太陽能光伏發電及相關技術研究

李雅瓊

（武威市工業發展研究中心，甘肅 武威 733000）

1 太陽能光伏發電技術的應用

1.1 照明

實際生活中，我們經常利用光伏發電技術和照明領域相結合起來，達到照明能源的綠色可持續。就比如路上隨處可見的太陽能路燈，它可以在白天通過光伏發電技術把從太陽光中收集的能量存儲在蓄電池中，在夜間需要照明的時候利用蓄電池來點亮燈泡。高速公路上的路燈十分適合利用光伏發電技術。

1.2 建筑光伏一體化

光伏發電技術在生活中也可應用于建筑領域，通過將太陽能轉化為建筑內部所需的其他能量，提供給制冷、通風和熱水系統。此種應用形式主要有兩種：一種是把光伏方陣和建筑搭配，例如在建筑屋頂上放置光伏板或者在墻面上安裝光伏板等；另一種是把光伏方陣集成為建筑的一部分，例如直接采用特殊光伏裝置來充當建筑屋頂、幕墻、遮陽板等。

我國在應用建筑光伏一體化領域，有十分豐富的經驗，其中最具代表性的建筑就是“鳥巢”。上海世博會期間，又應用建筑光伏一體化技術建造了中國國家館，其屋頂采取間接鋪設光伏組件，具有十分良好的節能效果。

1.3 與其他技術聯合互補

將光伏發電和其他技術相結合，可以擴大光伏技術的實用性。把光伏發電和溫室大棚相結合來為大棚供電，晴天光伏板轉化使用不完的能量可以儲存到蓄電池組中，陰天時蓄電池組供電，其系統結構如圖1所示。光伏器件安裝時，為避免遮擋溫室大棚的光照，可以放置在大棚的一側，如圖2 所示。

2 太陽能光伏發電技術存在的問題及建議

2.1 出現“棄光”現象

當系統采用多種能源來進行供電時，會出現光伏和其他供電能源相矛盾而不得已放棄光伏能源，暫停光伏機組，來減少發電量，這種現象被稱為“棄光”，也就是光伏發電量已經超越了該電力系統的最大傳輸量和負荷消納總量。

產生“棄光”的原因有很多，主要有并網沖突和消納難兩方面。

1）并網沖突。在我國東北、西北和華北等地，長期以來主要以煤炭資源為主來進行火力發電。隨著光伏產業的興起和政府的高額補貼，再加上日照充足，這些地區大量組建太陽能光伏發電站。能源的多種使用，導致電力系統調峰能力不足。

2）消納難。隨著新能源的興起，企業發電的裝機規模越來越大，傳統輸電通道的資源被占用，當地完全無法消納如此多的電量，使得當地電網會限制光伏電站的并網容量，對能源的調用和優化都產生了嚴重影響。要解決“棄光”，可以建立跨區域輸電通道將富裕電量輸送到中東部用量需求較高的地區和增強就地消納能力，還可以推行“配額制”，根據所在地區的需求量，合理控制光伏發電站數量。

2.2 原材料有限，產業技術有待提高

2011 年，我國的多晶硅產量達到9 萬t，為滿足需求，進口達到6.5 萬t。截至2018，我國的多晶硅產量已經達到25.9 萬t，進口14 萬t。可以看出，雖然隨著國家的發展，我國的產量已經上升很多，但仍有較多需要進口的原材料，這將仍會制約我國的光伏產業。

在產業技術方面，應該積極對新技術進行探索，提高創新能力，攻克技術難點。政府需加強對光伏產業的支持，更大力度的吸收人才，與高校、企業合作，加強產學研一體化，為行業發展奠定良好基礎。

2.3 綜合能耗較大

盡管光伏發電時較為綠色節能，但是制造光伏板的原材料需要消耗大量能量，影響了光伏產業的經濟性。除此之外，光伏電池在下列環節也消耗了大量能量。

2.3.1 組件方面

太陽能電池板的生產過程，從沙灘到成品，需要消耗大量的能源，此外，太陽能電池板要想到用戶的手中，還需要其他的一些材料，如高交聯度的EVA 膠膜、高透光率的鋼化玻璃、高強度的背板材料等，這些材料配合電池板，再經過焊接、層壓等工藝，需要消耗大量能源，而且良品率較低。

2.3.2 基建方面

單一的太陽能電池板的發電量低，往往采用多個太陽能電池板組合的方式進行發電，常見的太陽能發電站。建造太陽能發電站需要大量的建筑材料，如鋼筋、砂石、水泥、電纜等，同樣的生產、運輸這些東西也要消耗大量能源。通常來說，一個太陽能發電站的發電效率只占到所接收太陽光能量的12%～17%，同時還要考慮到設備的老化，發電效率隨著時間會逐漸下降。所以說從單位發電量的生產成本來說，太陽能發電站的前期投資大，回報周期長，單位電價高。

這對上面的幾個問題，國家層面應該對光伏制造業展開整頓治理，設立統一的行業標準。我國工業與信息化部于2021 年推出了《光伏制造行業規范條件》這一文件，旨在從生產與項目立項、工藝技術路線、智能制造和綠色制造、環境保護、質量管理、安全生產和社會責任、監督與管理這7 個方面對相關的企業單位制定行業規范。

3 水上光伏技術

以往光伏發電系統都是建立在地面、屋頂或者山坡上，對地點的選取、周圍的環境以及電網的搭設提出了一些要求。而水上光伏發電技術建立在水面上，脫離了固定在地面的搭設思路，釋放了土地資源，此外水面光伏發電系統可以固定在浮箱上，漂浮在湖泊、水庫等的水面上，可以減少水面的蒸發量，保護水資源；而且水面的反射率高，加上水面的波動使得一部分反射的太陽光可以反射到太陽能電池板上，提高了發電效率，相同的日照條件下，水面的溫度要低于陸地，有利于太陽能電池板的散熱，減緩了老化速度。

目前，常用的水上光伏發電系統主要包括兩類：一類是樁基固定式太陽能電站，它的結構與地面形式的太陽能發電站類似，區別在于它的樁基在水面之下，這種水上太陽能發電站的施工難度大，建設成本高；另一類是水面漂浮型發太陽能發電站，這種發電站在水面之下沒有樁基，發電站直接安裝在水面的浮箱上，適合水域較深的湖泊、水庫。浮箱采用密度較小的材料，為了保證浮箱的穩定性，可以參考古人的智慧——“鐵索連環”，將一個個的浮箱連接在一起，使用船錨的形式固定在水面上，所發的電能通過水底電纜進行傳輸。這種方式也面臨著一些問題：受風的影響較大、發電站的運行維護較困難、浮箱的壽命以及對環境的影響等。

3.1 水上光伏電站的優缺點

3.1.1 優點

相較于傳統的地面光伏發電站來說，水上光伏發電系統發電效率高，平均高出1.58%；此外水面空曠，不占用土地，對環境的影響小，同時水面的溫度較低，有助于太陽能發電系統的散熱，有利于延長它的壽命；水面太陽能發電系統還能夠降低湖泊的蒸發，保護水資源，限制水中藻類的生長，有利于生態保護；水面上塵埃較少，對太陽能發電板的遮蔽較少，有利于保持較高的發電效率。

3.1.2 缺點

水上光伏發電系統由于長期漂浮在水面，受風力的影響較大，由于水面無遮擋物，同樣的條件下，水面的風力往往會大于陸地；由于浮箱長時間漂浮在水面上，因此浮箱材料必須不溶于水，而且還要耐腐蝕、耐光照、耐老化、壽命長；由于水面通常濕度較大，加上空氣中的成分，會對電線，鋼結構等產生腐蝕，因此水上光伏發電系統必須做好防水，同時還要選擇耐腐蝕的支架。

4 展望與建議

相較于傳統的地面太陽能發電站，水上太陽能發電系統不僅能夠減少湖泊的蒸發，保護水資源，而且裝機所需時間短、成本低，發電效率高，節約土地資源。當然他也有受風的影響較大，維護困難，封裝更為苛刻等缺點。綜合來看，水上太陽能發電系統還是具有較大的優勢，同時海面也是它大展拳腳之地，如果研制出能夠在海面穩定工作的水上天陽能發電站，不失為一項偉大的技術創新，可以大大緩解能源危機。