一、本周重点事件回顾与分析
(一)2030年实现全球10TW的光伏目标 太阳能电池需要哪些突破?
清洁能源成为了未来发展的大趋势,太阳能电池便是其中之一,但是其转换效率一直是难以解决的问题。现在,研究人员发现了影响其转换效率的主要原因,通过改善将大大提高电池的使用寿命,这将为我们保护环境做出重要的贡献,让我们一起来领略一下“领导者”硅的风光吧!
随着低碳能源成为未来世界发展的大趋势,在本世纪中叶,大规模太阳能发电成为减缓气候变化的重要措施。气候科学家认为:到2030年,全球将需要超过10万亿瓦(TW)的太阳能发电量,这绝不少于当前发电量的50倍。在麻省理工光伏研究实验室(PVLab),团队正致力于探索新技术,并帮助实现这一目标。“我们的工作是通过技术创新找到经济和环境可持续的方式使太阳能发电量达到10TW以上。”机械工程和实验室主任的副教授TonioBuonassisi说。
这是一项巨大的挑战。首先,他们计算到2030年实现10TW太阳能发电量所需的增长率,以及在没有补贴帮助的情况下能够实现增长的最低价格,当前的技术显然不能完成任务。Buonassisi说:“这需要1万亿美元到4万亿美元的额外债务,这只是将现有技术推向市场来完成这项工作,这很难。那么,是否有其他什么方法呢?
使用结合技术和经济变量的模型,研究人员确定需要三个变化:一是将模块的成本降低50%,二是将模块的转换效率(即太阳能转换为电能的百分数)增加50%,三是将新建工厂的成本减少70%。这三项变化需要尽快在五年内完成,将需要近期政策来激励部署,并大力推动技术创新以降低成本,使政府支持可以随着时间的推移而减少。
在效率上迈进
在MITPVLab和世界各地,太阳能的转换效率已经取得了重大进展。一种特别有前景的技术是钝化发射区背面电池(PERC),其基于低成本晶体硅,但具有比常规硅电池捕获更多太阳能量的特殊“结构”。虽然成本必须降低,但该技术有望使效率提高7%,许多专家预测其能被广泛采用。
但是仍有一个问题需要解决。在现场测试中,一些包含PERC电池的模块在太阳光下降解,转换效率在前三个月下降了10%。机械工程博士AshleyMorishige表示:“这些模块被认为可以持续25年,然而在短短几周到几个月内,它们的发电量下降到原设计的90%。这种情况令人非常困惑,因为制造商在发布产品之前已经完全测试其产品的效率。此外,并不是所有的模块都会出现问题,也并不是所有的公司都会遇到这个问题。有趣的是,花费了几年时间,公司之间才相互意识到其他公司也存在同样的问题。制造商想出了各种方案来处理它,但其确切原因仍然未知,人们担心它可能会在某一时刻重现,这可能影响下一代电池的架构。
对于Buonassisi而言,这似乎是一个机会。他的实验室一般侧重于晶片和电池材料的基础研究,但研究人员同样可以将他们的设备和专业知识应用于模块和系统。通过定义问题,他们可以支持采用这种高能效技术,帮助降低每瓦电力电量消耗的材料和劳动力成本。
MIT团队与工业太阳能电池制造商密切合作,进行了“根本性原因分析”以探寻问题的根源。该公司已经帮助他们分析PERC模块的意外退化,并报告了一些异常的趋势。在测试中,闭合回路内的PERC模块在阳光下放置60天后,将不再拥有明显优于传统太阳能电池的高效率;同样的存储条件,开路中模块的效率则会发生更明显的下降。此外,由不同硅锭制成的模块显示出不同的功率损耗行为,在960℃峰值温度下制造的电池模块,其效率的降低明显快于860℃下烧制的电池。
亚原子不当行为
想要解释缺陷如何影响转换效率,需要先了解太阳能电池如何在基本水平工作。在光敏材料中,电子可以处于两个不同的能级:处在价带的电子被束缚;而处在导带的电子则可以自由运动。当光照射到材料上时,电子可吸收足够的能量从价带跃迁到导带,留下称为空穴的空位。像这样跃迁的电子,在失去该额外能量并回落到价带之前,将在导带上运动从而产生电流。
通常,电子或空穴必须增加或失去一定能量才能在能级之间跃迁。虽然空穴被定义为电子缺陷,但是物理学家将电子和空穴都视为半导体内的载流子。硅中的金属化或结构缺陷在禁带中引入缺陷能级,电子和空穴跃迁到中间能级,使得电子跃迁实现了较少的能量增益或损耗。如果电子和空穴都移动,会发生电子-空穴复合,此时,开路电压会有明显下降。
PVLab研究人员用电子与空穴复合之前保持在激发态的平均时间来量化该行为。寿命严重影响太阳能电池的能量转换效率,它对缺陷的存在非常敏感,Buonassisi说。
为了测量寿命,Morishige和机械工程研究生MalloryJensen领导的团队使用光谱学的方法:将光照在样品上或加热样品,并在期间和之后即时监测导电性。电流上升时,电子受外部能量激发跃入导带;电流下降时,它们失去能量并落入价带。随时间的电导率变化反映出样品中电子的平均寿命。
定位和缺陷表征
为了解决PERC太阳能电池的性能问题,研究人员需要弄清楚模块中的主要缺陷所在,包括硅表面、铝背衬和材料之间的各种界面。但麻省理工学院团队认为缺陷最有可能存在于硅片本身。
为了验证这个假设,他们使用了在750℃和950℃下制造的太阳能电池来验证这个假设,并且设定了光照和暗室两种保存环境。之后,用化学方法去除电池的顶层和底层,仅留下硅晶片,然后进行电子寿命的测试。低温时,在两种保存环境中的样品寿命大致相同;高温时,光照保存的样品寿命显著低于暗室中的样品。
这些发现证实了效率退化主要归因于硅中的缺陷,这些缺陷会影响电池中的电子寿命,从而使效率显著下降。在后续的测试中,研究人员发现,样品在200℃下再加热降解一个小时,可以使寿命恢复,但在重新暴露于光下时依然会发生回落。
那么这些缺陷是如何干扰转换效率,以及在它们的形成中可能涉及什么类型的污染物呢?缺陷的两个特点将有助于研究人员回答这些问题。首先是缺陷能级处于价带和导带之间;第二是“捕获截面”——特定位置处的缺陷可捕获电子和空穴(电子的体积可能与缺陷的体积不同)。
虽然这些特性不易直接在样品中测量,但是研究人员可以根据经验方程,利用不同照射强度和测试温度下的寿命来推断它们。使用在950℃下烧制后暴露于光的样品,在不同的测试条件下进行寿命光谱实验。用这些数据计算能量水平和导致电子空穴复合的主要捕获截面。通过查阅文献以了解哪些元素已被发现具有这些特性,从而列举出导致样品转换效率下降的优先候选。
Morishige团队已经极力缩小了名单范围。“至少有一个与我们观察到的大部分一致。”她说。在这种情况下,在制造中会导致金属污染物在硅的晶格中造成缺陷,氢原子与金属原子结合,使其保持电中性,因此不能用作电子空穴复合的位点。但在特殊条件下,特别是当电子密度高时,氢原子从金属离解,使得缺陷变得极富复合活性。
这种解释符合公司关于其模块的初步报告。在较高温度下烧制的电池将更易于受到光的诱导而损坏,因为它们中的硅通常包含更多的杂质和更少的氢,并且它们的性能各不相同,因为不同批次的硅包含不同浓度的污染物以及氢。正如研究人员发现的那样,在200℃下烘烤硅晶片,可能导致氢原子与金属重新结合产生惰性的缺陷。
基于这种假设的机制,研究人员为制造商提供了两个建议。首先,尝试调整制造工艺,使得它们可以在较低温度下进行烧制步骤;第二,确保他们的硅晶片中那些被列入“嫌疑名单”的金属的浓度降至最低。
意外的结果
PERC技术的高效性来源于有效捕获太阳能的特殊结构,这揭示了制造材料固有的问题。“细胞人做了一切正确的事,”他说,“如果问题的关键在于硅晶片中与缺陷相互作用的激发电子密度过高,那么找到解决它的有效策略将变得尤为重要,因为下一代器件设计和晶片减薄将带来更高的电子密度。
这项工作需要各个领域专家之间的合作,他主张所有参与者,包括私人公司和研究机构以及各个领域的专家,从原料到晶圆、电池和模块,再到系统集成和模块安装进行沟通。“我们的实验室正在采取一系列措施,将利益相关团体聚集在一起,共同创建一个新的研发平台。期望这能使我们更快地解决技术挑战,并帮助达成2030年实现10TW光伏的目标。”Buonassisi如是说。
这项研究由国家科学基金会、美国能源部和新加坡国家研究基金会通过新加坡麻省理工学院研究和技术联盟资助。
(二)【两会聚焦】发展清洁能源 优化配置风光水电
近年来,新能源行业发展受到越来越多的关注。今年两会期间,代表委员们都提出了哪些议案、提案?新能源行业发展之路究竟该如何走下去?让我们一起看看今年两会上代表委员们的精彩发言。
王抒祥:水电开发和电网建设要协调发展
西南水电的开发利用仍然是全国政协委员、国网副总经济师、国网西南分部主任王抒祥最关注的话题。
“西南地区的清洁能源非常丰富,特别是西藏、四川的水电资源巨大,需要认真考虑如何把它利用好。”王抒祥表示,“十三五”期间我国的能源要继续朝着清洁发展、绿色发展努力,在全国范围内把风电、光电、水电这些清洁能源优化配置好。
目前,西南水电存在消纳、外送困难,而且以大水电为主,因此,他建议在采用市场化方式外送水电的同时,也要多采用类似“电力援藏”的方式,多向其他区域输送清洁电力。
“其实,问题的关键是水电必须要科学开发,网源要协调好,水电开发的规划和电网建设的规划,还有市场的需求,需要协调发展。”王抒祥说。
朱共山:加速“以气代煤”大力扶持清洁能源
今年的政府工作报告提出全面实施散煤综合治理,推进北方地区冬季清洁取暖,完成以电代煤、以气代煤300万户以上,全部淘汰地级以上城市建成区燃煤小锅炉。对此,全国政协委员、协鑫集团董事长朱共山建议,参照光伏发电的上网和电价补贴政策、税费优惠政策,大力扶持天然气、沼气等清洁能源分布式发电项目,为我国尽早实现巴黎协定的减碳承诺发挥重要作用。
朱共山表示,在国家调整优化电力能源结构,减缓煤电发展的前提下,天然气发电更能体现其技术优势,具有广阔的发展空间。而以沼气和生物天然气为主要处理方向,以就地就近用于农村能源和农用有机肥为主要使用方向,在“十三五”期间基本解决大规模畜禽养殖场粪污处理和资源化问题也是中央农村工作的重要战略。
“对天然气分布式项目赋予分布式光伏同等待遇,对沼气设施和沼气发电项目参照光伏扶贫给予政策扶持,对天然气、沼气发电上网给予‘绿电’待遇,给予生物质沼气3.0元/立方米补助,生物质发电上网电价为0.75元/千瓦时。”朱共山建议。
刘汉元:加快落实光伏补贴发放减免光伏行业税费
全国政协委员、通威集团董事局主席刘汉元今年携6份提案参会,其中就“加快落实光伏补贴发放、减免光伏行业税费”等问题提出建议。
刘汉元认为,光伏产业不仅面临着补贴发放困难,还面临着光伏企业税费高的问题。他表示,当前,我国光伏行业从上游的多晶硅等原材料,到中游硅片、电池片、组件、逆变器等一系列元器件、主附件的生产,再到下游的光伏发电,都是全额全税征收。传统制造型企业税费过高,生存压力巨大,对新兴产业来说,更是举步维艰,光伏新能源产业就是其中的典型代表。
对此,刘汉元提出建议:完善基本支付规则,尽量简化补贴资金征收和拨付程序,清理并改革不合理的税制,减免光伏行业的税费。“无论是基于推动我国经济发展、能源消费方式的根本转型,实现我国能源安全,还是基于从根本上减少空气污染、我们能呼吸到干净空气的环境安全,都是十分重要的。”刘汉元说。
政协委员:打通东北富余电力外送“大通道” 让更多清洁能源惠及发达地区
吉林省政协主席黄燕明等30余位吉、黑、辽的全国政协委员联名提案,建议加快东北地区特高压交流电网建设,打通电力外送通道。
黄燕明、支建华等全国政协委员在调研中发现,东北地区“窝电弃风”的现象较为严重。2016年,东北地区弃风率为17.9%,其中黑龙江弃风率达到18.7%,吉林省已连续多年超过30%。
支建华表示,东北电网仅通过输送能力300万千瓦的500千伏线路与华北电网相连,大量富余清洁能源仍无法送往华北、华中、华东等负荷集中区。因此,迫切需要发挥特高压电网优势,使东北清洁能源参与到全国电力能源大市场、大流通、大交易中去。
黄燕明建议将东北特高压交流电网项目调整纳入国家电力发展“十三五”规划,加快建设“四横三纵”输电网络,贯通东北—华北特高压交流电力输送大通道,“将东北电网融入全国统一交流大电网,从根本上解决东北“窝电”问题,让更多清洁能源惠及发达地区”。
付志方:优化清洁能源供应结构推进冬季清洁取暖
全国政协委员、河北省政协主席付志方认为,政府工作报告总结过去全面客观、实事求是,规划未来立足实际、站位高远,以积极的态度和有效的举措回应百姓关切,充分体现了党中央、国务院迎难而上的担当精神、攻坚克难的勇气和智慧。
付志方委员说,调查研究表明,京津冀地区大气污染尤其是冬季雾霾天气严重,城乡大量散煤燃烧成为一个重要因素。打好京津冀蓝天保卫战,应加大区域外清洁能源的输送力度,加快特高压大容量输电通道、天然气供气管道等能源基础设施建设。要提高区域风电、光电、核电的供应规模,优先支持风电、光电和核电的开发、消纳和输出。
“京津冀协同强化煤炭供给管理,统一煤炭质量标准,大力推广优质煤使用。完善农村能源替代补贴机制,加大对河北农村清洁取暖的扶持力度。在京津冀区域普及推广农村住房的节能改造,进一步减少冬季燃煤污染。”付志方表示。
张传卫:走分布式发展之路迎能源互联网时代
全国人大代表、广东省工商联副主席、明阳新能源投资控股集团董事长、广东明阳风电产业集团董事长张传卫表示,新能源行业在推进供给侧改革中最大的难点在于新能源开发初期走的是“大电站”、“大基地”的老路,建成以后仍需要远距离输送,但电站建设的周期短于电网建设的周期,建设速度和接纳消纳的问题凸显。
那么,该如何解决这一矛盾问题?张传卫表示,首先是要把量做上去,要在建设模式和开发模式上进行变革,要从过去规模开发转变到分布式开发,在市区、城镇进行屋顶太阳能、鱼塘太阳能、大棚太阳能的装备建设,在村镇布置风电厂、风电整机搞风光互补发电。
第二,过去的三北地区要向中东部地区推进,因为东部地区电力消耗比较多,环境污染比较严重,对清洁能源需求迫切;还要从陆上到海上发展。
“生产方式和生产地点都发生了变化,这里面输电的概念就会逐渐淡化,可能会逐渐走向发电、配电和售电一体化。”张传卫表示,新能源分布式的发展就走向了能源互联网,能源互联网的时代会很快到来。
二、本周重点政策跟踪分析
(一)增强型地热系统研究取得新进展
近日,中国石油大学(华东)油气渗流研究中心科研团队在深部地层地热能开采与利用领域取得新进展,其研究成果“基于离散裂缝理论的增强型地热系统THM耦合数学模型及数值模拟”被最新一期《能源》刊发。
《能源》为能源研究领域的国际权威期刊,主要刊发新能源、燃料与热力学领域以及交叉学科的创新研究成果,该期刊为SCI一区TOP期刊,近5年平均影响因子为4.81。油气渗流研究中心副教授孙致学为论文第一作者,教授姚军为通讯作者,该研究得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费资助。
我国高温地热资源丰富,国土资源部2015年发布数据显示,全球5公里以内地热资源量约4900万亿吨标煤,中国约占1/6。因其清洁可再生性和空间分布的广泛性,地热能已成为位居水力、生物质能之后的世界第三大可再生能源。
国家发展改革委、国家能源局和国土资源部近日联合印发的《地热能开发利用“十三五”规划》中,明确提出“形成较为完善的地热能开发利用管理体系和政策体系,掌握地热产业核心技术”发展路线图。
增强型地热系统是深部地层高温岩体地热能的提取与利用关键技术,表征多场耦合的热流体数值模拟是干热岩开采过程中的基础科学问题。该研究成果将裂隙岩体视作由离散裂隙网络和基质岩块组成的双重介质,考虑传热、渗流与应力的相互作用,基于离散介质理论建立一种新的热流固全耦合数学模型并实现高效数值求解,相关模型及研究结果对优化干热岩热能开发方案和科学决策提供了理论依据,也是油气渗流研究中心近年所倡导的现代渗流力学体系的重要发展及其工业化应用探索。
近年来,油气渗流研究中心在页岩油气多孔介质传质传热基础理论与方法突破创新的同时,积极拓展布局地热、天然气水合物等新兴能源研究。团队成员受邀参加2015年国际地热协会(IGA)在澳大利亚墨尔本主办的世界地热大会、2016年第五届中深层地热资源高效开发与利用学术会议并做邀请报告。2016年,美国工程院院士、斯坦福大学地热项目主任、前国际地热协会主席RolandN.Horne教授访问学校时给予油气渗流研究中心高度评价。
三、本周聚焦
(一)国家电网:风光新能源领跑进入“风光”时代
最近,我国工业领域的最高奖项--第四届中国工业大奖在北京人民大会堂隆重揭晓,国家电网公司采用世界首创的"风光储输联合发电"技术路线,建成的集风力发电、光伏发电、储能及输电工程"四位一体"的可再生能源项目--国家风光储输示范工程荣获中国工业大奖。读罢这则消息,笔者不禁生出许多感慨来。
众所周知,在各类终端能源中,电是最洁净、最有利于环保、能源利用效率最高的能源形式,而风能和太阳能发电又是取之不竭、用之不竭的可再生能源,是高效、洁净、节约资源的"绿色电力"。燃煤发电厂大量排放出一些有害物质,包括二氧化硫(酸雨的罪魁祸首)和汞,还有氮氧化物和粉尘,至于导致气候变暖的二氧化碳,其排放量相当全世界的汽车、卡车、巴士和飞机的总和。
国家电网公司科学合理解决风电、光伏发电为代表的新能源大规模集中并网、集成应用这一世界级难题,以"风光互补、储能调节、智能输电、平衡可控"为攻坚目标,最终实现风光储联合发电系统的全景监测与综合控制,能够实时优化协调风、光、储各系统运行状态,减小风电和光伏发电功率大幅度、高频率波动,提高电网接纳风电和光伏电源能源,并且其发电品质接近常规电源,不仅满足了平滑出力、跟踪计划、系统调频、削峰填谷等多样调度需求,更解决了新能源发电精细化运行与控制。
可以说,在无任何工程建设先例可供参考的情况下,通过坚定不移抓好科技创新,攻克了从科研理论到工程应用的多个难关,实现我多组态、多功能、可调节、可调度的联合发电运行方式,为国家争得了荣誉,为世界创造了典范。国家风光储输示范工程荣获中国工业大奖,是对国家电网公司破解新能源发展难题取得的自主创新成就的充分肯定,也是对我国乃至世界新能源事业发展的巨大支持,是中国电力工业和能源发展史上的重要里程碑。
由此,国家电网以实际行动完成了联合发电智能全景优化控制等10项以上自主设备研发,获得了储能控制策略等20多项技术创新,让风光新能源引领走向"风光"新时代,开辟了一条 "清洁中国、领跑世界"的崭新路径。
(二)欧洲光伏价格创历史新低 2016年新增装机却下降33%
欧洲光伏市场需求不振,但光伏成本依然持续下降。2017年2月份德国最新的光伏项目竞标,最低报价低至6欧分/千瓦时。按照这个价格推算,如果在希腊那样光照条件好的地方,光伏价格可以低至3欧分/千瓦时,可谓史上最低价。
然而,虽然光伏越来越便宜,欧洲光伏市场却在萎缩。2016年中国新增光伏装机超过34吉瓦,美国新增装机达到14.6吉瓦;相比之下整个欧盟新增大型地面光伏装机仅为6.7吉瓦,比2015年新增装机下降了33%。如果考虑居民屋顶光伏装机,2016年也比2015年下降21%。
看来,由于补贴的退坡加上电网吸纳的压力,光伏市场在欧洲已经“达峰”。