今年光伏到底有多火?“双碳”背景下,光伏行业迎来历史性机遇,已成为今年的热门赛道之一,暴雷房企蓝光发展、卖玩具的沐邦高科、生产特种玻璃的金刚玻璃、还有养猪大户正邦科技等蜂拥光伏赛道,都想要进来分一杯羹。

那么,什么是光伏呢?

太阳光电系统,也称为光生伏特,简称光伏(Photovoltaics;字源“photo-”光,“voltaics”伏特),是指利用光伏半导体材料的光生伏打效应而将太阳能转化为直流电能的设施。光伏设施的核心是太阳能电池板。目前,用来发电的半导体材料主要有:单晶硅、多晶硅、非晶硅及碲化镉等。

我国的碳排放主要来源于电力行业,尤其是火电,烧煤烧炭是民众所熟知的发电方式。近些年,在能源转型过程中,风电、光电也逐渐走上舞台。尤其是光伏发电,已经居于C位,从世界追赶者变成领跑者。

光伏发电,即太阳能发电,通过太阳光照射在太阳能电池材料上,直接将光能转化为电能,从而产生电流,也叫光生伏特效应。这里的太阳能电池材料是最主要的介质,是吸收太阳光照的半导体。在太阳能电池产品中最常用的元素就是硅,因为硅具有储量大、稳定性高、提纯技术成熟的优点。目前市场上最常见的材料就是单晶硅和多晶硅,当然也有其它材料,但成熟性和经济价值相对较低。就这两种电池材料而言,单晶硅成本高一些,但转换率更好,多晶硅反之。

再回到发用电过程,通过电池板转换出的电流是直流电,而我们日常生产生活中用到的是交流电。这就好像,你饿了需要吃饭,现在有了一堆生米,需要煮熟。这时候就需要用到一个叫做逆变器的东西,将直流电逆变成交流电。也就是将生米变成熟米,这样才可以吃。这之后,还需要一个容器,将一颗颗米粒盛到一起。在光伏发电里,也有这样一个部件,叫做汇流箱,将交流电汇集到一起,就可以用电了。

所以从发电原理和过程来看,其实非常简单。只要有太阳的地方就能发电,而且是取之不尽、用之不竭的可再生能源。在发电过程中,不产生噪音,不污染环境,关键是也不产生危害人体的辐射。环保、低碳又安全,因此光伏自带主角光环不是没有原因的。

“光伏”的诞生

1839年,时年仅19岁的法国科学家A.E.贝克雷尔在他父亲的实验室中,缓慢地将两片铂金属电极插入到氯化银酸性溶液中。他不知道的是,光伏世界的大门,正随着这一场“错误”的实验慢慢大开。在测量在这些电极之间流动的电流时,他发现,光线中的电流略大于黑暗中的电流;他将这种现象被命名为为光生伏特效应。他不曾料到的是,他在这场实验中观测到的小小的光电流,会在百年之后为人类的能源利用带来重大变革。为了纪念他的发现,光生伏特效应也称“贝克雷尔效应”。

在贝克雷尔的实验沉寂了37年之后,英国科学家威廉·格里尔斯·亚当斯和他的学生理查德·埃文斯·戴发现硒在光线下会产生电能。虽然硒无法为当时使用的电子元件提供需要的电能,但这证明了固体金属可以直接将光转换为电能。

1883年,美国科学家查尔斯·弗里茨在锗片上镀上一层硒金属电极,建立了第一块光伏电池。虽然它的转换效率只有1%,而且成本极高,但是弗里茨雄心勃勃的说:“它连续地、稳定地输出电能,不仅仅能在日光下,还能利用散射光,甚至是昏暗的灯光…我们也许很快就能看到光伏板与燃煤发电厂的竞争”。

可惜的是,他的预言没有成真。他曾把一块光伏电池寄给当时与爱迪生齐名的西门子,后者对他的发明予以盛赞。西门子认为光电技术在科学上有深远的意义,当时的物理学大牛麦克斯韦也表示赞同,他曾因提出著名的“麦克斯韦方程组”名震物理学。从这时起,许多科学家才开始对光电效应进行基础研究。不过,不论是西门子还是麦克斯韦,都没能破解光伏背后的秘密。

1907年,爱因斯坦提供了基于他1905年的光子量子假设的光电效应的理论解释。为此,他于1921年获得了诺贝尔物理学奖。1912年至1916年,美国实验物理学家罗伯特·安德鲁斯·米利肯通过实验证实了爱因斯坦对光电效应的猜想,并在1923年获得了诺贝尔物理学奖。有了理论的坚实支撑,光伏的发展开始进入快车道。

1916年,波兰化学家扬·柴可拉斯基发现了提纯单晶硅的拉晶工艺,并以他的名字命名为柴可拉斯基法。这项技术直到20世纪50年代才开始实际应用于半导体制造业中晶圆的制造,随着对大规模半导体器件需求的增大,这种工艺也在不断发展。

历史的车轮又向前推进了将近20年,1934年,科学家们开始了对薄膜太阳能电池的研究,并设想通过太阳能电池创造能源自给系统。实验数据显示,通过在材料中掺杂金属杂质可以提高发电效率。

1940年,美国半导体专家拉塞尔·奥尔制造出了固态二极管的基本结构p-n结,这为太阳能电池的发明和制造奠定了坚实的基础,极大地推进了光伏发电向工业领域的进发。

1953年,美国物理学家达里尔·查賓,杰拉尔德·皮尔森和化学家卡尔文·绍瑟·福勒制造出晶体硅太阳能电池,每个大约2厘米大小,生产效率约为4%。从此,太阳能电池逐渐走向工业领域。

光伏在中国

中国的太阳能产业经历了三个不同的阶段。在初期阶段,中国一直专注于大规模生产太阳能技术。随后,中国开始在国内应用太阳能技术。与此同时,中国正在将其研究扩展到开发以降低其成本。

中国光伏技术的发展始于1958年,在20世纪80年代首次实现工业化。在2000年代进入世界太阳能市场时,中国最初几乎只生产用于出口的太阳能组件。自2004年以来欧洲国家对光伏系统的需求强劲增长,中国的光伏生产经历了非常强劲的增长。中国的大规模生产以及随后光伏市场的价格下降导致西方生产商无法与价格竞争相抗衡。在德国,许多制造商不得不申请破产,包括Solar Millennium和Q-Cells。西门子于2012年解散其太阳能光热和光伏部门,此前不久,博世退出光伏市场,损失总计24亿欧元。2013年起,中国成为世界最大的光伏市场。

最初,光伏系统的高成本阻碍了中国国内市场的增长。光伏系统的内部市场主要集中在孤立的农村地区的电气化,仅限于少数太阳能装置。中国第一个太阳能公园在甘肃的沙漠地区,于2008年并网发电。

在全球金融危机之后,许多政府大幅削减对太阳能的补贴,中国的太阳能产业面临着产能过剩的问题。出于这个原因,政府开始通过激励措施来加强内部市场的发展,以缓解中国太阳能产业的危机。此外,自2011年以来,中国生产商的优势因美国和欧盟的反倾销措施而进一步削弱,因此政府补贴进一步加强,以减少对外国市场的依赖。截至2010年底,中国国内太阳能装机容量为800兆瓦,而在2016年底已达到76500兆瓦。由此可以看出,中国在过去的10 年内建立了比德国更多的太阳能系统。

2017年,中国能源部门投资865亿美元用于太阳能,这比前一年增加了58%,远高于其余类型的可再生能源的投资量。2017年中国安装了总容量为53千兆瓦的太阳能系统,占世界装机容量的一半以上。其中最大的太阳能项目是江西省扶贫工厂,计划产量为540兆瓦,投资额约为6.53亿美元。

目前在中国,太阳能光伏发电主要分成两类,一种是集中式,常见于西北开阔地区的大型地面光伏发电系统;另一种是分布式(以6WM为界),例如民居屋顶光伏发电系统、太阳能路灯、工商企业楼顶光伏发电系统等。

中国太阳能技术的发展和光伏市场的迅速扩大与国家政策密不可分。

中国光伏行业协会理事长曹仁贤在“2022年光伏产业链供应论坛”上表示,近年来,在产业政策引导和市场需求的双轮驱动下,我国光伏产业实现了飞跃式发展,已经成为我国为数不多可参与国际竞争并取得领先优势的战略性新兴产业,也是我国产业经济发展的一张崭新名片和推动我国能源变革的重要引擎。

目前我国已经形成了从工业硅、高纯硅材料、硅锭/硅棒/硅片、电池片/组件、逆变器、光伏辅材辅料、光伏生产设备到系统集成和光伏产品应用等全球最完整的产业链,并且在各主要环节均形成了一批世界级的龙头企业。中国光伏产业链具备显著的效率、成本和上下游配套健全等优势,海外市场对中国光伏供应链有较强依赖,中国光伏企业持续主导全球产业供应格局。

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