太陽能發電技術的綜合評價及應用前景

文/王韜

1 研究背景

隨著社會經濟的發展，環境污染問題也越來越嚴峻，人們對于化石能源的開采利用已經超出一定載荷，除環境污染問題外還引發了一定能源危機。太陽能發電技術的應用則有效改善了這一現象，太陽能作為一種可再生的綠色能源而備受推崇。近年來隨著太陽能發電技術的快速發展，國家相應推出了相關政策鼓勵發展太陽能發電，在這樣的背景下，我國太陽能發電領域得到了快速發展。此外隨著科學技術的進步以及市場需求量逐漸擴大，光伏發電行業市場容量也在逐漸提升，政府通過推出各種補貼獎勵政策，有效推動了太陽能發電企業的良好發展。就目前來看，我國在太陽能發電領域盡管已經取得了很好的成績但是仍然存在一些問題，首先是我國在光伏發電領域技術已經相對成熟，但企業同質化問題嚴重，創新性不足。另外由于我國所采用的行業標準都是引用國際標準，并沒有結合我國市場實際來規范行業標準。所以總的來看，我國太陽能發電行業只有通過不斷實現技術更新、加強能源與科技的結合以及依賴國家一些鼓勵政策，才可以在未來發展中取得良好的競爭優勢。

2 太陽能發電技術

太陽能作為一種可再生綠色能源，隨著科學技術的不斷進步，已經成為風能之后被廣泛應用到發電領域的一種可再生能源。通常將太陽能發電技術分為光伏發電和光熱發電兩類。

2.1 光伏發電技術簡介

作為太陽能發電技術中的主要利用方式，其可以利用半導體材料的光伏效應來實現從太陽能到電能的直接轉化。根據所選電池材料以及制造工藝的不同，光伏發電技術可以分薄膜太陽能電池技術、晶硅太陽電池技術技術、聚光太陽電池技術以及新型太陽能電池技術。其中晶硅電池又分單晶硅電池與多晶硅電池，薄膜電池分非晶硅電池、碲化鎘電池以及銅銦硒電池等。目前市場上最常見的光伏電池多為晶硅太陽電池技術，是當前我國技術成熟度最高、規模最大的產品類型，現在市面上生產出的單晶硅太陽能電池的光電轉換效率已經在17%左右，使用壽命一般在15年左右，最高可以使用25年，產品已經被廣泛應用于空間和地面。薄膜電池與其他太陽能電視相比更適合于沙漠電站，因為薄膜太陽能電池弱光效應更好，且更加方便于建筑光伏一體化，但是衰減較大，轉換效率低，且設備技術投資也比較高。聚光電池與其他類別太陽能電池相比轉換率更高，但是由于其無法利用漫射輻射，所以成本比較高，常用于航空航天領域。

光伏發電技術的結構以及基本原理相對簡單，且電站建設周期比較短，設備運行和日常維護也比較簡單，因此能夠進行應用和開發的地區相對比較廣泛，另外由于光伏發電屬于靜態發電，無需機械轉動，沒有磨損，因此不會產生噪聲。通常光伏發電的選址會比較容易，建站前期投資較小，一般大型光伏發電站的建設時長不超過半年。通常光伏電站的系統組件是由逆變器以及光伏組件組成的，因此電站運行不需要燃料，基本上可以實現無人值守，成本比較低。此外，光伏電站的應用形式比較多，主要分為大型并網電站、離網光伏以及分布式建筑光伏，其中大型并網電站的度電成本低，主要建設與平坦開闊陽光充足的地面；離網光伏主要用于解決偏遠地區電力供應；分布式建筑光伏則依托建筑設立，主要接到配電網中從而完成就地消納。盡管光伏電站有著很多優點，但缺陷也比較明顯，太陽能發電有著一定的間歇性和不穩定性，特別是在沒有陽光照射或陽光較少的陰雨天，光伏發電波動性、間歇性明顯。

2.2 光熱發電技術簡介

光熱發電主要是通過實現光能到熱能再轉化為電能這一過程的一種發電技術，其從功能轉化本質上來看與傳統熱電站類似，主要不同在于輸入能源。利用該技術將低密度太陽能經聚光器轉為高密度能力，經過傳熱介質實現太陽能到熱能的轉化，利用熱力循環完成發電功能。光熱發電分聚光光熱發電、太陽能半導體溫差發電以及太陽能熱聲發電等。目前最具有商業發展前景的是聚光光熱發電，進一步可以分為以槽式光熱發電和線性菲涅爾式光熱為主的線聚系統以及以塔式光熱發電和碟式光熱發電為主的點聚焦系統。

光熱發電系統主要是由聚光吸熱系統、儲熱系統以及熱力循環系統共同組成的，其聚光比以及集熱溫度共同決定了光熱發電的集熱效率。有研究表明，帶儲熱系統的光熱發電站年利用率比沒有帶儲熱系統的高25%-65%，所以光熱發電能夠利用儲熱系統實現更高負荷需求，這也是光熱發電最明顯的優勢之一。此外，光熱發電系統對于電網友好性更強，能夠與其他熱能發電方式相結合，實現聯合循環，從而有效克服了光伏發電的波動性和間歇性。最后光伏發電由于在能量轉化過程中能夠得到熱能，所以可以對這些熱能進行綜合利用，從而有效提高能源的利用率，常見的包括海水淡化、采暖制冷一體化等。

3 光伏發電技術綜合評價及應用前景

3.1 光伏發電技術綜合評價分析

從開發條件上來說，光伏發電過程不受水資源的約束，且能夠利用太陽能總輻射，可以利用的太陽輻射比光熱發電多，且在太陽輻射較低的地方也可以通過光伏發電的方式實現正常發電功能，對地形要求不高，體積較小。

從發電技術水平來說，目前晶硅太陽能電池發電技術已經十分成熟，成本也相對較低，作為光伏發電主流產品已經進入到了產業化生產模式，薄膜太陽能電池發電技術成本較低，但由于其光電轉換效率較低，仍處于推廣階段。從光伏電池的效率看看，國內外市場上可以見到的單晶硅電池轉換效率大多在23%左右，屬于轉換效率最高的產品，商用多晶硅電池的轉換效率則是在18.3%左右。目前我國光伏并網逆變器的光電轉換率最高已經提到了98.5%，且性能可靠，波形的失真率能夠在3%以內，極大提高了太陽能發電的能力。

從發電經濟性來看，由于國際上太陽能電池產能過剩的緣故，我國對于光伏電站初始投資也在市場波及下降到了1.2-1.8萬元/kW。此外根據投資條件差異，建筑光伏發電系統的成本大概在1.25-2.00元/kWh，大規模的則在0.81-1.5元/kWh。統計數據表明，2020年之前光伏電站成本下降空間依然有限，到2020年我國光伏發電成本可以降到0.6-0.8元/kWh，到2030年可以達到0.6元/kWh以下。

從接網要求來看，光伏發電容量因子大概在 0.11（1000kWh/m2）-0.23(2000kWh/m2）。由于光伏電站的不穩定性以及間歇性等原因，通常大規模光伏并網會對電力系統網絡產生一定影響，當非理想天氣出現時，光伏電站發電量明顯減少，通常情況下光伏發電最大發電時間在北京時間中午12點-15點。

從電網的適應性方面考慮，當光伏電網接入后負面影響較多，首先是電能質量會產生不良影響，光伏發電波動性很容易會影響到電網電壓產生波動和閃變。另外由于太陽輻射強度的不確定性會使得電網調度難度增大。此外還有電網穩定控制問題和配電網運行控制規劃問題，光伏電網的介入會對配電網規劃帶來很大挑戰。

從政策和發展環境來看，目前我國政策積極鼓勵進行新能源開發利用，此外稅收減免也是促進新能源開發利用重要手段。

所以綜合來看，光伏發電開發條件、發電經濟性、政策環境以及發電技術等方面都有著很明顯的優勢，但是其結網要求相對較高，存在一定缺陷。

3.2 光伏發電技術應用前景

從開發條件來看光伏發電重點開發地區應該設在太陽能資源相對較好的地點，可以在我國荒漠地區建立一些荒漠電站，開發潛力較大，我國目前適合建設荒漠電站地區主要集中于西北荒漠地區。除了這種大型的地面站以外，還可以將其設置在屋頂上，我國屋頂建筑面積約400億平方米，以1%計算，大概有3300-6600萬kW的開發簽離，如果屋頂光伏系統電網末端接入，不用考慮到輸送影響，而由于城市太陽輻射相對較小，因此發電效率與荒漠相比較低。

從未來發展趨勢來看，到2020年我國光伏發電技術應當已基本成熟，逐漸開始實現規模生產，且光伏電的成本也會明顯下降，在一定程度上提高了光伏發電市場競爭力。2020-2030年間光伏發電將基本進入到規模化生產，此期間國家政策支持可能會逐漸減弱甚至取消。2030-2050年光伏發電將進入到平穩發展階段，但由于本身光伏發電特點，規模擴大會受到一定限制。

4 結語

隨著人們對環境問題的關注越來越深，太陽能作為一種可再生綠色能源受到了人們的廣泛關注。通常將太陽能發電分光伏和光熱兩種模式，本文主要探討了光伏發電的綜合特點，從光伏發電開發條件、發電經濟性、政策環境、發電技術以及接網要求等方面進行了綜合分析評價，并對其未來發展進行了簡單預測和展望。