光伏发电技术效益

太阳能光伏发电技术引言传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有 20 亿人得不到正常的能源供应。 这个时候， 全世界都把目光投向了可再生能源， 希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。因此，太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。发展现状近几年国际上光伏发电快速发展， 世界上已经建成了 10 多座兆瓦级光伏发电系统， 6 个兆瓦级的联网光伏电站。 美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家。 1997 年又提出“百万屋顶”计划。 日本 1992年启动了新阳光计划，到 2003 年日本光伏组件生产占世界的 50，世界前 10 大厂商有 4 家在日本。而德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。中国现状中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年 17000 亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。中国光伏发电产业于 20 世纪 70 年代起步， 90 年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。经过 30 多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展。“十二五”时期我国新增太阳能光伏电站装机容量约 1000 万千瓦，太阳能光热发电装机容量 100万千瓦，分布式光伏发电系统约 1000 万千瓦，光伏电站投资按平均每千瓦 1 万元测算，分布式光伏系统按每千瓦 1.5 万元测算，总投资需求约 2500 亿元。相关政策国家能源局于 2013 年 11 月 18 日发布分布式光伏发电项目管理暂行办法，同年 8月 26 日，国家发展改革委关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知，明确了光伏电站确切的电价标准，全额上网电价为 0.98 元 / 度（三类标杆上网电价），保证了投资方的效益；国家能源局在（ 2013） 433 号文件，明确规定分布式光伏电站可以直接并入国家电网2016 年政策1、 发电全额上网所发的全部电量，如果自己不用全部卖给国家，价格是 0.98 元 / 度，山东省补贴 0.05 元，共计 1.03 元 / 度（这种推荐农户使用）2、 自发自用， 余电上网 所发的全部电量， 如果自己全部用了， 用的电不再交电费， 国家再给 0.42元 / 度的补贴， 山东省补贴 0.05 元 / 度， 共计 0.47 元 / 度； 如果未用完余电可以上网， 电业局按照 0.3729元购买余电，另国家再给余电部分 0.42 元 / 度，山东省补贴 0.05 元 / 度，合计 0.8429 元 / 度。（这种推荐企业、工业、厂房、商业用）3、发电的全部自用（即自己发的电自己全用了， 不再交电费， 而且国家再给 0.42 元 / 度的补贴， 山东省补贴 0.05 元） 。以上三种方式均可以享受国家补贴 20 年2017 年政策自 2017 年 1 月 1 日起，国家对光伏分布式发电上网电价有所下调。 2016 年 12 月 31 日年底前安装并网的用户仍按 2016 年国家政策补贴。同时，发改委针对电价调整，形成了一个讨论稿，提出光伏发电标杆上网电价具体调整为一类资源区价格从现行的 0.9 元 / 千瓦时，逐年下调为 0.8 元 / 千瓦时、 0.82 元 / 千瓦时、 0.79 元 / 千瓦时、0.76 元 / 千瓦时和 0.72 元 / 千瓦时。二类资源区价格从现行的 0.95 元 / 千瓦时，逐年下调为 0.92 元 / 千瓦时、 0.89 元 / 千瓦时、 0.86 元/ 千瓦时、 0.83 元 / 千瓦时和 0.8 元 / 千瓦时。三类资源区从现价 1 元 / 千瓦时，逐年下调为 0.98 元 / 千瓦时、 0.96 元 / 千瓦时、 0.94 元 / 千瓦时、0.92 元 / 千瓦时到 0.9 元 / 千瓦时。未来趋势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。预计到 2030 年，可再生能源在总能源结构中将占到 30以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到 10以上；到 2040 年，可再生能源将占总能耗的 50以上，太阳能光伏发电将占总电力的 20以上；到 21 世纪末，可再生能源在能源结构中将占到 80以上，太阳能发电将占到 60以上。 这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。根据可再生能源中长期发展规划，到 2020 年，我国力争使太阳能发电装机容量达到 1.8GW（百万千瓦），到 2050 年将达到 600GW（百万千瓦）。预计，到 2050 年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的 25，其中光伏发电装机将占到 5。未来十几年，我国太阳能装机容量的复合增长率将高达 25以上。光伏发电原理光伏发电是根据光生伏特效应原理 , 利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电 , 光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件 , 所以 , 光伏发电设备极为精炼 , 可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲 , 光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合 , 上至航天器 , 下至家用电源 , 大到兆瓦级电站 , 小到玩具 , 光伏电源无处不在。国产晶体硅电池效率在 10 至 13左右，国外同类产品效率约 12 至 14。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件。典型系统图如下光伏发电系统组成太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流 220V或 110V，还需要配置逆变器，各部分的作用为（一）太阳能电池板太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。（二）太阳能控制器太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项；（三）蓄电池一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。（四） 逆变器 太阳能的直接输出一般都是 12VDC、 24VDC、 48VDC。 为能向 220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用 DC-AC逆变器。光伏发电输送方式太阳能光伏发电分为独立光伏发电、并网光伏发电、分布式光伏发电1、独立光伏发电独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。 /2 、并网光伏发电2、并网光伏发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电这后直接接入公共电网。并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，发展难度相对较大。而分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。3、分布式光伏发电分布式光伏发电系统，又称分散式发电或分布式供能，是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另外还有供电系统监控装置和环境监测装置。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节。光伏发电应用领域一、用户太阳能电源（ 1）小型电源 10-100W不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；（ 2） 3-5KW家庭屋顶并网发电系统；（ 3）光伏水泵解决无电地区的深水井饮用、灌溉。二、交通领域如航标灯、交通 / 铁路信号灯、交通警示 / 标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/ 铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。三、通讯 / 通信领域太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播 / 通讯 / 寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵 GPS供电等。四、石油、海洋、气象领域石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象 / 水文观测设备等。五、家庭灯具电源如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。六、光伏电站 10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。七、太阳能建筑将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向。八、其他领域包括（ 1）与汽车配套太阳能汽车 / 电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；（ 2）太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；（ 3）海水淡化设备供电；（ 4）卫星、航天器、空间太阳能电站等。光伏发电系统优劣1、 优点①太阳能资源取之不尽，用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类目前消耗的能量大 6000 倍。而且太阳能在地球上分布广泛，只要有光照的地方就可以使用光伏发电系统，不受地域、海拔等因素的限制。②太阳能资源随处可得，可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路所造成的电能损失。③光伏发电的能量转换过程简单，是直接从光能到电能的转换，没有中间过程 如热能转换为机械能、机械能转换为电磁能等 和机械运动，不存在机械磨损。根据热力学分析，光伏发电具有很高的理论发电效率，可达 80％以上，技术开发潜力巨大。④光伏发电本身不使用燃料，不排放包括温室气体和其它废气在内的任何物质，不污染空气，不产生噪声，对环境友好，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定而造成的冲击，是真正绿色环保的新型可再生能源。⑤光伏发电过程不需要冷却水，可以安装在没有水的荒漠戈壁上。光伏发电还可以很方便地与建筑物结合，构成光伏建筑一体化发电系统，不需要单独占地，可节省宝贵的土地资源。⑥光伏发电无机械传动部件，操作、维护简单，运行稳定可靠。一套光伏发电系统只要有太阳能电池组件就能发电，加之自动控制技术的广泛采用，基本上可实现无人值守，维护成本低。⑦光伏发电系统工作性能稳定可靠，使用寿命长 30 年以上 。晶体硅太阳能电池寿命可长达 20～ 35 年。在光伏发电系统中，只要设计合理、选型适当，蓄电池的寿命也可长达10～ 15 年。⑧太阳能电池组件结构简单，体积小、重量轻，便于运输和安装。光伏发电系统建设周期短，而且根据用电负荷容量可大可小，方便灵活，极易组合、扩容。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能光伏发电与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用电的独立太阳能发电系统，这些特点是其他电源无法比拟的。2、缺点①能量密度低。尽管太阳投向地球的能量总和极其巨大，但由于地球表面积也很大，而且地球表面大部分被海洋覆盖，真正能够到达陆地表面的太阳能只有到达地球范围太阳辐射能量的 10％左右，致使在陆地单位面积上能够直接获得的太阳能量较少。通常以太阳辐照度来表示， 地球表面辐照度最高值约为 1.2KW／㎡， 且绝大多数地区和大多数日照时间内都低于 1KW／㎡。太阳能的利用实际上是低密度能量的收集、利用。②占地面积大。由于太阳能能量密度低，这就使得光伏发电系统的占地面积会很大，每 100W光伏发电功率占地约需 100 ㎡， 平均每平方米面积发电功率为 100W。 随着光伏建筑一体化发电技术的成熟和发展，越来越多的光伏发电系统可以利用建筑物、构筑物的屋顶和立面，将逐渐克服光伏发电占地面积大的不足。③转换效率低。光伏发电的最基本单元是太阳能电池组件。光伏发电的转换效率指光能转换为电能的比率。目前晶体硅光伏电池转换效率为 10％～ 14％，非晶硅光伏电池只有5％～ 8％。由于光电转换效率太低，从而使光伏发电功率密度低，难以形成高功率发电系统。因此，太阳能电池的转换效率低是阻碍光伏发电大面积推广的瓶颈。④间歇性工作。在地球表面，光伏发电系统只能在白天发电，晚上不能发电，除非在太空中没有昼夜之分的情况下，太阳能电池才可以连续发电，这与人们的用电需求不符。⑤受气候环境因素影响大。太阳能光伏发电的能源直接来源于太阳光的照射，而地球表面上的太阳照射受气候的影响很大，长期的雨雪天、阴天、雾天甚至云层的变化都会严重影响系统的发电状态。另外，环境因素的影响也很大，比较突出的一点是，空气中的颗粒物 如灰尘 等沉落在太阳能电池组件的表面，阻挡了部分光线的照射，这样会使电池组件转换效率降低，从而造成发电量减少甚至电池板的损坏。⑥地域依赖性强。地理位置不同，气候不同，使各地区日照资源相差很大。光伏发电系统只有应用在太阳能资源丰富的地区，其效果才会好。⑦系统成本高。由于太阳能光伏发电的效率较低，到目前为止，光伏发电的成本仍然是其他常规发电方式 如火力和水力发电 的几倍，这是制约其广泛应用的最主要因素。但是也应看到，随着太阳能电池产能的不断扩大及电池片光电转换效率的不断提高，光伏发电系统的成本也下降得非常快。 太阳能电池组件的价格几十年来已经从最初的每瓦 70 多美元下降至目前的每瓦 2 美元左右。⑧晶体硅电池的制造过程高污染、高能耗。晶体硅电池的主要原料是纯净的硅。主要存在形式是沙子 SO2。从硅砂一步步变成纯度为 99.9999％以上的晶体硅，要经过多道化学和物理工序的处理，不仅要消耗大量能源，还会造成一定的环境污染。据统计，生产一块 1.5 米 *1 米的太阳能板， 燃煤超过 40 公斤煤， 即使最没有效率的燃煤电厂也能用这些煤发电 130 度电，这足够让 2.2 瓦的 LED灯泡每天工作 12 小时，发光 30 年，而这一块太阳能板的寿命只有 20 年。简单的一个发电量及投资分析（ 2016 年政策）1、全部发电上网的发电量及投资比较规 格年发电量（每 1 瓦年转换 1.4 1.6 度） 国家补贴 1.03 元 / 度投资额多晶 7.5 元 / 瓦 单晶 8 元 / 瓦5 千瓦 7 千度至 8 千度 7210 元 8240 元 37500 元 40000 元10 千瓦 1 万 4 千度至 1 万 6 千度 14420 元 16960 元 75000 元 80000 元15 千瓦 2 万 1 千度至 2 万 4 千度 21630 元 24720 元 112500 元 120000 元说明 约 5 年左右可收回成本。2、全部发电自用规 格年发电量（每 1 瓦年转换 1.4 1.6 度） 每发一度电效益 1.12 元投资额多晶 7.5 元 / 瓦 单晶 8 元 / 瓦5 千瓦 7 千度至 8 千度 7840 元 8960 元 37500 元 40000 元10 千瓦 1 万 4 千度至 1 万 6 千度 15680 元 17920 元 75000 元 80000 元15 千瓦 2 万 1 千度至 2 万 4 千度 23520 元 26880 元 112500 元 120000 元说明收回成本约 5 年计算过程每发一度电效益我公司工业用电 0.65 元 / 度 -0.47 元 / 度补贴 1.12 元 / 度3、若发电系统安装在工业厂房，还需在厂房设计时增加土建投资。按照太阳能板每块 19kg 计，在屋面上水泥堆及支架将增重 22kg/m2，大约需增加费用 100 元 / 板