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- 2005-7-23
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人类即将迎接太阳能时代
摘要：推荐一个极重要的科学研究方向——“价廉物美的定日镜+高转化率的聚光光伏电池+高效廉价散热供热系统+安全长寿高效价廉的锂离子储能电池”
最近，中国科学技术大学陈应天教授撰写了一篇题为《从几百个太阳到上万个太阳》的科学文章。这篇文章有科学论据、实验结果和成本核算，以及对未来发展的构想，从而展示出即将出现的一种前景——人类将迎接太阳能时代。（参见附件一）为此，我们热心向中央领导、主管部门、社会公众推荐这篇文章，并据此提出建议。
陈应天教授经过长期研究，发展出新型数码光学理论和自动跟踪集聚太阳能光发电技术。这种全自动控制技术，跟踪聚光极为精密，而且制造非常简单，运行持续稳定，得到世界上有影响的天文学家、太阳能专家的高度赞赏。这种技术不仅给太阳能聚光的高效性、经济性利用开辟了一条全新的途径，还可以广泛应用于一系列科研、工业、通讯、安全、国防等领域。
目前，陈应天教授已研制出太阳光发电原理型实验样机。该样机利用了新型跟踪聚光原理和技术，系统运行完全由软件自动控制，用玻璃镜把阳光集中到面积很小的高性能光伏电池面上，光伏电池接收约300个太阳光强，同时输出约600瓦的电力和2吨温度为60℃~70℃的热水。以这一太阳光发电装置的使用寿命为10年，年日照3000小时来计算，这一装置的发电成本约是人民币0.7~0.8元 /千瓦小时，亦即仅比通常的火力发电、水力发电上网价格高出一倍。至于控制系统、运转系统和冷却系统的总耗能仅占输出能量的5%。然而这一原理性的实验光发电装置，仅仅是初步的实验结果，其发展前景不可估量！
当前世界各国都在大力鼓励太阳能光电产业的发展。据2005年1月20日《人民日报》报导：世界光伏发电从1998年的154.9兆瓦增加到2003年的742.28兆瓦，年平均增长率为36.8%，甚而超过了风力发电的平均上升速度。2004年，全球的光伏组件产量是7年前的10倍。
日本于1992年启动了“新阳光计划”，同时颁布了新的净电计量法，要求电力部门以商品价格购买多余的光伏电量，并实行补贴政策。日本居民光伏屋顶系统最近5年平均年增长率为96.7%，日本光伏产业2002年生产能力增长了47%，2003年增长了45%。2003年底，日本总共安装887兆瓦，政府计划2010年总计安装4820兆瓦。德国对可再生能源的利用通过立法、政府大量补贴等措施，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。由于投资回报率高达10%，远高于其它产业，因此光伏产业快速发展。从1999年到2003年德国光伏市场增加了10倍，成本下降20%。2004年新安装的并网发电系统大约200兆瓦，总销售额超过10亿欧元，就业人数约15000人。英国于2002年也制定了可再生能源法。该法强制所有电力供应商在3年内，至少提供3%的可再生能源的电力。2010年可再生能源电力要达到总电力的10.4%。
虽然太阳能光发电在发达国家中正受到特殊重视，但“太阳电池的高额成本仍是制约光伏发电大规模应用的主要因素。” 据2004年12月31日《科学时报》报导，中国科学院电工技术研究所马胜红研究员分析说：“目前太阳电池的价格大约为每瓦3.15美元，并网系统价格为每瓦6美元，发电成本为每瓦0.25美元。在我国，完全商业化运作的并网光伏发电上网电价大约为每度电3.4元，尚无法同火电、风电等竞争。预计到2010年，光伏系统发电成本才有望下降到每度电0.8元左右。”但也有些人士持不同意见，认为可能要到2020年，太阳能光伏系统发电成本才能下降到每度电0.8元。
为什么太阳能光发电每度电的成本，约为1996年美国煤电成本4.8~5.5美分/千瓦时的5~6倍?因为目前的太阳能光发电大都属于平板固定式晶硅光伏发电设备，其优点是：安装和维护方便，特别便于安放在屋顶和墙面。然而它存在两个困难：第一，平板固定式晶硅光伏电池在使用时，一平方米的光伏电池只能接受一平方米的太阳光，目前实际使用的平板固定式晶硅的光电转换效率平均最高约为15%。由于这种光伏发电方式永远受到1：1晶片价格的限制，晶硅光伏电池造价昂贵，是光伏系统成本最主要的部分；第二，太阳光线入射角将随时间变化，这一余弦效应降低了光电转换效率，使得每天有效积分发电效率只有4～6%，白白浪费了30～50%的太阳光。长期以来，这些限制因素使得光伏电池发电成本约是2～3元/度，在短期内难以大幅度下降，并大规模商业化。
近年来，国外一些发达国家竞相研发聚光光伏电池。其产品已做到在光辐照为300个太阳光照射的强度下，聚光光电池的转化效率仍能保持30%～35％的光电转化率。由于砷化镓的材料和制造工艺成本远大于硅电池，所以当前其同样面积的制造成本约为通常平板式光伏电池的100～150倍。如果乘上光照和效率的因子，可期望光电转化成本，是通常硅光伏电池的1/4。但是，随着制造工艺的进展及其大规模的产业化，可期望在不久的将来，能大幅度降低聚光光伏电池的成本。也不排除用硅单晶来制作聚光光伏电池，虽然其光电转化效率会低于砷化镓，但其单位面积所提供的电力的成本，也有可能大幅度降低。所以，如果人们能将太阳光聚集起来，照射到聚光光伏电池上，就有可能大幅度地降低发电成本。但不幸的是这类能跟踪太阳的聚光镜，却是结构复杂、造价昂贵的一个庞大体系！
理论或原则上，可以设计出某一随时间而变化的，用n×m个小镜面将太阳光反射到任何一个指定的面积的跟踪系统，并得到较好的聚焦质量（即在任何时间内，其聚光光辐射的强度在光电池表面上均达到均匀分布）。但这样一来，就要求有2×n×m的控制元件和n×m个支撑系统。可以设法（如采用二步法，即将反射和聚焦分两个步骤来进行）减少其支撑结构，但仍要2×n×m个控制元件。这就构成了构造这类价廉物美的定日镜的困难。近年来,我国科技工作者力图创造出新的定日镜，取得了可喜的进展。据2004年12月15日张耀明院士在《经济日报》上的一个谈话：“我们的定日镜性能与国外相当，且已获得中美两国专利，而成本却只有国外的几分之一。”“国产定日镜的面世，将使太阳能热发电站的投资大幅降低，从而加快其发展步伐。”
但是，目前在国外发展的并得到较多关注的定日镜，毕竟还是一个价值比较昂贵的体系！
在《从几百个太阳到上万个太阳》一文中，陈应天教授用严密的数学分析证明：如果要求大幅度减少定日镜中子镜的数量和减少定日镜控制元件，亦即由2×n×m的控制体系，降低为n+m的控制体系，并仍然得到质量较好的聚光面，就必须将传统的“方位角和高低角”的跟踪控制方式，修改为他所提出的“仰角和转动”的新的跟踪控制方式，并还要将通常使用的平面镜、棱形面镜，球面镜，抛物镜、超抛物镜等等，修改为他所特殊设计的，由较复杂数学公式所定义的特殊镜面。陈应天教授证明：满足上述要求的数学解答是存在的。并进一步证明：如果所控制的行和列的旋转都很小，特别是当太阳光聚光到焦斑的距离比定日镜大小大很多时，行和列的旋转可以近似地表现为直线运动，从而使定日镜的设计大为简化，其相应的控制体系和结构体系也可以大为简化，并可大幅度降低其建造成本。
这样一种新型的光发电模式，“价廉物美的定日镜+高转化率的聚光光伏电池+高效廉价散热供热系统”（注：聚光光伏发电，必须有散热系统，如何经济有效地利用其热量，也是一个待研究的课题），就成为极有前景的新型发电模式。
当然，如果有了价廉物美的聚光镜，就不仅可以应用到太阳能光发电，也能应用到热发电，这需要请专家们进一步共同探讨其现实而经济可行的途径。
在这篇文章中，陈应天教授除了介绍了他所发明的聚光定日镜在光发电上的应用外，还介绍了这一定日镜在太阳能的其它应用。但有兴趣的是：陈应天教授在文中说，他已经利用这一新型定日镜做出一个小型装置，如果进一步将这一小型装置，简单地联结为某一大型光电站，可期望这一光电站的总价格为250万美元，输出功率为1兆瓦。以年运转2000小时计，其年产电能2×106千瓦小时。如果装置本身寿命12年，（注：这是一个假设的数字，有待于未来的检验。作为对比的一个数字，是一般平板式晶硅光伏电池的寿命约为25年！）由此可得其相应的电价是每千瓦时为0.1美元，亦即仅比国内每度0.5元人民币的电价贵一倍！陈应天教授在文中说：“这一价格是现实已达到的。”（注：这里仍假设了装置寿命是12年）。不排除这一发电模式，还有大幅度降价的空间。这就使得我们在能源问题上，看到了新的希望：人类将提前迎接太阳能时代。
但是，太阳能光发电的弱点是：有太阳有电，无太阳无电。所以，太阳能光发电的体系还必须配以“安全长寿高效价廉的储能电池”。现在在国内外都在大力研发储能电池。在众多的储能电池中，锂离子储能电池备受关注。在1992年启动的日本“新阳光计划”中，研究了两类锂离子电池，一类是用于驱动电动车辆的锂离子动力电池，另一类是用于家庭储电的锂离子储能电池。虽然这两类电池都可用来调节电力的“峰谷比”，“晚上蓄电,白天用电”，但对它们的性能要求除了安全和环保外，其它方面是有很大差异的。车辆动力电池要求有高的能量密度和高的功率密度(即在给定重量或体积中能储存尽量多的电能，并且能够在尽量短的时间内释放出去)。储能电池对这两项指标并不苛求，却要求有很长的使用寿命(日本“新阳光计划”要求3500次)和很便宜的价格。日本的“新阳光计划”取得了成功，不久的将来，日本的千家万户，将购置锂离子储能电池，既可储存自家屋顶太阳能电池白天发的电，又可储存电网的低谷电，如果用电有富余的话，还可以返回电网，获得较高回报。
我国小功率锂离子电池已经商品化，国产电池产量已占国际市场的1/3。近年来，由于国家电动车计划的启动，对锂离子动力电池研究和开发有很大促进，已取得很大进展，正在商品化生产，以满足电动车大发展的需求。对储能电池，包括锂离子储能电池的研究才刚刚开始，还有很多基础工作有待开展。但由于有锂离子动力电池的研发基础，特别是一些关键材料是通用的，可以预期，锂离子储能电池的研发速度会很快。磷酸铁锂作正极的锂离子电池是极有希望的体系。磷酸铁锂是一种廉价和环境友好的材料，在所有已知的正极材料中，它的安全性最好。国内已掌握磷酸铁锂的生产技术。以磷酸铁锂作正极的锂离子动力电池循环寿命已超过800次。与此可对比的是，通常质量较好的铅酸电池的循环寿命是150~200次。锂离子电池隔膜对电池安全性和成本(约占电池成本的20%)有重要影响。可喜的是，我们已研究开发出具有自主知识产权的新材料，不仅安全性好，而且成本远低于进口产品。这就给人们一种新的希望，在3～5年时间内，中国将能制造出价格和铅酸电池相当的锂离子储能电池，但在重量上却至多是铅酸电池的1/4，寿命至少是铅酸电池的3倍，无一次污染，也无二次污染，无记忆效应，自放电率小于6%/月，是所有蓄电池中最小的。尤其是锂离子蓄电池的工作电压是3.4-3.6伏，正是我们大力推广的半导体白光照明中发光二极管的工作电压。而单体光伏电池的输出电压是0.46伏，根据需要很容易设计聚光光伏电池组件, 适应储能电池和照明灯具的工作电压，而无需升压器和交直流转换器，从而节省光伏照明系统的总体成本。因此聚光光发电和磷酸铁锂储能电池是“天造地设”的“绝配”。目前国际上太阳能光伏发电并网和离网各占一半，在我国实行的“阳光工程”中, 太阳能光伏发电以离网为主。在缺乏电网覆盖的地区，如老少边穷、偏僻农村、驻防部队，这一“价廉物美的定日镜+高转化率的聚光光伏电池+高效廉价散热供热系统+安全长寿高效价廉的锂离子储能电池”供电系统，将是有效解决缺电困难的方便模式。如果注意到我国未来大电网是高压直流输电，那么这种“价廉物美的定日镜+高转化率的聚光光伏电池+高效廉价散热供热系统+安全长寿高效价廉的锂离子储能电池”的发电模式，将不需要特殊的交流变直流的转化装置，即能和高压输电网相联接。
此外，我们还需要向社会公众推荐的是：除磷酸铁锂可用于价廉物美的锂离子储能电池外，在我国，特别是攀技花地区有极为丰富的钒钛资源，炼铁后铁矿渣堆积如山，就存放在金沙江边，对当地和长江造成一定的环境污染。铁矿渣中含有大量宝贵的钒和钛。钒是性能比磷酸铁锂更好的正极材料磷酸钒锂的原料。而钛是值得重视的新一代太阳能光伏电池——纳晶TiO2光伏电池的原料(在此不作详述)。对此应根据我国的资源情况和国情来开展研究。
我们推荐陈应天教授的这篇重要的科学文章，并附带介绍这一光发电系统所必需储能电池发展的现况,以期引起社会公众的广泛注意，并大力促进这一新型可再生能源系统的研究开发直至产业化。
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发表于 2005-11-3 09:08
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