光伏电站的发展状况及低碳效益浅析

武广萍，倪　斌，孟　欢

（1.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州730050；2.深能源北方投资有限公司）

光伏电站的发展状况及低碳效益浅析

武广萍1，倪斌2，孟欢1

（1.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州730050；2.深能源北方投资有限公司）

温室气体浓度增加引起的全球变暖，我国政府对此非常重视，提出到2020年我国单位生产总值CO2排放比2005年减少40%～45%，节能减排工作日益严重。电力是“高碳能源”的第一消耗大户，目前大力发展风电、光伏等新能源产业，使之成为我国电力工业的重要组成部分，不仅是能源开发的需要，也是低碳经济和环境保护的需要。构建以安全发展、高效发展、清洁发展为目标的现代能源保障体系。

光伏电站；发展；低碳；浅析

1　目前我国新能源发展战略方向

能源是经济社会发展的基本保障。随着全球资源紧张、气候变化问题日益加剧，资源和环境对能源的约束越来越强。如何以新一轮能源革命为契机，加快能源战略转型，保障能源安全、高效、清洁供应，是世界各国面临的共同挑战。

能源问题涉及能源政策、能源科技、能源市场、能源环境等诸多方面。要解决好能源问题，应当树立“大能源观”，以全球化视野、可持续理念、战略性举措、创新性技术着力转变能源发展方式，统筹能源与经济社会环境协调发展，推动能源结构由高碳转向低碳、能源利用由粗放向集约、能源配置由局部地区转向全球范围、能源服务由单向供给转向智能互动，构建以安全发展、高效发展、清洁发展为目标的现代能源保障体系。

党和国家领导人高度重视可再生能源发展，多次在国际场合提出非化石能源占比目标，要“完善风能、太阳能、生物质能等发展扶持政策，提高清洁能源比重”。

2　低碳经济及其发展的紧迫性和必要性

温室气体浓度增加引起的全球变暖、海平面上升、极端天气与气候事件频发等，已经对自然生态系统和人类生存环境产生了严重影响，并已引起全世界的广泛关注，成为当今人类社会亟待解决的重大问题。我国政府对此非常重视，力争到2020年我国单位生产总值CO2排放比2005年减少40%～45%”，节能减排工作日益严重。完成2020年非化石能源消费占一次能源消费比重达到15%的战略目标。

低碳经济是指在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等手段，尽可能地减少煤炭、石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展模式。这种有别于传统经济的新型发展模式以低能耗、低排放、低污染为特征，以应对碳基能源对于气候变暖影响为要求，以实现经济社会的可持续发展为目的。

我国在未来相当长一段时间内煤炭仍将是主要一次能源。煤碳属于高碳能源。在《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》约束下，二氧化碳等温室气体排放权成为发展的资源；气候变化国际谈判中减排指标的确定和分解实际上是争夺排放权的这一发展空间。

人为活动产生的二氧化碳等温室气体，主要来自煤炭、石油等的生产和消费。目前我国正处于工业化、城市化的快速发展阶段，大规模的基础建设离不开钢铁、水泥、电力等的供应保证，目前我国电力、热力的生产和供应占全国二氧化碳排放总量的40.1%，是“高碳能源”的第一消耗大户，急需新的能源代替。这些“高碳”产业是新一轮经济增长的带动产业，因此降低电力行业的碳强度，推进电力行业低碳发展成为提高我国产业竞争力、实行环境友好、应对气候变化的必然要求。大力发展风能、光能可以大幅度削减造成温室效应的二氧化碳，缓解气候变暖的状况。

3　光伏发电的低碳效益

为应对世界气候变化，减少温室气体的排放量，国务院制定了到2020年我国单位生产总值CO2排放比2005年减少40%～45%”的目标。其中大力发展风电、光伏，使之成为我国电力工业的一个方面军，不仅是能源开发的需要，也是低碳经济和环境保护的需要。

中国地处北半球，南北距离和东西距离都在5000km以上。在中国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米7千瓦时。年日照时数大于2000h。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。中国的太阳能资源理论储量达每年17000亿t标准煤。

甘肃省是我国太阳能资源最丰富的地区之一，也是我国太阳能辐射的高能区之一，在开发利用太阳能方面有着得天独厚的优越条件：地势海拔高、阴雨天气少、日照时间长、辐射强度高、大气透明度好。武威市属大陆性干旱气候，该地区多年平均年日照时数为3100h左右，多年平均太阳辐射量在6300MJ/m2左右，光照资源十分丰富。

年资源理论储量67万亿kW·h。各地年日照时数在1700～3320h，自西北向东南逐渐减少，河西走廊是甘肃省太阳辐射丰富区，多年平均太阳辐射量6363.79MJ/ m，多年平均日照小时数3287.8h如图1所示。

图1　甘肃省年太阳总辐射量空间分布图

为了解决我国一次能源以煤为主的结构，减轻能源对环境的压力，必须改善能源结构，优先发展清洁能源，其中太阳能利用则起着举足轻重的作用。

4　太阳能光伏发电的利用和发展

4.1新能源发电现状

近年来，我国清洁能源发展步伐不断加快，除水电外，风电、光伏新增装机量亦双双列世界第一。一份关于中国可再生能源产业分析报告数据显示，至2014年底，我国水电总装机3亿kw，风电总装机9581kw，光伏发电总装机2428kw，可再生能源发电总装机已占全部电力装机的1/3，但水电、风电、光伏发电等清洁能源面临的并网消纳问题也日益严重，眼下电力行业弃水、弃风、弃光的电力“三弃”成为业内不讳事实。甘肃、青海局部地区“弃光”比例超过20%，远超出典型国家3%以下弃风限电率。

4.2太阳能光伏发电及其发展

4.2.1太阳能光伏发电原理

早在1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差，这种现象后被称为光生伏打效应。光生伏打效应在液体和固体物质中都会发生，在固体物质中，半导体PN结器件在太阳光照射下的光电转换效率较高。利用光生伏打效应原理制成晶体硅太阳能电池，可将太阳的光能直接转换成为电能。太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池，又称光伏电池，是太阳能光伏发电系统的基础和核心器件。太阳能电池将太阳能转换成为电能的过程分为3个步骤：

1）太阳能电池吸收一定能量的光子后，半导体内产生电子—空穴对，称“光生截留子”，两者的电极性相反，电子带负电，空穴带正电。

2）电极性相反的光生载流子被半导体PN结所产生的静电场分离开。

3）光生载流电子和空穴分别被太阳能电池的正、负极收集，并在外电路中产生电流，从而获得电能。

4.2.2太阳能发电优势

1）伏发电之不尽用之不竭，太阳能在地球上分布广泛，只要有光照的地方就可以使用光伏发电系统，不受地域、海拔等因素的制约。

2）太阳能资源随处可得，可就近发电、供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路的电能损失。

3）光伏发电是直接从光子到电子的转换，没有中间过程和机械运动，不存在机械磨损。根据热力学分析，光伏发电具有很高的理论发电率，可达80%以上，技术开发潜力大。

4）光伏发电本身不用燃料，不排放包括温室气体和其他废气的任何物质，不污染空气，不产生噪音，对环境友好，不会遭受=能源危机或燃料市场不稳定的冲击，太阳能是真正绿色环保的可再生能源。

5）光伏发电过程不需要冷却水，发电装置可以安装在没有水的荒漠、戈壁上。光伏发电还可以很方便地与建筑物结合，构成光伏建筑一体化发电系统，不需要单独占地，可节省宝贵的土地资源。

6）光伏发电无机械传动部件，操作、维护简单，运行稳定可靠。一套光伏发电系统只要有太阳能组件就能发电，加之自动控制技术的广泛采用，基本上可实现无人值守，维护成本低。

7）光伏发电系统工作性能未定可靠，使用寿命长（30年以上），晶体硅太阳能电池寿命可长达25～30年。在光伏发电系统中，只要设计合理、选型适当，蓄电池的寿命也可长达10～15年。

8）太阳电池组件结构简单，体积小，重量轻，便于运输和安装。光伏发电系统建设周期短，而且根据用电负荷容量可大可小，方便灵活，极易组合、扩容。

4.2.3我国光伏发电的发展

我国太阳能电池的研究始于1958年，首先成功应用于卫星上，1973年开始在地面应用，1979年开始生产单晶硅太阳能电池。20世纪80年代中后期，引进国外太阳能电池生产线或关键设备，形成生产能力达到4.5MW的太阳能光伏产业。20世纪90年代中后期光伏发电产业进入稳步发展时期，太阳能电池及组件产量逐年稳步增长经过30多年的努力，21世纪初迎来了快速发展的新阶段，目前成为世界上第一大光伏产业国。

5　太阳能发电系统组成

5.1太阳能发电系统构成

大容量并网型太阳能光伏发电站一般由光伏发电和交流升压并网两部分组成，发电流程如下图所示。整个太阳能光伏发电系统由太阳能光伏电池方阵、并网型逆变器及升压并网装置等组成。太阳能通过光伏电池组件转化为直流电能，通过直流配电箱汇集至并网型逆变器，由逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流升压后接入当地公共电网，如图2所示。

图2　光伏发电流程

5.2太阳能发电主要设备

光伏电池组件：常用的晶体硅太阳能光伏电池组件是由多个太阳能电池片（单元）进行耐候性封装后构成。光伏方阵由若干个光伏组件串联及并联联接构成，串、并联的数量决定光伏方阵的输出功率。

逆变器：它是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。

6　光伏电站的低碳环境效益分析

6.1光伏发电是实现低碳经济重要途径

以煤炭为主的能源消费结构所导致的环境问题已经成为新时期制约我国进一步发展的关键因素。2006年我国《气候变化国家评估报告》明确提出积极发展可再生能源技术以及高效、清洁、低碳排放的煤炭利用技术，优化能源结构，减少能源消费和CO2排放。光伏发电 （Photo-voltage Generation，PV）具有很好的规模开发价值和商业化发展前景，是实现低碳经济的主要选择方式之一。

目前我国光伏发电产业稳步发展，但与世界先进国家相比，在生产成本、资金、政策支持、上游组件污染处理等方面还存在着一些差距和问题。在低碳发展模式下，光伏发电对于改善环境质量，实现经济、社会、环境的和谐发展具有重要意义。评价光伏发电的综合效益可以为企业和国家制定发展目标和规划，以及对应的政策措施提供科学依据，有利于推动光伏发电的可持续发展。

6.2光伏电力是绿色低碳能源

美国可再生能源国家实验室NREL基于对13个不同类型的多晶硅光伏系统（欧洲2005—2006年制造水）的全生命周期二氧化碳排放研究，在太阳辐射量为每年1700千瓦时/m2，系统寿命为30年，组件效为13.2%～14.0%，系统发电效率为75%～80%的条件下，得出了多晶硅光伏系统全生命周期内每发一度电产生的二氧化碳的平均值为45g，而以煤为原料的火力发电全生命周期内每发一度电产生的二氧化碳的平均值为1000g。

根据世界自然基金会（WWF）的统计，在我国平均日照条件下，安装1kw光伏发电系统，1年可发1200kw·h电，可减少煤炭（标准煤）使用量约400kg，减少二氧化碳排放量约1t，形象地说，安装1m2太阳能光伏组件约相当于造林100m2。

光伏发电系统的运行发电无需燃料和水源只要是能获得光照的地方就可以使用太阳能光伏发电系统，不受海拔、地域等因素的制约，应用范围广泛。

6.3光伏发电对外界环境影响较小

光伏发电为局地微气候环境改善带来正能量光伏发电系统在自身发电过程中，不但不会对周围环境产生不利影响，还可以对局地微气候环境起到改善作用。光伏组件的遮盖，使得光伏电站场内浅层土壤温度保持稳定，且比电场外土壤温度低，使得土壤水分蒸发量减小，土壤湿度有所提高，近地表空气昼夜温差缩小，这些空气、土壤温湿度条件综合在一起，有助于土壤涵养水分和微生物及植被的滋养，对于改善光伏电站局地生态环境起到积极作用。

7　结束语

近年来，世界上许多国家在总结环境保护经验教训的基础上，逐步认识到单纯对建设项目进行环境影响评价已经适应不了全面保护环境和自然资源可持续利用的需要。在一些国家所制定的能源规划和战略中已经充分考虑了环境因素，特别是英国的能源政策白皮书，把创造低排放经济作为能源政策的主要目标和出发点。但迄今为止，并没有一个国家对不同类型的规划，尤其是能源规划的环境影响提出一套科学、系统的环境影响评价方法和指标体系。作为可再生能源，随着国际国内能源日益紧张，风能将在国内，乃至世能源规划中逐步占据重要位置。为此，对光伏发电开发提出一套科学、系统的环境影响评价方法和指标体系具有重要意义。

1）要努力做到新能源开发建设与环境保护协调发展。

2）在我国能源供需平衡中，可再生能源已经具有重要地位。而太阳能光伏发电的应用是光伏系统的发展趋势。当然，要使太阳能发电真正达到民用水平，主要需要解决以下几个问题，一是提高太阳能光电变换效率，降低成本；二是实现太阳能发电与电网的连接，实现大功率光伏并网发电系统；三是光伏电站要与当地环境协调发展。

3）由以上分析可知，在我国大力发展新能源发电产业，使之成为我国电力工业的一个方面军，不仅是能源开发的需要，也是环境保护的需要，真正实现能源可持续发展的目标。

［1］ 太阳能热发电原理及技术［M］.（华中科技大学编制），中国电力出版社出版.

［2］ 郭家宝，汪毅.光伏发电站设计关键技术［M］.中国电力出版社出版.

TM615