推广光伏发电面临的主要问题和解决措施

推广光伏发电面临的主要问题和解决措施摘要：太阳能是目前一个十分重要的可再生绿色能源，发展光伏发电产业是缓解能源供需矛盾的一个重要途径。本文主要就光伏发电产业进行了分析，全面地分析了光伏发电行业在发展过程中存在的主要问题，着重分析了我国发展光伏发电产业所面临的问题，并在此基础上提出了解决这些问题的措施。关键词：太阳能；光伏发电；能源；问题；措施TheMajorProblemsofthePromotionofPhotovoltaicandSolutionsWUJuan(ThingsEngineeringJiangnanUniversity6131920002)Abstract：Solarenergyisnowaveryimportantrenewablegreenenergy,thedevelopmentofphotovoltaicindustryisanimportantwaytoeasethecontradictionbetweensupplyanddemandofenergy.Thisreviewfocusesontheanalysisofphotovoltaicindustriesandcomprehensivelyanalysesthemainproblemsinthedevelopmentprocessofthephotovoltaicpowergenerationindustry.IthighlightsonanalysisofChinaPVindustrydevelopmentproblems.Andonthisbasismeasurestoaddresstheseissuesareputforward.Keywords：solar;photovoltaicpowergeneration;energy;problems;measures1.简介太阳能是指太阳以电磁能的形式发射、传播或接收的辐射能，是未来最清洁、安全和可靠的能源[1]，具有永不枯竭,适用范围广,电站修建成本低于其他清洁能源,电站运营不污染环境等优势。太阳能的开发利用有太阳能光热转换、光电转换以及光化学转换等多种形式。我国太阳能资源丰富，对太阳能的开发利用主要集中在光热利用和光电利用。太阳能光热应用是指太阳能热发电，它是通过转换装置把太阳辐射能转换为热能加以利用，再利用热能进行发电；太阳能光电应用，就是利用太阳电池直接将太阳光能转化为电能，因为这种转换是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换，因此太阳能发电又称为光伏发电，其应用主要包括独立发电系统、并网发电系统和混合系统等。光伏产业则指的是以硅材料的生产应用为核心所形成的产业。目前，我国乃至全世界，电能的产生多为火力发电以及水力发电，其中，火电发电所需能源为不可再生能源，而水力发电受季节性气候影响比较大，因此，从目前发展局势来看，世界能源正处于一种逐步枯竭的状态，对于电能这种需要二次转化的能源来说，更是受到能源枯竭的巨大影响。因此，太阳能的利用以及分布式发电是解决未来能源短缺的必经之路。开展太阳能光伏并网发电的开发利用，具有重大的意义。2.国内外光伏产业发展状况自2002年来,太阳能光伏发电逐渐成为增长最快的能源领域,2002-2007年,全球光伏产业年均增长49.5%,2007年比2006年更是增长了56.2%。另外,政府的支持下,相关技术得以提高、规模迅猛扩大,使得其成本也不断降低。世界知识产权组织在2009年6月份的报告中称,专利合作条约组织接收到的与太阳能有关的专利申请数量从2004年的460件增加到2008年的1411件,增加了2倍。[2]2007年太阳能电池年产量达到3733MW,2007年太阳能电池产量排名:日本920MW,居第一位,中国821MW,居第二位,德国810MW居第三位;2007年世界太阳能电池生产厂产量的前3名:德国Q-CELL为389.2MW,居第一位,日本夏普为363MW,居第二位,中国无锡尚德为327MW,居第3位[3]。2.1国外光伏产业发展状况近年来,欧美国家主要加大对电池制造工艺、技术和成套设备生产方面的研发力度,以保证设备的先进性,确保太阳能电池的效率。根据欧洲光伏工业协会(EPIA)数据,2008年全球太阳能光伏发电累计装机容量达到14721MWp,西班牙以2.5GWP几乎占2008年新增安装量的一半,德国以1.5Gwp排第二,美国以342Mwp排第三,韩国以274MWp排第四,意大利以260MWp排第五,2000年至2008年间,累计装机容量增长了将近10倍,据统计,2008年全球太阳能产业的产值高达371亿美元[4]。太阳能光伏产业是一个新兴的全球性产业,近年来,世界主要发达国家高度重视这一产业的研究和开发,全球光伏发电发展迅速,装机规模和容量逐年增加,据不完全统计,2007年全球太阳能新装机容量高达2826MWp,目前,德国、西班牙、日木和美国是这一技术利用最广的四个国家,他们的占比分别为47%、23%、8%和8%。美国是最早研究光伏发电和发展光伏产业的国家之一。为了鼓励该产业的发展,已先后出台了多项光伏发展计划和相关激励政策,在相关企业加大资金投入的同时,美国政府和各州政府也从政府层面出发,投入了大量研发资金支持企业加快技术研发,并减免企业税收和创造其它优惠政策,比如美国对于使用可再生能源设备的发电技术的政府所属或非盈利的电力公司给予十年的减税。这些法律和政策的实施,极大地鼓励相关企业加大对太阳能产业的投资,加快了太阳能利用技术的应用和发展,使得新能源在美国能费中的比重逐年增加。日本政府也高度重视对光伏发电产业的发展,在税收等方面提出了很多优惠政策和补贴,2011年日本政府还颁布法令,对光伏实现强制上网电价,极大地促进了日本的太阳能光伏产业的发展。另外,德国和欧洲其它国家主要是采用电价调控的办法,对太阳能光伏发电产业进行支持。2.2国内光伏发电发展状况中国光伏发电起步于20世纪70年代,稳步发展于90年代中期。2008年,光伏电池产量居世界第一,达到200万千瓦,占全球产量15%[5]。近年来，我国光伏发电装备制造业快速发展，在全球市场居于主导地位，而处于产业链末端的光伏发电规模较小，占世界总装机的比重明显偏低，呈现出“大装备小装机”的格局!我国光伏发电装备制造能力居世界主导地位，产品主要依赖出口!自2003年起，我国光伏发电装备制造业以超常速度发展，产能不断增长，年增长率达到100%~300%，2009年，我国生产的硅料单晶硅电池单晶硅组件和薄膜电池组件分别占全球市场的18%、47%、54%、16%，但是95%以上的光伏电池和98%以上的光伏组件出口海外，欧盟、日本和美国是其主要市场。多晶硅产量增长迅速，但生产技术落后，高纯度多晶硅仍需大量进口。我国多晶硅工业起步于上世纪50年代，经过20年的发展，到70年代我国已经有近20家从业企业，规模也不断扩大。但进入上世纪90年代之后，由于市场和技术等方面的原因，国内多晶硅市场发展不景气，企业数量也开始减少，产值也逐渐下降。到21世纪初，我国多晶硅企业数量已经很少，只剩下洛阳中硅与峨眉半导体厂等少数几家多晶硅生产商。近年来，随着全球对低碳经济及新能源的关注，太阳能光伏产业获得了快速发展的机会，对多晶硅的市场需求也日趋扩大。因此，在国内外光伏市场的共同拉动下，我国多晶硅产业迅速发展，产量迅速扩张。虽然我国多晶硅产量快速增长，但是由于生产技术落后，产品质量也相对较差，每年仍需要从国外进口大量高纯度多晶硅。我国硅矿，特别是优质石英硅矿储量非常丰富，为多晶硅的生产提供了丰富的原材料。但是从石英石中制备高纯度多晶硅，不仅技术要求高，还需要很大的资金投入，所以存在很强的技术壁垒及较高的资金门槛。3.推广光伏发电面临的主要问题3.1光伏发电的主要问题[6]光伏发电目前主要存在以下四大问题:(1)光伏电池转换效率低光伏电池是太阳能光伏发电系统中最基本的核心部件,主要有:单晶鞋电池、多晶石圭电池、非晶硅电池和薄膜光伏电池等。光伏电池的转换效率指的是光伏电池接收的太阳光能转换为电能所占的比例。一般来说,晶体硅光伏电池的光电转换效率为10%~15%左右,非晶硅光伏电池的光电转换效率为5%~8%左右,薄膜光伏电池目前的光电转换效率仅为2%~4%左右。由于光伏电池的转换效率均非常低,所以很难建成高功率的光伏发电系统,成为了光伏发电应用于实际生活中的巨大障碍。近年来,光伏科学家们正基于独立运行模式的光伏发电系统致力于研究光伏电池,希望能大幅度提高光伏发电转换效率。所做的研究主要有:在硅电池里面加入其他可以提高价能位置的元素,形成更宽的PN空间电荷区,获取更大的输出电压;增大光伏电池表面的折射度,使太阳能光线能够达到多次折射,以便使更多的光能转换为电能;研究其他光感材料,以期代替硅获得更大的光伏发电转换效率。(2)光伏电池生产成本高目前常用的光伏电池为晶体硅电池和非晶硅电池,所含成分主要是硅。硅含量在地球上仅次于氧,但其主要存在形式是二氧化硅。将二氧化硅变成晶体硅要经过很多道工序,在这些过程中,要消耗巨大的能量,因此光伏电池的制造成本相当高。由于制造非晶硅电池的能量消耗要少很多,所以科学家正想方设法提高非晶硅电池的稳定性、工作寿命以及转换效率。(3)光伏发电系统造价高由于光伏电池的转换效率低,要得到足够的电能就需要多块光伏电池组成光伏阵列。2003年,硅光伏电池的成本约为36~40元/Wp,从而使得光伏发电系统的成本约为60~80元/Wp,是水利发电生产成本的6~20倍。因此,光伏发电系统造价高严重制约了光伏发电产业的高速发展。(4)气候环境因素影响光伏发电系统运行光伏发电的能源来源于太阳光,而天气状况直接影响着太阳光直射地面的数量,阴雨天气时，光伏发电系统无法正常运行。此外,当地的环境状况也影响着光伏发电系统的运行,如空气中的颗粒物落在光伏电池板上,就会阻碍太阳光的照射,减少入射量,影响光伏发电转换效率。3.2独立系统和并网系统太阳能光伏系统是利用半导体的光生伏打效应原理制成的光伏电池,能将太阳光能直接转换成电能的发电系统。一套基本的光伏发电系统一般是由光伏电池组件、控制器、逆变器和蓄电池构成[7]。太阳能光伏发电系统按运行模式可分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统。3.1.1独立光伏发电系统特点及关键问题独立光伏发电系统也称之为离网光伏发电系统,主要用于偏远或者是无电供应的地区,由于其供电质量受天气状况、环境等影响,因此需要配套储能装置和能量管理环节以达到稳定供电的目的。当光伏电池发出的电能不能满足负载的需求时,由蓄电池储能装置进行补充供电;当光伏电池输出的电能超出负载需求时,将光伏系统产生的多余电能储存在蓄电池中[8]。图3-1独立光伏发电系统示意图独立光伏发电系统的关键问题主要有蓄电池的管理、备用电源、MPPT控制等。3.1.2并网光伏发电系统特点及关键问题并网光伏发电系统是将光伏发电系统和公共电网并联。当光伏电池阵列发出的电能不能满足负载需求时,通过电网进行补充供电;而当输出的电能超出负载需求时,将光伏系统产生的多余电能输送到公共电网中。图3-2并网光伏发电系统示意图光伏系统并入电网后可带来许多好处:不用考虑供电质量和稳定性的问题;光伏系统可一直工作在最大功率点处,产生的多余电能可全部送到电网中。并网光伏发电系统一般有两种结构,区别仅仅是是否有蓄电池进行储能。不含蓄电池的不可调度式并网光伏发电系统省去了对蓄电池使用,减少了光伏系统的费用;含蓄电池的可调度式并网光伏发电系统,可切换工作模式,起到调节器的作用,但同时存在费用增加、占地面积增大等缺点[9]。并网光伏发电系统中有很多关键问题需要解决,如孤岛效应、锁相环技术、无功补偿和谐波抑制以及MPPT控制等。4.我国光伏发电面临的问题及措施4.1我国光伏发电面临的问题4.1.1材料和市场两头在外我国光伏发电产业的主要问题是“两头在外”，95％的高纯多晶硅需要进口，95％以上的太阳电池出口。虽然我国多晶硅产量快速增长，但是由于生产技术落后，产品质量也相对较差，每