城鎮化建設中光伏發電系統的應用

王 勇 / 阮 潔

(中國航天建設集團有限公司， 北京 100071)

城鎮化建設中光伏發電系統的應用

王 勇 / 阮 潔

(中國航天建設集團有限公司， 北京 100071)

1 為何要進行城鎮化建設

1)城鎮化建設是黨和國家的方針政策

我國“十一五”規劃綱要明確提出“要把城市群作為推進城鎮化的主體形態”；“十二五”規劃建議：以大城市為依托，以中小城市為重點，逐步形成輻射作用大的城市群，促進大中小城市和小城鎮協調發展。

中國共產黨的十八大報告中明確提出走新型城鎮化之路。因此可以預見，城鎮化將成為未來中國經濟和社會發展的主推力。

2)城鎮化建設有利于資源配置和循環利用

城鎮化的本質是聚集(產業聚集、人口聚集)。通過聚集提高經濟、社會、文化要素的配置效率，從而不斷推動經濟規模的擴張、帶動經濟結構的優化、創新發展方式，使城市成為經濟發展和社會進步的綜合體現。城鎮化可以促進生態脆弱區人口的梯度轉移，為生態恢復和重建提供基礎條件。還可以提高資源集約利用的程度和效果，特別是為資源的循環利用提供條件。

3)城鎮化建設應防止環境污染、交通擁堵,保證能源提供

產業與人口的聚集，吃喝拉撒、衣食住行不可避免的產生一系列的問題，譬如交通擁堵、環境污染、能源消耗、配套建設、文化教育、人員就業、建設速度與生活質量等問題。因此在城鎮化的進程中規劃建設十分重要，防止環境污染、綠色能源利用必須同步進行。

4)城鎮化建設的一些設想

大自然自身是有凈化功能的，但過量污染則會產生嚴重后果，城鎮化的發展規模要有一個度，要請專家學者認真地分析研究，城鎮規模達到多大時污染與自凈能夠達到平衡，不能越過平衡點。

在制冷制熱方面，室內溫濕度控制方面有了成熟的技術，但是在把室外已經被污染的空氣處理成新鮮的空氣方面人類的技術手段還很有限。這給城市規劃者、城市管理者提出新課題，新型城鎮化建設不能求大求全、盲目擴張。

城鎮化建設不應該以城市為依托向外發展，應該相對集中分區建設，鎮與鎮之間應拉開一定的距離，充分發揮大自然自凈功能，輔以人工環境處理，才能保證生活質量。城市建設不適宜向著超大規模發展，否則維護運行和治理成本太高。

2 為何要利用太陽能發電

城鎮化建設會導致大量人員的相對集中，需要消耗大量的能源。目前除餐飲、供暖以外，我國城鎮消耗的主要能源幾乎全部是電能，但電能在生產制造過程中要消耗煤炭、石油、天然氣等傳統燃料，會對環境產生一定的污染，同時這些原材料一般都在邊遠省份，產生的電能需要遠距離輸送到發達省份。

1)大自然提供的能源有限,為子孫后代留下生存發展的資本

隨著現代工業的發展，全球能源危機和大氣污染問題日益突出，傳統的燃料能源正在一天天減少，全球約有20億人得不到正常的能源供應。我國目前已探明的石油資源只能使用20年，而煤炭作為我國的主要能源資源也只能使用100年。我國目前的人均能源消耗水平僅為世界平均水平的55%，相當于美國人均能源消耗水平的10%。這導致了我國面臨既能源短缺，又能源消耗快速增長的嚴峻形勢。大自然提供的能源有限,我們不能抽干挖凈，要為子孫后代留下點生存發展的資本。

2)減少環境污染、保證可持續發展

環境狀況是我國面臨的另一大問題。2002年SO2排放形成的酸雨面積已占我國國土面積的1/3；CO2排放量9.0億t，約占全球排放總量的13%。主要污染物排放總量居世界第一位。環境污染造成的經濟損失占國民生產總值的比例已達3%～4%。

3)太陽能資源豐富、無污染，是非常理想的綠色能源

太陽每秒鐘到達地面的能量高達80萬kWh，假如把地球表面0.1%的太陽能轉為電能，轉變率5%，每年發電量可達5.6×1012kWh，相當于全世界能耗的40倍。正是由于太陽能的這些獨特優勢，20世紀80年代后，太陽能電池的種類不斷增多、應用范圍日益廣闊、市場規模也逐步擴大。

· 中國太陽能資源理論儲量達每年17 000億t標準煤，大多數地區年平均日照輻射量在4kWh/m2以上，年日照時數大于2 000h。因而有巨大的開發潛能。

· 世界各國都在進行光伏應用的研究，英國、德國、荷蘭及北歐等部分地區已使用20年～30年，取得了一定的經驗。

·光伏發電設計與建筑物的設計建設同步進行，有利于各專業協調配合、建筑物供配電系統繼電保護的配置。

4)國家政策支持

中國已制定和實施了《應對氣候變化國家方案》，爭取到2020年非化石能源占一次能源消費比重達到15%左右。因此，大力發展綠色能源是當今社會發展的必然趨勢。

國家和地方出臺相關法規法令鼓勵企業和個人光伏發電。由國家能源局委托有關部門起草的《分布式發電管理辦法(征求意見稿)》和《分布式發電并網管理辦法(征求意見稿)》已上報國家能源局發布。建立分布式能源發電系統有利于光伏平價上網，加快推進國內電力體制改革。最近國家發改委已要求各地電力部門對分布式能源光伏發電上網給予大力支持。可見國家對光伏產業的發展十分著急和重視。

5)航天具有豐富應用經驗

航天領域對于太陽能光伏發電的研究與應用在國內處于領先地位，空間工作站、載人飛船和衛星的主要能源均來自光伏發電。如天宮一號空間實驗室2011年9月29日成功入軌，至今已2年多，經過與神舟8～10號飛船三次交會對接，工作狀態十分完美。嫦娥二號衛星2010年10月1日升空，至今已3年有余，在完成預定任務后，仍然正常工作，向比火星更遠的行星做深空探測，其主要能源來自于太陽能光伏發電。航天人對光伏發電有著深刻認識和獨特的技術，但多年來由于種種原因，在國內推廣應用并不盡人意。

6)光伏建筑一體化是發展方向

太陽能和建筑相結合是將太陽能發電系統與現代建筑融為一體，使太陽能發電系統成為建筑組成不可分割的一部分，是太陽能應用技術發展的必然趨勢。

3 如何實現太陽能發電

1)光伏發電概念

人類利用太陽能已有3 000多年的歷史，但用于光伏發電系統只有近200年的歷史。光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應，將光能直接轉變為電能的一種技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經過串聯后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發電裝置。

光伏發電，理論上講可以用于任何需要電源的場合， 太陽能光伏發電的最基本元件是太陽能電池(片)，有單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。其中，單晶和多晶電池用量最大，非晶電池用于一些小系統和計算器輔助電源等。多晶硅電池效率為15%～16%，單晶硅電池的效率為17%～18%。光伏組件由一個或多個太陽能電池片組成。

光伏發電產品主要用于三大方面：一是為無電場提供電源；二是太陽能日用電子產品，如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草地各種燈具等；三是并網發電，這在發達國家已經大面積推廣實施。到2009年，中國并網發電還未開始全面推廣。

2)發展現狀與趨勢

據《2013-2017年中國光伏發電產業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告》調查數據顯示，2011年，全球光伏新增裝機容量約為27.5GW，較上年的18.1GW相比，漲幅高達52%，全球累計安裝量超過67GW。全球近28GW的總裝機量中，有將近20GW的系統安裝于歐洲，但增速相對放緩，其中意大利和德國市場占全球裝機增長量的55%，分別為7.6GW和7.5GW。2011年以中、日、印為代表的亞太地區光伏產業市場需求同比增長129%，其裝機量分別為2.2GW，1.1GW和350MW。此外，在日趨成熟的北美市場，去年新增安裝量約2.1GW，增幅高達84%。

其中，中國是全球光伏發電安裝量增長最快的國家，2011年的光伏發電安裝量比2010年增長了約5倍，2011年電池產量達到20GW，約占全球的65%。截至2011年底，中國共有電池企業約115家，總產能為36.5GW左右。其中產能1GW以上的企業共14家，占總產能的53%；在100MW～1GW之間的企業共63家，占總產能的43%；剩余的38家產能皆在100MW以內，僅占全國總產能的4%。規模、技術、成本的差異化競爭格局逐漸明晰。國內前十家組件生產商的出貨量占到電池總產量的60%。

無論是世界還是中國，常規能源都是很有限的，中國的一次能源儲量遠遠低于世界的平均水平，大約只有世界總儲量的10%。太陽能是可再生能源，具有充分的清潔性、絕對的安全性、相對的廣泛性，在長期的能源戰略中具有重要地位。

在今后的十幾年中，中國光伏發電的市場將會由獨立發電系統轉向并網發電系統，包括沙漠電站和城市屋頂發電系統。中國太陽能光伏發電市場發展潛力巨大，配合積極穩定的政策扶持，到2030年光伏裝機容量將達1億kW，年發電量可達1 300億kWh，相當于少建30多個大型煤電廠。國家未來三年將投資200億補貼光伏業，中國太陽能光伏發電又迎來了新一輪的快速增長，并吸引了更多的戰略投資者融入到這個行業中來。

3)系統分類

(1)按布置型式分類

光伏發電系統按布置型式分為集中式電站和分布式電站。

集中電站占地面積和發電容量大，一般為國家級電站，容量在幾十兆瓦以上，高壓側并網需要長距離的輸電線路，近幾年青海、內蒙等地建設的荒漠電站屬于集中電站。

分布式電站發電容量小，占地面積小，一般利用建筑物的屋頂、立面等，電站可以和建筑物的變電所低壓配電室統一建設，布置靈活；光伏發電低壓側并網基本自發自用，對電網影響小；不需要長距離輸電，損耗小。城鎮化建設中應以分布式電站為主。

(2)按并網型式分類

光伏發電系統按并網型式分為獨立光伏系統和并網光伏系統。

獨立光伏發電也叫離網光伏發電。主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組成，若為交流負載供電，還需要配置交流逆變器。獨立光伏電站一般用于邊遠地區的村莊供電系統，太陽能戶用電源系統，通信信號電源、太陽能路燈等各種帶有蓄電池的、可以獨立運行的光伏發電系統。

并網光伏發電就是太陽能組件產生的直流電經過并網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電之后直接接入公共電網。

并網光伏發電系統可以分為帶蓄電池和不帶蓄電池兩種。帶有蓄電池的并網發電系統具有可調度性，可以根據需要并入或退出電網，還具有備用電源的功能，當電網因故停電時可緊急供電。帶有蓄電池的光伏并網發電系統常常安裝在居民建筑；不帶蓄電池的并網發電系統不具備可調度性和備用電源的功能，一般安裝在較大型的系統上。 并網光伏發電有集中式大型并網光伏電站，一般都是國家級電站，主要特點是將所發電能直接輸送到電網，由電網統一調配向用戶供電。但這種電站投資大、建設周期長、占地面積大，還沒有太大發展。而分散式小型并網光伏，特別是光伏建筑一體化光伏發電，由于投資小、建設快、占地面積小、政策支持力度大等優點，是并網光伏發電的主流。

4)系統組成

太陽能光伏并網發電系統和離網發電系統如圖1和圖2所示。

圖1 太陽能光伏并網發電系統示意圖

圖2 太陽能光伏離網發電系統示意圖

光伏發電系統是由光伏組件方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜和太陽跟蹤控制系統等設備組成。

其部分設備的作用：

· 電池方陣

在有光照(無論是太陽光，還是其他發光體產生的光照)的情況下，太陽電池板吸收光能在光生伏特效應的作用下，太陽能電池的兩端產生電動勢，將光能轉換成電能，太陽電池是能量轉換的器件。一般為硅電池，分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。

· 蓄電池組

其作用是貯存太陽能電池方陣受光照時發出的電能并可隨時向負載供電。太陽能電池發電對所用蓄電池組的基本要求是：a.自放電率低；b.使用壽命長；c.深放電能力強；d.充電效率高；e.少維護或免維護；f.工作溫度范圍寬；g.價格低廉。

· 控制器

能自動防止蓄電池過充電和過放電的設備。由于蓄電池的循環充放電次數及放電深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素，因此能控制蓄電池組過充電或過放電的充放電控制器是必不可少的設備。

· 逆變器

將直流電轉換成交流電的設備。由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，當負載是交流負載時，逆變器是必不可少的。逆變器按運行方式，可分為獨立運行逆變器和并網逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能電池發電系統，為獨立負載供電。并網逆變器用于并網運行的太陽能電池發電系統。逆變器按輸出波形可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器電路簡單、造價低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統。正弦波逆變器成本高，但可以適用于各種負載。

· 跟蹤系統

由于相對于某一個固定地點的太陽能光伏發電系統，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太陽的光照角度時時刻刻都在變化，只有太陽能電池板能夠時刻正對太陽，發電效率才會達到最佳狀態。世界上通用的太陽跟蹤控制系統都需要根據安放點的經緯度等信息計算一年中的每一天的不同時刻太陽所在的角度，將一年中每個時刻的太陽位置存儲到PLC、單片機或電腦軟件中，即靠計算太陽位置以實現跟蹤。采用電腦數據理論，需要地球經緯度地區的數據和設定，一旦安裝就不便移動或裝拆，每次移動完必須重新設定數據和調整各個參數。其原理、電路、技術、設備復雜，非專業人士不能夠隨便操作。

5)城鎮建設光伏發電

由于太陽輻射能的能量密度較小，大部分地區不大于1kW/m2，容量在有限瞬間提供大容量電力的能力很差且供電能力隨著光照強度的變化而變化，因此不能用作主電源，一般作為輔助能源使用。城鎮公共建設配套工程的光伏發電系統，通常采用非儲能的屋頂發電分布式能源系統，光伏容量為變壓器安裝容量的20%～30%，低壓側并網，基本實現自發自用，不足部分由電網提供，盡量避免反向送電增加電能調度和繼電保護困難。居民住宅中，白天雖有充足光照，但人員外出工作，家用電器設備關閉用電量小；晚上雖沒有光照，但人員回家用電設備開啟反而用電量大，因此光伏發電系統宜采用帶儲能的并網式光伏發電系統。白天將光伏系統產生的電能儲存在蓄電池中，晚上釋放出來，雖成本會有所增加，但節能效果非常明顯。隨著技術的進步，蓄電池的性價比提高，成本將會進一步降低。太陽能建筑將太陽能發電與建筑材料相結合，使得未來的大型建筑實現電力自給，是未來城鎮化建設一大發展方向。

6)光伏發電的特點

與常用的火力發電系統相比，光伏發電的優點主要體現為：

(1)無枯竭危險；(2)安全可靠、無噪聲、無污染排放、絕對干凈(無公害)；(3)不受資源分布地域的限制，可利用建筑屋面的優勢； (4)無需消耗燃料和架設輸電線路即可就地發電供電；(5)建設周期短，獲取能源花費的時間短。

缺點主要表現為：

(1)照射的能量分布密度小，即要占用較大面積；(2)獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關；(3)發電成本高。

4 經濟和社會效益

1)社會效益：響應國家號召、減少環境污染、保證城鎮化建設可持續發展。

2)經濟效益

當安裝容量在100 kW以上時：

一類地區太陽輻射能4kWh/ d·m2，轉換效率16%，光伏板發電量640Wh/ d·m2，年日照時數2 000h，年發電量234 kWh/年·m2。成本：光伏板790元/ m2，逆變器250元/ m2，人工安裝費240元/ m2；輔材260元/ m2；成本總計1 540元/ m2；按每度電0.8元計算，約8.5年可回收成本。

二類地區太陽輻射能3kWh/m2，轉換效率16%，光伏板發電量480W/m2，年日照時數2 000h，年發電量176 kWh/年·m2。

成本：光伏板790元/ m2，逆變器250元/ m2，人工安裝費240元/ m2；輔材260元/ m2；成本總計1 540元/ m2；按每度電0.8元計算，約11年可回收成本。

三類地區太陽輻射能2.5kWh/m2，轉換效率16%，光伏板發電量400W/m2，年日照時數2 000h，年發電量146 kWh/年·m2。

成本：光伏板790元/ m2，逆變器250元/ m2，人工安裝費240元/ m2；輔材260元/ m2；成本總計1 540元/ m2；按每度電0.8元計算，約13年可回收成本。

北京實際地區測量得到數據：單晶硅光伏系統發電量約為1.3 kWh/年·W，成本12元/ W。按每度電0.85元計算，成本回收期約為11年。

5 結束語

城鎮化是我國近階段發展建設的方向，城鎮居民和企業團體生存發展要消耗大量的能源，為防止污染、滿足人們日益增長的物質需求，使用綠色能源勢在必行，在我國一、二類地區陽光輻照充足，隨著光伏組件、逆變器等主要部件技術的成熟、成本降低和質量的提高，相信分布式光伏發電系統能夠得到廣泛應用。

Application of Photovoltaic Generation System in Urbanization Construction

Wang Yong / Ruan Jie

本文從為何進行城鎮化建設、為何要進行光伏發電以及如何發展光伏發電三方面闡述了光伏發電技術及應用，結合我國正處在自然資源緊缺、環境污染嚴重、經濟結構轉型的關鍵時期的現狀，凸顯發展光伏發電系統在城鎮化建設中的重要性。

城鎮化建設 光伏發電 分布式能源系統

This paper discusses photovoltaic technology and its application through three aspects of why we pursue urbanization construction， PV generating and how to develop photovoltaic power generation projects. China is in a critical period of natural resources shortage, environment pollution and economic restructuring, which highlights the importance of developing PV generating system in urban construction.

urbanization construction, photovoltaic generation, distributed energy system