【正文】 基于水庫壩面的光伏發(fā)電系統(tǒng)設計1. 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述1893年，法國科學家貝克雷爾（Becqurel）就發(fā)現(xiàn)，光照能使半導體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏特效應”，簡稱“光伏效應”。 圖3　光伏發(fā)電實例31930年，德國科學家肖特（Walter Schottky）提出Cu2O勢壘的“光伏效應”理論。同年，德國科學家朗格首次提出用“光伏效應”制造“太陽電池”，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。1941年，奧爾（Aall）在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應。1954年，美國科學家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成了實用的單晶硅太陽電池，效率為6%。同年美國科學家韋克爾（Weichel）首次發(fā)現(xiàn)了坤化鎵有光伏效應，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成了第一塊薄膜太陽電池。1957年，硅光伏電池效率達8%。1958年，光伏電池首次在空間應用，裝備美國先鋒1號衛(wèi)星電源。1959年，第一個多晶硅光伏電池問世，效率達5%。1960年，硅光伏電池首次實現(xiàn)并網(wǎng)運行。 20世紀70年代后，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機和大氣污染問題日益突出，傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對環(huán)境造成的危害日益突出，同時全球約有20億人得不到正常的能源供應。這個時候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y構，維持長遠的可持續(xù)發(fā)展，這之中太陽能以其獨有的優(yōu)勢而成為人們重視的焦點。豐富的太陽輻射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源。太陽能每秒鐘到達地面的能量高達80萬千瓦時，%的太陽能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率5%，1012千瓦小時，相當于世界上能耗的40倍。正是由于太陽能的這些獨特優(yōu)勢，20世紀80年代后，太陽能電池的種類不斷增多、應用范圍日益廣闊、市場規(guī)模也逐步擴大。 　　20世紀90年代后，光伏發(fā)電快速發(fā)展，到2006年，世界上已經(jīng)建成了10多座兆瓦級光伏發(fā)電系統(tǒng)，6個兆瓦級的聯(lián)網(wǎng)光伏電站。美國是最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃的國家。1997年又提出“百萬屋頂”計劃。日本1992年啟動了新陽光計劃，到2003年日本光伏組件生產(chǎn)占世界的50%，世界前10大廠商有4家在日本。而德國新可再生能源法規(guī)定了光伏發(fā)電上網(wǎng)電價，大大推動了光伏市場和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，使德國成為繼日本之后世界光伏發(fā)電發(fā)展最快的國家。瑞士、法國、意大利、西班牙、芬蘭等國，也紛紛制定光伏發(fā)展計劃，并投巨資進行技術開發(fā)和加速工業(yè)化進程。世界光伏組件在1990年——2005年年平均增長率約15%。20世紀90年代后期，發(fā)展更加迅速，1999年光伏組件生產(chǎn)達到200兆瓦。商品化電池效率從10%～13%提高到13%～15%，生產(chǎn)規(guī)模從1～5兆瓦/年發(fā)展到5～25兆瓦/年，并正在向50兆瓦甚至100兆瓦擴大。光伏組件的生產(chǎn)成本降到3美元/瓦以下。2006年的光伏行業(yè)調(diào)查表明，到2010年，光伏產(chǎn)業(yè)的年發(fā)展速度將保持在30%以上。年銷售額將從2004年的70億美金增加到2010年的300億美金。許多老牌的光伏制造公司也從原來的虧本轉(zhuǎn)為盈利。 光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨立光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。獨立光伏電站包括邊遠地區(qū)的村莊供電系統(tǒng)，太陽能戶用電源系統(tǒng)，通信信號電源、陰極保護、太陽能路燈等各種帶有蓄電池的可以獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)。 圖1　光伏發(fā)電實例1并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是與電網(wǎng)相連并向電網(wǎng)輸送電力的光伏發(fā)電系統(tǒng)?？梢苑譃閹铍姵氐暮筒粠铍姵氐牟⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。帶有蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有可調(diào)度性，可以根據(jù)需要并入或退出電網(wǎng)，還具有備用電源的功能，當電網(wǎng)因故停電時可緊急供電。帶有蓄電池的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)常常安裝在居民建筑；不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不具備可調(diào)度性和備用電源的功能，一般安裝在較大型的系統(tǒng)上。 圖2　光伏發(fā)電實例2從1998年開始，世界光伏發(fā)電市場出現(xiàn)了供不應求的局面，年增長率保持在30%～40%。2004年更是創(chuàng)造歷史的新高，增產(chǎn)率達到67%，年產(chǎn)量達到1253MW。2009年全球裝機猛增，見表11. 　　中國太陽能資源非常豐富，理論儲量達每年17000億噸標準煤，太陽能資源開發(fā)利用的潛力非常廣闊。中國地處北半球，南北距離和東西距離都在5000公里以上。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每平米7千瓦時。年日照時數(shù)大于2000小時。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。 　　中國太陽電池的研究始于1958年，1959年研制成功第1個有實用價值的太陽電池。中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)于20世紀70年代起步，1971年3月首次成功地應用于我國第2顆衛(wèi)星上，1973年太陽電池開始在地面應用，1979年開始生產(chǎn)單晶硅太陽電池。20世紀90年代中期后光伏發(fā)電進入穩(wěn)步發(fā)展時期，太陽電池及組件產(chǎn)量逐年穩(wěn)步增加。經(jīng)過30多年的努力，21世紀初迎來了快速發(fā)展的新階段。 　　中國的光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有2次跳躍，第一次是在20世紀80年代末，中國的改革開放正處于蓬勃發(fā)展時期，國內(nèi)先后引進了多條太陽電池生產(chǎn)線，引進的太陽電池生產(chǎn)設備和生產(chǎn)線的投資主要來自中央政府、地方政府、國家工業(yè)部委和國家大型企業(yè)。第二次光伏產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展在2000年以后，主要是受到國際大環(huán)境的影響、國際項目/政府項目的啟動和市場的拉動。2002年由國家法改委負責實施的“光明工程”先導項目和“送電到鄉(xiāng)”工程以及2006年實施的送電到村工程均采用了太陽能光伏發(fā)電技術。在這些措施的有力拉動下，中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的勢頭日漸明朗。 　　到2007年年底，中國光伏系統(tǒng)的累計裝機容量達到10萬千瓦（100MW），從事太陽能電池生產(chǎn)的企業(yè)達到50余家，太陽能電池生產(chǎn)能力達到290萬千瓦（2900MW），太陽能電池年產(chǎn)量達到1188MW，超過日本和歐洲，并已初步建立起從原材料生產(chǎn)到光伏系統(tǒng)建設等多個環(huán)節(jié)組成的完整產(chǎn)業(yè)鏈，特別是多晶硅材料生產(chǎn)取得了重大進展，突破了年產(chǎn)千噸大關，沖破了太陽能電池原材料生產(chǎn)的瓶頸制約，為中國光伏發(fā)電的規(guī)?；l(fā)展奠定了基礎。2007年是中國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的一年。受益于太陽能產(chǎn)業(yè)的長期利好，整個光伏產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了前所未有的投資熱潮，但也存在諸如投資盲目、惡性競爭、創(chuàng)新不足等問題[5]。 　　2009年6月，由中廣核能源開發(fā)有限責任公司、競標成功我國首個光伏發(fā)電示范項目——甘肅敦煌10兆瓦并網(wǎng)光伏發(fā)電場項目，標志著該上網(wǎng)電價不僅將成為國內(nèi)后續(xù)并網(wǎng)光伏電站的重要基準參考價，同時亦是國內(nèi)光伏發(fā)電補貼政策出臺、國家大規(guī)模推廣并網(wǎng)光伏發(fā)電的重要依據(jù)。 有關專家指出，雖然中國光伏之路前景廣闊，但在現(xiàn)實中還存在很多問題，中國的光伏發(fā)展荊棘滿路，如果在光伏發(fā)展之中我們注意不到這些問題，那么勢必會影響光伏產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。一是要想實現(xiàn)平價上網(wǎng)，還需要光伏發(fā)電達到市場化競爭程度。但現(xiàn)在光伏發(fā)電的成本還是很高的，這就限制了光伏發(fā)電的商業(yè)化運行。國家能源局新能源和可再生能源司副司長史立山曾說，目前光伏裝機投資成本每千瓦約18000元左右，而常規(guī)火電的投資成本約每千瓦3000～4000元，光伏電價是常規(guī)火電電價的3倍以上，成本太高是光伏規(guī)模化發(fā)展的重大阻礙。二是就中國光伏產(chǎn)品的市場現(xiàn)狀來說，硅材料的源頭在國外，硅材料95%依靠進口；主要市場目前也在國外，95%的光伏產(chǎn)品銷往國外，國內(nèi)市場與生產(chǎn)能力相比，十分狹小，大約僅為產(chǎn)能的5%。這種現(xiàn)象就像國家發(fā)改委能源研究所可再生能源發(fā)展中心副主任任東明在第二屆亞洲光伏峰會上所說的：“中國沿襲‘兩頭在外，大進大出’的發(fā)展模式。”中國的這種嚴重依賴進出口的模式加大了貿(mào)易風險。此外多晶硅產(chǎn)能有過剩的傾向，行業(yè)的調(diào)控和規(guī)范有待加強。 　　三是光伏技術研發(fā)投入有限，研發(fā)能力和技術創(chuàng)新能力薄弱。新一代的薄膜太陽電池的商業(yè)化進程緩慢，聚光電池、新型太陽電池科研投入不足，比外國落后很多，后勁不足。缺乏自主創(chuàng)新能力是中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后的根源，要想達到光伏生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，掌握技術的主導權是相當重要的問題。 　　四是光伏技術的滯后使環(huán)保問題與高能耗問題凸顯。據(jù)任東明介紹，中國光伏產(chǎn)業(yè)能耗高，國際先進水平130～150kWh/kg，國內(nèi)200～300 kWh/kg；另外光伏產(chǎn)品還存在環(huán)保問題，國內(nèi)還不能達到全物料循環(huán)、清潔生產(chǎn)，如果不能妥善處理廢棄物，勢必會給脆弱的環(huán)境帶來壓力。 　　五是政策細化不到位。光伏企業(yè)服務和監(jiān)管滯后也是光伏產(chǎn)業(yè)存在的一大問題。 “中國現(xiàn)在實際上面臨的是細的政策沒有到位，第一，光伏的振興規(guī)劃還沒有公布；第二，上網(wǎng)電價還沒有出臺；第三，金太陽工程補貼資金不足，企業(yè)不賺錢；第四，電力公司的服務和監(jiān)管嚴度差，企業(yè)出臺的標準有很多和國際慣例不相匹配，而且給用戶增加了很多負擔。”王斯成在第二屆亞洲光伏峰會上表示，國家現(xiàn)在制定目標是2020年達到20GW，但是相比于日本的28GW目標還是很低的，各個省沒有光伏發(fā)電目標，各個大的光伏發(fā)電企業(yè)也沒有一個有效的細化的規(guī)劃目標，這就讓國家在制定長遠規(guī)劃目標缺乏科學的依據(jù)。 二〇〇九年七月十六日國家三部委財政部、科技部、國家能源局聯(lián)合印發(fā)了《關于實施金太陽示范工程的通知》，隨后又公布了具體的《金太陽示范工程財政補助資金管理暫行辦法》決定綜合采取財政補助、科技支持和市場拉動方式，加快國內(nèi)光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；l(fā)展，并計劃在2－3年內(nèi)，采取財政補助方式支持不低于500兆瓦的光伏發(fā)電示范項目；各種利好都給中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)注入了強勁的生命活力！希望在不遠的將來，我國的光伏發(fā)電整體競爭力能夠達到國際領先水平，光伏發(fā)電電力供應量在國內(nèi)總電力供應中的占比能夠達到更高水平，從而更加有力的推動我國經(jīng)濟結構轉(zhuǎn)型和能源結構優(yōu)化！2011年8月初，國家發(fā)改委發(fā)布了《關于完善太陽能光伏發(fā)電上網(wǎng)電價政策的通知》。這給光伏行業(yè)帶來新的契機，同時許多業(yè)內(nèi)人士認為，各地光照資源條件存在差異，采用“一刀切”的光伏上網(wǎng)電價，會造成未來一段時間西部地區(qū)光伏發(fā)電裝機容量的增速明顯超過東部地區(qū)的現(xiàn)象。根據(jù)《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，（百萬千瓦），到2050年將達到600GW（百萬千瓦）。預計，到2050年，中國可再生能源的電力裝機將占全國電力裝機的25%，其中光伏發(fā)電裝機將占到5%。預計2030年之前，中國太陽能裝機容量的復合增長率將高達25%以上。 　 目前，國際光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已向集團化、規(guī)模化發(fā)展，產(chǎn)量增幅穩(wěn)定，生產(chǎn)成本和市場售價平穩(wěn)下降。在中國，“綠色奧運”、“村村通”等工程的實施，將使光伏電池在國內(nèi)的銷售急劇增長。預計今后10年光伏組件的生產(chǎn)將以20%～３０%甚至更高的遞增速度發(fā)展，快速發(fā)展的“屋頂計劃”、各種減免稅政策和補貼政策以及逐漸成熟的綠色電力價格，均將為全球光伏發(fā)電市場的發(fā)展提供堅實的基礎。光伏發(fā)電必將逐步由邊遠地區(qū)和農(nóng)村的補充能源向全社會的替代能源過渡。預計21世紀中葉，光伏發(fā)電將成為人類的基礎能源之一。1. 光伏發(fā)電系統(tǒng)設計，以及光伏發(fā)電系統(tǒng)容量設計中應考慮的各種因素和技術條件等。在進行光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計之前，需要了解并獲取一些進行計算和設備選擇所必需的基本數(shù)據(jù)，如光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝的地理位置，包括地點、緯度、經(jīng)度和海拔；該地區(qū)的氣象資料，包括逐月的太陽能總輻射量、直接輻射量及散射輻射量，年平均氣溫和最高、最低氣溫，最長邊續(xù)陰雨天數(shù)，最大風速及冰雹、降雪等特殊氣象情況等。要求所設計光伏發(fā)電系統(tǒng)具有先進性、完整性、可擴展性、智能化程度，以保證系統(tǒng)安全、可靠和經(jīng)濟[1]。（1）先進性，隨著國家的對可再生能源的日益重視，開發(fā)利用可再生能源已經(jīng)是新能源戰(zhàn)略的發(fā)展趨勢。根據(jù)當?shù)靥柸照諚l件、電源設施及用電負載的特性，利用太陽能資源建設光伏的發(fā)電統(tǒng)，既節(jié)能環(huán)保，又能避免（遠離市電電源的用電負載）采用市電鋪設電纜的巨大投資，是具有先進性的電源建設方案。（2）完整性。太旭能光伏系統(tǒng)包括太陽能電池組件、蓄電池、控制器、逆變器等部件，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以獨立對外界提供電源，與其他用電負載和市電電源配套，形成一個完整的離肉和并肉的光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)應具有完善的控制系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、功率變換系統(tǒng)，防雷接地系統(tǒng)等，并構成了一個統(tǒng)一的整體，具有完整性。（3）可擴展性。隨著太陽能光伏發(fā)電技術的快速發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)功能也越來越強大。這就要求光伏發(fā)電系統(tǒng)能適應系統(tǒng)的擴充和升級，光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池組件應為并聯(lián)模塊結構組成。（4）智能化程度。所設計的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，在使用過程中應不需要任何人工的操作，控制器可以根據(jù)太陽能電池組件和蓄電池的容量情況控制負載端的輸出，所有功能都由微處理器自動控制，還應能實時檢測太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)，定時或?qū)崟r采集光伏發(fā)電系統(tǒng)主要部件的狀態(tài)數(shù)據(jù)并上傳至控制中心，通過計算機分析，實行掌握設備的工作狀況。光伏發(fā)電系統(tǒng)總的設計原則是在保證滿足負載的用電