光伏

        光伏分为两类，一种是集中式，如大型西北地面光伏发电系统；一种是分布式（以>6MW为分界），如民居屋顶光伏发电系统。

介绍

       光伏(PV or photovoltaic)：太阳能光伏发电系统(photovoltaic power system)是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。

       太阳能光伏电池制造工艺：将多晶硅硅片经过：制绒、蚀刻、扩散、烧结、印刷……

历史

       海因里希・赫兹于1887年首次发现光电效应，阿尔伯特・爱因斯坦在1905年解释了这一现象。

       光伏(PV)系统正是利用半导体材料的光电效应，直接将光转换为电能。半导体的成分和光伏设备接收的有效太阳辐射的强度和波长都会影响光伏设备的发电量(赫兹，1887；爱因斯坦，1905)。

       1954年，贝尔实验室的3位研究人员研制出首个实用的“太阳能电池”。该电池可将6％的入射太阳能转换为电能(Pedin，2004)。

       随着研发不断取得进展，光伏装置的转换效率也随之提高。

分类

       太阳能光伏发电系统按与电力系统的关系可分为两大类：独立光伏发电系统(Stand-alone PV System)和并网光伏发电系统(Grid-connected PV System)。

独立光伏发电系统

       独立光伏发电系统由太阳能光伏阵列、蓄电池组、充电控制器、电力电子变换器(逆变器)、负载等组成。其工作原理是，太阳辐射能量经过光伏阵列首先被转换成电能，然后由电力电子变换器变换后给负载供电。同时将多余的电能经过充电控制器后以化学能的形式储存在储能装置中。这样在日照不足时，储存在电池中的能量就可经过电力电子逆变器、滤波和工频变压器升压后变成交流220V、50 Hz的电能供交流负载使用。太阳能发电的特点是白天发电，而负载往往却是全天候用电，因此在独立光伏发电系统中储能元件必不可少，工程上使用的储能元件主要是蓄电池。  

并网光伏发电系统

       并网光伏发电系统由光伏阵列、高频DC/DC升压电路、电力电子变换器(逆变器)和系统监控部分组成。其工作原理是，太阳辐射能量经过光伏阵列转换后，再经高频直流变换后变成高压直流电，然后经过电力电子逆变器逆变后向电网输出与电网电压相频一致的正弦交流电流。  

       以上两种光伏发电系统的最大区别就在于，并网光伏发电系统直接与电网相连接，因而光伏阵列的电量盈余与并联电网可以实行互补，省去了独立光伏发电系统中必需的蓄电池等储能元件，不仅降低了系统成本，而且保证了系统的可靠性。同时，夏天太阳辐射强度大，光伏系统发电量多，可以对夏天电网的峰荷起到调节作用。随着近年来太阳能光伏发电的大规模应用以及太阳能电池组件价格的迅速下降，并网系统无疑将得到更为广泛的应用。

优缺点

优点

       1)、运行可靠：即使在恶劣的环境和气候条件下也可正常供电。 

       2)、寿命长：晶体硅组件寿命通常在25年以上，非晶硅组件寿命通常在20年以上。 

       3)、维护费用低：建成后只需少量工作人员，对系统进行定期检查和维护，相比较而言，常规发电站维护费用很大。 

       4)、天然能源：能源是取之不尽、用之不竭的太阳能，无需能源费用。  

       5)、无噪声污染：整个系统无机械运动部件，不产生噪声。 

       6)、模块化：根据需要选择系统容量，安装灵活、方便，扩容很简便。   

       7)、安全：系统内无易燃物品，安全性能高。 

       8)、自主供电：可离网运行，独立供电，可不受公用电网的影响。 

       9)、分布式发电：可建设分散的光伏电站，减少对公用电网的影响及危害。  

       10)、高海拔性：在海拔高、日照强的地区，更能增加系统的输出功率。（相比光伏发电高海拔地区，由于气压低，柴油发电机效率降低，输出功率减少。）  

缺点

       1)、初投资费用高：由于初投资高，需进行单个系统的经济性评估及多种方案比较。如果初投资减少，常规燃料成本上升，则光伏系统将更具有竞争力。 

       2)、日照不稳定：天气对任何太阳能系统的功率输出都有很大影响。气候或场地条件变化时，系统设计也要随之改变。 

       3)、需储能装置（独立系统）：光伏发电系统当夜晚时，没有阳光不能发电，需增加蓄电池储能设备，从而增加了系统规模、成本及维护工作量。 

       4)、效率有待改进：从投资的有效性出发，要求高效率的使用光伏系统资源。用户须使用高效率的负载设备。 

       5)、需技术培训：光伏系统使用了很多人们不熟悉的新技术，因此，用户在运行光伏系统前，都需要经过技术培训。

应用场景

       除了传统思维中的太阳能电厂和分布式屋顶光伏，光伏还可以应用于多种多样的场景，比如建筑、农业、渔业、公共设施、景观建设等。这些复合和跨界模式一方面使得光伏建设项目在清洁发电的同时能够兼顾经济发展和生态保护；另一方面，这种对空间高效集约利用的模式有助于新能源开发项目获得建设所需的土地资源。 

       在中国仲巴县，这个县城里所有的供热都是由太阳能来提供的。黑色的那部分就是太阳能集热器（Solar collector），面积有3.5万平方米，就像我们平常用到的热水器那样，能够把太阳能变成热能。它收集了热以后，储存在图中那个彩色的罐子里。这个罐子可以24小时发热，供给县城的采暖。这是百分之百的太阳能，完全零碳。

“光伏＋土地生态修复”

       据《联合国防治荒漠化公约》统计，全球处于超干旱以及干旱的土地面积约为25500平方千米，占全球陆地表面的17.2%。而且，每年沙漠的面积还在不断扩大。土地退化中和（Land Degradation Neutrality, LDN）和退化土地生态修复一直以来都是地球面临的重要课题。荒漠化土地虽然有待修复，但也提供了大量的土地资源，因此，将荒漠化土地生态修复与光伏建设相结合将带来多方面的收益。荒漠上的太阳能面板不仅可以供电，还可以减少地面受到的日照辐射和水分蒸发量。清洗电池板时喷洒的水分，提高了土壤表层的含水量，促进了植被的生长和恢复。在荒漠上的太阳能电站能促进土壤的碳固定、植物的定植，提高生物多样性并恢复土壤活性，进而利于蓄水保土、阻风固沙、调节气候、改善生态环境等。对于土地所有者来说，在25年的光伏电站运营周期后，将获得植被覆盖率更高、土壤更健康、土地生产力更高的优质土地以及使用期间的土地租赁收益。 

       目前，巴基斯坦、埃及等国，中国内蒙古、山西、青海、宁夏等地都有这样的“光伏＋土地生态修复”的项目。以青海共和盆地的生态修复项目为例，这个850兆瓦的项目占地54平方千米，建设光伏电站后，光伏板下和板间土地植被覆盖率显著提升，植被覆盖度增加15%；光伏水泵灌溉地区的植被覆盖率也显著提升。光伏板下10厘米、20厘米、40厘米处，土壤含水量分别增加78%、43%、40%。夏季土壤有机质含量比上年增加11.6倍，氮含量比上年增加11.3倍，土壤微生物增加，进而提高了土地生产力。光伏发电降低了约120万吨碳排放，植被和土壤有机碳也形成了一定程度的碳沉积。电站场区对局地气候有明显调节作用：光伏园区内风速比园区外降低了40.3%；空气相对湿度比园区外高2.8%。对土壤温度也有调节作用。

“光伏＋建筑”

       欧洲最大的能源消费来自建筑行业，消耗了约40%的能源，并排放了约36%的温室气体。目前，欧盟几乎75%的建筑物是低能效建筑，如对现有建筑物进行能源改造可以节省大量能源，有望使欧盟的总能耗降低5%～6%，并将二氧化碳排放降低5%。欧洲目前大范围推广光伏建筑一体化项目。结合建筑进行光伏建设可以减少对土地资源的消耗。欧洲各国在进行“光伏＋建筑”项目建设时会首先对可用建筑面积进行估算，以便最大限度地利用建筑面积。从巴黎都会区大规模实际部署光伏的结果来看，由于遮盖了屋顶，太阳能电池板会使家庭冬季取暖的需求增加3%，但是在夏季，这种遮盖可减少12%的空调用能。 

       列支敦士登是一个非常典型的受益于建筑光伏的国家。这个国家位于瑞士与奥地利两国之间，面积仅为160.5平方千米，只有38244人。列支敦士登土地狭小并且人口稀少，人均能耗高、人均用电量高、能源自给率低，但是它却是世界上第一个被允许称为“能源大国”的国家。从人均光伏的角度来看，2015年列支敦士登超过了原排名第一（人均装机容量为473瓦）的德国，以532瓦的人均装机容量被Solar Super State协会授予“人均光伏冠军”的称号。值得注意的是，这个国家所有光伏项目都在建筑上。在列支敦士登光照资源条件下，面积为40～50平方米的现代光伏系统可大致满足四口之家的用电量，可以持续发电约25年，帮助列支敦士登居民用电实现自给自足，并能够向工业提供一部分电力。2020年5月10日，列支敦士登的本国发电功率超过了该国用电负荷，这是该国历史上首次不需要任何外部能源，完全自给自足地完成了整个国家的电力运行。虽然这是一个特殊时期的偶发事件，但是也表现出国家依靠建筑光伏实现能源独立的可能。目前该国公开的能源规划是在2030年达成人均光伏2.2千瓦，2050年至少到4.5千瓦。这些光伏依然全部规划在建筑上，建筑光伏在该国的地位进一步得到巩固。 

“光伏＋农业”

       “光伏＋农业”即在同一片土地同时开展支架型光伏发电与农业生产活动。全球农业用地面积约为5亿平方千米，占全球陆地面积的38%。其中约1/3为耕地，其余2/3为草地和牧场。农业用地占有大量的土地资源，这些土地是否可以作为光伏建设的可用面积，一直以来饱受争议。为此，欧洲最大的太阳能研究机构——德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer ISE）于2015年启动农光一体研究项目APV—RESOLA，测试光伏板对冬小麦、芹菜、土豆等不同作物产量的影响。对照实验表明，将光伏与土豆种植相结合，每公顷土豆增产3%，农用土地通过光伏额外产出83%的绿色电力，土地综合利用率提升86%。该成果已于2020年10月在由德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所主办的国际农业光伏大会AgriVoltaics上发布。“光伏＋农业”这一模式，将光伏板清洁与农田灌溉相结合，能够提高水资源利用效率，光伏板也能起到减弱正午过强光照对农作物的不利影响和减少水分蒸发的作用。基于农光一体设施，可以选育适宜作物，进行合理灌溉。光伏供电的智能系统还可以保障农业生产工艺流程，实现“光伏大棚＋智慧种植”，提高农业经济和质量。“光伏＋农业”模式解决了光伏建设与农业生产争地的问题，并通过光伏建设中的一些干预措施在尽量确保光伏发电量的同时增加农作物的产量，实现土地复合利用。 

       以位于宁夏黄河东岸的农光互补光伏电站为例，宁夏黄河东岸曾是荒漠化最为严重的土地之一，平均海拔为1200米，年最大降水量为273毫米，年蒸发量为2722毫米，漫天黄沙，尘土飞扬。开发公司对16万亩（约10666公顷）荒漠化的土地进行生态治理，建设农光互补电站，规划建设3GWp光伏发电，已建成并网1GWp光伏。同时开展优质有机枸杞的“种植—研发—加工—销售”绿色产业链，为当地3万贫困人口提供了就业机会。光伏组件减少了辐射强度，“光伏＋农业”使得枸杞的开花季比当地同类枸杞长了5个星期，产量增加了29%。

“光伏＋渔业”

       “光伏＋渔业”是指建设基台在水面的光伏电站，发电的同时在光伏板下发展渔业，是一种空间资源复合利用的多重发展模式。对水产品来说：第一，光伏组件的冷却作用和遮光作用可以降低水产品睡眠温度，减少水分蒸发，提高鱼虾蟹存活率，减少藻类侵入；第二，光伏供能的智能系统能有效控制养殖水体条件，例如水温和pH；也能实现节水循环，池底排污、杀菌增氧和远程检测，创造了更好的生态环境，持续提升水产品的产量和质量。对于发电运营和节能减排来说：光伏驱动渔业零污染，减少粉尘、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物排放；水面光伏电站还能避免火灾、动物啃咬电缆等情况对电站造成的破坏。渔业增产和节能减排同时实现，能极大提高单位面积土地的经济价值。 

       以江苏渔光一体项目的数据来看，渔光一体草鱼池塘亩产量达到35550～39705千克/公顷，远高于当地常规池塘平均水平（18750千克/公顷）。339亩养殖水面安装50%～75%光伏组件，建立10兆瓦渔光一体池塘，一年共发电1300万千瓦时，年亩发电3.83万千瓦时，平均月亩发电3196千瓦时。鱼菜（稻）共生，采用水稻、空心菜进行生物处理，累计产出水稻总量为194.48千克，空心菜总量为3529千克，共计吸收氮元素161.99千克、磷元素27.63千克、钾元素202.44千克，并实现产值附加近4000元，利润3000余元。利用物理、生物净化和养殖技术的有机结合，做到“以鱼养水、以草净水”，有效控制了水产养殖内外源性污染问题，对SS降解率达80%以上，对COD、TN、TP降解率90%以上，净化后水质符合《淡水池塘养殖水排放要求》（SC/T9101—2007）一级标准。

“光伏＋公路”

       路侧光伏是利用高速公路及铁路两侧土地建设光伏电站的一种光伏建设形式。铁路和高速公路沿线的土地常年受到噪声和尾气的污染，这类地带农业经济性较差，如果建造地面光伏系统反而可以减少其他地方的土地消耗和对景观的干预。

       德国公路两侧有非常多的窄条状光伏电站。德国地面光伏电站中12%是位于公路和铁路两侧110米内的地带。图林根州500千米高速公路110米沿线上的太阳能安装潜力总计可达1.8吉瓦。以德国巴伐利亚州代根多夫市B8联邦公路以南Photovoltaik Kainzenstadelfeld项目为例，它的总面积约为2万平方米，光伏设施占地面积为13992平方米，光伏板数量为2829块，预计年度发电量为1121.4千瓦时，景观补偿系数为0.2（景观补偿：联邦自然保护法和建筑法规指出“对自然和景观的干预活动，即对自然平衡或景观的性能和功能造成影响的行为”），景观补偿面积为2298平方米。 

       另外，美国的研究显示太阳能组件周围是适合授粉类植物种植的理想场所，种植效果更好，还可以为授粉媒介（如蜜蜂）提供食物和庇护所。授粉类昆虫新栖息地的建立会对光伏电站附近的收成产生积极影响，因为定居在光伏电站中的蜜蜂（昆虫）会飞向周围耕地，促进农田授粉，使农民从中受益。将授粉友好型植物与靠近农业地点的路侧光伏项目结合起来，可以形成清洁能源，农业以及生物多样性的“三赢”局面。

现状及前景

       到2007年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦（100MW），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（2900MW），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。2007年是我国太阳能光伏产业快速发展的一年。受益于太阳能产业的长期利好，整个光伏产业出现了前所未有的投资热潮。

       太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。

       根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，我国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GW（百万千瓦）。预计，到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%。未来十几年，我国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。

国内光伏市场的组成

       国内太阳能电池产业发展的主要动力是光伏发电市场的需求，中国光伏发电的市场主要在几个方面。

　　通信和工业应用（大约占到36%）：
       微波中继站；
       光缆通信系统；
       无线寻呼台站；
       卫星通信和卫星电视接收系统；
       农村程控电话系统；
       部队通信系统；铁路和公路信号系统；
       灯塔和航标灯电源；
       气象、地震台站；
       水文观测系统；
       水闸阴极保护和石油管道阴极保护。
       农村和边远地区应用（大约占51%）：
       独立光伏电站（村庄供电系统）；
       小型风光互补发电系统；
       太阳能户用系统；
       太阳能照明灯 ；
       太阳能水泵 ；
       农村社团 (学校、医院、饭馆、旅社、商店、卡拉OK歌舞厅等)
       光伏并网发电系统（4%）
       当前处于试验示范阶段，全国总装机容量大约仅有约2MWp。
       太阳能商品及其它（大约占到9%）太阳帽；
       太阳能充电器；
       太阳能手表、计算器；
       太阳能路灯；
       太阳能钟；
       太阳能庭院；
       汽车换气扇；
       太阳能电动汽车；
       太阳能游艇；
       太阳能玩具。