太阳能发电技术综合评价及应用前景探析

2020-01-01张学铭

中国设备工程 2019年23期

张学铭

（国家电投集团黑龙江新能源有限公司，黑龙江哈尔滨 150090）

随着社会工业化进展的加快，经济发展水平不断上升，人们对能源资源的需求日益增加，化石能源的过度需求和开发，导致地球环境逐渐恶化，逐步走向能源危机。太阳能的开发和利用，能够在很大程度上解决这种问题发生，作为绿色可再生能源，太阳能几乎零污染，所以越来越受到重视。随着全球能源局势紧张，太阳能发电将会作为一种全新的技术取代传统的化石能源发电技术。

1 光伏发电技术的综合评价与应用前景

1.1 光伏发电的开发

光伏发电对于资源的需求与光热发电相比，还是不会受到水资源约束的，这是因为光伏发电的过程中不需要添加冷却水，这就要求在建设光伏电站时要充分考虑太阳的辐射总量，提升受太阳光照的强度。

光伏发电的可利用太阳辐射总量，不仅包含有法向直射太阳辐射，另外，还包含有漫射辐射，所以，光伏发电相比较于光热发电，可以更加充分地利用太阳能资源。除此之外，光伏发电的优势还在于即使是太阳辐射比较低，但是也能正常发电，对整个发电系统的影响力度比较小。从全球范围内的太阳辐射总量看来，适合光伏发电的地区还是比较多的，相比较而言，适合采用光伏发电的位置集中在南维和北纬的40°以内的地区。

光伏发电的体积比较小，再加上使用的是模块化结构，所以对地形的要求不高。

1.2 光伏发电的技术

光伏发电技术可以具体分成三类，第一类是新型太阳电池发电技术，这项技术尚处在起步阶段。第二类是薄膜太阳电池发电技术，这项技术发展的速度比较快，但是光热转换的效率尚比较低，目前正处在推广阶段。第三类是晶硅太阳电池发电技术，则具有较高的光电转化效率，其使用的范围也相对比较广泛，并且具有最成熟的技术，现在已经步入产业化发展阶段。

晶硅电池具有比较高的光电转化效率，在投入运营的过程中具有相对比较低的成本，也是当前太阳能发电技术中的主流产品。薄膜电池的成本也是相对不高的，当前，薄膜电池以美国的第一太阳能碲化铬为主，我国企业参与比较多的则是非晶硅薄膜电池，这种电池的转化效率是比较低的，铜铟镓硒CIGS 薄膜技术目前还并没有在我国进行产业化发展。当前我国对于这方面的研究水平和研究技术，仍旧处在比较落后的位置，与国际先进水平之间的差距还是十分明显的。就薄膜电池技术而言，当前欧美国家以及日本的技术都远远的超出了我国研究水平，我国薄膜电池技术研究水平最高的是台湾省，但是台湾省的成品率也落后于欧美国家大约5 年到10 年，我国大陆水平落后于欧美国家10 ～20 年。

目前在国内外行业中，商业化的单晶硅电池转换效率维持在23%左右，国外的研究实验室单晶硅电池转换效率为24.7%。在所有的光伏电池中，单晶硅电池的转换效率是最高的。国内外行业中，商业化的多晶硅电池转换效率维持在18.3%左右，国外的研究实验室单晶硅电池转换效率为20.3%。薄膜电池的转换效率总体来说是比较低的，当前国际先进水平也仅维持在10%左右。国内光伏并网逆变器具有十分可靠的性能，且拥有比较高的效率，目前国际上先进水平已经达到了98.5%的转化效率，波形失真率已经低于3%，光伏并网逆变器极大地提升了光伏并网发电的能力。

我国自主研发的太阳能跟踪系统已经取得了进步，如今，已经开始示范应用斜单轴跟踪系统、水平单轴跟踪系统以及双轴跟踪系统。相比较固定式的光伏发电系统，斜单轴跟踪系统、水平单轴跟踪系统以及双轴跟踪系统能够分别提升光伏发电系统发电量的31%、18%以及36%，极大地提升了光伏发电系统的发电效率。

1.3 光伏发电的经济性

现在，国际市场和国内市场中均存在着光伏组件价格大幅度下跌的现象，特别是自2011 年以来，欧洲国家对光伏发电的补贴大幅度削减，从而造成了在国际范围内的市场中，太阳能电池和太阳能电池组件出现严重的产能过剩现象，现在光伏组件的国内价格已经降低到6 ～8 元/Wp。当前初始投资地面光伏电站的金额也降低到了1.2 ～1.8 万元/kW。因为初始投资的条件不同，在光伏发电系统建设中的成本投入大约为1.25 ～2.00 元/kWh，若是光伏发电系统的规模比较大，那么其成本投入大约为0.81 ～1.5 元/kWh。因为在2011 年时，国际范围内的光伏电池以及其组件的成本出现大规模下降，所以在2020 年以前，光伏发电站的度电成本支出下降的空间比较有限。

1.4 光伏发电的政策环境

包括太阳能发电在内的新能源产业，其发展的主要动力还是在于政府政策的推动。在世界各个国家中的发展实践表明，促进新能源发展的重要工具是政府部门的财政补贴。特别是在产业发展的初期阶段，政府通过财政补贴的方法降低企业经营风险，进而推动投资者的投资积极性。光伏发电主要适用于商业发展或者是居民生活，所以规模相对比较小，政府推行时大多为“太阳屋顶计划”实施补贴。光热项目主要使用在公共事业中，投资的门槛较高，但是在发展的初期阶段，也是需要政府部门提供相应的财政补贴。补贴政策主要是为了推动安装太阳能发电设备，促进装机的规模发展，对光伏发电的电量要求不高。

2 光热发电技术的综合评价

2.1 光热发电技术的开发

光热发电站对自然资源的需求量是比较高的，建设光热发电站要充分考虑太阳法向直射幅度的强度，DNI 的值越高越好，与接入电网之间的距离越近越好，初次之外，塔式光热电站以及槽式光热电站的选址要求具有平坦的地势和充足的水源。塔式光热电站和槽式光热电站在蒸汽轮机循环中需要采用水进行制冷。光热发电站的使用过程可以借助于太阳法向直射辐射强度，根据国外的实践经验看来，太阳法向直射的强度超过1800kWh/m2/y 的地区最为合适。

2.2 光热发电技术的发电技术

当前光热发电技术中的槽式光热发电技术发展的相对比较成熟，并且已经进入商业化发展阶段。最早在20 世纪80 年代，在美国的加利福尼亚州的莫哈维沙漠中就安装了354MW 的槽式光热发电站，槽式光热发电技术在目前世界上的建设量是最多的。虽然塔式电站在数量上没有得到槽式电站，但是因为塔式电站在运行的过程中具有极高的温度和系统效率，作为后起之秀有后来者居上之势。如今在美国、意大利等国家已经逐渐建立起了光热发电装置，这种光电发热装置特别适合大规模商用。从我国目前的发展形势看来，我国尚未将光热电站商业化运用，塔式光热发电装备的技术水平仍旧比较落后。

2.3 光热发电技术的发电经济性

光热发电站的成本投资是不同的，主要是根据广电站规模、光照的条件以及人工费用。普遍来说，槽式电站的初始投资大约在4000 ～8000 美元/kW 左右，塔式电站的初始投资大约在4500 ～16000 美元/kW 左右。初始投资条件的差异也会导致光热发电站度电的成本投入存在差异。如今光热发电站尚处在起步阶段，2020 年，成本指出有望降低到2010 年的30%甚至以上。

2.4 光热发电技术政策环境

光热发电项目大多数是应用在公共事业中，光热发电的投资门槛是比较高的，在发展的初期阶段，也需要政府部门提供相应的财政补贴，美国对光热发电提供财政补贴最多的国家之一，但是总体看来，虽然有的国家已经陆陆续续建立起了光热发电政策，但是由于光热发电的资金需求量大，面临的风险较高，现有的财政补贴力度还是力不从心。这也是导致目前光热发电发展缓慢的原因之一。当前我国更是缺乏健全完善的政策鼓励和财政补贴，限制了光热发电的发展。