1.1 光伏發電系統認知

1.1.1 光伏產業現狀

【任務說明】

太陽能屬于可再生能源的一種，具有儲量大、清潔無污染、就地可取等特點，因此成為目前人類可利用能源的最佳選擇之一。本節主要分析光伏產業現狀，掌握光伏發電應用場合、光伏發電特點以及光伏發電產業前景。

【任務實施】

1.光伏發電應用場合

當前太陽能光伏發電主要應用領域如下。

1）通信領域的應用。主要包括無人值守微波中繼站、光纜通信系統及維護站、移動通信基站、廣播、通信以及無線尋呼電源系統、衛星通信和衛星電視接收系統、農村程控電話、載波電話光伏系統、小型通信機、部隊通信系統等。

2）公路、鐵路、航運等交通領域的應用。如鐵路和公路信號系統，鐵路信號燈，交通警示燈、標志燈、信號燈，公路太陽能路燈，太陽能道釘燈、高空障礙燈，高速公路監控系統，高速公路、鐵路線無線電話亭，無人值守道班供電，航標燈燈塔和航標燈電源等。

3）石油、海洋、氣象領域的應用。如石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統、石油鉆井平臺生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象和水文觀測設備、觀測站電源系統等。

4）農村和邊遠無電地區的應用。在高原、海島、牧區、邊防哨所等農村和邊遠無電地區應用太陽能光伏戶用系統、小型風光互補發電系統等解決了日常生活的用電問題，如照明、電視、收錄機、DVD、衛星接收機等的用電，也解決了手機、手電筒等隨身小電器充電的問題，發電功率大多在幾瓦到幾百瓦之間。應用1～5kW的獨立光伏發電系統或并網發電系統作為村莊、學校、醫院、飯館、旅社、商店等的供電系統。應用太陽能光伏水泵，解決了無電地區的深水井抽水、農田灌溉等用電問題。另外還有太陽能噴霧器、太陽能電圍欄、太陽能黑光滅蟲燈等應用。

5）太陽能光伏照明方面的應用。太陽能光伏照明包括太陽能路燈、庭院燈、草坪燈、太陽能景觀照明、太陽能路標標牌、信號指示、廣告燈箱照明等。還有家庭照明燈具及手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、割膠燈、節能燈、手電等。

6）大型光伏發電系統（電站）的應用。大型光伏發電系統（電站）是10kW～200MW的地面獨立或并網光伏電站、風光（柴）互補電站、各種大型停車場充電站等。

7）太陽能光伏建筑一體化并網發電系統。將太陽能發電與建筑材料相結合，充分利用建筑的屋頂和外立面，使得大型建筑能實現電力自給、并網發電等。

8）太陽能電子商品及玩具的應用。包括太陽能收音機、太陽能時鐘、太陽能帽、太陽能充電器、太陽能手表、太陽能計算器、太陽能玩具等。

9）其他領域的應用。包括太陽能電動汽車、太陽能電動自行車、太陽能游艇、太陽能電池充電設備、太陽能汽車空調、太陽能換氣扇、太陽能冷飲箱等；還有太陽能制氫加燃料電池的再生發電系統，海水淡化設備太陽能供電系統，衛星、航天器、空間太陽能電站等。

光伏發電應用案例如圖1-1所示。

圖1-1 光伏發電應用案例

2.光伏發電特點

太陽能光伏發電過程簡單，沒有機械轉動部件、不消耗燃料、不排放包括溫室氣體在內的任何物質、無噪聲、無污染。太陽能資源分布廣泛且取之不盡、用之不竭，與風力發電和生物質能發電等新型發電技術相比，光伏發電是最具可持續發展特征（豐富的資源和潔凈的發電過程）的可再生能源發電技術之一。

光伏發電的缺點主要體現在能量密度低、占地面積大、轉換效率低、間歇性工作、受氣候環境因素影響大、地域依賴性強、系統成本高、晶體硅電池的制造過程高能耗等。

盡管太陽能光伏發電存在上述不足，但是隨著解決能源問題越來越迫切，大力開發可再生能源將是解決能源危機的主要途徑。近年來我國相繼出臺了一系列鼓勵和支持太陽能光伏產業的政策法規，這將極大地促進太陽能光伏產業的發展，光伏發電的技術和應用水平也將會不斷地提高，我國光伏發電產業的前景將會十分廣闊。

3.光伏發電產業前景

回顧100年間能源工業的發展歷史，人類正在消耗地球通過50萬年積累的有限能源資源——煤和石油。雖然極大地解放了生產力，但同時也向人類敲響了常規能源正面臨枯竭的警鐘。根據有關資料顯示，人類已確知的石油儲備將只能用40余年，天然氣60余年，煤大約200年。另外，以化石能源為主體的能源結構，對人類環境的破壞是顯而易見，每年排放的二氧化碳達210萬噸，并呈逐年上升的趨勢，從而造成冰雪消融、冰川退縮、全球氣候變暖等環境問題。能源短缺和環境保護是21世紀經濟和能源領域最重要的課題之一。因此，目前國際上對太陽能資源的利用已經十分重視了。

1954年貝爾實驗室的第一塊單晶硅太陽能電池面世，為世界能源提供了一個新的希望。20世紀70年代以來，世界上許多國家掀起了開發利用太陽能和可再生能源的熱潮。利用太陽能發電的光伏發電技術已被用于許多需要電源的場合。上至航天器，下至家用電源；大到兆瓦級電站，小到兒童玩具，光伏電源無處不在。

由于太陽能光伏發電的諸多優點，其研究開發、產業化制造技術及市場開拓已經成為當今世界各國，特別是發達國家激烈競爭的主要熱點。

目前我國已經形成成熟且具有競爭力的光伏產業鏈，在國際上處于領先地位。2015～2019年，我國新增和累計光伏裝機容量保持全球第一。2015年全年新增裝機量1513萬kW，累計裝機容量4318萬kW，全年發電量392億kW·h；2016年全年新增裝機量3454萬kW，累計裝機容量7742萬kW，全年發電量662億kW·h；2017年全年新增裝機量5232萬kW，累計裝機容量12974萬kW，全年發電量1182億kW·h；2018年全年新增裝機量4426萬kW，累計裝機容量1.74億kW，全年發電量1775億kW·h；2019年全年新增裝機量3011萬kW，累計裝機容量20430萬kW，全年發電量2243億kW·h，提前一年完成“十三五”規劃的裝機任務，成為我國第四大發電能源。光伏發電年增裝機量及年發電量如圖1-2所示。

圖1-2 光伏發電年增裝機量及年發電量

a）年增裝機量 b）年發電量

4.我國太陽能“十三五”規劃

近年來，太陽能開發利用的規模快速擴大，技術進步和產業升級加快，成本顯著降低，已成為全球能源轉型的重要領域。“十二五”時期，我國光伏產業體系不斷完善，技術進步顯著，光伏制造和應用規模均居世界前列。太陽能熱發電技術的研發及裝備制造取得較大進展，已建成商業化試驗電站，初步具備了規模化發展的條件。太陽能熱利用持續穩定發展，并向建筑供暖、工業供熱和農業生產等領域擴展應用。

“十三五”將是太陽能產業發展的關鍵時期，基本任務是產業升級、降低成本、擴大應用。實現不依賴國家補貼的市場化自我持續發展，成為實現2030年非化石能源分別占一次能源消費比重20%目標的重要力量。

“十三五”期間，我國太陽能產業的發展目標是：繼續擴大太陽能利用規模，不斷提高太陽能在能源結構中的比重，提升太陽能技術水平，降低太陽能利用成本，完善太陽能利用的技術創新和多元化應用體系，為產業健康發展提供良好的市場環境。

（1）開發利用目標

到“十三五”末，太陽能發電裝機達到1.1億kW以上，其中，光伏發電裝機達到1.05億kW以上，在“十二五”的基礎上每年保持穩定的增長規模；太陽能熱發電裝機達到500萬kW。太陽能熱利用集熱面積達到8億m²。到2020年，太陽能年利用量達到相當于1.4億t標準煤以上。表1-1為“十三五”太陽能利用主要指標，表1-2為重點地區“十三五”末光伏發電建設規模。

表1-1 “十三五”太陽能利用主要指標

表1-2 重點地區“十三五”末光伏發電建設規模

（2）成本目標

在光伏發電成本上，到“十三五”末，光伏發電電價在2015年基礎上下降50%以上，在用電側實現平價上網目標；太陽能熱發電成本低于0.8元/kW·h；太陽能供暖、工業供熱具有市場競爭力。

（3）技術進步目標

先進晶體硅光伏電池產業化轉換率達到23%以上，薄膜光伏電池產業化轉換率顯著提高，若干新型光伏電池初步產業化。光伏發電系統效率顯著提升，實現智能運維。太陽能熱發電效率實現較大提高，形成全產業鏈集成能力。

5.“十三五”光伏發電產業發展主要路徑

大力推動光伏發電多元化應用，積極推進太陽能熱發電產業化發展，加速普及多元化太陽能熱利用。

（1）推進分布式光伏和“光伏+”應用

1）大力推進屋頂分布式光伏發電。

繼續開展分布式光伏發電應用示范區建設。到“十三五”末建成100個分布式光伏應用示范區，園區內80%的新建建筑屋頂、50%的已有建筑屋頂安裝光伏發電設備。在具備開發條件的工業園區、經濟開發區、大型工礦企業以及商場學校醫院等公共建筑，采取“政府引導、企業自愿、金融支持、社會參與”的方式，統一規劃并組織實施屋頂光伏工程。在太陽能資源優良、電網接入消納條件好的農村地區和小城鎮，推進居民屋頂光伏工程，結合新型城鎮化建設、舊城鎮改造、新農村建設、易地搬遷等統一規劃建設屋頂光伏工程，形成若干光伏小鎮、光伏新村。

2）拓展“光伏+”綜合利用工程。

鼓勵結合荒山荒地和沿海灘涂綜合利用、采煤沉陷區等廢棄土地治理、設施農業、漁業養殖等方式，因地制宜地開展各類“光伏+”應用工程，促進光伏發電與其他產業有機融合，通過光伏發電為土地的增值利用開拓新途徑。探索各類提升農業效益的光伏農業融合發展模式，鼓勵結合現代高效農業設施建設光伏電站；在水產養殖條件好的地區，鼓勵利用坑塘水面建設漁光一體的光伏電站；在符合林業管理規范的前提下，在宜林地、灌木林、稀疏林地合理布局林光互補光伏電站；結合中藥材種植、植被保護、生態治理工程，合理配建光伏電站。

3）創新分布式光伏應用模式。

結合電力體制改革，開展分布式光伏發電市場化交易，鼓勵光伏發電項目靠近電力負荷建設，接入中低壓配電網實現電力就近消納。各類配電網企業應為分布式光伏發電接入電網運行提供服務，優先消納分布式光伏發電量，建設分布式發電并網運行技術支撐系統并組織分布式電力交易。推行分布式光伏發電項目向電力用戶市場化的售電模式，向電網企業繳納的輸配電價按照促進分布式光伏就近消納的原則合理確定。

（2）優化光伏電站布局并創新建設方式

1）合理布局光伏電站。

綜合考慮太陽能資源、電網接入、消納市場和土地利用條件及成本等，以全國光伏產業發展目標為導向，安排各省（區、市）光伏發電年度建設規模，合理布局集中式光伏電站。規范光伏項目分配和市場開發秩序，全面通過競爭機制實現項目優化配置，加速推動光伏技術進步。在棄光限電嚴重地區，嚴格控制集中式光伏電站建設規模，加快解決已出現的棄光限電問題，采取本地消納和擴大外送相結合的方式，提高已建成集中式光伏電站的利用率，降低棄光限電比例。

2）結合電力外送通道建設太陽能發電基地。

按照“多能互補、協調發展、擴大消納、提高效益”的布局思路，在“三北”地區利用現有和規劃建設的特高壓電力外送通道，按照優先存量、優化增量的原則，有序建設太陽能發電基地，提高電力外送通道中可再生能源比重，有效擴大“三北”地區太陽能發電消納范圍。在青海、內蒙古等太陽能資源好、土地資源豐富地區，研究論證并分階段建設太陽能發電與其他可再生能源互補的發電基地。在金沙江、雅礱江、瀾滄江等西南水能資源富集的地區，依托水電基地和電力外送通道研究并分階段建設大型風光水互補發電基地。

3）實施光伏“領跑者”計劃。

設立達到先進技術水平的“領跑者”光伏產品和系統效率標準，建設采用“領跑者”光伏產品的領跑技術基地，為先進技術及產品提供市場支持，引領光伏技術進步和產業升級。結合采煤沉陷區、荒漠化土地治理，在具備送出條件和消納市場的地區，統一規劃有序建設光伏發電領跑技術基地，采取競爭方式優選投資開發企業，按照“領跑者”技術標準統一組織建設。組織建設達到最先進技術水平的前沿技術依托基地，加速新技術產業化發展。建立和完善“領跑者”產品的檢測、認證、驗收和保障體系，確?！邦I跑者”基地使用的光伏產品達到先進指標。

（3）開展多種方式光伏扶貧

1）創新光伏扶貧模式。

以主要解決無勞動能力的建檔立卡貧困戶為目標，因地制宜、分期分批推動多種形式的光伏扶貧工程建設，覆蓋已建檔立卡280萬無勞動能力貧困戶，平均每戶每年增加3000元的現金收入。確保光伏扶貧關鍵設備達到先進技術指標且質量可靠，鼓勵成立專業化平臺公司，對光伏扶貧工程實行統一運營和監測，保障光伏扶貧工程長期質量可靠、性能穩定和效益持久。

2）大力推進分布式光伏扶貧。

在中東部土地資源匱乏地區，優先采用村級電站（含戶用系統）的光伏扶貧模式，單個戶用系統5kW左右，單個村級電站一般不超過300kW。村級扶貧電站優先納入光伏發電建設規模，優先享受國家可再生能源電價附加補貼。做好農村電網改造升級與分布式光伏扶貧工程的銜接，確保光伏扶貧項目所發電量就近接入、全部消納。建立村級扶貧電站的建設和后期運營監督管理體系，相關信息納入國家光伏扶貧信息管理系統監測，鼓勵各地區建設統一的運行監控和管理平臺，確保電站長期可靠運行和貧困戶獲得穩定收益。

3）鼓勵建設光伏農業工程。

鼓勵各地區結合現代農業、特色農業產業發展光伏扶貧。鼓勵地方政府按PPP（Public-Private Partnership，政府和社會資本合作）模式，由政府投融資主體與商業化投資企業合資建設光伏農業項目，項目資產歸政府投融資主體和商業化投資企業共有，收益按股比分成，政府投融資主體要將所占股份折股量化給符合條件的貧困村、貧困戶，代表扶貧對象參與項目投資經營，按月（或季度）向貧困村、貧困戶分配資產收益。光伏農業工程要優先使用建檔立卡貧困戶勞動力，并在發展地方特色農業中起到引領作用。

1.1.2 光伏發電系統結構

【任務說明】

太陽能是光伏發電系統能量的來源，按照光伏發電系統應用結構來分，可以分為離網光伏發電系統和并網光伏發電系統。本書中的“光伏發電系統”均指“太陽能光伏發電系統”，“光伏電池”即“太陽能電池”。從光伏發電系統應用角度出發，要求掌握離網光伏發電系統、并網光伏發電系統的結構組成及各部件功能。

【任務實施】

1.離網光伏發電系統

（1）離網光伏發電系統組成

離網光伏發電系統主要包括光伏電池組件（光伏陣列）、光伏控制器、蓄電池、離網逆變器和負載。光伏發電的核心部件是光伏電池組件（即太陽能電池板），它能將太陽光直接轉換成電能；并通過控制器把光伏電池產生的電能存儲于蓄電池中；當負載用電時，蓄電池中的電能通過控制器合理地分配到各個負載上。光伏電池所產生的電流為直流電，可以直接以直流電的形式應用，也可以用逆變器將其轉換成為交流電，供交流負載使用。光伏發電的電能可以即發即用，也可以用蓄電池等儲能裝置將電能存儲起來。離網光伏發電系統結構如圖1-3所示。

圖1-3 離網光伏發電系統

（2）離網光伏發電系統各部件功能

1）光伏電池組件。

光伏電池組件也叫太陽能電池板，是太陽能發電系統中的核心部分。其作用是將太陽光的輻射能量轉換為電能，并送往蓄電池中存儲起來，也可以直接用于驅動負載工作。當發電容量較大時，就需要用多塊電池組件串、并聯后構成太陽能電池方陣。目前應用的太陽能電池主要是晶體硅電池，分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池等幾種。

2）蓄電池（組）。

蓄電池的作用主要是存儲太陽能電池板發出的電能，并可隨時向負載供電。太陽能光伏發電系統對蓄電池的基本要求是：自放電率低、使用壽命長、充電效率高、深放電能力強、工作溫度范圍寬、少維護或免維護以及價格低廉。目前為光伏系統配套使用的主要是免維護鉛酸電池，在小型、微型系統中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池或超級電容器。當需要大容量電能存儲時，就需要將多只蓄電池進行串、并聯，構成大容量蓄電池組。

3）光伏控制器。

光伏控制器的作用是控制整個光伏系統的工作狀態。其功能主要有：蓄電池防過充電保護、蓄電池防過放電保護、系統短路保護、系統極性反接保護、夜間防反充保護等。在溫差較大的地方，控制器還具有溫度補償的功能。另外控制器還有光控、時控等工作模式，以及充電狀態、蓄電池電量等各種狀態的顯示功能。光伏控制器一般分為小功率、中功率、大功率和風光互補控制器等幾種。

4）離網逆變器。

離網逆變器是把光伏電池組件或者蓄電池輸出的直流電轉換成交流電供應給交流負載使用的設備。

2.并網光伏發電系統

所謂并網光伏發電系統就是光伏電池組件產生的直流電經過并網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電能后接入公共電網。并網光伏發電系統有集中式大型并網光伏系統，也有分布式小型并網光伏系統。集中式大型并網光伏電站一般都是國家級電站，主要特點是將所發電能直接輸送到電網，由電網統一調配向用戶供電。這種電站投資大、建設周期長、占地面積大。分布式小型并網光伏系統，特別是光伏建筑一體化發電系統，由于投資小、建設快、占地面積小、政策支持力度大等優點，是目前并網光伏發電的主流。常見并網光伏發電系統一般有下列兩種形式。

（1）有逆流并網光伏發電系統

有逆流并網光伏發電系統如圖1-4所示。當光伏發電系統發出的電能充裕時，可將剩余電能饋入公共電網，向電網供電（賣電）；當光伏發電系統提供的電力不足時，由電網向負載供電（買電）。由于向電網供電時與電網供電的方向相反，所以稱為有逆流并網光伏發電系統。

圖1-4 有逆流并網光伏發電系統

（2）無逆流并網光伏發電系統

無逆流并網光伏發電系統如圖1-5所示。光伏發電系統即使發電充裕也不向公共電網供電，但當光伏發電系統供電不足時，則由公共電網向負載供電。

圖1-5 無逆流并網光伏發電系統