太阳能发电潜力及前景分析

陈昊 王纲

太阳能发电现状

当能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈，越来越多的国家开始开发太阳能资源，从而寻求经济发展的新动力。太阳能作为一种可再生的新能源，日益引起人们的关注。从能源供应安全和清洁利用的角度出发，世界各国正把太阳能的商业化开发和利用作为重要的发展方向。欧盟、日本和美国把2030年以后能源供应安全的重点放在太阳能等可再生能源方面。预计到2030年太阳能发电将占世界电力供应的10％以上，2050年达到20％以上。大规模的开发和利用使太阳能在整个能源供应中将占有一席之地。

中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。目前，我国太阳能产业规模已位居世界第一，是重要的太阳能光伏电池生产国。中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期，太阳能电池及组件产量逐年稳步增加。经过30多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展。到2007年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦，从事太阳能电池生产的企业达到50余家，太阳能电池生产能力达到290万千瓦，太阳能电池年产量达到1188MW，超过日本和欧洲，并已初步建立起从原材料生产到光伏系统建设等多个环节组成的完整产业链，特别是多晶硅材料生产取得了重大进展，突破了年产千吨大关，冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约，为我国光伏发电的规模化发展奠定了基础。

目前，我国《可再生能源法》的颁布和实施，为太阳能利用产业的发展提供了政策的保障；京都议定书的签订，环保政策的出台和对国际的承诺，给太阳能利用产业带来机遇；中国能源战略的调整，使得政府加大对可再生能源发展的支持力度，这些都为太阳能发电产业的发展创造了机会。

太阳能发电的主要技术

太阳能发电的主要形式包括：平板型光伏电池与阵列、聚光型光伏发电成套设备、槽式聚光热发电系统、塔式聚光热发电系统、槽式聚光集热助发电技术和混合发电系统。

平板型光伏电池与阵列

目前投入商用的平板型光伏电池主要采用单晶硅或多晶硅电池技术。通常由单个电池组件串联成电池串，若干个电池串再并联后进行封装，从而制成太阳能电池板。每块太阳能电池板的电池安装容量为150Wp至200Wp，即在理想条件下(阳光垂直照射，环境温度不超过25℃，光照度DNI数值达到一类地区或二类较高地区指标)，其直流峰值发电能力为150W至200W。通常情况下，为了保证发电量，太阳能电池板的安装容量要大于预期使用容量。一般条件下，安装容量需要设计为使用容量的1.3到1.5倍。

在欧美国家，太阳能电池板主要应用于独立的民居发电，安装容量一般为3kWp至5kWp；或者大规模公用建筑或商业建筑的屋顶或幕墙发电，其安装容量通常为100kWp至1000kWp。这种太阳能发电形式被称为建筑集成光伏发电，即BIPV(Building Integrated Photovoltaic)。

平板型光伏发电系统向直流负荷供电时，电池板阵列经汇线箱(盒)汇集后直接提供负荷用电；当与传统交流系统并用时，直流电源汇集后经逆变器产生符合交流电压、频率的单相或三相交流电，汇入用户的电源系统。将太阳能电池板阵列按照规划发电容量进行铺设，形成大规模平板式光伏发电系统，也可以建成大规模光伏电厂。根据国外已建成的大规模平板式光伏电厂经验数据测算，固定式安装的平板光伏发电技术，其每一MW安装容量需占地3.5英亩，约合21市亩。目前最大的平板式光伏电厂，规模不超过5MW。

平板型光伏发电系统，主要包括太阳能电池板、直流保护与汇集系统、逆变器、交流保护与开关系统、发电量计量、基础结构等部分。如果为大规模并网型电厂，还要考虑直流线路、交流线路、升压站等部分。平板式光伏发电系统光－电总转换效率大约为16％－18％。在该系统中，为了提高太阳光的发电利用率，可以采用单轴或双轴追踪系统，使阳光直射的时间加长，从而提高发电量。单轴追踪系统可以提高发电量约25％，双轴追踪系统可以提高发电量约40％。由于追踪系统需要驱动电池板根据太阳方位角旋转会产生阴影效应，所以占地面积将增加一倍左右。

根据目前国际市场晶体硅原材料的价格，平板式光伏发电系统的单位成本约为每千瓦安装容量2万元至5万元，如果建设兆瓦级平板式光伏电厂，其线路成本将大大增加。综合考虑由于气候原因而造成的电池组件污物遮挡损耗、直流损耗、逆变损耗和电池板阵列场地线路损耗，平板式光伏发电系统每千瓦发电量的综合投资成本约为3.5万元至4万元。

平板式光伏发电系统结构简单、技术含量低、安装施工方便，且由于晶体硅材料价格下降，所以其成本呈下降趋势。但其发电效率低、运输不便、不便于维护，例如遇到风沙或降雪造成电池板表面遮挡后，需要较长时间进行清扫，影响发电效率，一旦电池板表面形成局部遮挡的“斑点”效应，将导致被遮挡的电池组件发热超温损坏，形成永久损耗。同时，如果采用平板式光伏发电技术建设大规模光伏电厂，其安装和线路施工时间大幅度延长，影响投资回报周期。另外，平板式光伏发电系统主要依赖于大量的晶体硅，成本取决于国际晶体硅材料价格，原材料主要掌握在极少数国家手中，而国内仅有加工企业，存在战略风险。

聚光型光伏发电成套设备

聚光型光伏发电技术，简称CPV(Concentrated Photovoltaic)，是最近几年迅速发展的大规模光伏发电技术，主要应用于兆瓦以上规模的并网型太阳能光伏发电厂。与平板型光伏发电技术相比，其受到青睐的主要原因是它的经济性、建设周期短、占地面积小、维护方便和对场地平整程度的要求不如平板型光伏发电系统苛刻。

CPV系统的发电核心技术是“多结光伏电池”(Multiple-Junction Cell)和“菲涅尔聚光镜”(Fresnel Lens)，同时采用高精度双轴太阳方位跟踪技术和液压驱动CPV模块对日系统。将较大面积的光照聚集在较小面积的电池表面，可以充分发挥光伏电池的转化效能，产生超过阳光直接照射在电池表面的发电量。在实验室条件下，一片6英寸平板电池可以产生2到3瓦电量，而经菲涅尔镜聚焦后同样面积多结电池则可以产生1000瓦电量。

根据目前国际上已投入商用的CPV系统测算，其光一电综合转化效能超过30％。根据美国最新安装的CPV系统计算，其平均每瓦发电量的投资成本约为3至4美元，即每千瓦发电量的综合投资成本约为3万至3.5万元人民币，如果实现国产化，则可以逐步将成本降至每千瓦发电量投资2万元。下表是国外某公司生产的高聚光太阳能光伏发电设备主要技术指标，从表中可以看到，53千瓦发电设备，其年发电量为145‘242kWh(一类优质太阳光照条件下)、预期寿命超过25年。

单独的CPV单元主要包括“菲涅尔聚光镜”、多结光伏电池和单元结构支架。菲涅尔镜用于将入射的太阳光聚焦到其焦点上，在焦点位置安装小面积的光伏电池组件，由支架将镜片和电池组合成为—个独立单元。若干单元组成一个模块(见下图)。

一个CPV系统包括CPV模块、基础结构、液压双轴驱动机构、光照及风速传感器、自动控制系统、直流线路和逆变器、并网控制和保护等部分。目前，最大的CPV发电设备单台容量为交流发电量53kW。

CPV发电设备一兆瓦发电容量占地面积为4到6英亩，大约30亩。适合于太阳光照度极高和较高的平坦、开阔地区。以美国为例，从洛杉矶地区开始直到加利福尼亚是美国大陆太阳能资源最优和较优的地区，CPV技术的年发电量比平板式技术要再高25％左右。

聚光型光伏发电设备光－电转化率高、抵御气候影响的能力强、对场地平整程度要求低、方便实现规模化、投资成本较低、对半导体材料的依赖程度低，安装周期短便于实现投资回报。同时，聚光型光伏发电技术成本和设备集中度比较分散，易于实现就地组装，也方便实现本地产业化生产，战略风险相对较小。但该系统基础施工要求高、完全依赖于大型机械安装，对安装施工队伍和运行维护人员的技术水平要求高，且不时需要进行专业化的系统调试。

槽式聚光热发电系统

槽式技术目前是聚光式太阳能技术(CSP：Concentrated Solar Power)中最为成熟的技术。在大规模荒漠太阳能发电应用中，槽式技术是最早被使用的技术，并越来越表现出其运行和成本方面的优势。目前世界上有超过400MW槽式系统正在运行，并且有350MW正在建设，而规划设计中的槽式系统大约有7GW。槽式太阳能热发电厂包括集热和发电两大部分，发电部分和传统的蒸汽发电相同。集热部分主要包括：抛物面槽形反光镜、热接受器、单轴追踪控制系统、集热器基础结构。目前有三种主要的槽式太阳能热发电厂结构：最简单的是仅在有阳光的条件下发电，另一种结构包含一套储热装置，第三种结构即前面提到的混合发电系统。建设一个100MW的槽式太阳能热发电厂，抛物面集热槽需占地约2883.388亩，包括7小时蓄热的一个完整槽式太阳能热发电厂，需占地约5706亩。

抛物面槽在白天连续追踪太阳，将阳光反射到安装在其焦点位置的接收管。接受管的设计使其能够最大限度地采集太阳能而尽可能少地损耗。热传导所用的媒介液体在接受管中循环，被加热到大约750°F(400E)。在太阳能采集场地旁边，加热后的热媒经过热交换产生蒸汽从而驱动传统的蒸汽轮机发电。热能量可以储存在装有熔盐的储罐中，所以在没有阳光的情况下也可以发电，因而光热发电厂的工作可以部分地由电网调度。另外，可以通过太阳能集热场产生蒸汽，与一个现有的循环蒸汽涡轮机发电系统结合形成混合发电系统，从而减少对化石燃料的消耗，减少排放。

以目前在建的世界上最大的槽式太阳能热发电系统——美国亚利桑那SOLANA太阳能电站为例，其总规模为288MW设计发电量，该电站通过常规蒸汽轮机发电，和所占用的农田相比，减少用水约85％。电站“太阳能场”覆盖3平方英里，包括2700台槽式集热器，集热器规格约为25英尺宽，约500英尺长，约10英尺高。其储热装置可保证6个小时的无阳光发电。据悉该项目预期在2011年投产发电，APS(亚利桑那电力系统)将100％收购其所发电力。提供太阳能电力的同时，SOLANA太阳能电站还欲提供现代科技旅游观光服务。

塔式聚光热发电系统

塔式技术也是GSP的一种，通过分布安装在聚光塔周围呈环形排布的定日镜阵，将阳光聚焦反射到安装在塔顶的接受器。接受器内热转换媒介吸收定日镜高度聚集反射来的辐射能量并把它转化成热能，热能进一步转化成蒸汽从而驱动涡轮机带动发电机发电，其产生的热能同样保存在熔盐罐中。因为在塔式技术热循环过程中温度更高，其总体光一电转换效率可以达到25％。

目前建设的最大的塔式热发电厂是位于西班牙的PS20，装机容量为20MW，占地约1415亩。PS20之前，PS10已经于2007年投入商业运行。它的装机容量为11MW，包括624面定日镜，每面镜子的面积120m2，由各自独立的定日追踪控制系统控制，将太阳光反射到塔顶的接受器，聚光塔高115m。PSl0的年发电量为24GWh。

在场地条件允许的前提下，可以在现有的常规热电厂旁，通过太阳能集热场产生蒸汽，与现有的循环蒸汽涡轮机发电系统结合形成混合发电系统，从而减少对化石燃料的消耗，减少排放。

结论

从光伏发电和光热发电技术对比来看，光伏发电的技术成熟度高，已成功投入商业运行的装机容量大，建设和投资规模灵活，可以分期扩展，但是由于采用直流发电、交流逆变并网运行方式，电能质量不能可靠保证，且由于其逆变设备的自保护功能，当网络故障需要电源支撑时无法调度，所以适用于就近消耗或者用于电网贴峰，尤其适用于季节性和时间性较强的民用、商业用电；光热发电的光电转换效率高于光伏发电，规模可以达到小型甚至中型常规火电厂的规模，具有规模成本优势，因为其采用常规发电方式，在电网端和传统火电厂相同，完全可以作为上网电源；在有场地条件的情况下，光热转换产生的热能可以与原有火电结合，用光热替代部分煤热或油热，组成混合发电系统，从而解决小火电厂的排放问题，如果认真规划、成功实施，有可能挽救部分小火电厂，使其继续发挥涡轮发电机组的效能。

光热发电的主要问题在于投资规模大，必须达到一定规模才能实现投资效益，技术的普及程度低于光伏发电，对水源有要求，建设周期长，系统的灵活扩展性能不如光伏发电系统。光伏发电技术中，平板式光伏发电适用于普通民居或公用建筑、商业建筑的峰时用电；而聚光型光伏发电设备适于大规模上网电厂建设采用。