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中国光伏20年:江湖风云录(十二)
2021-04-16 09:02:13   来源:中国有色金属报    点击:

 
责编·作者:云翀
 
  套用每年回顾行业的习惯用语:对于多晶硅-光伏行业来说,“2020年是不平凡的一年”。无意间回想才发现,这“不平凡”,我竟已写了10年,从专职光伏记者,到投资多晶硅、光伏产业的工程公司职工,10年来,多晶硅-光伏行业始终牵动着我的思绪。这“不平凡”,绝非简单地写作习惯和照搬套用,而是从本世纪初至今,中国的多晶硅-光伏行业在短短20年时间里,风云变幻、沉浮轮转,已极尽浓缩了其他行业几十年甚至上百年的发展轨迹。
 
  “一切向前走,不能忘记走过的路;走得再远、走到再光辉的未来,也不能忘记走过的过去,不能忘记为什么出发。”值此“十三五”收官、“十四五”开局的关键节点,站在“两个一百年”的交汇关口,回望行业的发展历程,希望能在兴替得失间以笔承史,为下一段路途积蓄稳健前行的力量。
 
  以为纪念、以为祝愿。
 
  落地:探索应用
 
  (20世纪70年代~80年代)
 
  在20世纪,世界能源结构发生了第二次转变,二战后,美苏军备竞赛的加剧对以能源为支撑的科技发展起到了巨大的推动作用,也使太阳能成为加速推进探索的重要空间电源。随后,伴随传统能源的起起伏伏,光伏逐渐进入社会民众的视野。
 
  1.70年代初期:光伏成为空间电源
 
  自古以来,能源就是人类生活和社会发展的重要物质基础。在18世纪蒸汽机发明之前,人类一直利用木炭,自此之后才逐步转向煤炭。在这个阶段中,人类对煤炭的利用比重由过去的约1/4增长到2/3。在20世纪,世界能源结构发生了第二次转变,即人类对能源的利用从煤炭转向了石油和天然气。二战后,美苏军备竞赛的加剧对以能源为支撑的科技发展起到了巨大的推动作用,也使太阳能成为加速推进探索的重要空间电源。
 
  1957年10月4日,苏联成功将世界上第一颗重83.6公斤的人造地球卫星送上太空;1958年1月31日,美国的“探险者1号”人造卫星发射成功,但重量只有苏联的1/10。1960年,苏联和美国都掌握了卫星回收技术。1961年4月12日,苏联发射了第一颗载人飞船,宇航员加加林在太空遨游108分钟、绕地球一周后安全返回地面。这一创举标志着人类进入了太空时代。1961年5月,美国总统肯尼迪为了缩短与苏联的“空间差距”,提出10年内完成阿波罗登月计划。1964年8月19日,美国成功地发射了第一颗地球同步静止轨道通讯卫星,说明火箭—卫星技术又达到了一个新的水平。此后,全球卫星通讯事业发展迅速。
 
  能源是兵家至关重要的“必争之地”,电源系统是航天器中不可或缺的关键系统,上世纪,电源系统约占整个航天器重量的15%~30%,是完成预定任务的前提保证。随着航天活动进一步开展、航天技术进一步开发利用,对空间电源的要求也越来越高。总的来说,可以归结为:高可靠性、大功率、轻质量、长寿命、低成本。最初的空间电源,即50年代的空间电源,是移用其他技术的电源,如锌银电池、锌汞电池,只适用于早期小功率、短寿命的卫星。1958年,在苏联发射首颗卫星仅1年之后,也就是美国首次展示硅太阳能电池4年后,苏联和美国都发射了太阳能电池供电的卫星,这2颗卫星分别是3号卫星和先锋1号卫星。初期的太阳电池阵为体装式,各国也都开展了体装式太阳电池的研制、发射,并持续提升功率,展开式太阳能电池阵应运而生。
 
  到了60年代,载人航天技术和卫星技术进一步突破,硅太阳能-镉镍电池、氢-氧燃料电池得到了迅速发展。1962年,贝尔实验室研发的第一个商业通讯卫星Telstar发射,所用的太阳能电池功率是14瓦。1963年,夏普公司成功生产光伏电池组件,日本在一个灯塔安装242瓦光伏电池阵列,在当时是世界最大的光伏电池阵列。1964年,宇宙飞船“光轮发射”,安装了470瓦的光伏阵列。
 
  1965年,美国工程师彼得·格拉舍就在《自然》杂志上发表题为《来自太阳的能源:它的未来》的文章,首次提出了卫星太阳能电站的设想。他认为,最好的办法是把卫星太阳能发电站建在太空,位于地球同步轨道上。他实际指的是将其建在地球静止轨道上运行,连续不断地向生活在地面上的人类提供各方面所要使用的电能。太阳能卫星的设想经过多方论证后,逐步形成了以发电到输电的一整套方案:先把巨大的太阳能电池板“化整为零”,分期分批地利用航天飞机等空间运载工具,送到离地面几万公里高的低地球轨道上,然后组装成卫星,利用推进器驱动卫星再爬升到地球同步轨道上。卫星上的太阳能收集器硕大无比,长10公里,宽5公里,其上覆盖有几十亿片太阳能电池片。平板的一端装有直径达1000米的微波发射天线,可以转动,永远指向地球。太阳能电池发出的电最后汇聚在母线上,送入微波发生器,产生的微波通过波导管从天线逸出,传向地球。移相器使微波能聚焦成一束密集的波束。从太阳能卫星天线发出的微波,如同手电筒的光柱一样射向地球,到达地球时“光柱”已能够覆盖地球数十公里的面积。地面上接收天线的尺寸更大,为1013平方公里的椭圆形,由无数半波偶极子天线组成。天线接收到从太空射来的微波后,经过二极管整流变换为高压的直流电或50兆赫的交流电后,再通过高压输电网供给用户。彼得·格拉舍在文章中对卫星太阳能电站的设计提出了以下原则:运行轨道应保证接受面能始终对准太阳,不断接收能量,传输装置可把能量向任何地点发射;光电转换应能达到最大的理论效率;传输装置不仅要将电能转换后送回地面,而且传输频率能满足大气吸收量最小的要求;地球接受器能够以需要的能量密度接收,并且能适时传输到用户那里。显而易见,这是最为节省能量的创新途径。为了保证24小时都在工作,应当在同步轨道上布置2个卫星太阳能电站。被航天器运送到地球静止轨道和通过高超的空间作业技术将其组装成功的太阳能电池板要足够大,光电转换元件要选择比较成熟的硅光电池,能把太阳能转化成电能供地球上的人们使用。
 
  70年代,美国将空间电源系统列为五大航天技术发展项目之一,1973年,美国空间站太空实验室(Skylab)是由太阳能电池供电。1974年,制定了太阳电池十年发展规划。1978年,美国在刘易斯研究中心举行了未来空间电源技术研讨会。苏联在航天技术领域之所以取得众多成绩,与其对空间电源技术的重视有着密不可分的关系。前苏联各航天技术设计局有自己的电源系统总体设计队伍,还有与之相配合的专业电源研究所、从事基础理论的科研单位和有关的大专院校。因此,苏联拥有航天技术所需的不同电源,航天器的设计具有更广阔的选择空间。为减轻太阳电池阵的重量,单片电池转换率的提高也成为科研重点。其中,单晶硅太阳能电池价格便宜、可靠性高、技术成熟,至今仍是空间电源设计的主要选择对象。70年代初,其效率为10%~11%,随后采用了浅结密栅、背板、背反射体、多层减反膜、绒面等工艺技术,使单片效率有所提高。美国的K6型背场电池效率为12.8%,1978年研制的K6-3/4型电池效率达到了13.9%,这两种都得到了广泛的应用。1975年,为提高比功率,美国索拉公司研制出0.05毫米厚度的薄电池。另外,砷化镓太阳电池的转换效率高、光谱响应特性好、温度特性好、抗辐射能力强,可作为高效电源的元件,其特点是材料价格贵。美国休斯公司、应用太阳能公司(ASEC)、光谱实验室和俄罗斯的几家公司、日本三菱公司等都参与了砷化镓电池的开发当中。在这个时期,苏联发射的月行者-1、-2号上装有实验用砷化镓电池。
 
 
 

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