中國太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

胡云巖，張瑞英，王 軍

(河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

中國太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

胡云巖，張瑞英，王 軍

(河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

太陽能是一種取之不盡、用之不竭、潔凈安全的可再生資源，是5種新能源中發(fā)展?jié)摿ψ畲?，被認(rèn)為是21世紀(jì)化石能源的最佳替代者之一。介紹了太陽能光伏發(fā)電的原理、特性及發(fā)展現(xiàn)狀，認(rèn)為世界潮流的推動(dòng)、國家政策的支持和行業(yè)自身的改進(jìn)升級必將使太陽能光伏發(fā)電獲得長足的發(fā)展。

太陽能；光伏發(fā)電；能源；應(yīng)用

進(jìn)入21世紀(jì)以來，人類社會(huì)正面臨著一系列的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，能源危機(jī)就是當(dāng)今世界各國最關(guān)心的焦點(diǎn)之一[1-2]。從200多年前的工業(yè)革命開始，人類工業(yè)化所需的能量就是由煤、石油等傳統(tǒng)化石能源提供的，但是這不僅是一種有限的資源，而且產(chǎn)生CO2，NOx、煙塵等嚴(yán)重破壞了人們的生態(tài)環(huán)境。能源的短缺、環(huán)境的惡化促使人類開發(fā)新的能源，在水能、風(fēng)能、海洋能、地?zé)崮?、太陽能這5種新能源中，太陽能是最具發(fā)展?jié)摿Φ?，它是一種取之不盡、用之不竭的潔凈安全可再生能源[3-5]。通過對太陽能多年的開發(fā)，太陽能發(fā)電得到了長足的發(fā)展，根據(jù)所利用資源的不同，分為太陽能熱發(fā)電和太陽能光發(fā)電，后者就是人們常說的太陽能光伏發(fā)電。

1 太陽能光伏發(fā)電的原理及特性

1.1太陽能光伏發(fā)電的原理

太陽能光伏發(fā)電利用了太陽能電池的光生伏打效應(yīng)，是一種直接將太陽輻射(直接輻射、散射輻射、反射輻射等)能轉(zhuǎn)化成為電能的發(fā)電形式。所謂光生伏打效應(yīng)就是當(dāng)物體受光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢和電流的一種效應(yīng)。當(dāng)太陽光或其他光照射半導(dǎo)體的PN節(jié)時(shí)，就會(huì)在PN節(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓,叫做光生電壓，這種現(xiàn)象就是著名的光生伏打效應(yīng)。

太陽能光伏系統(tǒng)由太陽能電池組件、充放電控制器、逆變器、監(jiān)測儀表、蓄電池或其他蓄能和輔助發(fā)電設(shè)備組成[6]。根據(jù)其應(yīng)用場合的不同，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和混合系統(tǒng)3類。離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)廣泛建立于距離電網(wǎng)較遠(yuǎn)的偏遠(yuǎn)山區(qū)、無電區(qū)、海島、荒漠地帶等，向獨(dú)立的區(qū)域用戶供電。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是將用戶光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)相連的光伏發(fā)電系統(tǒng)，這種方式具有對電網(wǎng)調(diào)峰、減少建設(shè)投入、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流趨勢，但是存在“孤島效應(yīng)”，并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變器必須對電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控， 一旦發(fā)生停電， 能迅速停止向電網(wǎng)供電[7]?；旌舷到y(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可以綜合利用各種發(fā)電方式的優(yōu)點(diǎn)，避免各自的缺點(diǎn)，達(dá)到對太陽能的充分利用，有較高的系統(tǒng)實(shí)用性，但也有其自身的缺點(diǎn)，如控制比較復(fù)雜、比獨(dú)立系統(tǒng)需要更多的維護(hù)等。

1.2太陽能光伏發(fā)電的特性

太陽能光伏發(fā)電具有許多獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)：1)太陽能是取之不盡、用之不竭的潔凈能源，而且太陽能光伏發(fā)電是安全可靠的，不會(huì)受到能源危機(jī)和燃料市場不穩(wěn)定因素的影響；2)太陽光普照大地，太陽能是隨處可得的，太陽能光伏發(fā)電對于偏遠(yuǎn)無電地區(qū)尤其適用，而且會(huì)降低長距離電網(wǎng)的建設(shè)和輸電線路上的電能損失；3)太陽能的產(chǎn)生不需要燃料，使得運(yùn)行成本大大降低；4)除了跟蹤式外，太陽能光伏發(fā)電沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此不易損毀，安裝相對容易，維護(hù)簡單；5)太陽能光伏發(fā)電不會(huì)產(chǎn)生任何廢棄物，并且不會(huì)產(chǎn)生噪音、溫室及有毒氣體，是很理想的潔凈能源。安裝1 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)，每年可少排放CO2600～2 300 kg，NOx16 kg，SOx9 kg及其他微粒0.6 kg[1]；6)可以有效利用建筑物的屋頂和墻壁，不需要占用大量土地，而且太陽能發(fā)電板可以直接吸收太陽能，進(jìn)而降低墻壁和屋頂?shù)臏囟?，減少室內(nèi)空調(diào)的負(fù)荷；7)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)周期短，而且發(fā)電組件的使用壽命長、發(fā)電方式比較靈活，發(fā)電系統(tǒng)的能量回收周期短。

任何事物都有其兩面性，太陽能光伏發(fā)電雖然具有上述的諸多優(yōu)點(diǎn)，但是也有其缺點(diǎn)：首先，地理分布、季節(jié)變化、晝夜交替會(huì)嚴(yán)重影響其發(fā)電量，當(dāng)沒有太陽的時(shí)候就不能發(fā)電或者發(fā)電量很小，這就會(huì)影響用電設(shè)備的正常使用；其次，能量的密度低，當(dāng)大規(guī)模使用的時(shí)候，占用的面積會(huì)比較大，而且會(huì)受到太陽輻射強(qiáng)度的影響；再次，建立太陽光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本比較高，使得初始投資高，嚴(yán)重制約了其廣泛應(yīng)用。

2 太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀

1954 年美國貝爾研究所的PEARSON等3位科學(xué)家在美國首次研制成功了實(shí)用的單晶硅太陽能電池，從此誕生了將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)。20 世紀(jì) 70年代，發(fā)達(dá)國家以國家級計(jì)劃積極研究開發(fā)太陽能發(fā)電，其中日本于 1974 年開始的國家“Sunshine 計(jì)劃”尤為突出[8]。20世紀(jì)80年代后期，太陽能電池的種類不斷增多，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，20世紀(jì)90年代光伏發(fā)電迅速發(fā)展。1990年德國率先提出并實(shí)施“一千屋頂計(jì)劃”，1997年美國宣布實(shí)施“百萬太陽能屋頂計(jì)劃”, 1999年1月德國又開始實(shí)施“十萬屋頂計(jì)劃”，2000年安裝光伏容量超過40 MW[9]。

中國對太陽能光伏發(fā)電的研究和開發(fā)起步較晚，1980年以后，政府才對其加大支持力度，2002年政府啟動(dòng)了“光明工程”，重點(diǎn)發(fā)展太陽能光伏發(fā)電。2009 年開始，又推出太陽能光電建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目和金太陽示范工程。根據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)硅業(yè)分會(huì)的統(tǒng)計(jì)，從2002年至2010年，中國光伏裝機(jī)容量從20.3 MW增加到500 MW，增長了23.6 倍，年均增長49.3%；光伏發(fā)電累計(jì)容量從45 MW增加到797.5 MW，增加了16.7倍。根據(jù)半導(dǎo)體設(shè)備暨材料協(xié)會(huì)(SEMI)的統(tǒng)計(jì)，2011年中國國內(nèi)新增光伏裝機(jī)容量2.7 GW，占到 2011年全球新增光伏裝機(jī)容量的10% 左右[10]。水利水電規(guī)劃總院的數(shù)據(jù)顯示，截至到2012年底，中國光伏發(fā)電容量已經(jīng)達(dá)到了7 982.68 MW，超越美國占據(jù)第三，但是最重要的還是集中在西部地區(qū)。中國19個(gè)省(區(qū))共核準(zhǔn)了484個(gè)大型并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目，核準(zhǔn)容量是11 543.9 MW；中國15個(gè)主要省(區(qū))已累計(jì)建成233個(gè)大型并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目，總的建設(shè)容量為4 193.6 MW，2012年興建98個(gè)。其中青海、寧夏、甘肅3省(區(qū))的建設(shè)容量和市場份額都占據(jù)了半壁江山。為了解決這種光伏發(fā)電集中的情況，從2012年12月開始了分布式光伏發(fā)電示范項(xiàng)目的一個(gè)技術(shù)評審，到2013年5月，中國26個(gè)省(區(qū))市共上報(bào)了140個(gè)示范區(qū)，每一個(gè)示范區(qū)項(xiàng)目不是一個(gè)獨(dú)立項(xiàng)目，可能涵蓋了若干個(gè)市、縣或者是鎮(zhèn)，它的總?cè)萘渴?6 529.6 MW。根據(jù)OFweek行業(yè)研究中心的最新數(shù)據(jù)顯示，2013年上半年中國新增光伏裝機(jī)2.8 GW，其中1.3 GW為大型光伏電站。截至2013年上半年，中國光伏發(fā)電累計(jì)建設(shè)容量已經(jīng)達(dá)到10.77 GW，其中大型光伏電站5.49 GW，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)5.28 GW。

進(jìn)入21世紀(jì)的今天，太陽能光伏發(fā)電這種新興的產(chǎn)業(yè)開始向民用領(lǐng)域滲透，最明顯的是在民用建筑設(shè)計(jì)、施工中的應(yīng)用，在船舶、交通樞紐等運(yùn)輸業(yè)中也有應(yīng)用。2008年的國家鳥巢體育館擁有100 kWp并網(wǎng)光伏電站；深圳國際園林花卉博覽園擁有1 MWp的并網(wǎng)光伏電站；上海世博園區(qū)中國館和主題館擁有的3 MWp的并網(wǎng)光伏電站；2009世運(yùn)會(huì)主場館在看臺的屋頂上安裝了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，裝機(jī)容量為1 027 kW；呼和浩特東站的站房安裝的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流峰值總功率為132.48 kW；山西省腫瘤醫(yī)院2011年建設(shè)實(shí)施的裝機(jī)容量2.07 MW級屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)；廣東省立中山圖書館擁有181 kWp的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)[11-12]。使用太陽能光伏產(chǎn)生的電能作為船舶的推動(dòng)力，2007年中國沈陽泰克太陽能應(yīng)用有限公司研制成功了“00l 號”太陽能旅游船；2010 年首艘由中國國內(nèi)集成商自主集成的太陽能混合動(dòng)力電力推進(jìn)系統(tǒng)船舶——“尚德國盛號”太陽能混合動(dòng)力游船問世[13]。太陽能光伏發(fā)電在中國國內(nèi)大型交通樞紐中應(yīng)用較多，如上海虹橋樞紐光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá) 6.57 MW、杭州東站樞紐光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)10 MW、南京南站樞紐光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)10.67 MW 等[14]。

3 太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展前景

德國全球變化咨詢委員會(huì)的研究表明，要實(shí)現(xiàn)全球能源的可持續(xù)發(fā)展，則要求可再生能源替代比例將要從2020年的20%升高到2050年的50%[15]。日本太陽光發(fā)電協(xié)會(huì)的資料顯示，到達(dá)地球的太陽光能大約是1 kW/m2，如果100%轉(zhuǎn)化成為可以消費(fèi)的能源，1 h的太陽光能就可以滿足世界1年的能源需求。中國幅員遼闊，大部分地區(qū)太陽光資源豐富，儲量巨大，理論上中國陸地上每年接受的太陽光能折合成標(biāo)準(zhǔn)煤的話，相當(dāng)于1.7×104億t，中國1/4的土地屬于沙漠、沙漠化及潛在的沙漠化土地，如果利用其中的1%安裝太陽能光伏發(fā)電裝置，發(fā)電量就會(huì)滿足全國的用電需求。在化石燃料日趨緊張的今天，太陽能資源開發(fā)利用的潛力還是非常大的。根據(jù)歐洲JRC的預(yù)測，到21世紀(jì)末可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中占到80%以上，太陽能發(fā)電占到60%以上。

2011年以來，受國際金融危機(jī)和貿(mào)易保護(hù)主義影響，中國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)處在嚴(yán)重低迷期，但從各國的節(jié)能減排目標(biāo)和聯(lián)合國的《可再生能源特別報(bào)告》中看出，到2050年實(shí)現(xiàn)高比例的可再生能源替代是一個(gè)世界性的趨勢，這將會(huì)促進(jìn)中國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2012-09-12日國務(wù)院發(fā)布了《太陽能發(fā)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，提出到2015年中國太陽能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到21 GW以上；2012-10-26日，國家電網(wǎng)公司發(fā)布《關(guān)于做好分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)服務(wù)工作的意見》，大幅度降低光伏發(fā)電入網(wǎng)門檻； 2013年國務(wù)院出臺《關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》， 提出2013年至2015 年，年均新增光伏發(fā)電裝機(jī)容量1 000 萬kW左右，到2015年總裝機(jī)容量達(dá)到3 500 萬kW以上，并且要著力推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)進(jìn)步。國家能源局明確指出，到2020 年裝機(jī)目標(biāo)是1 億kW，今后幾年都是超過10 個(gè)GW 的國內(nèi)裝機(jī)容量。到2030 年整個(gè)能源需求達(dá)到50 億t標(biāo)準(zhǔn)煤，2050 年達(dá)到52 億t，可再生能源在2050 年的整個(gè)能源需求里占到40%，在電力需求里可再生能源達(dá)到60% 的比例，光伏發(fā)電可能裝機(jī)要達(dá)到10 億kW。國家政策的大力支持，將會(huì)推動(dòng)中國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速健康發(fā)展。

由于中國生產(chǎn)的99%的光伏產(chǎn)品用來出口，而且不掌握核心技術(shù)，使產(chǎn)品成本較高，一旦發(fā)達(dá)國家采取“雙反”政策，中國的光伏產(chǎn)業(yè)就會(huì)受到?jīng)_擊，這就促使人們在技術(shù)創(chuàng)新、設(shè)備升級、提高轉(zhuǎn)化效率的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大中國的消費(fèi)市場，例如擴(kuò)大光伏發(fā)電在城市軌道交通、農(nóng)業(yè)、并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用，都將具有廣闊的前景。

4 結(jié) 語

在生態(tài)環(huán)境日趨惡化、化石燃料日趨緊張的今天，太陽能作為清潔安全的可再生資源必將成為化石燃料理想的替代品。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的不斷成熟、光伏組件成本的不斷降低、國家政策的大力扶持，中國的太陽光伏發(fā)電將會(huì)得到快速發(fā)展。正如胡錦濤總書記在第二屆國際可再生能源大會(huì)上所說的“加強(qiáng)可再生能源開發(fā)利用，是應(yīng)對日益嚴(yán)重的能源和環(huán)境問題的必由之路，也是人類社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路”。隨著光伏發(fā)電在各領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，其將會(huì)在中國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占據(jù)越來越多的份額，對于緩解中國能源緊張、改善生態(tài)環(huán)境具有特殊意義。

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Development status and prospect of solar photovoltaic power generation in China

HU Yunyan， ZHANG Ruiying， WANG Jun

(School of Material Science and Engineer，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China)

The solar energy is an inexhaustible, clean, safe and renewable resource. With the greatest development potential among the five kinds of new energy sources, it is considered to be one of the best alternatives to replace fossil energy in the 21st century. The paper introduces the principle, characteristics and development status of solar photovoltaic power generation. Being promoted by the world trend, supported by national policy, and upgraded by the industry itself, the solar photovoltaic power generation will must develop rapidly.

solar energy；photovoltaic power generation；energy；application

1008-1542(2014)01-0069-04

10.7535/hbkd.2014yx01013

2013-09-16；

2013-11-05；責(zé)任編輯：陳書欣

胡云巖(1957-)，男，河北河間人，副教授，主要從事焊接自動(dòng)化方面的研究。

張瑞英。E-mail:happyzhangruiying@163.com

TK519

A

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