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太阳能电池能取代石油吗?

2008-05-13 09:46
姚看江湖
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   上周笔者出差去了美国。当时的日本正好由于税收问题导致汽油价格恢复上涨而处于喧嚣的时候,美国也是一样。在洛杉矶等地,随着石油价格上涨,汽油的零售价突破了1加仑(约3.8L)4美元的大关,成了电视新闻的热门话题。如果1美元兑换105日元,那么1L约为110日元,比日本便宜了不少,但相比2年前的1加仑2.5美元,涨价幅度不得不令人吃惊。

   笔者有这样的担心,在不久的将来能源缺乏问题严重化,生活不得不由此产生剧变。回想起1973年底石油危机时的情景。当时笔者还没有上小学,但仍然感到了大人们的恐慌。在之后的几年,小学生刊物上也多次刊登了以“如果石油没有了”为主题的特辑,让小学生的笔者感到有种说不出来的彷徨与不安。眼下,相似的情形又开始出现。但若说现在是“石油危机的前夜”则又言过其实。

   目前,石油价格居高不下,导致了生物燃料的利用扩大,而这成了发展中国家出现粮食危机的原因之一。如果这一现象严重化,那么以谷物为食的牛和猪等家畜将受到影响,肉价也许会暴涨。

   为什么电费没有暴涨?

   有一点令人感到不可思议。原油价格从2002年的1桶20美元,经2005年的50美元,现在已经达到了120美元,6年内涨了6倍左右,但在日本,一般家庭的电费在这几年却基本未变,一直是每kWh 21~23日元。理由之一在于电力公司把火力发电的燃料从价格暴涨的石油改换为了煤炭,遏制了电费上涨。

   现在,日本国内的发电量中,石油发电所占的比例约为9%(经济产业省2006年度调查结果),少得令人吃惊。东京电力的数据显示,日本发电量的约6成来自火力发电,在火力发电采用的燃料中,煤炭占4成以上,天然气接近4成,石油发电还不到火力发电的2成。日本的一次能源中仍有约5成是石油,但电力对石油的依赖度已经大幅下降。另一方面,煤炭发电则与石油相反,比例正在快速增加。

   那么,是不是说电费今后依然稳定呢?情况并非如此。虽然涨幅不及原油,但煤炭价格在最近3~4年也在逐渐上涨。并且,单位发电量的CO2排放量较大的煤炭,今后估计会逐渐成为人们抨击的对象。2006年2月,东芝等公司放弃了在山口县开展煤炭火力发电业务的计划。作为其理由,东芝列举了“电力需求增长放慢、电力价格下降、煤炭燃料价格暴涨、地球环境问题趋于严重”等,使得该业务的收益前景不明朗。

   与1973年一时性的石油危机不同,人们尚未找到化解这次化石燃料价格高涨的途径。甚至出现了“石油峰值(peak oil)说”,即“石油产量见顶时期”就在2007年的说法。要解决这一问题,大概只能靠增加核电、太阳能发电、风力发电等替代能源。

   再过4年,每年将能生产相当于3座核电站的太阳能电池

   近来,太阳能发电在发电量、成本以及效率三方面的发展有可能远远超出一般人的想象。首先,发电量方面,2007年的太阳能电池模块产量按照模块的最大可能发电量换算,约为3.7GW。4年后的2012年,预计将达到15GW/年。按照平均计算,1座核电站的最大发电量为1GW,其规模之大可见一斑。
  
   当然,这是最大发电量,为了比较平均发电量还需要考虑电池的工作效率。如果以全部在日本使用为前提,按照新能源及产业技术综合开发机构(NEDO)的计算,太阳能电池的工作效率约为0.12。也就是说,太阳能电池能够充分发挥作用的时间是24小时/日×0.12=2.88小时/日。另一方面,在故障和地震多发的日本,核电的工作效率为0.6~0.7。按照上述工作效率计算,到4年后,太阳能电池的年产量将相当于2.5~3座核电站的能力。考虑到2012年以后太阳能电池的产量继续增加,则实际发电量之大将超乎意料。其实,太阳能电池的实际发电量还能提高。如果把太阳能电池放置在沙漠中,工作效率当远远高于0.12。另外,考虑到电力需求最大之时正是夏日的白天,所以最大发电量反而更加重要。

   3年后太阳能发电的成本与家庭电费持平

   太阳能电池的传统课题——成本问题也可能在不久的将来得到解决。太阳能电池近30年来有条经验法则,就是“累积产量翻番,则发电成本降低2成”。2006年太阳能电池的全球累计产量约为5.7GW,发电成本约为46日元/kWh(太阳光发电协会调查结果),考虑到目前太阳能电池的增产趋势,如果这条经验正确,那么到2011年,发电成本将与现在家庭电费的水平相当。这与NEDO在“面向2030年的太阳能发电发展蓝图(PV 2030)”中制定的2010年度太阳能电池发电成本目标——23日元/kWh基本一致。

   综上所述,电力公司的电费今后只会上涨,降低的可能性很小。因此,行政组织就算不实施高价购买太阳能电力的“Feed-in Tariffs”制度,再过几年,太阳能发电业务也可能出现自发性动态。

   最后是效率。这里将涉及“能源回收期(EPT)”的概念,该指标以转换效率表示利用太阳能发电回收太阳能电池制造及维护管理消耗能源的“回收期”。EPT对于太阳能发电非常重要。如果EPT长于太阳能电池系统的产品寿命,那么制造太阳能电池就是浪费能源,对于能源问题的解决完全没有意义。

   研发太阳能电池的相关人士对于EPT的意见也有较大分歧。有人认为“晶体硅太阳能电池的EPT也不到2年”,也有人主张“模块的EPT为8年,加入外设的话为20年”。还人表示:“没有加入材料运输消耗的能源”、“没有考虑工厂建设消耗的能源,如果考虑到这一点,模块就需要20年”。

   EPT在1.5年以内

   如上所述,对EPT的认识之所以有较大差别,主要是因为参照数据的时期不同。换句话说,EPT为8年和20年的数据比较陈旧。NEDO公布的数据显示,如果以100MW/年的规模生产,多晶硅太阳能电池的EPT为1.5年。在同样规模下,非晶硅太阳能电池为1.1年以下。这份NEDO的数据出自2000年,也不算新。最近,有些厂商甚至提出柔性CIGS型太阳能电池的EPT为1~2个月。刚刚投入量产的色素增感型太阳能电池的EPT似乎也相当短(《日经电子》5月5日刊“有机太阳能电池投入量产,效率、耐久性均获飞跃”)。

   太阳能电池的开发历史长达40余年,特别是在最近几年,技术发展非常迅速,10年前的知识已无法跟上时代。以占晶体硅太阳能电池制造耗能7~8成的硅晶圆为例,在2004年左右,其平均厚度为300μm,到2007年则为150~200μm,仅用3年时间就缩小到了2/3以下。在不久的将来,厚度为50μm的硅晶圆也可能问世。硅晶圆如此之薄,则太阳能电池的EPT将大幅缩短。量产规模也大幅改变,2000年1条生产线的产量仅为5MW/年,而最近则接近100MW/年。量产规模越大,分摊到单位模块的工厂初期成本就越小。

   太阳能发电在人们谈论环境问题,也就是CO2减排中经常被提及,对于解决迫在眉睫的能源问题,笔者以为也不失为是一种有效的手段。

   (编辑:xiaoyao)

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