方面都给予了全面和具体的指导，并提出了“六个特点”和“四性”的具体要求。
机械工业出版社还建立了完善的项目管理、编写组织、出版规范和网络支撑四个方面的工作体系来保证图书质量。各组编单位投入了大量的精力组织行业权威专家规划内容结构、研讨内容特色；参与图书编写的主创人员也不计报酬，自觉自愿地把自己的聪明才智和研究成果奉献给社会，奉献给国家。他们都担负着繁重的科研、教学、行业管理或生产任务，为了使此书能够早日与大家见面，他们不辞辛苦、加班加点。因为他们都有一个共同心愿——帮助企业快速成长，使中国由大变强。
在此，衷心地感谢为此项工作付出大量心血的组编单位、各位专家、各位撰稿人、编辑出版及工作人员！
尽管我们做了大量工作，付出了巨大努力，但仍难免有疏漏或错误之处，敬请读者批评指正！《中国战略性新兴产业研究与发展》编辑部2012年6月上篇太阳能光伏发电第1章 太阳能光伏发电概论1.1 太阳能的含义及特点
太阳是一个巨大、久远的能源，同时也是许多能源的来源。尽管26太阳辐射到地球大气层的功率仅为其总辐射功率（约3.75×10W）的22亿分之一，但已高达173 000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于燃烧500万t煤释放的热量。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都来源于太阳，即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。它的资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境没有任何污染。但太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低，二是其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量。这两大缺点限制了太阳能的有效利用。1.2 太阳能资源分布情况1.2.1 全球太阳能资源分布情况26
太阳向宇宙空间发射的辐射功率为3.75×10W的辐射值，其中22亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，23%被大气层吸收，47%到达地球表面，其功率为800 000亿kW。
全球人类目前每年能源消费的总和只相当于太阳在40min内照射到地球表面的能量。
根据国际太阳能热利用区域分类，全世界太阳能辐射强度和日照时间最佳的区域包括北非，中东地区，美国西南部和墨西哥，南欧，澳大利亚，南非，南美洲东、西海岸和中国西部地区等（见图1-1）。图1-1 世界太阳能资源分布图（1）北非地区 北非地区是世界太阳能辐射最强烈的地区之一。摩洛哥、阿尔及利亚、突尼斯、利比亚和埃及的太阳能热发电潜能很2大。阿尔及利亚的太阳年辐射总量为9 720MJ/m，技术开发量每年2约169 440TW·h。摩洛哥的太阳年辐射总量为9 360MJ/m，技术开发2量每年约20 151TW·h。埃及的太阳年辐射总量为10 080MJ/m，技术2开发量每年约73 656TW·h。太阳年辐射总量大于8 280MJ/m的国家还有突尼斯、利比亚等。阿尔及利亚沿海地区太阳年辐射总量为6 22120MJ/m，高地和撒哈拉地区太阳年辐射总量为6 840～9 540MJ/m。该国总土地的82%适用于太阳能热发电站的建设。2（2）南欧 南欧的太阳年辐射总量超过7 200MJ/m。这一区域包括葡萄牙、西班牙、意大利、希腊和土耳其等。西班牙的太阳年辐射2总量为8 100MJ/m，技术开发量每年约1 646TW·h。意大利的太阳年2辐射总量为7 200MJ/m，技术开发量每年约88TW·h。希腊的太阳年2辐射总量为6 840MJ/m，技术开发量每年约44TW·h。葡萄牙的太阳2年辐射总量为7 560MJ/m，技术开发量每年约436TW·h。土耳其的技术开发量每年约400TW·h。西班牙的南方地区是最适合于建设太阳能热发电站的地区之一。该国也是太阳能热发电技术水平最高、太阳能热发电站建设最多的国家之一。（3）中东地区 中东几乎所有地区的太阳能辐射能量都非常高。2以色列、约旦和沙特阿拉伯等国的太阳年辐射总量为8 640MJ/m。2阿拉伯联合酋长国的太阳年辐射总量为7 920MJ/m，技术开发量每2年约2 708TW·h。以色列的太阳年辐射总量为8 640MJ/m，技术开发2量每年约318TW·h。伊朗的太阳年辐射总量为7 920MJ/m，技术开发2量每年约20PW·h。约旦的太阳年辐射总量为9 720MJ/m，技术开发量每年约6 434TW·h。以色列的Negev沙漠覆盖了全国土地的一半，也是太阳能利用的最佳地区之一。以色列的太阳能热利用技术处于世界最高水平之列。我国第一座70kW塔式太阳能热发电站就是利用以色列技术建设的。（4）美国 美国也是世界太阳能资源最丰富的地区之一。根据美国239个观测站1961—1990年30年的统计数据，全国一类地区太阳年2辐射总量为9 198～10 512MJ/m。一类地区包括亚利桑那州和新墨西哥州的全部，加利福尼亚、内华达、犹他、科罗拉多和德克萨斯等州的南部，占总面积的9.36%。二类地区太阳年辐射总量为7 884～9 2198MJ/m，除了包括一类地区所列州的其余部分外，还包括怀俄明、堪萨斯、俄克拉荷马、佛罗里达、佐治亚和南卡罗来纳等州，占2总面积的35.67%。三类地区太阳年辐射总量为6 570～7 884MJ/m，包括美国北部和东部大部分地区，占总面积的41.81%。四类地区太2阳年辐射总量为5 256～6 570MJ/m，包括阿拉斯加州大部分地区，占总面积的9.94%。五类地区太阳年辐射总量为3 942～5 256MJ/2m，仅包括阿拉斯加州最北端的少部分地区，占总面积的3.22%。美国的外岛（如夏威夷等）均属于二类地区。美国的西南部地区全年平均温度较高，有一定的水源，冬季没有严寒，虽属丘陵地区，但地势平坦的区域也很多，只要避开大风地区，是非常好的太阳能热发电地区。（5）澳大利亚 澳大利亚的太阳能资源也很丰富。全国一类地区2太阳年辐射总量为7 621～8 672MJ/m，主要在澳大利亚北部地区，2占总面积的54.18%。二类地区太阳年辐射总量为6 570～7 621MJ/m，包括澳大利亚中部，占全国面积的35.44%。三类地区太阳年辐射总2量为5 389～6 570MJ/m，在澳大利亚南部地区，占全国面积的7.9%。2太阳年辐射总量低于6 570MJ/m的四类地区仅占2.48%。澳大利亚中部的广大地区人烟稀少，土地荒漠，适合于大规模的太阳能开发利用。1.2.2 我国太阳能资源分布情况
我国有十分丰富的太阳能资源，1971—2000年的30年平均太阳22年辐射总量为1 050～2 450kW·h/m，大于1 050kW·h/m的地区占国土面积的96%以上。我国陆地表面每年接受的太阳能辐射相当于17 000亿tce（吨标准煤，1tec=29.3GJ）。
根据各地接受太阳总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区，见表1-1。表1-1 我国太阳能资源分布情况
1.一类地区
一类地区为我国太阳能资源最丰富的地区，太阳年辐射总量为6 22680～8 400MJ/m，相当于日辐射量5.1～6.4kW·h/m。这些地区包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地。太阳能资源以西藏西部最为丰富，太阳年辐射总量最高达2 333kW·h/22m（日辐射量6.4kW·h/m），居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。
2.二类地区
二类地区为我国太阳能资源较丰富地区，太阳年辐射总量为5 22852～6 680MJ/m，相当于日辐射量4.5～5.1kW·h/m。这些地区包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。
3.三类地区
三类地区为我国太阳能资源中等地区，太阳年辐射总量为5 01622～5 852MJ/m，相当于日辐射量3.8～4.5kW·h/m。这些地区主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。
4.四类地区
四类地区是我国太阳能资源较差地区，太阳年辐射总量为4 18022～5 016MJ/m，相当于日辐射量3.2～3.8kW·h/m。这些地区包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏北部、安徽南部以及黑龙江、台湾东北部等地。
5.五类地区
五类地区主要包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最少的地2区，太阳年辐射总量为3 344～4 180MJ/m，相当于日辐射量2.5～23.2kW·h/m。2
从全国来看，绝大多数地区太阳年平均日辐射量在4kW·h/m以2上，西藏最高达7kW·h/m。全国太阳能资源储量为每年147亿GW·h，按照未利用面积计算，理论可开发量为40亿GW·h。按照土地利22用率（平均3m的面积可以安装1m的太阳电池）30%和10%的综合发电效率（太阳电池平均效率为14%，系统其他部分效率为72%），则可转换太阳能发电量为1.2亿GW·h。如果每千瓦太阳能装机每年发电1 200kW·h，则理论太阳能装机高达1 000亿kW，是我国2011年全国电力装机的100倍。
上述一、二、三类地区占全国总面积的2/3以上，年太阳辐射总2量高于5 000MJ/m，年日照时数大于2 000h，具有利用太阳能的良好条件。特别是一、二类地区，正是我国人口稀少、居住分散、交通不便的西北地区，经济发展较为落后，可以充分利用当地丰富的太阳能资源，采用太阳能发电技术，发展经济，提高人民生活水平。全国各省太阳能资源年储量及可开发量见表1-2。表1-2 全国各省太阳能资源年储量及可开发量（续）注：未利用面积为扣除耕地、森林、水体、部分城市、部分山地等后的国土面积，大约占总国土面积的25.8%。1.3 太阳能利用的基本方式
太阳能利用的基本方式有以下四大类。
1.光热利用
光热利用的基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前，使用最多的太阳能收集装置主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器三种。通常根据所能达到的温度和用途的不同，把太阳能光热利用分为低温利用（＜200℃）、中温利用（200～800℃）和高温利用（＞800℃）。目前，低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等，中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等，高温利用主要有高温太阳炉等。
2.太阳能发电
利用太阳能发电的方式有多种，目前已使用的主要有以下两种。
1）光—热—电转换，即太阳能光热发电，是利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为蒸汽，然后由蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电。前一过程为光—热转换，后一过程为热—电转换。
2）光—电转换，即太阳能光伏发电。其基本原理是利用内光电效应将太阳辐射能直接转换为电能。它的基本装置是太阳电池。太阳能光伏发电以太阳电池作为电源对外发电。
内光电效应为：当半导体的表面受到太阳光照射时，如果其中有些光子的能量大于或等于半导体的禁带宽度，就能使电子挣脱原子核的束缚，在半导体中产生大量的电子-空穴对，这种现象称为内光电效应（原子把电子打出金属的现象是外光电效应）。
太阳能光伏发电原理为：太阳光照在半导体PN结上，由于内光电效应形成新的空穴-电子对，在PN结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流。
3.光化学利用
光化学利用是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光—化学转换方式。
4.光生物利用
通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质能的过程，目前主要有速生植物（如薪炭林）、油料作物和藻类。1.4 开发利用太阳能的重要意义
能源是人类借以克服困难、维持生存的原动力，如太阳给人们光热，风吹动风车可以发电，燃烧汽油可用以推动汽车，使用煤气可以烹调、取暖。近50年来，世界经济的迅猛发展有赖于能源的大规模开发和利用。21世纪，随着可持续发展理念的日益深入人心，以及煤炭等常规能源直接燃烧所带来的负面效应（如大气污染、酸雨和温室效应等）的加剧，新能源和可再生能源越来越成为人们关注和研究的焦点。
可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用的能源，具有取之不尽、用之不竭的特点，主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。可再生能源对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。相对于可能穷尽的化石能源来说，可再生能源在自然界中可以循环再生。可再生能源属于能源开发利用过程中的一次能源。
新能源又称非常规能源，是指传统能源之外的各种能源形式，指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源。新能源的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部深处所产生的热能，包括太阳能、风能、生物质能、地热能、核能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。也可以说，新能源包括除水能以外的各种可再生能源和核能。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染和资源（特别是化石能源）枯竭具有重要意义。同时，由于很多新能源分布均匀，对于解决由能源引发的战争也有着重要意义。
新能源和可再生能源的关系如图1-2所示。图1-2 新能源和可再生能源的关系1.4.1 可再生能源利用是全球能源发展战略的必然
1.化石燃料正面临逐渐枯竭的危机局面
地球上化石燃料的蕴藏量是有限的，根据已探明的储量，全球石油可开采约45年，天然气约61年，煤炭约216年，铀约71年。据世界卫生组织估计，到2060年全球人口将达100亿～110亿人，如果到时所有人的能源消费量都达到今天发达国家的人均水平，则地球上主要的35种矿物中，将有1/3在40年内消耗殆尽，包括所有的石油、天然气、煤炭（假设为2万亿t）和铀。所以，世界化石燃料的供应正在面临严重短缺的危机局面。
中国的经济正在高速发展，能源消耗量也在迅速增加，根据国际能源署（IEA）的World Energy Outlook 2011的统计和预测，中国会巩固其作为世界最大能源消费国的地位，到2035年，中国的能源消费将比第二大能源消费国美国高出将近70%。虽然中国的能源资源总量比较丰富，目前能源产量居世界第二，但是由于人口众多，人均能源资源拥有量在世界上处于较低的水平，一次能源的储量低于世界平均值（见图1-3），能源供应形势不容乐观。
无论从世界还是从中国来看，化石能源都是很有限的。据欧盟委员会联合研究中心（JRC）的预测，全球化石能源的开采和消耗峰值在2030—2040年，之后由于资源的有限性开采，消耗值将会逐年下降，2000—2100年全球一次能源消费发展趋势见图1-4。因此，加紧开发、培育以太阳能为代表的可再生能源非常必要，并且十分紧迫。图1-3 世界和中国主要常规能源储量预测图1-4 2000—2100年全球一次能源消费发展趋势注：数据来源于欧洲JRC。
2.保护生态环境逐渐受到人们的重视
由于人类的能源消费活动主要是化石燃料的燃烧，造成了环境污染，导致全球气候变暖、冰山融化、海平面上升、沙漠化日益扩大等现象的出现，自然灾害频繁发生。人们逐渐认识到，减少温室气体的排放、治理大气环境、防止污染已经到了刻不容缓的地步。
2007年2月2日，会聚了来自130多个国家的2 500多名专家的联合国“政府间气候变化专门委员会”发表了第4份全球气候变化评估报告。这份报告综合了全世界科学家6年来的科学研究成果，报告称气候变暖已经是“毫无争议”的事实，过去50年全球平均气温上升“很可能”（指正确性在90%以上）与人类使用化石燃料产生的温室气体增加有关。报告预测，到2100年，全球气温将升高1.8～4℃，21世纪海平面将至少上升19～37cm，如果近年出现的北极冰层大量融化的趋势继续发展，则海平面最多将升高28～58cm，有不少海岛和沿海城市将沉入海底。
据World Energy Outlook的统计和预测，世界CO排放量到20302年将是1990年的2倍多，而我国CO排放总量已经超过美国成为世界2第一位。而且我国的能源利用率不高，能源消费以燃煤为主，所排放的SO等有害气体也给环境造成了很大的压力。2
因此，发展新能源和可再生能源对于保证能源安全和保护生态环境都具有重要意义，是全球能源发展战略的必然。1.4.2 太阳能光伏发电将成为未来主要的能源利用方式
国际上普遍认为，在长期的能源战略中，太阳能光伏发电在众多可再生能源中具有更重要的地位。这是因为光伏发电具有清洁性、安全性、广泛性、长寿命和免维护性、实用性、资源的充足性及潜在的经济性等优点。太阳辐射到地面的功率高达800 000亿kW，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1210kW·h，相当于目前世界上能耗的40倍。同时，太阳能光伏发电具有节能减排的属性，1座兆瓦级电站年发电量可达180万kW·h，在25年寿命期内总产出4 500万kW·h的电，累计可节约标准煤17 794t，减排CO46 264t。2
据欧洲光伏工业协会（EPIA）预测，至2050年，光伏发电将会满足世界上21%的电力需求。另据欧洲JRC预测，到2050年，太阳能光伏发电将占全部发电量的25%，到2100年达到64%，见表1-3。太阳能将成为未来能源结构的主导。表1-3 可再生能源在能源结构中的比例注：数据来源于欧洲JRC。1.4.3 太阳能对我国的重要性
1.能源需求增长迅速
随着能源需求的快速增长，我国能源供给面临诸多挑战。目前，我国已是世界第一煤炭生产与消费国，第一大电力生产和消费国，第二能源生产与消费国，第二石油消费国。从2000年开始，我国能源消费年均增长速度接近10%，是1980—2000年期间年均增速的两倍。2006年，国家开始实施降低GDP能源消费强度的措施，提出了2010年单位GDP的能源消费比2005年降低20%，并付诸行动。虽然政府提出的目标基本实现，但是能源消费总量仍持续增加，2010年能源消费总量为32亿t标准煤，比2005年增加了10亿t标准煤，已经超过了国内外多家机构对我国2020年能源需求的预测值。未来相当长的时期内，我国仍将采取快速平稳的发展政策，《国民经济和社会发展第十二个五年发展规划纲要》提出，“十二五”期间GDP增速为7%，预计今后相当长的时期内，能源消费总量仍会持续增加。如果不从现在起就采取积极、有效的措施解决能源需求问题，并实现能源供应的低碳化、清洁化，那么能源、环境问题将会制约我国经济、社会的可持续发展，由此国家把构建安全、稳定、经济和清洁的能源供应体系放在十分重要的位置。
2.能源供应形势严峻
与其他化石能源资源相比，我国的煤炭资源相对丰富，但由于其开发受到赋存条件、水资源条件、生态环境、安全因素以及运输条件和环境容量等多方面的限制，能被有效开发利用的煤炭资源量明显不足。我国油气资源较为贫乏，根据中国工程院的预测分析，我国石油产量在2020年将达到最大值约2亿t，2030年和2050年将分别减少到1.8亿t和1.4亿t，2030年以后我国石油进口依存度达到70%以上。我33国天然气需求从2006年的超过500亿m增加到2030年的3 000亿m，预计到2015年，我国天然气消费中有30%需要进口，2030年有50%以上的天然气需要进口。
从1993年开始，我国成为石油进口国，“十一五”期间平均每年增长5 000万t，依存度超过50%，石油供给的贸易依赖已经成为不可改变的事实；从2009年开始我国成为煤炭净进口国，2012年煤炭的净进口量达到2.5亿t；天然气在我国一次能源中的比重只有4.5%，32012年天然气进口超过425亿m。估计在今后相当长的时间，我国的煤炭、石油、天然气和铀资源对外依赖程度将会持续增加。
能源安全问题凸现，单纯依靠化石能源难以实现经济、社会和环境的协调发展。许多国家都把能源对外依存度高低作为对能源安全风险控制的重要指标，美国虽为超级大国，也一直为降低能源对外依存度而努力，通过发展可再生能源，开发页岩气和近海油气资源来降低对外依存度。我国必须考虑提高可再生能源比例，满足日益增长的能源需求，这种转变既是自身发展的需要，也是作为世界能源大国的责任。
3.应对气候变化与温室气体减排压力
据国际能源署（IEA）预测：由于中国强劲的经济增长，发电行业以及工业对煤炭的严重依赖，中国CO排放总量在2004—2030年2期间会增加一倍多。中国作为CO头号排放国，已经在气候变化谈判2过程中受到来自其他国家，特别是美国和欧盟的巨大压力，要求中国承担更多的排放大国的减排责任。IEA估计的全球CO排放趋势如图21-5所示。图1-5 IEA估计的全球CO排放趋势2注：资料来源于世界能源展望2006，IEA。① OECD是经济合作与发展组织的外文简称。
虽然气候变化谈判没有就量化目标达成一致，发达国家对进一步的减排指标并不积极，但是坎昆气候变化谈判最终使各国在应对气候变化问题上达成了共识。按照京都议定书和公约进行双轨谈判制，虽然未来的谈判之路还很漫长，对中国来说，控制能源消费、发展低碳能源既是自身转变发展方式，实现可持续发展的需要，也是对国际社会负责任大国的表现。在“十二五”和未来更长的时间，我国将动员全社会的力量，实现降低碳强度目标。
按照现在我国的发展目标，到2020年GDP翻两番，能源消耗翻一番，15%非化石能源比例，温室气体的排放至少增长60%～70%。目前，我国的温室气体排放超过80亿t，占全球温室气体排放的23%，如果再增长60%～70%，将会达到130亿～150亿t，占世界温室气体排放的40%左右。面对减排的国际压力，我国必须采取严格的措施控制CO排放，一定要下决心大力发展可再生能源等低碳能源。21.5 太阳能光伏发电的特点1.5.1 太阳能光伏发电的优点
太阳能光伏发电的主要优点如下：
1）太阳能取之不尽，用之不竭，地球表面接受的太阳辐射能足够满足目前全球能源需求的1万倍。只要在全球4%的沙漠上安装太阳能光伏发电系统，所发电力就可以满足全球的需要。太阳能光伏发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。
2）太阳能随处可得，可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路的损失。
3）太阳能不用燃料，运行成本很低。
4）太阳能光伏发电没有运动部件，不易损坏，维护简单，特别适合于无人值守情况下使用。
5）太阳能光伏发电不产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源。
6）太阳能光伏发电系统建设周期短，方便灵活，而且可以根据负载的增加，任意添加或减少太阳电池方阵容量，避免了浪费。1.5.2 太阳能光伏发电的缺点
太阳能光伏发电的主要缺点如下：
1）地面应用时有间歇性和随机性，发电量与气候条件有关，在晚上或阴雨天就不能或很少发电。
2）能量密度较低，标准条件下地面上接收到的太阳辐射强度为21 000W/m。大规模使用时，需要占用较大面积。
3）目前价格仍较贵，为常规发电的2～5倍，初始投资高。第2章 全球太阳能光伏发电技术、产业发展现状与趋势2.1 全球太阳能光伏发电技术发展现状与趋势
太阳能光伏发电产业链从上游到下游包括多晶硅原料生产、硅棒/硅锭生产及硅片制造、太阳电池制造、组件生产，如图2-1所示。下面主要介绍多晶硅制备技术与太阳电池制备技术的发展情况。图2-1 多晶硅太阳电池产业链2.1.1 多晶硅制备技术
目前，多晶硅的制备方法已发展出多种经典工艺，主要包括西门子法、硅烷法、改良西门子法、流化床法、Komatsu法，以及后期开发的冶金法、气液沉积法、区域熔炼提纯法、碳热还原反应法和铝热还原法等。但在工业应用中，却只有改良西门子法、硅烷法、流化床法获得了商业应用，它们统称为化学法，尤以改良西门子法为甚。目前，世界上75%以上的多晶硅生产均采用改良西门子法，主要厂家有国外的海姆洛克（Hemlock）、瓦克化学（Wacker）、德山（Tokuya-ma）、REC、MEMC以及国内的四川新光硅业科技有限责任公司、洛阳中硅高科技有限公司、重庆大全新能源有限公司等。多晶硅纯度一般使用几个9来衡量，如半导体行业用电子级多晶硅纯度一般要求在99.999 999 9%（9N，即9个9）以上。光伏所需的太阳能级多晶硅虽然远不及半导体行业需要的纯度高，但其纯度一般要达到99.999 9%（6N，即6个9）以上。
1.改良西门子法
改良西门子法主要包括五个环节：SiHCl的合成、精馏提纯3SiHCl、SiHCl的氢还原、尾气回收和SiCl的氢化分离，如图2-2所334示。SiHCl的合成在沸腾炉中进行，生成的SiHCl含量在85%左右，33同时产物中还伴随有SiCl及杂质氯化物，利用各种氯化物挥发性的4差别，精馏制得高纯SiHCl。最后将高纯SiHCl和高纯H按一定的比332例导入钟罩型还原炉内，在硅芯发热体上还原沉积得硅多晶棒。生产过程中的副产物通过循环系统回收利用。多晶硅生产比较关注的问题有：还原能耗、综合能耗、回收利用率和产品质量等。目前世界上80%以上的多晶硅生产使用改良西门子法。图2-2 改良西门子法工艺生产流程
改良西门子法除了较为标准的主流程外，近年来在一些工序上又演变了一些新的技术，如瓦克化学公司将高纯多晶硅粉置于加热的流化床，通入中间化合物SiHCl和高纯H，使生成的多晶硅沉积在硅粉32上，生产太阳电池用颗粒多晶硅。又如德山公司，在加热的垂直高纯石墨管中通入SiHCl和高纯H，形成硅液滴，凝固成高纯多晶硅，即32所谓的气液沉积技术。
现在一些新建的采用改良西门子法的多晶硅工厂，均在工艺技术、生产设备、设计资源等方面进行了创新，使之形成更有效、更优化的系统集成技术。
系统集成程度、提纯能力、还原炉、副产物的综合回收以及能源等技术问题决定了多晶硅产品的质量和工厂作业成本。
2.硅烷法
硅烷（SiH）法是先以四氯化硅氢化法、硅合金分解法、氢化物4还原法、硅直接氢化法等制取硅烷，然后将制得的硅烷提纯后再热分解以制得高纯硅。其主要由三个基本步骤组成：硅烷的制备、硅烷的提纯和硅烷热分解。在硅烷法中，因硅烷制备方法不同，又可分为日本Komatsu发明的硅化镁法、美国Union Carbide发明的歧化法、美国MEMC采用的NaAlH与SiF反应方法等。目前，世界上有一些公司44（如MEMC）的多晶硅生产使用该方法。
硅烷热分解法有如下优点：
1）分解过程不加还原剂，可以得到超高纯太阳能级多晶硅。
2）在硅烷合成过程中，就已有效地去除了金属和非金属杂质。
3）硅烷分解温度一般为800～900℃，由高温挥发或扩散引入的杂质远低于其他方法。
4）硅烷分解转化率高达99%，副产物少，没有腐蚀性，从而避免了对设备的腐蚀。
硅烷法最大的问题是烷气易燃易爆，整个吸附系统以及分解室都必须高度密封，若操作不当就会引发重大事故。
3.冶金法
冶金法由于是利用材料的物理特性不同来去除冶金硅中的杂质，不需要复杂的化学反应，所以装备相对比较简单，杂质纯度大概在5N～6N的水平，基本满足太阳能级多晶硅的需求。冶金法主要有分凝法、真空高温蒸发法、真空氧化除杂法、造渣除杂法、酸浸除杂法、电解高纯二氧化硅和高纯试剂二氧化硅法等。物理冶金法具有投资少、能耗小、生产成本低等优点，目前主要还在试验生产阶段，量产的企业还比较少。-6
物理法提纯的太阳能级多晶硅中B和P的含量分别小于0.3×10和-6-610× 10，其他杂质的含量低于0.1×10，只能满足太阳能级多晶硅的制备。若采用化学法，提纯后的太阳能级多晶硅中B和P的含量减-9-9-9小到低于0.05×10和0.15×10，其他杂质的含量可以小于1.0×10，可以满足电子级、太阳能级多晶硅制备的要求。2.1.2 太阳电池制备技术
太阳电池是太阳能光伏发电技术的核心器件，提高太阳电池的光电转换效率和降低其生产成本是现阶段实现光伏发电向替代能源甚至主力能源过渡的主要途径和主攻目标，太阳能光伏发电的发展历史就是太阳电池的发展史。1839年，Becquerel把两个涂敷卤化银的金属电极浸在稀酸溶液中，发现当光照电极时会产生额外的电动势，此现象被他称为“光生伏打效应”。1877年，W.G.Adams研究了硒的光伏效应，并制作第一片硒太阳电池。1940年，Russel Ohl发现了硅材料的光伏效应。1954年，Chapin、Fuller和Pearson首次制成了实用的单晶硅太阳电池，当时的效率为6%，成为光伏发展史上的一个里程碑，标志着光伏发电的实际应用真正开始迈步。同年，韦克尔发现了GaAs也有光伏效应，并在玻璃上沉积CdS薄膜，制成第一块薄膜太阳电池。1957年，硅太阳电池的光电转换效率达到8%，1958年太阳电池首次在空间应用，装备在美国先锋1号卫星上。1995年，太阳电池的转换效率实现奇迹般飞跃，高效聚光GaAs太阳电池效率达到32%，高于以往任何水平。1996年以来，世界光伏发电高速发展，应用范围越来越广，尤其是各国有关太阳能光伏屋顶计划的提出，为光伏发电展现了无限光明的未来。按照材料的不同，可以把太阳电池分为三类，如图2-3所示。各类太阳电池的光电转换效率变化情况如图2-4所示。图2-3 已经商业化的太阳电池分类图2-4各类太阳电池光电转换效率变化情况注：数据来源于美国国家可再生能源实验室（NREL）。
1.晶硅太阳电池
晶硅太阳电池是以硅为基底材料，并有一定厚度的太阳电池。晶硅太阳电池是最常用和成熟的技术，目前的市场份额为80%，其电池片转换效率一般为14%～22%。晶硅太阳电池组件的效率约比电池片效率低2个百分点，目前其效率约12%～19%。单块太阳电池片边长为1～15cm，但是最常用的电池规格为125mm×125mm或者156mm×156mm，发电功率约3～4.5W，标准的晶硅组件是由60～72个太阳电池制成的，根据其效率和大小的不同，发电量为120～300W。而典22型的组件面积为1.96～2.89m，6.25m的大型组件也能制造。这些组件一般用于光伏建筑一体化（BIPV）。
晶硅太阳电池分为常规电池与特殊结构电池。而常规电池又分为单晶硅电池和多晶硅电池。单晶硅和多晶硅的区别是，当熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面，如在力学性质、电学性质等方面，多晶硅均不如单晶硅。多晶硅可作为拉制单晶硅的原料。（1）单晶硅太阳电池 单晶硅太阳电池是采用单晶硅片来制造的太阳电池，这类太阳电池发展最早，技术也最为成熟。与其他种类的电池相比，单晶硅太阳电池的性能稳定，转换效率高，目前规模化生产的商品电池效率已达17%～19%。由于技术的进步，价格也从最初的每瓦1 000多美元不断下降。到2010年已经降到平均3 .7美元/W，曾经长时期占领最大的市场份额。由于生产成本比较高，年产量在1998年后已被多晶硅电池超过。不过在以后的若干年内，单晶硅太阳电池仍会继续发展，通过大规模生产和向超薄、高效发展，有望进一步降低成本，保持较高的市场份额。图2-5所示为单晶硅太阳电池组件。（2）多晶硅太阳电池 在制作多晶硅太阳电池时，作为原料的高纯硅不是拉成单晶，而是熔化后浇铸成正方形的硅锭，然后使用切割机切成薄片，再加工成电池。由于硅片是由多个不同大小、不同取向的晶粒构成的，因而多晶硅电池的转换效率要比单晶硅电池低，规模化生产的商品多晶硅电池转换效率已达到15%～17%。图2-6所示为多晶硅太阳电池组件。
近年来，新推出了一种“准单晶”技术，通过铸锭的方法，铸锭中的多晶晶粒取向控制在垂直方向上，并将晶粒尺寸做大，这样多晶硅电池的效率可以接近单晶硅电池。例如，德国ScottSolar公司在2011年推出的准单晶组件效率超过18%，德国Q-Cells公司推出的多晶硅电池片效率达到18.8%，我国晶澳太阳能有限公司（以下简称晶澳）等多家电池企业也有报道其多晶硅电池转换效率在18%以上，小批量生产的准单晶电池效率已经在17.5%以上。总体而言，由于多晶硅电池所需的硅片铸锭工艺简单、能耗少、价格便宜，但转化效率并未比单晶硅电池低多少，因此多晶硅电池近些年来得到了大规模应用，目前在国际光伏市场上占有的份额已经超过了单晶硅太阳电池。据德国Wacker公司统计，2010年多晶硅电池产量已经占据全部电池的58%，占据晶硅电池的68%。
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