浅谈太阳能光伏发电技术现状

2021-12-31姜浩浩郭少朋

黑龙江工业学院学报(综合版) 2021年10期

姜浩浩，金光，郭少朋

(内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头 014010)

社会的快速发展离不开能源的保障与供应。以我国为例，2020年我国的能源消费总量为498000万吨标准煤，其中，煤炭所占比重为56.8%[1]。为了降低传统化石类能源应用比例，改善和升级我国的能源消费构成，应用清洁的可再生能源尤其是太阳能势在必行。其中，太阳能光伏技术具有系统简单灵活的特点，且应用场景广泛，是目前太阳能技术中较为成熟的一种。

本文介绍了太阳能光伏技术的发展历史，梳理了该技术的应用情况和存在问题，介绍了水上光伏技术，将地面光伏和水上光伏作比较，对水上光伏技术的优缺点进行了分析。

1 太阳能光伏发展历史

1839年，法国科学家贝克勒尔首次发现了“光伏效应”现象[2]。1877年，第一片硒太阳能电池片被制造出来，虽然这片太阳能电池的光电转化效率只有1%[3]，但其证实了“光伏效应”是可以应用到现实技术中。在人们不懈地探索、研发中，美国贝尔研究所在1954年制作出了单硅太阳能电池，这片电池的转化效率达到了6%[4]。这一研究成果，使太阳能光伏发电技术迈出了重要的一步。

1958年，我国开始重点发展太阳能光伏技术[4]，并成功将其应用于东方红二号卫星上[5]。二十世纪八十年代后期，我国开始全面支持光伏产业发展，在政策和资金的推动下，光伏技术逐渐推广到众多应用领域，如通信系统、中继站、农村小型供电系统等[6]。

“十五”期间，我国光伏产业进一步发展，计划并实施了“屋顶光伏”项目，为后来开展沙漠光伏电站项目积攒了丰富经验[7]。与此同时，国内光伏市场逐步形成了产业化，光伏电池的生产能力极大增强。

进入二十一世纪后，在世界光伏市场强大需求的拉动下，我国光伏产业开始全面发展，形成了以长三角、珠三角等地域为主的技术中心，以西部地区为主的安装基地[8]。图1为我国近八年来的光伏总装机容量图。

图1 我国近八年的光伏总装机量

2 太阳能光伏发电技术的应用

2.1 照明

光伏发电技术在生活中最常见的应用领域是照明，例如我们身边的路灯，它将白天光伏发电获得的电能用蓄电池储存起来，通过定时控制在夜间照明。

同时，光伏发电技术还十分适用于高速公路的夜间照明。意大利的卡塔尼亚-锡拉库萨(A18)公路就采用了光伏照明系统[9]。在我国，李明霞等人[9]提出了将光伏发电技术应用于高速公路的想法；2014年，在陕西茶条岭隧道基础上建立了110kWh分布式光伏发电系统[10]。

2.2 建筑光伏一体化

将光伏发电技术融入绿色建筑中，将太阳能转化成建筑所需的电能，可以用于供给制冷、通风和热水系统[11]。该技术一般有两种形式，一是光伏方阵与建筑结合，例如屋顶光伏方阵、墙面光伏方阵；二是光伏方阵与建筑集成，例如光电屋顶、光电幕墙、光电遮阳板等[12]。

1991年，德国提出了“1000光伏屋顶”计划，并于1998年开始实施“十万屋顶计划”，总容量达到了300～500MW[13]；1994年，日本开始实施“七万屋顶”计划，总容量达到280MW[14]；美国也在1997年实施了“百万屋顶”计划[15]；我国应用建筑光伏一体化最典型的代表就是“鸟巢”[16]。此外，上海世博会上的中国国家馆也应用了建筑光伏一体化，其以屋顶为主，采用间接铺设，形成了完整的建筑光伏一体化组件[17]。

2.3 与其它技术联合互补

太阳能光伏发电技术不仅能够独立运行，还可以和其他技术配合，优势互补。如图2所示，刘凯等人[18]提出了一种水光互补联合运行系统。当负荷要求较低时，光伏电站和风电站产生的电能一部分满足用户要求，另一部分可以用蓄电池储备或通过水泵送入上游水库以势能的形式储存。当负荷处于高峰期，光伏电站和风电站产生的电能无法满足用户需求时，可以将蓄电池或水电机组所储存的电能释放出来，以满足用户的需求。这样的水光互补联合运行系统就可以解决光伏发电不稳定的问题。

图2 水光互补联合运行系统

如图3所示，张世亮等人[19]提出将光伏发电技术应用到大棚当中，利用光伏发电系统为智能大棚供电，多余的电能储存到蓄电池组里，在阴雨天气时利用蓄电池组供电。如图4所示，光伏板阵列安装在温室大棚的侧立面，以避免光伏阵列板遮挡温室大棚的光照。

图3 温室大棚中的光伏发电系统结构示意图

图4 光伏板在温室大棚中的安装形式

3 太阳能光伏发电技术存在的问题及建议

3.1 出现“弃光”现象

“弃光”指的是光伏与其他能源供给出现矛盾时，不得不放弃光伏，停止相应发电机组或者部分机组，减少发电量，也可说是光伏发电站的发电量超过了该地区电力系统的最大输送量和负荷消纳电量[20]。

“弃光”问题主要由两方面造成：①并网冲突。以我国东北、西北、华北地区为例，这些地区日照充足，非常适合组建太阳能光伏发电站。但同时，这些地区主要以煤炭型资源的消费为主。光伏发电的大量介入，导致电力系统调峰能力不足。且光伏发电还存在着不稳定性，对电力系统有很高的要求[21]。②消纳难。随着光电、风电等新能源发电的兴起，传统输电通道资源占用严重，而且增加了能源消纳的难度，对当地能源合理规划与利用、电能外送及优化调度都产生了极大影响[22]。

要解决“弃光”问题，不仅需要建立新的跨省跨区输电通道和就地消纳，还要推行可再生能源“配额制”，根据不同地区的消纳量，适当减少光伏装机增长量，调低可再生能源发展目标。

3.2 原材料有限，产业技术有待提高

2011年，我国多晶硅产能为9万吨，需要从国外进口6.5万吨才能满足产业生产[23]。到2018年，我国多晶硅产能为25.9万吨，需要进口多晶硅14万吨。虽然经过国家和企业的努力，进口多晶硅占比从41.9%降到35.0%，但原材料中仍有较大比例依赖进口的问题将会制约我国光伏产业的进一步发展。

目前，闭环改良西门子法仍是多晶硅原料加工提纯过程中的主流技术方案，该技术应用率占全球多晶硅产量的80%左右。而我国大部分企业主要采用非闭环改良西门子法，相比较于主流技术，在产品的产能、质量等方面还存在差距[23]。

在产业技术方面，各地政府应加强对光伏技术的投入，培养和引进创新型人才，加强企业与高校合作，建立科研平台，共同攻克技术难关。

3.3 综合能耗较大

虽然光伏发电是绿色节能的发电方式，但是其主要原料之一的晶体硅在提炼时所要消耗大量电能，严重影响了其生命周期内的经济性[24]。此外，光伏电池在以下几个生产环节中也消耗了大量电能。

(1)组件方面

太阳能电池板从硅的还原到组件，需要大量的能耗，如表1所示。除此之外，还需要制造高交联度的EVA、高强度高通光率的钢化玻璃、高质量的背板以及高耐久的铝边框等，再经过层压、焊接等工艺，能耗较高，而且易产生坏件。

表1 太阳能电池制造过程中的能耗[25]

(2)基建方面

搭建太阳能光伏发电站需要大量的支架钢材、钢筋、水泥及电缆。生产这些东西的耗能也不可小觑。一般太阳能光伏发电站的光电转换效率在12%至17%之间[5]，还要考虑随时间变化转换效率的衰减。因此从能源经济性方面来看，其投资成本不低，投资回收期一般较长。

针对组件能耗高，国家应出台具体的光伏制造标准进行整顿，我国2021年新颁发的《光伏制造行业规范条件》就从生产布局与项目设立、工艺技术、资源综合利用及能耗、智能制造和绿色制造、环境保护5个方面对光伏企业提出要求。

4 水上光伏技术

传统光伏系统建设在地面或山地上，对选址和电网的可接入性有一定要求[26]。水上光伏技术不仅使传统光伏脱离了地面的约束，让可用土地资源得到充分利用，还可以有效减少水库水资源的损失，防止水资源的蒸发。此外，水面的反射率为0.69%，相比较地面高了近5、6倍，且温度低，有利于光伏组件的散热[27]。

常见的水上光伏有两种形式：一是桩基固定电站，它与地面传统光伏电站相似，只是在水面下固定桩基，但其成本较高，施工难度较大[28]；二是水面漂浮电站，适用于深水域，水面下无桩基，光伏组件直接安装在水面上的漂浮模块中[27]。其中，漂浮模块主要有主浮体、过道浮体、连接浮体、连接销等组成，用于保持漂浮光伏组件的稳定性[27]。由于不同水域的流速、风浪流、水位变幅、风力作用等问题，水上光伏技术常面临的问题有：浮体的受力、浮体的耐久、水下锚固系统的设计与分析、电站的运维方式、环境协调等[29]。

4.1 水上光伏电站的优缺点

4.1.1 优点

水上光伏电池效率较高，其发电效率比地面光伏系统高1.58%[30]。其次，水面的可用面积大，温度低，有利用光伏组件的散热。据报道，水上光伏太阳能电池板工作温度比地面温度低3.5%，同时还能减少水的蒸发和限制水库中藻类的生长。此外，水上光伏电站受到风和水的冷却作用，有利于光伏模块的输出发电，而且水面上的灰尘较少，有利于保持光伏板表面的洁净。

4.1.2 缺点

水上光伏电站发电所需的太阳辐射会受到不利天气条件的影响，如长期阴天或降雨。由于水面坏境的特殊性，浮动支架的材料选择必须具有耐腐蚀和耐用性，还不能污染水体环境。水上光伏组件会受到水面上潮气影响，潮气会在组件内部产生化学反应产生气体，这些气体会以气泡的形式滞留在光伏组件的背面，加速光伏组件的降解并缩短其寿命。建立水上光伏电站还可能会影响水体中藻类的光合作用速率，对动植物生态系统有破坏，使捕鱼和其他运输活动受限[31]。

4.2 国内外情况介绍

中国水力资源丰富，湖泊、水库众多，适合发展水上光伏电站。2017年，我国三峡新能源公司在安徽淮南一处采煤塌陷区中建成了全球最大的水上光伏电站。这座水上光伏电站占地1400余亩，总装机容量为40MW，分为16个发电单位，全部采用浮体安装，是目前世界上规模最大的水上光伏电站[32]。

2011年，美国加利福尼亚州建成水上光伏发电站，2016年，装机容量为12.5MWp的水上光伏电站在美国加州并网运行[33]。2020年末，巴西水上光伏装机总量已经达到7.5GW，位于北亚马逊地区的巴拉那水力发电站和位于东北地区的索布拉丁霍水力发电站的首批两个水上太阳能系统已经投入运行[34]。2018年12月，挪威国家电力公司获阿尔巴尼亚政府批准建造水上光伏电站[35]。

4.3 展望与建议

与地面光伏电站相比，水上光伏电站在防止水资源蒸发、减少安装所需时间和成本、电池板效率增加、节约土地资源等方面占据优势。然而，水上光伏电站的布置会遮挡水面上的阳光，破环水体中的生态环境。因此，基于对生态环境的保护，应大力推进发展薄膜技术、染料敏化太阳能电池和半透明有机太阳能等光伏技术。此外，海上光伏部署也是实现水上光伏系统的一种的方式。海上有足够的空间，更丰富的太阳能资源。然而，在海上环境中，波速和风速更高更强，极易改变光伏组件的倾斜角度和方向，需要在设计时重点考虑这些因素。

在建立水上光伏电站时，建议考虑以下几点：

(1)地点选择。因为水上光伏电站可以有效减少水资源蒸发，并且可以利用水面的冷却效果提高光伏板工作效率，还可以有效治理采煤塌陷区、节约陆地土地资源，所以在选址时优先选择湖泊、大河或海边等水资源丰富的地区。

(2)方案选择。当水域深度小于3米时，可以采用桩基来固定光伏组件；而当水域深度大于3米时，建议采用水面漂浮电站。

(3)系统互补。水上光伏电站存在着不稳定性，夜间无法发电，如果能与其他系统如水电站互补运行可以避免这个弊端。

(4)组件选择。光伏组件在潮湿环境下，晶体光伏性能易受影响，而薄膜光伏有着更好的性能表现，建议针对水面环境情况合理选用光伏组件。