責(zé)編·作者：陳歡 王祝堂
光伏發(fā)電站外觀。
當(dāng)前全球的能源工業(yè)都在想方設(shè)法降低碳排放，最后達(dá)到零排放，所以必須采用清潔的綠色能源，如太陽能、風(fēng)能、核能、氫能、氨能、天然氣與水力發(fā)電等。按照規(guī)劃，我國將在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，而日本、德國和韓國力爭在2050年實(shí)現(xiàn)碳中和，這其中我國的任務(wù)最繁重，因?yàn)橹袊F(xiàn)在的碳排放量是世界上最多的。為此，在這次世界性的綠色能源革命中，中國起著決定性和引領(lǐng)性的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國光伏發(fā)電和風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已居世界第一，而鋁產(chǎn)業(yè)更是產(chǎn)量、工藝技術(shù)世界第一，作為這樣一種綠色金屬，鋁產(chǎn)業(yè)的低碳發(fā)展對全球綠色能源革命都起著推動性的作用。
據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）數(shù)據(jù)，鋁工業(yè)占全球CO2-eq排放的1%左右。據(jù)2016年數(shù)據(jù)，在原鋁生產(chǎn)所用的電力中，煤電占61%、水電占27%、天然氣電占10%。同時(shí)，電解鋁用的電力結(jié)構(gòu)也不均勻，有的地區(qū)煤電占比很大，有些地區(qū)則幾乎全是水電。另外，從全球三大原鋁地區(qū)的用電種類來看，中國煤電約占80%，歐洲水電占44%，海灣經(jīng)濟(jì)共同體國家（GCC）天然氣電占87%，而這種能源結(jié)構(gòu)已持續(xù)15年之久。
那么，如何降低原鋁能耗成為了目前鋁行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵。筆者認(rèn)為，減少CO2排放量的措施，一是采用惰性陽極，不使用炭陽極，目前美國鋁業(yè)公司、力拓公司等正在聯(lián)合攻關(guān)；二是采用盡量多的清潔綠色能源，主要包括天然氣、太陽能、風(fēng)能、核能、水電、氫電與氨電等。
太陽能的潛力巨大
太陽能是取之不盡用之不竭的，太陽每秒鐘釋放到地面的能量高達(dá)80×104kW，若把地球表面0.1%的太陽能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率按5%匡算，則發(fā)電量可達(dá)5.6×1012kWh，相當(dāng)于全球2020年總能耗的近40倍。中國有著豐富的太陽能資源，理論儲量約17000億t/a標(biāo)準(zhǔn)煤。中國地處北半球，南北距離及東西距離都在5000km以上，大多數(shù)地區(qū)平均輻射量4kW/（m2·d·a）以上，其中，西藏輻射量最高達(dá)7000kWh/d。與同緯度的其他國家相比，中國的輻照太陽能與美國的相近，而比歐洲及日本的高得多。
世界最大太陽能電站向環(huán)球鋁業(yè)公司供電
據(jù)德國刊物《Aluminium》報(bào)道，阿聯(lián)酋環(huán)球鋁業(yè)公司（EGA）計(jì)劃用太陽能提取原鋁，已與迪拜電力自來水公司（Dewa）達(dá)成協(xié)議，將通過穆罕默德太陽能園向鋁業(yè)提供電力，輸電量560000MWh/a，第一年可用以提取40kt鋁，未來將有更大潛力。環(huán)球鋁業(yè)公司用太陽能生產(chǎn)的鋁錠冠以“CelestiAL”為名的商標(biāo)，在全世界銷售，以標(biāo)示它們是用清潔能源生產(chǎn)的產(chǎn)品。
該太陽能園是迪拜清潔能源戰(zhàn)略2050項(xiàng)目之一，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)環(huán)球鋁業(yè)公司2050年生產(chǎn)的原鋁中有75%是用清潔能源生產(chǎn)的。穆罕默德太陽能園的建成，對于環(huán)球鋁業(yè)公司來說，具有里程碑式的意義，是天下最大的單一太陽能項(xiàng)目，2030年的發(fā)電量將達(dá)5000MW，而2020年光伏太陽能板的發(fā)電能力只不過1013MW。
中國可利用太陽能巨大
2007年，中國科學(xué)院與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對中國太陽能發(fā)電站選址模型進(jìn)行了研究，結(jié)論為：在西北內(nèi)陸地區(qū)和青藏高原，即使僅利用這些地區(qū)1%的荒漠進(jìn)行太陽能發(fā)電，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，也可建設(shè)25億kW的太陽能發(fā)電站，其發(fā)電量是三峽電站最高發(fā)電量的50倍，基本可滿足2020年全國的用電需求。
中國現(xiàn)有近500億m2的建筑面積，屋頂面積約44億m2，加上南立面約55億m2的可利用面積，若其中有20%利用光伏發(fā)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光伏建筑一體化，其安裝量就可達(dá)100GWh，即相當(dāng)于5個(gè)三峽電站的發(fā)電量。
太陽能發(fā)電形式
目前，太陽能發(fā)電形式有兩種，一是光熱轉(zhuǎn)換發(fā)電（CSP，Concentrated Solar Power）；二是光電轉(zhuǎn)換發(fā)電，即光伏發(fā)電（PV，Photovoltaic）。中國已是PV發(fā)電大國，2020年的裝機(jī)容量已達(dá)約130GW（吉瓦），新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙古、西藏等地是中國相對較大的太陽能發(fā)電省、區(qū)。
截至2020年7月，安徽銅陵市利用工業(yè)區(qū)閑置土地、廠房屋頂架設(shè)光伏發(fā)電設(shè)備，建設(shè)分布式光伏電站，目前已建成10余座，總裝機(jī)容量8MW，平均發(fā)電量800萬kWh/a，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤983.2t/a，減少CO2排放2674余t/a。另外，重慶黔江區(qū)利用高山地區(qū)充沛的日照，已于2016年起建設(shè)了100MW光伏發(fā)電項(xiàng)目，首期已于2017年6月并網(wǎng)發(fā)電，現(xiàn)該項(xiàng)目已全部建成，平均發(fā)電量約1億kWh/a。
2017年7月，中國熊貓綠色能源集團(tuán)有限公司在山西大同郊區(qū)建設(shè)的世界首座熊貓外形光伏發(fā)電站并網(wǎng)發(fā)電站項(xiàng)目，全部投入使用后，可提供32億kWh的綠色電力，相當(dāng)于節(jié)約煤炭105.6萬噸，減少CO2排放270萬噸。電站由黑白兩種顏色組成，從高處俯瞰，猶如一只十分可愛的大熊貓，其黑色部分，如爪子和耳朵，由單晶硅太陽能電池組成，白色部分由薄膜太陽能電池組成。
早在2017年8月，中節(jié)能太陽能股份有限公司的第一個(gè)水上漂浮式光伏電站建設(shè)項(xiàng)目就在安徽宿州市埇橋朱仙莊啟動，這座太陽能電站裝機(jī)容量70MW，總投資概算為50483.43萬元。該項(xiàng)目的順利投建，對于采礦沉降區(qū)綜合治理，傳統(tǒng)煤炭地區(qū)能源轉(zhuǎn)型，具有廣泛和深遠(yuǎn)的社會意義。建設(shè)漂浮式光伏電站實(shí)現(xiàn)了采煤沉陷區(qū)的開發(fā)利用，雖然與常規(guī)地面光伏發(fā)電項(xiàng)目相比，同等規(guī)模的水上漂浮光伏電站的建造成本相對較高，但對于像沉陷區(qū)這樣的地貌特征來說，水上漂浮光伏發(fā)電站是很好的解決方案，不僅變廢為寶，而且更具經(jīng)濟(jì)性。
2012年3月，京東方北京8.5代線廠房光伏發(fā)電項(xiàng)目正式竣工，項(xiàng)目總投資9000多萬元。據(jù)介紹，這也是目前全國最大規(guī)模的太陽能光伏屋頂發(fā)電項(xiàng)目。北京市發(fā)改委相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，今年上半年，北京市還將開工建設(shè)八達(dá)嶺太陽能31兆W地面大型光伏發(fā)電項(xiàng)目、昌平12.8兆W礦山修復(fù)治理太陽能光伏發(fā)電項(xiàng)目、密云20兆W地面光伏電站項(xiàng)目等一系列新能源高端利用項(xiàng)目。據(jù)中國航天科技集團(tuán)公司五院科技委主任李明研究員2017年11月透露：“如能保持并進(jìn)一步加大研發(fā)力度，中國有望成為世界首個(gè)建成有實(shí)用價(jià)值空間太陽能電站的國家。”
科學(xué)家認(rèn)為，與日益枯竭、環(huán)境污染問題嚴(yán)重的化石能源相比，太陽能是一種高效、持久、清潔的能源。目前，俄羅斯、美國和日本紛紛為該領(lǐng)域發(fā)展投入資金，印度、韓國和歐洲航天部門也在開展相關(guān)研究。中國自2008年開始在建立空間太陽能電站方面采取實(shí)際措施，已在無線能量傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)上取得重大進(jìn)展。據(jù)專家評估，空間太陽能電站能改善中國的生態(tài)和能源形勢，并帶動技術(shù)創(chuàng)新和新興產(chǎn)業(yè)。
太陽能鋁材應(yīng)用市場
在太陽能裝備系統(tǒng)中,鋁材得到了廣泛應(yīng)用，主要用于邊框、支架、電池箔，在砷化鎵光伏電池組件中用作支架、立柱、散熱器、底板、路燈桿，在光電建筑一體化工程中用于觀景平臺、幕墻、屋頂?shù)取?/div>
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太陽能產(chǎn)業(yè)對鋁材的需求取決于太陽能產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢和材料的競爭態(tài)勢，對全世界太陽能鋁材需求的預(yù)測主要受兩方面影響：一是2006年歐洲聯(lián)合研究中心（JRC）的預(yù)測，認(rèn)為在未來世界能源結(jié)構(gòu)中光伏發(fā)電將占據(jù)極為重要的地位，成為能源主體，到2020年太陽能光狀發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中將＞10%；到2040年則會達(dá)到＞40%，而到本世紀(jì)末無疑會達(dá)到60%或更多；二是國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）2010年發(fā)布的《太陽能光伏發(fā)電路線圖》，認(rèn)為光伏發(fā)電是可靠的商用技術(shù)，在全球幾乎任何地區(qū)都具有長期增長潛力，并預(yù)計(jì)到2030年，光伏發(fā)電可滿足全球5%的電力供應(yīng)，到2050年,這一占比將高達(dá)11%，而在太陽能光熱發(fā)電（CSP）路線圖中，國際能源機(jī)構(gòu)預(yù)測，2050年CSP的發(fā)電量可滿足全世界11.3%的電力需求。
太陽能熱發(fā)電（CSP）與太陽能光伏發(fā)電（PV）是完全不同的兩種系統(tǒng)，各有所長，宜同時(shí)發(fā)展。中國在《可再生能源中長期發(fā)展》中指出，力爭使太陽能發(fā)電裝機(jī)容量2020年達(dá)到1.8GW（百萬千瓦），2050年達(dá)到600GW；同時(shí)2050年可再生能源電力裝機(jī)容量將占全國總裝機(jī)的25%，其中光伏發(fā)電裝機(jī)將占5%。
在預(yù)測太陽能系統(tǒng)對鋁材（板、箔、型材、鑄件等）需求時(shí)，單位太陽能電池的鋁材消耗是預(yù)測市場的一個(gè)基本指標(biāo)，不過發(fā)電方式及技術(shù)進(jìn)步對鋁材需求會有相當(dāng)大的差異。據(jù)筆者測算，2020年，中國太陽能裝備凈鋁消費(fèi)量約360kt，在2060年前的年平均增長率可達(dá)22%，其中擠壓鋁材占70%以上。
亟需關(guān)注太陽能鋁型材發(fā)展
在今后一段相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，至少在2060年以前，是利用太陽能的大發(fā)展時(shí)期。太陽能是一種極為豐富的自然能源，是今后大規(guī)模利用的方向，但隨著高效率和大面積光伏電池的不斷開發(fā)和涌入市場，以及鋼-鋁混合結(jié)構(gòu)支架的出現(xiàn)，單位功率鋁材消耗量會逐漸有所下降。
目前來看，由于6063型合金是一個(gè)優(yōu)秀的久經(jīng)考驗(yàn)的建筑-結(jié)構(gòu)鋁材合金，其光伏太陽能裝備邊框/支架主流材料的地位是不會改變的，不過隨著光伏發(fā)電技術(shù)的不斷提升和使用環(huán)境的變化，會有各種各樣改良型合金和新狀態(tài)出現(xiàn)。同時(shí)，太陽能鋁材也會形成擠壓鋁材的一個(gè)獨(dú)立分支，隨著市場的興旺，會出現(xiàn)一些規(guī)模較小的邊框/支架專業(yè)廠與大企業(yè)內(nèi)的專業(yè)車間。隨著技術(shù)的進(jìn)步與市場的擴(kuò)大，太陽能裝備除用擠壓鋁型材外，板材與壓鑄件也會有所應(yīng)用，但量不會很大。
與此同時(shí)，開拓“一帶一路”市場，特別是中亞市場，應(yīng)關(guān)注新技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用。據(jù)英國《衛(wèi)報(bào)》網(wǎng)站2020年8月15日報(bào)道，英國牛津光伏太陽能技術(shù)公司研制出一種世界上的新太陽能電池板。他們給傳統(tǒng)硅太陽能電池涂上一層薄鈣鈦礦，提高其發(fā)電量，降低清潔電力的總成本，因?yàn)檫@種晶體能吸收太陽光譜中的不同部分，可將27.3%的可用太陽能轉(zhuǎn)化為電，而當(dāng)前最好的硅太陽能電池最多只能轉(zhuǎn)化約22%的可用太陽能。另外，在太陽能發(fā)電新技術(shù)中還值得一提的是，特斯拉汽車公司的光伏屋頂瓦和英國埃克斯特大學(xué)于2018年發(fā)明的“太陽能方格”新型玻璃磚能把陽光轉(zhuǎn)化為電能。
此外，光伏發(fā)電是當(dāng)下乃至未來城市建筑的標(biāo)配。據(jù)稱，2020年中國建成的屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目已超過2萬個(gè)，總?cè)萘拷?00萬kW。自2008年以來，中國一直是太陽能電池板的主要出口國，引領(lǐng)全球太陽能電池板的生產(chǎn)、供應(yīng)與出口。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全國光伏發(fā)電量達(dá)2243億kWh，同比增長26.3%；新增光伏發(fā)電裝機(jī)3011萬kW，同比下降31.6%。盡管同比有所下降，但中國新增和累計(jì)光伏裝機(jī)容量仍繼續(xù)保持全球第一。
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