太陽能光伏發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展探討

韓春雷

中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350000

0 引言

第一次工業(yè)革命、第二次工業(yè)革命都消耗了大量化石能源?，F(xiàn)階段，全球發(fā)展依然對(duì)化石能源有較強(qiáng)的依賴性，在過度開采化石能源的過程中，環(huán)境受到威脅，也對(duì)社會(huì)的發(fā)展造成了阻礙，因此人類不得不重視對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。在我國“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過程中，開發(fā)與使用清潔能源成為重要手段，太陽能光伏發(fā)電等清潔能源技術(shù)已成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可靠保障。

1 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢

1.1 電能供應(yīng)穩(wěn)定

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是一種利用太陽能的技術(shù)形式。傳統(tǒng)的太陽能利用主要將太陽能用于加熱過程中。人類最早在1839 年發(fā)現(xiàn)了光生伏打效應(yīng)，但由于技術(shù)、生產(chǎn)能力的限制，直到1954 年才生產(chǎn)了世界第一塊單品硅光伏電池。該技術(shù)雖然得到全世界的普遍關(guān)注，但高昂的電池生產(chǎn)成本使其沒有得到大范圍的推廣。進(jìn)入21 世紀(jì)后，光伏發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展，相關(guān)材料設(shè)備的成本不斷降低，為太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用打下了非常扎實(shí)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛。太陽能光伏發(fā)電電廠向城市、鄉(xiāng)村提供可靠的電能供應(yīng)。在政府的大力推廣、建設(shè)下，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)能夠?yàn)?4 萬用戶提供穩(wěn)定的電能供應(yīng)。

1.2 儲(chǔ)量豐富且清潔無污染

太陽能作為清潔性能源，儲(chǔ)量豐富；相比傳統(tǒng)的化石能源燃燒發(fā)電技術(shù)，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染和破壞，也不存在能源過度開采和利用所導(dǎo)致的嚴(yán)重后果[1]。從我國太陽能分布的角度上來講，我國幅員遼闊，西部高原地區(qū)的太陽能資源充足，人口密度較低，為光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供了可靠的地理和環(huán)境資源。很多地區(qū)的太陽能輻射量可以達(dá)到4 kW·h/m2，西北部分地區(qū)甚至?xí)^7 kW·h/m2。

2 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

2.1 混合發(fā)電系統(tǒng)

太陽能光伏混合發(fā)電系統(tǒng)以太陽能和風(fēng)力為主要能源，將不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與光伏發(fā)電進(jìn)行有效結(jié)合，從而確保混合發(fā)電系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。我國西北地區(qū)有極其豐富的太陽能資源和風(fēng)力資源，二者的有效混合可以彌補(bǔ)由光伏發(fā)電對(duì)天氣的依賴而帶來的技術(shù)缺陷。例如，青藏高原冬天日照較弱，風(fēng)力較強(qiáng)，僅采用光伏發(fā)電技術(shù)很難保證電能的穩(wěn)定供應(yīng)。但在結(jié)合風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的情況下，可以有效彌補(bǔ)該季節(jié)光伏發(fā)電的不足，從而提升發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，使其能夠提供高質(zhì)量、穩(wěn)定的電源[2]。

2.2 聚光光伏技術(shù)

聚光光伏技術(shù)可以有效提升太陽能的利用效率。采用聚光板、鏡面等方式，將太陽光線集中照射到聚光電池上，使太陽光線的強(qiáng)度得到有效提升，從而提升太陽能的轉(zhuǎn)化效率。這種技術(shù)的應(yīng)用可以提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率，在提升太陽光線強(qiáng)度的同時(shí)，降低光伏發(fā)電過程中的成本支出。在使用聚光器提高太陽能強(qiáng)度時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠更有效地進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換，從而使光熱能夠快速進(jìn)入電能生產(chǎn)流程，全面提升光伏發(fā)電的效率。

2.3 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)，并在公共電網(wǎng)的協(xié)調(diào)下，為社會(huì)提供電能供應(yīng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠充分利用公共電網(wǎng)的資源，使光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)出的電能能夠在儲(chǔ)能、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)中獲得可靠保障。光伏發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)的過程中不需要安裝專用的太陽能蓄電池，能夠直接為市場提供電能，其運(yùn)行和管理成本都遠(yuǎn)低于獨(dú)立運(yùn)行方式。在公共電網(wǎng)的輔助下，其供電的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量得到有效保障[3]。這種方式相對(duì)于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)具有更高的太陽能轉(zhuǎn)換效率，因此在現(xiàn)階段的光伏發(fā)電技術(shù)推廣過程中，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是主要的應(yīng)用和發(fā)展方向。

2.4 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)通常建立在偏遠(yuǎn)、缺乏電能的地區(qū)，或者作為便攜式的移動(dòng)電源使用，如邊疆哨崗、山區(qū)、農(nóng)村等區(qū)域。該系統(tǒng)積極利用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢，在白天集中發(fā)電，并將電能存儲(chǔ)在太陽能蓄電池中。雖然會(huì)受到自然環(huán)境因素的影響，且供電的穩(wěn)定性較差。但對(duì)于電網(wǎng)很難覆蓋的邊遠(yuǎn)區(qū)域，該系統(tǒng)可以滿足當(dāng)?shù)鼐用竦挠秒娦枨蟆?/p>

2.5 光伏建筑一體化

在我國太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用過程中，20 世紀(jì)90 年代就已經(jīng)出現(xiàn)光伏建筑一體化的相關(guān)設(shè)計(jì)。隨著建筑與光伏發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，采用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的建筑變得越來越常見。一方面，光伏發(fā)電技術(shù)的有效應(yīng)用可以降低建筑物的維護(hù)成本。例如，某市招商銀行大廈使用光伏發(fā)電技術(shù)，一年可以節(jié)省近千萬元的電費(fèi)支出。另一方面，光伏建筑的一體化建設(shè)可以進(jìn)一步利用城鎮(zhèn)區(qū)域的太陽能資源，并提升建筑物的社會(huì)效應(yīng)[4]。

在實(shí)際應(yīng)用中，主要采用兩種方式展開光伏建筑的設(shè)計(jì)。

（1）將光伏系統(tǒng)與建筑進(jìn)行一體化、集成化的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方式是將傳統(tǒng)的玻璃幕墻替換為光伏電池板，將光伏電池板作為建材使用，同時(shí)能夠通過太陽能的吸收和發(fā)電，向建筑物提供一定的電能，從而有效控制建筑物的電費(fèi)支出，并降低光伏發(fā)電的成本。

（2）在建筑物頂部安裝平面光伏系統(tǒng)，同時(shí)與電網(wǎng)并聯(lián)。這種形式可以創(chuàng)建聯(lián)網(wǎng)的光伏供電系統(tǒng)，同時(shí)在建筑物頂部使用具有色彩的光伏組件，可以裝飾建筑物，在實(shí)現(xiàn)發(fā)電作用的同時(shí)，提升建筑的美觀度。

3 國內(nèi)外太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國外太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1.1 太陽能光伏發(fā)電引起各國重視

經(jīng)過100 多年的發(fā)展，太陽能電池的種類、規(guī)格在市場的需求下變得十分復(fù)雜。隨著國際對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)擁有市場空間越來越大。近年來，國際上對(duì)太陽能電池的使用需求長期保持在50%以上的增長率。早期推廣的光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)為各個(gè)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)增長提供了可靠的助力。例如美國的“百萬屋頂計(jì)劃”，在建筑物頂部和其他可能的部位安裝光伏設(shè)備，以確保對(duì)太陽能的有效利用。在此基礎(chǔ)上，2015 年美國進(jìn)一步延長太陽能減稅優(yōu)惠法案，大力推廣太陽能發(fā)電技術(shù)的有效應(yīng)用。

3.1.2 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展緩慢

現(xiàn)階段雖然太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在國際上的應(yīng)用得到重視，但總體來說，太陽能光伏發(fā)電量僅占全球總發(fā)電量的1%，該技術(shù)的應(yīng)用依然需要進(jìn)行進(jìn)一步的推廣。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到2040 年太陽能光伏發(fā)電的占比會(huì)進(jìn)一步提升到21%左右。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的推廣和應(yīng)用是未來國際總體的發(fā)展趨勢，將成為社會(huì)主流的用電生產(chǎn)方式之一。

3.2 國內(nèi)太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.2.1 太陽能資源儲(chǔ)量豐富

從我國太陽能資源分布的角度上來講，我國的太陽能資源較豐富，且大量太陽能資源集中在人口較為稀疏的西北區(qū)域，因此具備大規(guī)模光伏發(fā)電廠建廠的需求。從太陽能光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的角度上來講，早在1971 年，東方紅2 號(hào)衛(wèi)星就已經(jīng)使用太陽能電池提供動(dòng)力。

3.2.2 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)得到廣泛認(rèn)可

隨著我國改革開放的推進(jìn)以及我國生態(tài)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的執(zhí)行，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)早已成為我國技術(shù)研究的重點(diǎn)。在“送電下鄉(xiāng)”等政策的推廣過程中，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)得到大眾的廣泛認(rèn)可[5]。該技術(shù)的清潔、可再生優(yōu)勢，使其在我國生態(tài)可持續(xù)建設(shè)的過程中發(fā)揮了十分重要的作用。

3.2.3 太陽能光伏發(fā)電發(fā)展迅速

從太陽能光伏市場的角度來講，截至2021 年，我國的太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)總量連續(xù)7 年位于全球首位，其中分布式的光伏發(fā)電總量達(dá)到1.075×109kW，新增的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)增加了2.9×107kW，2020 年市場戶用光伏電量超過1×108kW，2021 年超過了2×108kW。我國的光伏產(chǎn)業(yè)鏈也位于世界領(lǐng)先水平，在全球前十的光伏硅晶制造企業(yè)中，有7 家是中國企業(yè)，同時(shí)光伏產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)和完整程度也遠(yuǎn)勝于國際其他國家。

4 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢

4.1 光伏材料成本的進(jìn)一步控制

從太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展歷史上來看，影響該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要原因是光伏材料成本較高。一方面，高轉(zhuǎn)換率的光伏單晶硅電池板成本較高；另一方面，低轉(zhuǎn)換率的光伏單晶硅電池板很難滿足市場的實(shí)際需求。

從光伏材料光電轉(zhuǎn)換效率的角度來講，光電轉(zhuǎn)換效率越高，意味著光伏電池板的生產(chǎn)能力和穩(wěn)定性越強(qiáng)。根據(jù)研究人員的計(jì)算，光電轉(zhuǎn)換效率在63.2%左右可以為光伏發(fā)電替代傳統(tǒng)化石能源提供可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。但在實(shí)際應(yīng)用的過程中，多數(shù)光伏單晶硅電池板的轉(zhuǎn)換率在10%～15%，其轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)低于市場的實(shí)際需求。雖然技術(shù)能力較高的生產(chǎn)企業(yè)可以將光伏轉(zhuǎn)換率提升到45%左右，但由于高昂的生產(chǎn)成本，無法進(jìn)行有效的市場化。例如，日本三洋電機(jī)將硅和鍺應(yīng)用到太陽能電池中，使其光電轉(zhuǎn)化效率提升到22%，但轉(zhuǎn)換效率和成本依然不滿足市場的實(shí)際需求；德國將稀土元素鉺應(yīng)用到太陽能電池中，雖然可以將光電轉(zhuǎn)換率提升到23%以上，但依然存在市場化難度較高的問題?，F(xiàn)階段，太陽能電池中主要采用的硅材料成本高昂，還需要極長的生產(chǎn)周期，也進(jìn)一步導(dǎo)致太陽能電池市場化面臨較多的阻礙。在未來太陽能光伏技術(shù)發(fā)展的過程中，如何降低材料的生產(chǎn)制造成本，是光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主要研究方向。

4.2 光伏電站建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展

現(xiàn)階段我國光伏發(fā)電行業(yè)得到快速發(fā)展，是因?yàn)樘柲芗性谌丝谳^為稀少的區(qū)域，可以建設(shè)規(guī)模較大的地面光伏發(fā)電站，以滿足其市場化的需求。但同時(shí)，對(duì)土地資源的大量需求，使光伏電站的進(jìn)一步推廣受到制約。因此，研究人員發(fā)明了農(nóng)光互補(bǔ)、林光互補(bǔ)等分布式的發(fā)電站類型，可以充分利用空間建設(shè)小型光伏發(fā)電站，從而減少對(duì)土地資源的需求。但這種光伏發(fā)電站的維護(hù)難度較大，一般居民不具備維護(hù)光伏發(fā)電站的能力，在推廣的過程中，面臨技術(shù)、環(huán)境、政策等多方面的阻礙?，F(xiàn)階段，我國對(duì)地面光伏發(fā)電區(qū)域的規(guī)劃依然存在不合理和不深入的問題。交通不便的西北部高海拔區(qū)域并沒有得到充分利用，由于配套基礎(chǔ)設(shè)施的問題，并沒有將地面光伏發(fā)電站充分引入該區(qū)域的光伏電站建設(shè)過程中[6]。

總而言之，我國現(xiàn)階段的光伏電站建設(shè)沒有充分利用我國的太陽能資源，大規(guī)模地面發(fā)電站沒有在太陽能較充足、人口較稀少的區(qū)域發(fā)展；同時(shí)，分布式小型光伏發(fā)電站的市場化運(yùn)行模式依然待完善。未來，研究人員會(huì)集中主要力量解決這些問題，促進(jìn)光伏發(fā)電站的進(jìn)一步建設(shè)?？傮w上來說，我國的太陽能光伏電站建設(shè)依然具有較廣闊的前景，無論是土地資源的利用程度還是分布式光伏電站技術(shù)的利用狀況，均具有廣闊的發(fā)展空間，光伏發(fā)電技術(shù)的有效利用擁有良好的資源基礎(chǔ)[7]。

5 結(jié)束語

能源是人類社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)保障，在環(huán)境污染和資源枯竭問題日益嚴(yán)重的背景下，利用清潔可再生的能源成為全球共同關(guān)注的研究課題。太陽能作為清潔可再生能源的代表，無論在國際還是國內(nèi)都得到了充分重視。現(xiàn)階段，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)雖然取得了一定的應(yīng)用和研究成果，但是還有較廣的發(fā)展空間。在有效利用當(dāng)前技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研究光電轉(zhuǎn)換效率、光伏材料成本及光伏電站建設(shè)，從而有效利用太陽能資源，使其能夠替代當(dāng)前近乎枯竭的化石能源，成為社會(huì)發(fā)展的新能源保障。