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太阳能电池太阳能日照多晶硅技术有瓶颈 太阳能发电短期难大用

太阳能是最大的无污染可再生能源,它取之不尽,用之不竭,是今后人类能源利用的重点。但目前太阳能发电只占可再生能源5‰,居四大可再生能源的末位。这主要在于生产太阳能电池多晶硅的改良西门子法耗电量太大,而正在探索中的冶金物理法技术尚不成熟。这需要我国科技工作者加快研发步伐,以期在研制太阳能电池方面取得突破性进展。

  太阳能基地电能输送是难题

  太阳能是无污染的巨大能源。太阳每秒照射到地球上的能量相当于500亿吨煤,比目前全人类的能耗量还大3.5万倍。太阳内部的核聚变可以维持几百亿年,相对于人类的有限生存时间而言,太阳能可以说是取之不尽,用之不竭。地球所接收的太阳能功率平均每平方米为1367瓦,但是地理位置不同造成我国东西部地区接收到的能量差异很大,同一地区同一日内不同时刻接收到的能量也不一样。

  我国2/3的领土上年日照时间不小于2000小时。在我国西藏地区年日照时间可达2900~3400小时,年总辐射量达700~840kJ/cm2。

  西藏、青海、新疆地区总面积为358万平方公里,日照充足,地广人稀,具有大规模建设太阳能发电基地的良好条件。1平方公里约可以安装100MW太阳能电池,如果利用1%的面积,则可安装3.58万个100MW太阳能电池。

  按年平均日照时间3000小时计,再考虑到一日内不同时刻接收到的能量差异,它们的年平均发电能力相当于全国水力发电的23倍,相当于全国火力发电的3.8倍,完全可以满足到2020年全国电力的需求。

  青藏铁路所经过的550公里高原冻土地带,也正处在融化之中。如果在550公里的沿线两侧各30公里内都安装太阳能电池,则可获得3万平方公里的太阳能生产基地,该基地所产生的电能可供给到2020年全国的需求。

  如何将太阳能电池所产生的低压直流电输送到中西部地区,按照常规的方法是将低压直流电变成高压交流电,并建立高压输电线输送出去。但是,交流高压输电线的长度一般在500公里左右,即使是采用100kV的直流输电线,其传输距离也在1000公里左右,要将青藏线太阳能基地的电能输送到中东部地区几乎是不可能的。

  改良的西门子法耗电量过大

  国家发展和改革委员会副主任陈德铭表示,今后一个时期,我国可再生能源发展的重点是水能、生物质能、风能和太阳能。国家将加快可再生能源电力建设步伐,到2020年建成水力发电3亿kW,风力发电3000万kW,生物质能发电3000万kW,太阳能发电180万kW。

  太阳能发电能够利用太阳如此丰富的能量,为什么在规划的四种可再生能源发展重点中坠入可有可无的地位呢?这主要在于生产太阳能电池的多晶硅技术尚不成熟。

  目前生产多晶硅的企业一般都采用改良的西门子法。使用该方法1kW的太阳能电池约需10kg的多晶硅,需要消耗电能5800~6000度,耗电量是巨大的。即使电池能够稳定使用20年,太阳能电池的电能再生比也不到8,这是比较低的。

  更何况太阳能电池板安装在户外,风沙、雨水、环境污染都会伤害电池板,影响太阳能发电系统的寿命。其半衰期尚不得而知,实际使用的太阳能发电系统是否能以开始时的高效率工作20年,目前还没有任何保障。

  目前,有的公司提出要建成年产1.5万吨的多晶硅基地,其耗电量将大于一个100万kW火力发电站一年的发电总量,耗煤量将近300万吨,约为萍乡煤矿每年产煤量的一半,并且每年产生1100万吨CO2,对环境造成极大污染。

  其实,改进的西门子法存在很大的缺陷,生产设备复杂,效率较低,而且投资巨大。目前德国自身利用其保密的西门子法,仅仅从高纯的SiHCl3生成1kg的多晶硅,就需耗电150度。目前德国正在研究如何将150度的能耗降至80~90度。即使成功,也不能从根本上改变生产多晶硅耗电量大的致命缺陷。

  冶金物理法尚不成熟

  为了降低能耗,目前国内外都在积极探索利用冶金物理法来生产太阳能级多晶硅。目前我国有企业和研究单位合作提出了“三步法”生产太阳能级多晶硅材料的方法。

  所谓“三步法”,第一步是利用硅石和炭在最佳的温度下形成高纯度的碳化硅;第二步是利用自蔓延高压高温引爆技术,排出碳和其他夹杂的稀有金属,形成雾状气体排出,得到高纯度的硅;第三步是利用混合气体助燃,引爆表面化的硼和磷,可以得到99.9999%的高纯硅。

  不过这并不能保证过滤后残余的硼和磷是否小于1ppm。三步法并没有形成多晶硅的工艺流程,这种方法仅仅制造出高纯金属硅,而不是多晶硅。

  太阳能是给予人类取之不尽用之不竭的绿色能源,光伏电池的核心是由多晶硅制成的PIN结光电变换器。光电子科技工作者一定要千方百计攻克难关,在研制太阳能电池方面取得突破性进展。

(来源:中国电子报)


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