太阳能发电的利与弊

■文/薛大庆 (哈尔滨达宇通信技术有限公司)

随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。现有能源主要有3种，即火电、水电和核电.火电需要燃烧煤、石油等化石燃料。一方面化石燃料正面临着枯竭的危险。另一方面燃烧燃料将排出CO2和硫的氧化物。水电有可能导致生态环境破坏。核电的安全性则一直受到大众的怀疑。这些都迫使人们去寻找新能源。目前的新能源主要有两种，一是太阳能；二是燃料电池。另外，风力发电也可算是辅助性的新能源。其中，最理想的新能源是太阳能。太阳能是一种清洁的能源，利用太阳能发电是其中一种利用方式。但是，太阳能发电也存在着诸多弊端与缺陷。

一 我国太阳能发电的优势和难点

发展太阳能发电的需求主要来自满足农村和边远地区的生产与生活用电和21世纪中持续发展我国电力事业两个方面。在太阳能发电上我国具有得天独厚的有利条件:

(1)丰富的太阳能资源。我国总面积2/3以上的地区年平均日照时数在2000h以上,年平均日辐射量在4000MJ/m2以上,要优于欧洲和日本,与美国相近。

(2)我国太阳能电池的生产能力超过日本、美国和欧洲,居世界第一位,2007年我国太阳能电池的产量约为1180兆瓦。2007年在全球太阳能生产企业16强中,我国占据了6席。

(3)逆变技术是太阳能发电的关键技术之一,由于在大功率开关器件开发和逆变技术的应用等方面,我国已取得长足进步,生产出适用于光伏并网、高效率、高可靠性、低污染、低成本的逆变器成为可能。

通过太阳电池进行光电变换具有以下特点：①无枯竭危险，是可再生能源；②绝对干净（无公害），绿色清洁，无污染；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高，没有碳排放；⑥使用者从感情上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。

太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适于各家各户分散进行发电而且要联接到供电网络上，使得各个家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司，不足时又可从电力公司买入。实现这一点的技术不难解决，关键在于要有相应的法律保障。现在美国、日本等发达国家都已制定了相关法律，保证进行太阳能发电的家庭利益，鼓励家庭进行太阳能发电。日本已于1992年4月实现了太阳能发电系统同电力公司电网的联网，已有一些家庭开始安装太阳能发电设备。日本通产省从1994年开始以个人住宅为对象，实行对购买太阳能发电设备的费用补助三分之二的制度。

为了我国太阳能发电产业的快速发展,有必要解决以下几个问题:

(1)我国生产太阳能电池的原材料主要依靠进口,而绝大多数太阳能电池和切片用于出口,这种不利于产业发展的加工业局面必须尽快扭转。

(2)太阳能发电的成本在每千瓦小时3元以上,远远高于目前居民电网用店家的每千瓦小时0.5元。这也是发展太阳能发电的不利一面。

(3)目前,太阳能电池的光电转换效率比较低,比如小尺寸(1 cm2)多晶硅太阳能电池的光电转换效率为19.8%,而大尺寸(1000 cm2)多晶硅太阳能电池的光电转换效率为12%,为了降低太阳能发电的成本必须提高太阳能电池的光电转换效率。

(4)我国的太阳能发电产业起步于独立型太阳能发电设备(10kW以下),主要用于解决太阳能资源丰富而又无电的边远地区的居民用电。而更大容量(MW级)的并网型太阳能发电设备的投产是降低成本的途径之一。

(5)截止到2005年,我国的风力发电总装机容量为1500MW左右,是太阳能发电总装机容量的20倍,到2020年规划总装机容量为30000MW,也是规划太阳能发电总装机容量的15倍。但两者特点各异。夏季日照足风速低,冬季日照弱风速强;同样白天日照强时风小,夜晚无光照时风大。太阳能发电与风力发电并网是提高电能质量和降低成本的另一途径。

二 太阳能发电面临的困难和解决措施

安装太阳能光电系统（PV）时，需要投入大量的时间与金钱在前期投资上。相关的广告一再告诉我们，一旦安装了太阳能发电系统，该系统的用户将能在未来25年间高枕无忧。但事实真是如此吗？不幸的是，许多安装了太阳能光电发电系统的用户并不懂得其运作原理，也不知道他们所安装的系统能达到什么程度的效能。太阳能发电的不足之处可以归结为以下几点：①照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关；③发电不稳定，储存成本高；当前阻碍太阳能发电普及的最主要因素是费用昂贵。为了满足一般家庭电力需要的3千瓦发电系统，需60万至70万元，还未包括安装的工钱。有关专家认为，至少要降到10万到20万元时，太阳能发电才能够真正普及。降低费用的关键在于太阳电池提高变换效率和降低成本。由于太阳能系统很容易受环境的影响，以至于光电板之间出现失配而大幅降低系统的发电量。当电压与电流的组合无法匹配时，会造成太阳能光电发电系统的不匹配，其原因可能是太阳能电池板部分被遮蔽，移动中的云，临近物体的反射、太阳能电池板的倾斜角度与方向不同，太阳能电池板有污渍、太阳能板数组系统上的温度不均。事实上，仅仅遮蔽到一小部分的太阳能电池板就会损失25%~50%的电能。一般情况下，计算发电量是在太阳能方阵面完全没有阴影的前提下。如果光伏电池不能被日光直接照射，而只有散射光用来发电，此时的发电量比无阴影时减少约10%~20%。

光伏电池组件在使用过程中，如果有一片光伏电池单独被遮挡，单独被遮挡的光伏电池在强烈阳光照射时就会发热损坏，造成整个光伏电池组件损坏，这就是所谓的热岛效应。

防止偶尔的阴影是可能的，可通过在串联的组件上接旁路二极管实现。安装阵列时一定要检查潜在的阴影情况，并考虑到不同季节植物的变化和太阳角度的改变。安装后还要进行维护以防止野草或树枝的阴影。一般是将光伏电池倾斜放置，使树枝等不能附着，同时在光伏电池组件上安装防鸟针。

因各种原因光伏电池组件中的部分电池单体接受太阳光照度不同，引起这些电池单体发热而出现能量损耗，严重的甚至造成单体损坏。对50WP多晶硅光伏电池在不同阴影情况下的运行特性进行实验研究表明，当阴影遮盖面积超过1/2后，光伏电池输出功率降到原来的1%。因此，光伏电池组件在实际应用中应加装旁通二极管和逆流防止二极管，以提高电能利用率并消除阴影对电池组件的破坏作用。

总的说来，作为新能源，要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低其成本，二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。