| 家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景 《新學(xué)術(shù)論壇》2008.08期 | ||
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| 家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景 李龍 (華北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 北京 102206) 摘要：眾所周知，我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中的大國(guó)，同時(shí)是一個(gè)資源消耗大國(guó)，而人均資源儲(chǔ)量又偏低。因此快速的工業(yè)化進(jìn)程和巨大的消費(fèi)性需求使我國(guó)對(duì)資源對(duì)外具有很強(qiáng)的依賴(lài)性。環(huán)境污染和能源短缺已經(jīng)直接威脅我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展。與此同時(shí)，我國(guó)很多居住在偏遠(yuǎn)地區(qū)的人們還沒(méi)有用上電。這些客觀條件迫使我們更加努力的尋找和開(kāi)發(fā)新能源，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電就是其中之一。本文將集中討論家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展前景。 關(guān)鍵詞：家用太陽(yáng)能；光伏發(fā)電系統(tǒng) 一、 家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成及分類(lèi) （一）家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池組件，光伏系統(tǒng)電池控制器，蓄電池和交直流逆變器構(gòu)成，其中的核心元件是光伏電池組件。各部件在系統(tǒng)中的作用是： 光伏電池組件：將太陽(yáng)的光能直接轉(zhuǎn)化為電能。按基本材料主要分為：晶體硅太陽(yáng)能電池，非晶體硅太陽(yáng)能電池，化合物太陽(yáng)能電池和有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池[1]。 交直流逆變器：用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置。此外，逆變器還具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，可改善光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量[2]。 蓄電池：用于存儲(chǔ)從光伏電池轉(zhuǎn)換來(lái)的電力，按照需要隨時(shí)釋放出來(lái)使用。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中采用的是鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池[2]。 充放電控制器：具有自動(dòng)防止太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能蓄電池組過(guò)充電和過(guò)放電的設(shè)備，它是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一。 （二）家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類(lèi) 目前家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)大致可分為三類(lèi)[5]，離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及前兩者混合系統(tǒng)。 1、離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)。這是一種常見(jiàn)的太陽(yáng)能應(yīng)用方式，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用已有若干年，系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，而且適應(yīng)性廣，適用于人口分布稀疏地區(qū)，如：游牧牧民。 2、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。當(dāng)用電負(fù)荷較大時(shí)，太陽(yáng)能電力不足就向市電購(gòu)電。而負(fù)荷較小時(shí)，或用不完電力時(shí)，就可將多余的電力賣(mài)給市電。在背靠電網(wǎng)的前提下，該系統(tǒng)省掉了蓄電池，從而擴(kuò)張了使用的范圍和靈活性，并降低了造價(jià)。適用于人口分布稠密地區(qū)，如城市。 3、A,B兩者混合系統(tǒng)。這是介于上述兩個(gè)方之間的系統(tǒng)。該方案有較強(qiáng)的適應(yīng)性，例如可以根據(jù)電網(wǎng)的峰谷電價(jià)來(lái)調(diào)整自身的發(fā)電策略，但是其造價(jià)和運(yùn)行成本較上述兩種方案高。 二、光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn) 進(jìn)入70年代后，由于二次石油危機(jī)的影響，在客觀上使人們認(rèn)識(shí)到：現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)必須徹底改變，應(yīng)加速向未來(lái)能源結(jié)構(gòu)過(guò)渡。從而使許多國(guó)家，尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，重新加強(qiáng)了對(duì)太陽(yáng)能及其它可再生能源技術(shù)發(fā)展的支持。從遠(yuǎn)期看，光伏發(fā)電將以分散式電源進(jìn)入電力市場(chǎng)，并部分取代常規(guī)能源[4]。從近期看，光伏發(fā)電可以作為常規(guī)能源的補(bǔ)充，在解決特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如通信、信號(hào)電源，和邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)民用生活用電需求方面，以及環(huán)境保護(hù)及能源戰(zhàn)略上都具有重大的意義。光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)充分體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[2]： 1.太陽(yáng)能資源取之不盡，用之不竭。照射到地球上的太陽(yáng)能要比人類(lèi)目前消耗的能量大6000倍。另外，根據(jù)太陽(yáng)產(chǎn)生的核能計(jì)算，太陽(yáng)要照耀地球600多億年。 2.綠色環(huán)保。光伏發(fā)電本身不需要燃料，沒(méi)有二氧化碳的排放，不污染空氣，不產(chǎn)生噪聲。 3.應(yīng)用范圍廣。只要有光照的地方就可以使用光伏發(fā)電系統(tǒng)。 4.使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單、可靠性高。晶體硅太陽(yáng)能電池壽命長(zhǎng)達(dá)20-35年；由于無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，操作、維護(hù)簡(jiǎn)單，可靠性高，加之現(xiàn)在均采用自動(dòng)控制技術(shù)，基本不用人工操作。 5.太陽(yáng)能電池組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小且輕，便于運(yùn)輸和安裝，光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短。 6.系統(tǒng)組合容易。若干太陽(yáng)能電池組件和蓄電池單體組合成為系統(tǒng)的太陽(yáng)能電池方陣和蓄電池組；逆變器、控制器也可以集成。所以光伏發(fā)電系統(tǒng)可大可小，極易組合、擴(kuò)容[2]。 三、太陽(yáng)能資源在我國(guó)的分布情況 我國(guó)幅員廣大，有著十分豐富的太陽(yáng)能資源。據(jù)估算，我國(guó)陸地表面每年接受的太陽(yáng)輻射能約為50x1018kJ，全國(guó)各地太陽(yáng)年輻射總量達(dá)335～837kJ／cm2•a，中值為586kJ／cm2•a。從全國(guó)太陽(yáng)年輻射總量的分布來(lái)看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺(tái)灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽(yáng)輻射總量很大。尤其是青藏高原地區(qū)最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大氣層薄而清潔，透明度好，緯度低，日照時(shí)間長(zhǎng)。例如被人們稱(chēng)為“日光城”的拉薩市，1961年至1970年的平均值，年平均日照時(shí)間為3005.7h，相對(duì)日照為68％，年平均晴天為108.5天，陰天為98.8天，年平均云量為4.8，太陽(yáng)總輻射為816kJ／cm2•a，比全國(guó)其它省區(qū)和同 緯度的地區(qū)都高。全國(guó)以四川和貴州兩省的太陽(yáng)年輻射總量最小，其中尤以四川盆地為最，那里雨多、霧多，晴天較少。 例如素有“霧都”之稱(chēng)的成都市，年平均日照時(shí)數(shù)僅為1152.2h，相對(duì)日照為26％，年平均晴天為24.7天，陰天達(dá)244.6天，年平均云量高達(dá)8.4。其它地區(qū)的太陽(yáng)年輻射總量居中。 我國(guó)太陽(yáng)能資源分布的主要特點(diǎn)有：太陽(yáng)能的高值中心和低值中心都處在北緯22°～35°這一帶，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太陽(yáng)年輻射總量，西部地區(qū)高于東部地區(qū)，而且除西藏和新疆兩個(gè)自治區(qū)外，基本上是南部低于北部；由于南方多數(shù)地區(qū)云霧雨多，在北緯30°～40°地區(qū)，太陽(yáng)能的分布情況與一般的太陽(yáng)能隨緯度而變化的規(guī)律相反，太陽(yáng)能不是隨著緯度的增加而減少，而是隨著緯度的增加而增長(zhǎng)。 按接受太陽(yáng)能輻射量的大小，全國(guó)大致上可分為五類(lèi)地區(qū)，如表一所示： 表一我國(guó)太陽(yáng)能熱能資源分布 地區(qū) 分類(lèi) 日照時(shí)數(shù) （H/A） 年輻射總量[MJ/(m*m*a)] 包括的主要地區(qū) 備注 一類(lèi) 3200~3300 6680~8400 寧夏北部，甘肅北部，新疆南部，青海西部，西藏西部 太陽(yáng)能資源最豐富地區(qū) 二類(lèi) 3000~3200 5852~6680 河北西北部，山西北部，內(nèi)蒙南部，寧夏南部，甘肅中部，青海東部，西藏東南部，新疆南部 較豐富地區(qū) 三類(lèi) 2200~3000 5016~5852 山東，河南，河北東南部，山西南部，新疆北部，吉林，遼寧，云南，陜西北部，甘肅東南部，廣東南部 較豐富地區(qū) 四類(lèi) 1400~2000 4180~5016 湖南，廣西，江西，浙江，湖北，福建北部，廣東北部，陜西南部，安徽南部 中等地區(qū) 五類(lèi) 1000~1400 3344~4180 四川大部分地區(qū)，貴州 較差地區(qū) 四、家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展前景 目前，家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)階段主要是用于無(wú)電、缺電的人口通電。中國(guó)的西部地區(qū)，包括西藏、貴州、甘肅、內(nèi)蒙古、青海、新疆和四川，中國(guó)的大部分有人居住海島離海岸線約15—100Km，主要分布在浙江、福建和廣東省，還有一部分分布在山東和遼寧，其余的則在海南、中國(guó)臺(tái)灣和廣西。目前，有些島嶼使用柴油發(fā)電，但由于很高的運(yùn)輸費(fèi)用，電價(jià)很高，且供應(yīng)時(shí)間很短。一些地方則仍然使用蠟燭和煤油燈來(lái)照明，有些則用電池，無(wú)電、缺電在很大程度上制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。另一方面，中國(guó)這些西部省份和沿海島嶼有著極豐富的太陽(yáng)能資源，它們中大部分完全可以利用既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的可再生能源來(lái)解決其用電問(wèn)題[2]。 至2005年底，已有大約75萬(wàn)套家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入用戶家庭。在這些用戶之中，大多數(shù)都是牧區(qū)的牧民家庭，這些家庭的通電水平還比較低，一般只能滿足基本的照明需要。除此以外，還有林區(qū)和農(nóng)區(qū)的農(nóng)戶和養(yǎng)蜂戶以及無(wú)電的公路道班、學(xué)校、商店等小單位以在使用家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，還有一些缺電地區(qū)的城鎮(zhèn)居民，也成為家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的用戶。如果這些家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的保有量按80%計(jì)，加上國(guó)家光明工程和送電到鄉(xiāng)工程的光伏電站，中國(guó)目前至少有100萬(wàn)戶家庭主要依靠光伏發(fā)電系統(tǒng)解決基本的生活照明用電[2]。 到2005年底，中國(guó)的光伏發(fā)電市場(chǎng)累計(jì)安裝量達(dá)到70MW，其中約43%為農(nóng)村電力建設(shè)方面的應(yīng)用，而全國(guó)大約還有300萬(wàn)無(wú)電戶，估計(jì)其中至少還有150萬(wàn)戶需要在今后的十年內(nèi)采用光伏或風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)來(lái)解決。由于居住條件的限制，他們中的大多數(shù)只能采用分散的供電方式，即采用家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。而許多已經(jīng)用上光伏系統(tǒng)的用戶也將升級(jí)換代，提高用電水平。因此，中國(guó)的光伏市場(chǎng)潛力仍然很大[4]。 在人口稠密的都市中，光伏發(fā)電系統(tǒng)也正起著越來(lái)越重要的作用。2006年，《上海市10萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃》可行性調(diào)研完成初稿。根據(jù)計(jì)劃，未來(lái)上海10萬(wàn)個(gè)屋頂有望安裝太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，每年至少發(fā)電4.3億度。對(duì)于處在電荒中的上海，這當(dāng)然是好消息。“中國(guó)缺能，我們不能辜負(fù)頭頂?shù)拇蠛藐?yáng)光。”這是《上海市10萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃》的主持者，上海交通大學(xué)太陽(yáng)能研究所所長(zhǎng)崔容強(qiáng)教授的呼吁。面對(duì)迫在眉睫的能源危機(jī)，太陽(yáng)能因其清潔、高效和永不衰竭的特點(diǎn)受到了世界各國(guó)能源專(zhuān)家的青睞，并被業(yè)內(nèi)人士稱(chēng)為“黃金電”。沒(méi)有油田煤礦的上海擁有兩億平方米的屋頂，每天只要有陽(yáng)光，每個(gè)屋頂將會(huì)是一個(gè)小型的綠色發(fā)電廠；把上海的大小屋頂、建筑立面聯(lián)合起來(lái)，可建成一座巨型“發(fā)電廠”。以上海現(xiàn)有兩億平方米平屋頂?shù)?.5%，即十萬(wàn)個(gè)屋頂(約300萬(wàn)平方米)，為其安裝“太陽(yáng)能并網(wǎng)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)”，每年至少能發(fā)電4.3億度，這將很大緩解上海的用電緊張。 五、結(jié)束語(yǔ) 光是一種清潔、可再生能源，并且太陽(yáng)能資源在我國(guó)廣泛分布。由于我國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó)，并且人口分布極不合理，因此發(fā)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展、保持能源供給的獨(dú)立性和安全性，以及分散人口地區(qū)居民用電具有重要意義。對(duì)能源的需求，對(duì)新技術(shù)的追求以及人們不斷提高的物質(zhì)文化的需要，都將促使太陽(yáng)能光伏技術(shù)成為21世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，而家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)也必會(huì)走進(jìn)千家萬(wàn)戶。 參考文獻(xiàn)： [1]馮垛生，宋金蓮. 太陽(yáng)能發(fā)電原理與應(yīng)用[M]. 北京：人民郵電出版社. 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