光伏发电的发展和应用

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摘要：大力推进城市节能减排，对推动我国经济社会又好又快发展，应对全球资源枯竭和气候变化，具有极其重要的战略意义。本文主要介绍了光伏发电的发展趋势和在城市中的应用。

关键词：光伏发电 节能环保 城市节能

中图分类号： TE08 文献标识码： A 文章编号：

前言：我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境代价，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐，群众对环境污染问题反应强烈。只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快发展。光伏发电作为清洁、廉价、环保、可再生的新能源，受到世界各国的重视。

一、光伏发电的原理

光伏技术，是一种利用太阳能电池直接把光能转换为电能的环保型新能源技术。由于从太阳光能转换成电能的光电转换装置，是利用半导体器件的“光生伏打效应”原理进行光电转换的，因此把与太阳能发电系统构成链条关系的产业称为光伏产业。光伏产业的链条，包括：硅矿硅矿石(石英砂)工业硅(也称金属硅)多晶硅、单晶硅晶圆或多晶硅切片太阳能电池组件发电系统。工业硅的纯度，一般为98-99.99%；太阳能级硅的纯度，一般要求在6N级即99.9999%以上。

二、光伏发电系统的组成

1、基本组成：一套基本的太阳能发电系统是由太阳电池组件、充电控制器、逆变器和蓄电池构成：

①太阳电池板的作用是将太阳辐射能直接转换成直流电，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。

②充电控制器在不同类型的光伏发电系统中，充电控制器主要由电子元器件、仪表、继电器、开关等组成。在太阳发电系统中，充电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。

③逆变器的作用就是将太阳能电池方阵和蓄电池提供的低压直流电逆变成220伏交流电，供给交流负载使用。

④蓄电池组是将太阳电池方阵发出直流电贮能起来，供负载使用。

2、光伏发电系统可分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统，独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，并网太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电连接到国家电网的发电的方式，成为电网电量的补充。

三、光伏产业的发展趋势及分析

世界能源组织、欧洲光伏工业协会，对太阳能光伏发电的未来发展，一致做出如下预测：2020年全球光伏发电的发电量占总发电量的11％，2040年占总发电量的20％。欧、美、日各国都提出了各自的中长期发展路线图。2007年初，欧盟提出新的可再生能源发展目标，到2020年，可再生能源消费要占到全部能源消费的20%，可再生能源发电量占到全部发电量的30%。到2050年光伏发电总装机容量将达到440GW（其中德国为80GW）；2035至2040年达到总量的一半，即120GW。美国的发展目标，是到2030年太阳能电池累计销售量上升到200GW，光伏发电量将达到360×109KWh，2050年光伏发电量将达到1400×109KWh。

1、传统的化石能源即石油、煤炭、天然气等均是濒临枯竭的不可再生资源，太阳能是最有前途的替代能源。

国际能源机构预测，到2050年，世界石油开采量将比现在减少30%，而到2080年，世界石油开采总量只有现在的50%，煤炭开采量将减少40%，人类必须寻求新的能源。

化石能源不可再生，终将面临消耗殆尽的窘境。在社会需求的拉动下，石油价格多次冲高，化石能源在使用过程中，会有大量污染物排放，给全世界带来了以温室效应为代表的巨大环境危机。

2、从整体看，世界各国对太阳能光伏发电的政策扶持力度在逐年加大。各国的补贴政策主要分为两类：一类是对安装光伏系统直接进行补贴，如日本；另一类是对太阳能光伏发电的上网电价进行设定，如德国、西班牙等国。而美国加利福尼亚州，则是将两种政策混合执行。

(1)日本政府在1994-2003年间成功实施一轮补贴，促使2004年日本光伏累计安装量达1100MW，成为当时全球光伏容量最大的国家。但日本政府于2007年开始停止住户太阳能奖励方案，这一举措使得日本市场出现萎缩状态。2007年总安装量为230MW，比上一年下降了23%。由于石油价格暴涨和全球日益变暖的双重压力，日本政府又重新制定了从2007年开始到2012年，用6年的时间推行一项在全国的政府办公大楼屋顶安装太阳能发电装置的计划。根据该项计划，约300栋政府办公大楼屋顶将安装太阳能发电装置，每年发电约1000万千瓦时，预计能提供2500户普通家庭的用电。此外，今后新建的政府办公大楼，除了由于积雪等原因日照量不能确保外，所有的政府办公大楼都要采取太阳能发电。

日本政府2008年11月了“太阳能发电普及行动计划”，确定太阳能发电量到2030年的发展目标是要达到2005年的40倍，并在3-5年后，将太阳能电池系统的价格降至目前的一半左右。2009年还专门安排30亿日元的补助金，专项鼓励太阳能蓄电池的技术开发。

(2)美国自2005年起施行光伏投资税减免政策以来，美国光伏装机容量得到较快增长，2007年新增装机容量190MW，仅次于德国、西班牙和日本，列全球第四位。具体条款包括：①对于商用光伏项目的投资税减免延长8年；②住宅光伏项目的投资税减免政策延长2年；③取消每户居民光伏项目2000美元的减税上限。

按该减税政策，相对于商业光伏项目，居民住宅光伏系统的需求会更为快速释放。因为住宅光伏项目两年后能否继续享有减税政策有很大的不确定性，将2010年以后的住宅光伏系统安装需求提前；取消减税上限，将鼓励单户居民安装更大规模和功率的光伏系统。

在减税政策的支持下，美国光伏行业预测，预计2008-2012年美国光伏装机容量将维持52%的年均增速，新增容量将从2007年的220MW达到2012年的1840MW，累计容量将从2007年的636MW增至2012年的5182MW。

(3)意大利政府颁布了带有门槛的并网法，目标是1200 MW，过了此门槛后的宽限期为14个月。从2009年开始，电价将按每年2%的比例下调。从2009年开始，所有新建房屋必须配有太阳能屋顶。由于日照时间长的地理优势，根据目前电力市场电价上涨以及光伏成本下降的速度，欧盟联合研究课题以及美菱投资集团都预测，意大利将在2012年成为第一个实现光伏电价和商业电价持平的国家。

(4)希腊政府计划在并网电价的机制下使光伏系统安装量到2020年达到700 MW，并把光伏系统安装设为有行业标准的独立的行业分支。但是只有具备公司法人资格的单位才有资格申请。由于优良的日照条件，希腊的某些岛屿上事实上已经实现了光伏电价和常规电价的持平。

3、光伏科技的进步，使光电转换效率不断提高、光能发电成本不断降低。

技术进步是降低光伏发电成本、提高光能利用效率、促进光伏产业和市场发展的重要因素。几十年来围绕着降低成本的各种研究开发项工作取得了显著成就，表现在电池效率不断提高、硅片厚度持续降低、产业化技术不断改进等方面，对降低光伏发电成本起到了决定性的作用。

多晶硅生产成本大幅下降：多晶硅是太阳能电池必不可少的基础材料，其占到太阳能电池成本的80%，每生产1兆瓦太阳能电池需要12-14吨多晶硅。多晶硅主要采用化学提纯、物理提纯两种方法进行生产，其中化学提纯方法主要有西门子法（气相沉淀反应法）、硅烷热分解法、流态化床法，物理提纯方法主要有区域熔化提纯法（FZ）、直拉单晶法（CZ）、定向凝固多晶硅锭法（铸造法），等等。目前最为成熟的多晶硅提纯工艺是西门子法，全球80%以上的多晶硅产量采用改良西门子法生产。西门子法提纯多晶硅需要维持1100℃ 的高温，因此耗费大量电能。每生产1公斤多晶硅的耗电量，2003年前要500―600kWh，而目前已经降到300 kWh以内。

为了进一步降低成本，国内外正在研究开发新的生产工艺，而物理法是大家比较公认的能够替代西门子法的一个新途径。一般来说，利用西门子法新建多晶硅厂，千吨产能规模需要投资人民币10亿元左右。而采用物理法，千吨产能规模的投资只需要4亿元左右。目前，制约物理法推广应用的瓶颈，关键在于硅的纯度和技术的稳定性问题尚未完全解决。

光伏电池效率不断提高：目前，由晶体硅制作的太阳能电池在市场上占据90%以上的份额。由于太阳能电池技术的进步，晶体硅太阳能电池的光电转换效率已由3年前的14-16%提高到15-20%，而且稳定性不断提高。电池效率的提高是光伏发电成本下降的重要因素之一。

近日，据媒体报道，德国ISFH 研究所的研究人员已经研制出一种制造太阳能电池的加工工艺，用该工艺制造的背接触式硅太阳能电池的光电转换效率可以达到22%。美国麻省理工学院研究人员利用计算机模型和先进的芯片制造技术，找到了能极大提高太阳能光电池效率的新途径，方法是在构成太阳能电池的超薄硅薄膜的正面增加了一种增透膜，并在背面增加了由多层反射膜和衍射光栅组合成的精细结构。当增透膜为2μm厚时，光能转换成电能的效率提高了50%。

四、光伏发电系统的典型应用

1、道路照明―太阳能灯具

太阳能灯具目前是应用最广泛的光伏发电系统，它充分体现了光伏技术环保节能、使用灵活的特点。太阳能灯具根据光源类别、功率及灯杆特点等一般分为：太阳能路灯、太阳能庭院灯、太阳能草坪灯等。目前，该类产品已广泛应用于道路照明、广场亮化等方面。

2、建筑夜景照明―小型太阳能发电系统

随着城市的发展，建筑、桥梁的夜景照明越来越受到重视，其发展程度在一定程度上体现了城市的发达程度。但由于夜景照明往往耗电巨大，因此也常常引起非议。

太阳能夜景照明系统，是太阳能光伏发电系统与节能灯具的合理应用的有机结合。它在很大程度上解决了高能耗的问题，同时为市电难以铺设的桥梁照明提供了解决方案。

3、交通警示―太阳能交通系统

太阳能交通信号灯、太阳能道路监控系统等产品在道路交通，特别是高速公路方面也得到了广泛应用。该产品具有设置灵活、无需外接电源的特点。

4、野外电能供应

小型便携式太阳能系统对于野外作业、郊区露营等非常方便实用。它不但能提供照明用电，而且可以为手机、电脑等提供电能供应。

5、无电地区电能供应

中国西北部地区还存在大量无电村落。由于这些村路非常偏僻，且居民很少，因此采用市电供应耗资巨大，且容易出现问题。如果采用太阳能光伏发电系统或者“风光互补”发电系统则可以很好的解决这个问题。目前，采用太阳能发电系统已使很多无电村实现了电气化。

6、大型太阳能并网电站

这是光伏技术发展的终极目标和最佳方式。随着光伏技术和产业的发展，光伏发电成本终将达到常规能源发电水平。

7、太阳能集热器

太阳能集热器在太阳能热系统中，接受太阳辐射并向传热工质传递热量的装置。按传热工质可分为液体集热器和空气集热器。按采光方式可分为聚光型集热器和吸热型集热器两种。一个好的太阳能集热器应该能用20～30年。

8、太阳能热水系统

早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热，现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外，可能还有辅助的能源装置（如电热器等）以供应无日照时使用，另外尚可能有强制循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。依循环方式太阳能热水系统可分两种：自然循环式和自然循环式。

五、加大宣传意识

以科学发展为主题，把建设资源节约型、环境友好型社会作为加快转变经济发展方式的重要着力点，加大相关工作力度，推广普及光伏发电技术，培育发展太阳能光伏产业；要加强政府引导，通过组织节能宣传周等形式多样的活动，宣传太阳能光伏产业的成果和经验，推广高效、惠民、实用的节能技术产品，进一步倡导低能耗，以推动全社会树立资源忧患意识，增强节能减排意识，让节能成为全社会每个单位、每个家庭、每个人的自觉行动，形成浓厚的社会氛围，动员社会力量积极参与。

六、加强政策支持

1、强化政策措施的执行力，加强对太阳能光伏产业工作进展情况的考核和监督，主管部门进行考核。加强节能执法，发改委、质监、建设、环保等部门建立节能联合执法机制，提高节能执法综合能力和水平。各级质量技术监督部门要强化对生产和流通太阳能光伏产业产品的监管，建立节能产品质量公告制度，对生产和销售不合格产品的，依法予以严厉处罚。

2、完善节能价格机制，充分发挥价格杠杆作用，按照产业政策要求，建立有利于太阳能光伏产业的价格机制。

3、实行太阳能光伏产业奖励制度，对太阳能光伏产业技术研究和推广工作中做出显著成绩的单位和个人要给予表彰和奖励。生产经营单位和用能单位要制定科学合理的节能奖励办法，结合本单位的实际情况，对工作中做出贡献的集体、个人给予表彰和奖励。

七、总结

太阳能取之不尽，用之不竭，光伏发电以它独特的优势，无污染、清洁、高效和稳定可靠给人们的生活带来巨大的变化，摆在我们面前的问题是怎样宣传、引领太阳能光伏产业，要不断的大力支持光伏产业，让光伏产业更快、更好的为人民服务，保障国家的经济建设和人民的生产生活顺利进行。

参考文献：

[1]崔容强、赵春江、吴达成.并网型太阳能光伏发电系统.化学工业出版社.2007.

[2]黄汉云.太阳能光伏发电应用原理.化学工业出版社.2009.