1、我国太阳能光伏发电（技术）应用综述尹淞 （中国电力企业联合会科技中心）0、前言太阳能作为一种可永续利用的清洁能源，是理想的可再生能源选择。太阳能光伏发电技术的开发始于二十世纪五十年代，于近年得到迅速发展，并首先在太阳能资源丰富的国家如德国、日本和美国等国家得到了大面积的推广和应用。为了实现能源和环境的可持续发展，世界各国都将光伏发电作为发展的重点，在各国政府的大力支持下，光伏产业发展迅速。我国的太阳能资源比较丰富且分布范围较广，太阳能光伏发电的发展潜力巨大。1、光伏发电技术太阳能光伏发电系统主要由太阳电池板（组件） 、控制器和逆变器等部分组成，光伏发电设备精炼，可靠稳定且寿命长、安装维护简便。
2、太阳能电池是太阳能光伏发电系统的核心部件。太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。近年来围绕着降低成本的各种研究开发工作取得了辉煌成就，表现在电池效率不断提高，产业化技术不断改进，生产规模不断扩大，太阳能电池组件成本大幅度降低等方面,对降低光伏发电成本起到了决定性的作用。伴随着晶体硅电池技术持续进步，薄膜电池技术快速发展。经过光伏电池技术界的努力，现在单晶硅电池的转换效率为 14%-17%，多晶硅电池的转换效率达到 12%-15%，薄膜电池的转换效率达到6%-8.5%，近两年内可达到 10%-12%，5 年内有望达到 18%，其功率衰退问题
3、也已解决。薄膜电池对弱光的转化率十分好，即使在阴天照样能够发电。薄膜太阳能电池正在成为主流太阳电池技术，与晶体硅太阳电池技术并驾齐驱。太阳能光伏发电系统的运行方式主要分为并网运行、离网运行和混合运行三类方式。并网系统：与公共电网相联接,共同承担供电任务。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段,成为电力工业组成部分的重要方向 ,也是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。联网太阳能光伏发电系统具有许多独特的优越性:(1) 可以对电网调峰, 提高电网末端的电压稳定性, 改善电网的功率因数,有效地消除电网杂波。(2) 所发电能回馈电网 ,以电网为储能装置, 可省掉蓄电池。与独立太阳能光伏系统相
4、比可减少建设投资 35 %45 % ,发电成本大大降低。(3) 出入电网灵活, 既有利于改善电力系统的负荷平衡, 又可降低线路损耗。离网系统：未与公共电网相联接,又称为独立太阳能光伏发电系统。主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所, 如为公共电网难以覆盖的边远农村、海岛、通信中继站、边防哨所等公共电网难以覆盖的场合提供电源。混合系统：光伏系统可与生物质能发电系统、风力发电系统或柴油发电系统等其他发电系统组合，以保证持续的电力供应。混合系统可以采取并网或离网的形式。2、我国光伏发电的应用历程与现状目前，光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场合提供电源，主要为广大无电地区居民生活生产提
5、供电力，还有微波中继电源、移动电源等；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草坪灯等；三是并网发电，这在发达国家己经大面积推广实施。我国于 1958 年开始研究光伏电池，于 1971 年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星上。中国光伏工业在二十世纪八十年代以前尚处于雏形，太阳电池的年产量一直徘徊在 10kWp 以下，价格也很昂贵。由于受到价格和产量的限制，市场的发展很缓慢，除了作为卫星电源，在地面上太阳电池仅用于小功率电源系统，如航标灯、铁路信号系统、高山气象站的仪器用电、电围栏、黑光灯、直流日光灯等，功率一般在几瓦到几十瓦之间。在“六五”(19811985)和“七五
6、”(19861990)期间，国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给以支持，中央和地方政府在光伏领域投入了一定资金，使得我国十分弱小的太阳电池工业得到了巩固并在许多应用领域建立了示范，如微波中继站、部队通信系统、水闸和石油管道的阴极保护系统、农村载波电话系统、小型户用系统和村庄供电系统等。在 1995 年西藏的无水力无电县中，建成两个功率分别为 10千瓦和 20 千瓦的光伏电站。2002 年，国家计委启动“西部省区无电乡通电计划” ，通过光伏和小型风力发电解决西部七省区（西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙古、陕西和四川）700 多个无电乡的用电问题，光伏用量达到15.5MWp。该项目大大刺激了光伏工业，
7、国内建起了几条太阳电池的封装线，使太阳电池的年生产量迅速达到 100MWp 。到2003 年底，中国太阳电池的累计装机已经达到 55MWp。2004 年 8 月，首座总容量为 1 兆瓦的太阳能发电系统在深圳投入应用。2006 年国家提出建设社会主义新农村，农村电气化成为光伏发电应用的一个主要市场。至 2006 年，我国太阳能电池的累计使用量已达到 80MWp。我国光伏发电的市场主要在通信和工业应用、农村和边远地区应用、光伏并网发电系统和太阳能商品及其他应用，应用分布如图所示。所有这些应用领域中，大约有 54是属于商业化的市场（通信工业应用和太阳能光伏产品） ，而另外的 46则属于需要政府和政策
8、支持的市场，包括农村电气化和并网光伏发电。通 信 和 工 业 应 用34%商 品 化 电 源20%并 网 发 电5%农 村 电 气 化41%图：光伏发电应用领域分布示意图2007 年，中国光伏发电累计装机总量已达 10 万千瓦。至2008 年底，我国太阳能光伏发电累计装机估计为 15 万千瓦。目前，国内太阳能光伏的应用主要集中在农村电气化和离网型太阳能光伏产品。尽管我国太阳能光伏发电潜力巨大，但真正并网型的太阳能光伏发电应用市场远未形成。3、典型光伏发电应用项目深圳园博园光伏发电并网系统深圳国际园林花卉博览园 1 MWp 并网光伏电站由深圳市政府投资、北京科诺伟业公司承建，于 2004 年 8
9、 月在深圳国际园林花卉博览园内建成发电，总投资 6600 万元人民币。该电站填补了中国在兆瓦级并网光伏项目设计和建设上的空白，成为当时国内首座大型的兆瓦级并网光伏电站，也是亚洲最大的并网太阳能光伏电站。该电站的建成对今后太阳光伏发电系统在建筑上的应用，以及设计、建设大型并网光伏电站具有借鉴和参考意义，是建筑并网光伏发电尝试，成为中国并网太阳能发电的里程碑。该电站安装于园内综合展馆、花卉展馆、园内山坡等处，实现太阳能发电和建筑一体化，并采用与市电直接并网的方式运行。年发电能力约为 100 万 kW.h。相当于每年可节省标准煤约 384 余吨，减排灰渣约 101 吨，减排二氧化碳约 170 余吨。
10、西藏羊八井并网光伏发电站沙漠电站需要远距离送电，一般以中、大和超大型规模为主。因此研究光伏发电系统高压并网就是一个最重要的课题。为了弥补在中国和高压网直接并网的大型太阳能并网发电领域的研究和建设上的空白，2005 年 8 月 31 日，直接与高压并网的 100kWp 光伏发站在西藏羊八井建成并一次并网成功，顺利投入运行。西藏羊八井 100 kWp 戈壁沙漠高压并网光伏电站的建成，作为世界上海拔最高的太阳能光伏并网电站，是沙漠电站雏形。西藏自治区可再生能源基地将西藏羊八井 100 kWp 戈壁沙漠并网光伏电站作为示范和试验基础，进一步深入开展了光伏发电高压并网关键技术研究，如并网逆变器技术及其相
11、关的运行安全控制技术、光伏阵列跟踪技术等。该基地的建成为我国，特别是西藏地区可再生能源的利用提供了示范的条件，也必将为西藏乃至中国的可再生能源有效利用提供强有力的技术支撑。内蒙古伊泰集团太阳能聚光光伏电站伊泰集团 205 千瓦太阳能聚光光伏电站是国内首座太阳能聚光光伏示范电站，于 2007 年 10 月在鄂尔多斯市建成。该项目采用数倍聚光光伏发电系统，该项目安装了 200 千瓦太阳能聚光光伏电池和 5 千瓦常规平板太阳能光伏电池，目的是进行太阳能聚光光伏发电和常规平板太阳能光伏发电的对比试验。聚光光伏发电系统是针对太阳能光伏电池比较昂贵的情况，通过八面体聚光漏斗聚光的方式，增加照射到太阳能光伏
12、电池板上的太阳光强度，从而提高单位面积太阳能电池的发电量，并配置跟踪太阳转动的系统，实现对太阳光朝向变化的适时跟踪，最大限度地获得太阳能，节省光伏电池的使用量，降低太阳能光伏发电的建设成本，增强太阳能光伏发电的市场竞争力。 该电站的建成，标志着我国聚光光伏电站建设迈出了重要的一步，将对聚光光伏发电系统的经济性、可靠性进行检验，为推广使用太阳能聚光光伏发电技术积累宝贵经验。上海崇明兆瓦级太阳能光伏发电示范工程崇明兆瓦级太阳能光伏发电示范工程装机容量 1046 千瓦，年平均上网电量约 107.3 万千瓦时，该项目于 2007 年 10 月正式并网发电，接入崇明 35 千伏前卫村变电站的 10 千伏
13、侧电网。该示范工程建立在崇明县前卫村科普基地，利用其已有的建筑面积为 1.2 万平方米的屋顶空间，敷设太阳能光伏电池组件。该工程以单晶硅光伏组件为主，同时采用了少量多晶硅、HIT等多种类型的晶体硅电池组件，其中 HIT 光伏电池在国内首次使用。作为示范项目，通过对多种类型的晶体硅电池组件实际应用的比较分析，为今后长三角地区开发利用太阳能提供了较好的经验。表：并网光伏电站简况一栏表深圳园博园光伏发电站华能南澳风光互补电站西藏羊八井光伏发电站内蒙古伊泰集团太阳能聚光光伏电站上海崇明岛太阳能光伏发电站装机容量（KWp）1000.3 100 100 205 1046投运时间 2004 年 8 月 20
14、04 月12 月2005 年 8月2007 年 10月2007 年 10月光伏电池类型 单晶硅电池 单晶硅/多晶硅单晶硅电池 单晶硅电池 单晶硅/多晶硅/HIT技术特点 建筑并网 风光互补 荒漠电站 聚光光伏发电系统目前最大备注 用户侧并网无电价并网按风电价并网无电价 上网电价 4元/kwh上网电价 4元/kwh4、我国光伏电池产业当前，太阳能光伏发电所使用的晶体硅电池的核心技术为美国、德国、日本等国的公司所垄断，中国则成为晶体硅电池及组件的加工生产大国。在国际市场和国内政策的拉动下，中国的光伏产业逐渐兴起，并迅速成为后起之秀，我国晶体硅和非晶硅的产能扩张能力强劲。2007 年，我国太阳电池产
15、能达到 2900MW，产量约为1180MW，而欧洲、日本和美国的产量分别是1062MW、920MW 和 266MW，中国成为太阳能光伏电池世界第一大生产国，产生了无锡尚德、江西 LDK、常州天合、天威英利等众多国际著名多晶硅电池和组件生产企业，也出现了福建钧石、蚌埠普乐、河北新奥等一批硅薄膜电池生产企业。我国的薄膜电池技术的基础研究和产业化实验始终与国际保持同步。南开大学光电子薄膜与器件研究所是国际著名、中国顶尖的薄膜太阳电池研发机构，在非晶硅/微晶硅薄膜电池技术、硒铟铜薄膜电池技术领域取得了卓越的成果。四川大学的碲化镉电池技术也展现了产业化应用的前景。据国际权威机构预测，2010 年硅薄膜太
16、阳能电池将占太阳电池及组件的 20%的， 2015 年前太阳能电池发电量的一半以上将来自薄膜太阳能电池。上海交通大学太阳能研究所、中科院电工所等在太阳能应用、光伏建筑一体化、大型并网光伏电站设计、建设和运行等方面积累了丰富的产品经验和建设经验。中国光伏发电产业链正在形成。5、 光伏发电的成本问题光伏发电成本的成本，是决定其能否与传统电力竞争的关键因素。光伏发电成本随着产业的发展不断降低，其中光伏组件成本三十年来几乎降低了两个数量级。 据有关资料统计显示，在 1991 年国外光伏发电价格为 40-75美分/kwh,1995 年为 25-50 美分/kwh，2000 年为 12-20 美分/kwh
17、,而光伏系统成本则分别为 10-20 美元 /Wp、7-15 美元/Wp、3-7 美元/Wp。 2003 年，世界主要厂商的光伏组件成本已降到 22.3 美元/Wp。与传统电力相比，当前光伏发电成本仍然偏高，独立光伏发电系统初投资约 8 万元 /KW，并网发电系统投资约 6 万元/KW ，发电成本 3.5-5 元/KWh。甘肃一项 8MW 并网光伏发电项目前期研究表明，当前太阳光转化成电能的转化率不到 15%，光伏发电上网电价 45 元/千瓦时，是目前火电成本的 10 倍左右。如此高的价格，无论是由用户分摊还是由国家补贴，大规模推广使用太阳能的阻力很大，暂时还无法同火电、风电等竞争。 当然，我
18、国常规上网电价目前还处于较低的水平，传统电力的价格并没有真实反映其生产的全部成本。在中国，煤炭行业一直以来享受着各式各样的补助。除非包括光伏在内的可再生能源得到相应的财政补助，否则比较这两类电力价格是不合适的。此外，当前的电力价格也没有反映燃烧化石燃料给整个社会带来的外部成本。这些成本里既有对区域环境的破坏，也有全球性的影响。要准确估算这些成本的确存在困难，同时还伴随着不确定性的问题。然而世界上近期的大规模市场发展和快速的技术进步正在使光伏系统设备和发电成本有效降低，预计 2012 年每千瓦时发电成本可降为 1.5 元人民币以下。由于晶体硅电池受多晶硅原料价格的影响，其成本难以达到传统能源电力
19、的成本，而硅薄膜电池有望充当与传统电力竞争的先锋，具备与传统电力竞争的优势。随着技术进步，产业规模不断扩大，光伏发电的成本将继续不断降低。6、展望太阳能发电有着广泛的发展前景。太阳每秒钟辐射地球表面的能量约为 17 万亿千瓦，相当于目前全世界一年能源总消耗量的 3.5万倍。由于太阳能具有清洁无污染、分布广泛、取之不尽、用之不竭等特性，使得其应用基础非常广泛。预计 2050 年我国电力装机容量 30 亿千瓦（按年均增长 3%估算）中，太阳能发电装机容量可达 6 亿千瓦。按照国家发改委编制的可再生能源中长期发展规划 ，到2010 年太阳能光伏发电总容量 30 万 KW，其中偏远农牧区应用20 万
20、KW，建筑物和公共设施应用 8-10 万 KW，大型并网光伏电站 2 万 KW，其他商用应用 3 万 KW。2020 年光伏发电总容量180 万 KW，其中偏远农牧区应用 50 万 KW，建筑物和公共设施应用 100 万 KW，大型并网光伏电站 20 万 KW，其他商用应用 10万 KW。我国的太阳能光伏发电应用在农村电气化领域、并网发电领域及其他商业应用领域都将取得长足发展。在农村电气化领域将继续解决无电户的用电问题，其他商业应用是指没有政府政策补贴的商业化应用，包括光伏通信电源、其他工业应用以及太阳能光伏应用产品等。通信和其他工业应用有着稳定的市场需求，近两年有逐渐增加的趋势，太阳能应用产
21、品是我国的强项，包括太阳能路灯、草坪灯、太阳能信号电源、太阳能玩具，交通标识、城市景观等。每年的需求还将逐年增大。随着技术进步、市场开发，新的应用领域和新的产品会迅猛发展。随着光伏发电在能源中的替代功能愈来愈大，主要表现在并网发电的应用比例增加非常快，并成为光伏发电的主导市场。预计我国在未来几年内将迎来光伏发电的应用热潮。从长远看，太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。根据欧洲 JRC 的预测，到 2030 年太阳能光伏发电在世界总电力的供应中达到 10%以上；2040 年太阳能光伏发电将占总电力的 20%以上；到 21
22、世纪末太阳能发电占到 60以上，显示出重要战略地位。在我国发展大型光伏并网发电，是改变和优化电力结构的理想选择，也是可持续电力供应的理想模式。最具发展前景的光伏发电应用的市场是大规模的荒漠电站。我国具备建设大型光伏并网电站极佳的自然条件。业界公认沙漠地区是集中提供太阳能发电的理想地区。我国现有沙漠约 52 万平方公里，有沙漠化土地 17.6 万平方公里，潜在沙漠化土地 15.8万平方公里，三者共计为 85.4 万平方公里。大部分集中在西北部内蒙古、青海、新疆、宁夏、甘肃等省区。理论上，85 万平方公里的沙漠将能提供相当于 200 亿千瓦的发电装机。如以每标准核电站提供 100 万千瓦的电功率来
23、计算，那么 85 万平方公里的沙漠地区将能提供相当于 20000 座核电站所提供的电力。根据著名科学家何祚庥院士提出的观点，仅内蒙古沙漠地区的太阳能就可以解决中国未来的能源问题。大型沙漠光伏电站由于利用沙漠荒地，可大幅度减少土地利用和投资成本。现在看来没有什么作用的一望无际的沙漠,将成为未来的能源基地。从目前的国力和政策看，2010 年以前，先开展沙漠或戈壁大型光伏电站试验。根据国家发改委的可再生能源中长期发展规划 ，在 2010 年以前建立 3-5 座 1-10 MWp 左右的沙漠试验电站（总装机 20 MWp） ，以考察其技术和经济的可行性。2010-2020 年期间将进一步推广荒漠电站，
24、到 2020 年底累计沙漠（戈壁）光伏电站装机达到 200 MWp。国家发改委和一些省区政府正积极规划、部署和实施大型光伏发电项目。青海省力争到“十一五”末，太阳能光伏发电总装机容量在全省范围内达到 300MW。到 2013 年，太阳能光伏发电总装机容量达到 1GW。甘肃敦煌 10MW 并网光伏发电示范工程项目 2008 年 9 月获国家能源局复函，同意采取特许权招标方式建设，光伏发电项目特许经营期 25 年，预计将在今年 3 月确定中标单位后即投入建设并于 2010 年投产发电。甘肃发改委希望以规模化的市场需求带动建立 2030 个类似光伏发电项目。此外，陕西榆林、新疆和田市和阿克苏市、内蒙
25、古鄂托克旗和巴彦淖尔及正镶白旗、甘肃武威、山西太原、海南三亚和海口等都在规划太阳能发电项目。据不完全统计，GW 以上规模的太阳能发电项目达 21 个，许多项目已上报国家发改委。光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色, 预计到 2010 年中国的光伏发电累计装机容量将达到 600 MWp , 2020 年累计装机容量将达到30 GWp , 2050 年将达到 100 GWp。7、问题与建议尽管我国光伏发电应用与产业的发展目前处于历史发展的良好时机，但依然存在着制约产业迅速发展的不利因素和障碍，主要表现在：高纯硅材料严重短缺（95进口） ；主要市场目前在国外（95以上出口） ； 成本仍然偏
26、高导致商业化市场的发展受到限制；光伏发电的配套技术还不成熟、主要依赖进口； 国内光伏市场急需扩大；我国制定的光伏发电发展目标偏低；对于鼓励光伏发展的相关政策的具体可操作性欠缺等。为加快我国太阳能发电应用进程，加速发展大型光伏并网发电，改变和优化电力结构，做到可持续电力发展，提出几点建议：（1）尽快出台针对太阳能光伏发电的上网电价法 ，就光伏发电市场份额作出强制性规定，就光伏发电并网、上网电价及费用分摊等作出更具体规定。同时，应逐步制订投资、价格、补贴、加速折旧等方面的经济激励政策和税收优惠政策。以政策杠杆指导和引导光伏电池产业降低生产成本，朝实现与传统电力等价的方向努力。（2）根据国家发改委关
27、于可再生能源发电有关管理规定和电监会电网企业全额收购可再生能源电量监管办法的要求，推动电网建设和经营企业与光伏发电实体一起，尽快共同探讨和解决大型光伏并网所产生的各类技术问题，为光伏电力并网创造技术条件。（3）以国家发改委和国家能源局牵头，建立国家和省级能源和技术主管部门、行业协会、光伏技术研究机构、光伏电池生产商、大型光伏电站投资与运营商间的沟通和互动机制，做好光伏并网电力的中长期发展规划和实施方案。（4）加快大型和特大型光伏电站的建设步伐，特别是优先支持在内蒙古、青海、甘肃、新疆、宁夏、西藏等地选择荒漠、戈壁、荒滩等空闲土地，建设大型和特大型光伏电站项目，加大光伏发电的并网应用工程。建议有
28、关部门制订专门的支持政策。（5）华能、大唐、国电、华电、中电投等国有电力投资和运行主体，应加深对光伏发电行业的了解，从改变电力供应结构，实现电力企业和社会可持续发展的高度，加速大型和特大型光伏电站的布局和建设。8、结束语在我国能源供需平衡中，可再生能源已经具有重要地位。正如胡锦涛总书记在第二届国际可再生能源大会发表演讲指出：“加强可再生能源开发利用，是应对日益严重的能源和环境问题的必由之路，也是人类社会实现可持续发展的必由之路” 。而太阳能光伏发电的应用是可再生能源的发展趋势。加速发展大型光伏并网发电，是改变和优化电力结构的理想选择，也是可持续电力供应的理想模式。太阳能发电有着广泛的发展前景。
