光伏電站的發(fā)展?fàn)顩r及低碳效益淺析

武廣萍，倪　斌，孟　歡

（1.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州730050；2.深能源北方投資有限公司）

光伏電站的發(fā)展?fàn)顩r及低碳效益淺析

武廣萍1，倪斌2，孟歡1

（1.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州730050；2.深能源北方投資有限公司）

溫室氣體濃度增加引起的全球變暖，我國政府對此非常重視，提出到2020年我國單位生產(chǎn)總值CO2排放比2005年減少40%～45%，節(jié)能減排工作日益嚴(yán)重。電力是“高碳能源”的第一消耗大戶，目前大力發(fā)展風(fēng)電、光伏等新能源產(chǎn)業(yè)，使之成為我國電力工業(yè)的重要組成部分，不僅是能源開發(fā)的需要，也是低碳經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)的需要。構(gòu)建以安全發(fā)展、高效發(fā)展、清潔發(fā)展為目標(biāo)的現(xiàn)代能源保障體系。

光伏電站；發(fā)展；低碳；淺析

1　目前我國新能源發(fā)展戰(zhàn)略方向

能源是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的基本保障。隨著全球資源緊張、氣候變化問題日益加劇，資源和環(huán)境對能源的約束越來越強(qiáng)。如何以新一輪能源革命為契機(jī)，加快能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，保障能源安全、高效、清潔供應(yīng)，是世界各國面臨的共同挑戰(zhàn)。

能源問題涉及能源政策、能源科技、能源市場、能源環(huán)境等諸多方面。要解決好能源問題，應(yīng)當(dāng)樹立“大能源觀”，以全球化視野、可持續(xù)理念、戰(zhàn)略性舉措、創(chuàng)新性技術(shù)著力轉(zhuǎn)變能源發(fā)展方式，統(tǒng)籌能源與經(jīng)濟(jì)社會環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，推動能源結(jié)構(gòu)由高碳轉(zhuǎn)向低碳、能源利用由粗放向集約、能源配置由局部地區(qū)轉(zhuǎn)向全球范圍、能源服務(wù)由單向供給轉(zhuǎn)向智能互動，構(gòu)建以安全發(fā)展、高效發(fā)展、清潔發(fā)展為目標(biāo)的現(xiàn)代能源保障體系。

黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人高度重視可再生能源發(fā)展，多次在國際場合提出非化石能源占比目標(biāo)，要“完善風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等發(fā)展扶持政策，提高清潔能源比重”。

2　低碳經(jīng)濟(jì)及其發(fā)展的緊迫性和必要性

溫室氣體濃度增加引起的全球變暖、海平面上升、極端天氣與氣候事件頻發(fā)等，已經(jīng)對自然生態(tài)系統(tǒng)和人類生存環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，并已引起全世界的廣泛關(guān)注，成為當(dāng)今人類社會亟待解決的重大問題。我國政府對此非常重視，力爭到2020年我國單位生產(chǎn)總值CO2排放比2005年減少40%～45%”，節(jié)能減排工作日益嚴(yán)重。完成2020年非化石能源消費(fèi)占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到15%的戰(zhàn)略目標(biāo)。

低碳經(jīng)濟(jì)是指在可持續(xù)發(fā)展理念指導(dǎo)下，通過技術(shù)創(chuàng)新、制度創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、新能源開發(fā)等手段，盡可能地減少煤炭、石油等高碳能源消耗，減少溫室氣體排放，達(dá)到經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)雙贏的一種經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。這種有別于傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的新型發(fā)展模式以低能耗、低排放、低污染為特征，以應(yīng)對碳基能源對于氣候變暖影響為要求，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展為目的。

我國在未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)煤炭仍將是主要一次能源。煤碳屬于高碳能源。在《聯(lián)合國氣候變化框架公約》和《京都議定書》約束下，二氧化碳等溫室氣體排放權(quán)成為發(fā)展的資源；氣候變化國際談判中減排指標(biāo)的確定和分解實(shí)際上是爭奪排放權(quán)的這一發(fā)展空間。

人為活動產(chǎn)生的二氧化碳等溫室氣體，主要來自煤炭、石油等的生產(chǎn)和消費(fèi)。目前我國正處于工業(yè)化、城市化的快速發(fā)展階段，大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)離不開鋼鐵、水泥、電力等的供應(yīng)保證，目前我國電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)占全國二氧化碳排放總量的40.1%，是“高碳能源”的第一消耗大戶，急需新的能源代替。這些“高碳”產(chǎn)業(yè)是新一輪經(jīng)濟(jì)增長的帶動產(chǎn)業(yè)，因此降低電力行業(yè)的碳強(qiáng)度，推進(jìn)電力行業(yè)低碳發(fā)展成為提高我國產(chǎn)業(yè)競爭力、實(shí)行環(huán)境友好、應(yīng)對氣候變化的必然要求。大力發(fā)展風(fēng)能、光能可以大幅度削減造成溫室效應(yīng)的二氧化碳，緩解氣候變暖的狀況。

3　光伏發(fā)電的低碳效益

為應(yīng)對世界氣候變化，減少溫室氣體的排放量，國務(wù)院制定了到2020年我國單位生產(chǎn)總值CO2排放比2005年減少40%～45%”的目標(biāo)。其中大力發(fā)展風(fēng)電、光伏，使之成為我國電力工業(yè)的一個方面軍，不僅是能源開發(fā)的需要，也是低碳經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)的需要。

中國地處北半球，南北距離和東西距離都在5000km以上。在中國廣闊的土地上，有著豐富的太陽能資源。大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在每平方米4千瓦時以上，西藏日輻射量最高達(dá)每平米7千瓦時。年日照時數(shù)大于2000h。與同緯度的其他國家相比，與美國相近，比歐洲、日本優(yōu)越得多，因而有巨大的開發(fā)潛能。中國的太陽能資源理論儲量達(dá)每年17000億t標(biāo)準(zhǔn)煤。

甘肅省是我國太陽能資源最豐富的地區(qū)之一，也是我國太陽能輻射的高能區(qū)之一，在開發(fā)利用太陽能方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)越條件：地勢海拔高、陰雨天氣少、日照時間長、輻射強(qiáng)度高、大氣透明度好。武威市屬大陸性干旱氣候，該地區(qū)多年平均年日照時數(shù)為3100h左右，多年平均太陽輻射量在6300MJ/m2左右，光照資源十分豐富。

年資源理論儲量67萬億kW·h。各地年日照時數(shù)在1700～3320h，自西北向東南逐漸減少，河西走廊是甘肅省太陽輻射豐富區(qū)，多年平均太陽輻射量6363.79MJ/ m，多年平均日照小時數(shù)3287.8h如圖1所示。

圖1　甘肅省年太陽總輻射量空間分布圖

為了解決我國一次能源以煤為主的結(jié)構(gòu)，減輕能源對環(huán)境的壓力，必須改善能源結(jié)構(gòu)，優(yōu)先發(fā)展清潔能源，其中太陽能利用則起著舉足輕重的作用。

4　太陽能光伏發(fā)電的利用和發(fā)展

4.1新能源發(fā)電現(xiàn)狀

近年來，我國清潔能源發(fā)展步伐不斷加快，除水電外，風(fēng)電、光伏新增裝機(jī)量亦雙雙列世界第一。一份關(guān)于中國可再生能源產(chǎn)業(yè)分析報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，至2014年底，我國水電總裝機(jī)3億kw，風(fēng)電總裝機(jī)9581kw，光伏發(fā)電總裝機(jī)2428kw，可再生能源發(fā)電總裝機(jī)已占全部電力裝機(jī)的1/3，但水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電等清潔能源面臨的并網(wǎng)消納問題也日益嚴(yán)重，眼下電力行業(yè)棄水、棄風(fēng)、棄光的電力“三棄”成為業(yè)內(nèi)不諱事實(shí)。甘肅、青海局部地區(qū)“棄光”比例超過20%，遠(yuǎn)超出典型國家3%以下棄風(fēng)限電率。

4.2太陽能光伏發(fā)電及其發(fā)展

4.2.1太陽能光伏發(fā)電原理

早在1839年，法國科學(xué)家貝克雷爾（Becqurel）發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象后被稱為光生伏打效應(yīng)。光生伏打效應(yīng)在液體和固體物質(zhì)中都會發(fā)生，在固體物質(zhì)中，半導(dǎo)體PN結(jié)器件在太陽光照射下的光電轉(zhuǎn)換效率較高。利用光生伏打效應(yīng)原理制成晶體硅太陽能電池，可將太陽的光能直接轉(zhuǎn)換成為電能。太陽能光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器是太陽能電池，又稱光伏電池，是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心器件。太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換成為電能的過程分為3個步驟：

1）太陽能電池吸收一定能量的光子后，半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子—空穴對，稱“光生截留子”，兩者的電極性相反，電子帶負(fù)電，空穴帶正電。

2）電極性相反的光生載流子被半導(dǎo)體PN結(jié)所產(chǎn)生的靜電場分離開。

3）光生載流電子和空穴分別被太陽能電池的正、負(fù)極收集，并在外電路中產(chǎn)生電流，從而獲得電能。

4.2.2太陽能發(fā)電優(yōu)勢

1）伏發(fā)電之不盡用之不竭，太陽能在地球上分布廣泛，只要有光照的地方就可以使用光伏發(fā)電系統(tǒng)，不受地域、海拔等因素的制約。

2）太陽能資源隨處可得，可就近發(fā)電、供電，不必長距離輸送，避免了長距離輸電線路的電能損失。

3）光伏發(fā)電是直接從光子到電子的轉(zhuǎn)換，沒有中間過程和機(jī)械運(yùn)動，不存在機(jī)械磨損。根據(jù)熱力學(xué)分析，光伏發(fā)電具有很高的理論發(fā)電率，可達(dá)80%以上，技術(shù)開發(fā)潛力大。

4）光伏發(fā)電本身不用燃料，不排放包括溫室氣體和其他廢氣的任何物質(zhì)，不污染空氣，不產(chǎn)生噪音，對環(huán)境友好，不會遭受=能源危機(jī)或燃料市場不穩(wěn)定的沖擊，太陽能是真正綠色環(huán)保的可再生能源。

5）光伏發(fā)電過程不需要冷卻水，發(fā)電裝置可以安裝在沒有水的荒漠、戈壁上。光伏發(fā)電還可以很方便地與建筑物結(jié)合，構(gòu)成光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)，不需要單獨(dú)占地，可節(jié)省寶貴的土地資源。

6）光伏發(fā)電無機(jī)械傳動部件，操作、維護(hù)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。一套光伏發(fā)電系統(tǒng)只要有太陽能組件就能發(fā)電，加之自動控制技術(shù)的廣泛采用，基本上可實(shí)現(xiàn)無人值守，維護(hù)成本低。

7）光伏發(fā)電系統(tǒng)工作性能未定可靠，使用壽命長（30年以上），晶體硅太陽能電池壽命可長達(dá)25～30年。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，只要設(shè)計(jì)合理、選型適當(dāng)，蓄電池的壽命也可長達(dá)10～15年。

8）太陽電池組件結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，便于運(yùn)輸和安裝。光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短，而且根據(jù)用電負(fù)荷容量可大可小，方便靈活，極易組合、擴(kuò)容。

4.2.3我國光伏發(fā)電的發(fā)展

我國太陽能電池的研究始于1958年，首先成功應(yīng)用于衛(wèi)星上，1973年開始在地面應(yīng)用，1979年開始生產(chǎn)單晶硅太陽能電池。20世紀(jì)80年代中后期，引進(jìn)國外太陽能電池生產(chǎn)線或關(guān)鍵設(shè)備，形成生產(chǎn)能力達(dá)到4.5MW的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)。20世紀(jì)90年代中后期光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展時期，太陽能電池及組件產(chǎn)量逐年穩(wěn)步增長經(jīng)過30多年的努力，21世紀(jì)初迎來了快速發(fā)展的新階段，目前成為世界上第一大光伏產(chǎn)業(yè)國。

5　太陽能發(fā)電系統(tǒng)組成

5.1太陽能發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

大容量并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電站一般由光伏發(fā)電和交流升壓并網(wǎng)兩部分組成，發(fā)電流程如下圖所示。整個太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光伏電池方陣、并網(wǎng)型逆變器及升壓并網(wǎng)裝置等組成。太陽能通過光伏電池組件轉(zhuǎn)化為直流電能，通過直流配電箱匯集至并網(wǎng)型逆變器，由逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波電流升壓后接入當(dāng)?shù)毓搽娋W(wǎng)，如圖2所示。

圖2　光伏發(fā)電流程

5.2太陽能發(fā)電主要設(shè)備

光伏電池組件：常用的晶體硅太陽能光伏電池組件是由多個太陽能電池片（單元）進(jìn)行耐候性封裝后構(gòu)成。光伏方陣由若干個光伏組件串聯(lián)及并聯(lián)聯(lián)接構(gòu)成，串、并聯(lián)的數(shù)量決定光伏方陣的輸出功率。

逆變器：它是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備。由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，而負(fù)載是交流負(fù)載時，逆變器是必不可少的。逆變器按運(yùn)行方式，可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨(dú)立運(yùn)行逆變器用于獨(dú)立運(yùn)行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，為獨(dú)立負(fù)載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運(yùn)行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)。逆變器按輸出波型可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器電路簡單，造價低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統(tǒng)。正弦波逆變器成本高，但可以適用于各種負(fù)載。

6　光伏電站的低碳環(huán)境效益分析

6.1光伏發(fā)電是實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)重要途徑

以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的環(huán)境問題已經(jīng)成為新時期制約我國進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。2006年我國《氣候變化國家評估報(bào)告》明確提出積極發(fā)展可再生能源技術(shù)以及高效、清潔、低碳排放的煤炭利用技術(shù)，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，減少能源消費(fèi)和CO2排放。光伏發(fā)電 （Photo-voltage Generation，PV）具有很好的規(guī)模開發(fā)價值和商業(yè)化發(fā)展前景，是實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的主要選擇方式之一。

目前我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，但與世界先進(jìn)國家相比，在生產(chǎn)成本、資金、政策支持、上游組件污染處理等方面還存在著一些差距和問題。在低碳發(fā)展模式下，光伏發(fā)電對于改善環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境的和諧發(fā)展具有重要意義。評價光伏發(fā)電的綜合效益可以為企業(yè)和國家制定發(fā)展目標(biāo)和規(guī)劃，以及對應(yīng)的政策措施提供科學(xué)依據(jù)，有利于推動光伏發(fā)電的可持續(xù)發(fā)展。

6.2光伏電力是綠色低碳能源

美國可再生能源國家實(shí)驗(yàn)室NREL基于對13個不同類型的多晶硅光伏系統(tǒng)（歐洲2005—2006年制造水）的全生命周期二氧化碳排放研究，在太陽輻射量為每年1700千瓦時/m2，系統(tǒng)壽命為30年，組件效為13.2%～14.0%，系統(tǒng)發(fā)電效率為75%～80%的條件下，得出了多晶硅光伏系統(tǒng)全生命周期內(nèi)每發(fā)一度電產(chǎn)生的二氧化碳的平均值為45g，而以煤為原料的火力發(fā)電全生命周期內(nèi)每發(fā)一度電產(chǎn)生的二氧化碳的平均值為1000g。

根據(jù)世界自然基金會（WWF）的統(tǒng)計(jì)，在我國平均日照條件下，安裝1kw光伏發(fā)電系統(tǒng)，1年可發(fā)1200kw·h電，可減少煤炭（標(biāo)準(zhǔn)煤）使用量約400kg，減少二氧化碳排放量約1t，形象地說，安裝1m2太陽能光伏組件約相當(dāng)于造林100m2。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行發(fā)電無需燃料和水源只要是能獲得光照的地方就可以使用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，不受海拔、地域等因素的制約，應(yīng)用范圍廣泛。

6.3光伏發(fā)電對外界環(huán)境影響較小

光伏發(fā)電為局地微氣候環(huán)境改善帶來正能量光伏發(fā)電系統(tǒng)在自身發(fā)電過程中，不但不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響，還可以對局地微氣候環(huán)境起到改善作用。光伏組件的遮蓋，使得光伏電站場內(nèi)淺層土壤溫度保持穩(wěn)定，且比電場外土壤溫度低，使得土壤水分蒸發(fā)量減小，土壤濕度有所提高，近地表空氣晝夜溫差縮小，這些空氣、土壤溫濕度條件綜合在一起，有助于土壤涵養(yǎng)水分和微生物及植被的滋養(yǎng)，對于改善光伏電站局地生態(tài)環(huán)境起到積極作用。

7　結(jié)束語

近年來，世界上許多國家在總結(jié)環(huán)境保護(hù)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，逐步認(rèn)識到單純對建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行環(huán)境影響評價已經(jīng)適應(yīng)不了全面保護(hù)環(huán)境和自然資源可持續(xù)利用的需要。在一些國家所制定的能源規(guī)劃和戰(zhàn)略中已經(jīng)充分考慮了環(huán)境因素，特別是英國的能源政策白皮書，把創(chuàng)造低排放經(jīng)濟(jì)作為能源政策的主要目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn)。但迄今為止，并沒有一個國家對不同類型的規(guī)劃，尤其是能源規(guī)劃的環(huán)境影響提出一套科學(xué)、系統(tǒng)的環(huán)境影響評價方法和指標(biāo)體系。作為可再生能源，隨著國際國內(nèi)能源日益緊張，風(fēng)能將在國內(nèi)，乃至世能源規(guī)劃中逐步占據(jù)重要位置。為此，對光伏發(fā)電開發(fā)提出一套科學(xué)、系統(tǒng)的環(huán)境影響評價方法和指標(biāo)體系具有重要意義。

1）要努力做到新能源開發(fā)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

2）在我國能源供需平衡中，可再生能源已經(jīng)具有重要地位。而太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用是光伏系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。當(dāng)然，要使太陽能發(fā)電真正達(dá)到民用水平，主要需要解決以下幾個問題，一是提高太陽能光電變換效率，降低成本；二是實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電與電網(wǎng)的連接，實(shí)現(xiàn)大功率光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；三是光伏電站要與當(dāng)?shù)丨h(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

3）由以上分析可知，在我國大力發(fā)展新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)，使之成為我國電力工業(yè)的一個方面軍，不僅是能源開發(fā)的需要，也是環(huán)境保護(hù)的需要，真正實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

［1］ 太陽能熱發(fā)電原理及技術(shù)［M］.（華中科技大學(xué)編制），中國電力出版社出版.

［2］ 郭家寶，汪毅.光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)［M］.中國電力出版社出版.

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