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光伏发电与光伏发电系统● 中国科学院马胜红陆虎俞●栏目编辑／梁学造３８太阳能光伏发电技术（１）Ｅｘｐｅｒｔｓ ′ Ｐｌａｔｆｏｒｍ专家讲堂１光伏技术发展简介“太阳能光伏发电” （简称 “光伏发电” ），是直接将太阳光转换为电能的一种发电形式，其它光－电转换原理还有 “光感应发电” 、“ 光化学发电” 及 “光生物发电” 等等。事实上，对光伏发电技术的研究始于１００多年前。１８３９年，法国物理学家Ａ．Ｅ．贝克勒尔（Ｂｅｃｑｕｒｅｌ）意外地发现，用两片金属浸人溶液构成的伏打电池，光照时会产生额外的伏打电势，他把这种现象称为“光生伏打效应” （ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｅｆｆｅｃｔ）。１８７３年英国科学家ＷｉｌｏｕｇｈｂｙＳｍｉｔｈ就观察到了对光敏感的硒材料，并推断出在光的照射下硒导电能力的增加正比于光通量。１８８０年ＣｈａｒｌｅｓＦｒｉｔｔｓ开发出以硒为基础的太阳电池。以后人们即把能够产生光生伏打效应的器件称为 “光伏器件” 。半导体ｐ－ｎ结器件在阳光下的光电转换效率最高，通常称这类光伏器件为 “太阳电池” （ｓｏｌａｒｃｅｌｌ）。２０世纪３０年代尽管太阳电池能量转换效率低，生产成本高，科学家仍致力于硒太阳电池的研究。２０世纪５０年代初，美国贝尔实验室在为远程通讯系统寻找可靠的电源时，科学家发现经杂质处理的硅对光敏感，可产生稳定的电压。１９５４年在贝尔实验室恰宾（Ｃｈａｒｂｉｎ）和皮尔松，第一次做出了光电转换效率为６％的实用单晶硅太阳电池，开创了光伏发电的新纪元。１９５８年太阳电池首次在地球外层空间应用，美国宇航局（ＮＡＳＡ）在第一个卫星先锋１号上安装了１０８个太阳电池作为卫星的电源。光伏技术早期最常见的应用是为手表、计算器提供电能。在大规模应用方面具有代表性的是，近年来安装的为县城供电的大型光伏电站、村落集中光伏供电系统和用于 “应急” 设备的后备电源等等。由于光伏系统不消耗化石燃料，利用清洁的太阳能产生电能，正在被广泛地用于各个领域。２光伏技术现状及前景２．１现状人类使用的常规化石能源在推动工业发展和社会进步的同时，也造成了诸多问题。例如资源枯竭、全球变暖、环境污染、地质灾害等等，从而使地球的生态遭到日益严重的破坏，因此开发和使用无污染的可再生能源是人类面临的重大课题。２．１．１国外世界光伏产业发展迅速，最近１０年太阳电池／组件生产的年平均增长率达到３３％，最近５年的年平均增长率达到４３％，２００４年比上年增长６１．２％，成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。２００４年世界光伏电池／组件产量达到１２００ＭＷ，其中日本生产６１０ＭＷ，超过５０．８％；欧洲３２０ＭＷ，占２６．７％；美国１３５ＭＷ，占１１．２５％；其它国家１３５ＭＷ，占１１．２５％。光伏发电技术不断提高，商品化电池效率由上世纪９０年代的１０～１４％提高到目前的１３～１７％。生产自动化程度不断提高、生产规模不断扩大。２０世纪８０年代约１～５ＭＷ／年，９０年代５～３０ＭＷ／年，２００１～２００５年达到５０～４００ＭＷ／年。２００３年前１０名光伏电池／组件生产商占据总市场份额的８５．５％，说明规模化、集约化生产具有明显竞争优势。并网发电在光伏市场中的份额逐年增加并占据主导地位，２００３年并网发电的市场份额达到５５．５％。并网发电在光伏市场中的主导地位在人类能源变革中具有重要意义，它标志着光伏发电由边远地区离网和特殊应用向电网电源发展，由补充能源向替代能源转变，人类社会开始建设可持续发展的能源体系。其它各种应用，如农村离网、通讯和信号、商业应用、大型电站以及消费品等都保持着稳步发展，并继续发挥光伏发电的独特优势。２００４年世界光伏系统的总装机容量超过４ＧＷ。光伏发电成本随着光伏产业的发展成本不断降低，光伏组件成本３０年来降低了２个数量级。２００３年世界重要厂商的成本为２～２．３美元／Ｗｐ，售价２．５～３美元／Ｗｐ。最近由于市场膨胀过快，售价有所回升。但随着技术进步、产业规模的不断扩大，光伏发电的成本将继续不断降低。技术进步是降低成本、促进发展的根本因素。单晶硅电池的实验室最高效率已经从５０年代的６％提高到目前的２４．７％，多晶硅电池的实验室最高效率也达到了２０．３％。薄膜电池的研究工作也获得了很大成功，非晶硅薄膜电池、碲化镉（ＣｄＴｅ）、铜铟硒（ＣＩＳ）的实验室效率也分别达到了１３％、１６．４％和１９．５％。其它新型电池，如多晶硅薄膜电池、燃料敏化电池、有机电池等不断取得进展，更高效率的新概念电池受到广泛重视被列入研究开发计划。与此同时，光伏产业技术和光伏系统集编者按可再生能源法于２００６年１月１日起正式实施。太阳能是资源量最大、分布最普遍的可再生清洁能源。本刊特邀中国科学院马胜红等专家以讲座的形式介绍光伏发电技术、光伏发电系统的应用、维护。共分１２讲，每期１讲。大众用电２００６／１●栏目编辑／梁学造３９专家讲堂Ｅｘｐｅｒｔｓ ′ Ｐｌａｔｆｏｒｍ成技术与时俱进，共同促使光伏发电成本不断降低和光伏市场及产业的持续扩大发展。世界实力大国都制定了雄心勃勃的到２０１０年光伏发电近期发展规划日本计划累计装机容量将达到５ＧＷ、欧盟为３ＧＷ、美国为４．７ＧＷ（国内３ＧＷ），澳大利亚为０．７５ＧＷ，印度、中国等发展中国家估计为１．５－２ＧＷ。２００４年世界光伏系统累计装机容量４ＧＷ。据统计，到２０１０年世界光伏系统累计装机容量预计将达到１４－１５ＧＷ。长期发展目标更加宏伟，见附表。权威机构预测到２０２０年光伏发电在世界电力生产中所占的比例将达１％左右，到２０５０年约２５％。可以断言光伏发电正在快速进入电力能源结构，并且将逐步成为其重要的组成部分。谁掌握了可再生能源和太阳能发电，谁就掌握了未来发展的主动权。２．１．２国内我国从１９５８年起就进行光伏器件研究，７０年代初成功地制造出空间光伏电源。７０年代中期后，中国自制的光伏航标灯、太阳灯塔、气象及通讯用光伏电源开始使用，光伏应用逐渐扩大到地面并形成了中国的光伏产业。８０年代，先后引进了美国的单晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池生产设备，使中国的光伏工业开始起步。我国目前有４个单晶硅太阳电池和组件制造厂及两个非晶硅电池厂即秦皇岛华美光电公司、昆明云南半导体器件厂、开封太阳能电池厂、宁波太阳电池厂、哈尔滨克罗拉太阳能电力公司、深圳非晶硅电池厂。总的生产能力约４．５ＭＷ，２０００年实际生产３ＭＷ。商业化单晶硅电池的效率在１１％～１３％之间（ Φ １０ｃｍ或１０１０ｃｍ２），非晶硅电池效率在５％～６％之间。其中昆明和宁波电池厂正在向２ＭＷ能力扩大。目前我国大约有４０多个研究机构和大学参与光伏技术研究与开发活动。研究领域涉及太阳电池、光伏材料、光伏系统和部件等。光伏系统的研究与开发取得了很大进展，主要包括１００～５００Ｗ控制／逆变成套设备、１～５ｋＷ光伏水泵系统、光伏照明系统、光伏电视系统、光伏通讯系统、气象站光伏电源，集中式光伏电站以及５ｋＷ光伏并网示范系统等；在部件方面，主要有高效率１０ｋＷ、１５ｋＷ逆变器及３０ｋＷ正弦波逆变器等；同时还成功地研制出新型太阳电池及组件特性测试系统等等。据不完全统计，至１９９７年我国安装各类光伏系统总量（包括进口系统）已达１１ＭＷ。近年来，太阳能光伏发电技术在我国得到了推广应用，先后建成２０ｋＷ以上光伏电站７座，其中１９９８年在西藏安多县海拔４５００米处，建成世界最高的光伏电站，功率１００ｋＷ。２．２前景鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮，开发利用太阳能成为各国制定可持续发展战略的重要内容。日本通产省（ＭＩＴＩ）第二次新能源分委会宣布了光伏、风能和太阳热利用计划，２０１０年光伏发电装机容量将达到５ＧＷ；欧盟的可再生能源白皮书及相伴随的 “起飞运动” 是驱动欧洲光伏发展的里程碑，总目标是２０１０年光伏发电装机容量达到３ＧＷ；美国能源部制定了从２０００年１月１日开始的新５年国家光伏计划和２０２０－２０３０年的长期规划，以实现美国能源、环境、社会发展和保持光伏产业世界领导地位的战略目标。按照预计的发展速度，２０１０年美国光伏组件销售将达到４．７ＧＷ。预测发展中国家的光伏产业未来１０年仍将保持１０％或稍高的发展水平，达到３ＧＷ。预计到２０１０年世界光伏系统累计安装容量将达到１４ＧＷ。近年来，太阳能光伏建筑集成及并网发电得到快速发展。建筑光伏集成具有多功能和可持续发展的特征，因此，太阳能光伏系统与建筑的完美结合体，是电力工业可持续发展的理想范例，国际社会十分重视。许多国家相继制定了本国的屋顶计划，使得光伏技术如旭日东升，蓬勃发展。我国经济在最近２０多年有了快速发展，但能源问题对经济和环境的影响不容忽视，在农村则更为突出。我国能源供应中占主导地位的煤，其消耗量占一次能源总量的７３～７５％。煤的直接燃烧已给环境带来严重影响，从环境和能源双重考虑，我国政府正在计划并采取有效措施发展可再生能源技术。我国有丰富的太阳能资源，２／３以上国土面积的年总辐照量超过５ＧＪ／ｍ２，年平均日照时数超过２２００小时，是开发利用太阳能的有利条件。为此，有些公司正在建立新的太阳电池和组件生产线。如上海国飞公司正在建立２ＭＷ电池生产线；保定英利新能源有限公司正在组建１６ＭＷ电池和组件生产线；无锡尚德太阳能电力公司投资１８００万美元建立的１０ＭＷ多晶硅电池生产线，已于２００２年投产，计划到２００７年生产能力达到３０ＭＷ。综上所述，我国的光伏产业已进入一个大的发展时期。另一方面从市场需求看，我国目前仍有大约２０００万人生活在无电地区，急需生活用电。为尽快解决边远无电地区人民的用电问题，国家计委推出了 “中国光明工程” ，计划到２０１０年利用风力发电和光伏发电技术解决２３００万边远地区人口的用电问题，使其达到人均拥有发电容量１００Ｗ的水平，这是一个巨大的太阳能发电市场。同时，世界银行为开拓中国可再生能源市场的ＧＥＦ项目也在执行中。目前，我国社会、经济的快速发展为光伏市场提供了更好的发展机遇和空间，可以予期并网屋顶系统及光伏电站也会很快进入市场。在市场和生态环境的驱动下，我国光伏产业预料会有一个大的发展。光伏发电在改善边远地区人民生活条件方面已发挥着重要作用，并将在２１世纪可持续发展中发挥更大作用。随着太阳电池效率的提高和光伏系统价格的下降，光伏发电的应用范围愈来愈广，其市场也愈来愈大。使地球上更多的附表世界光伏发电装机容量（ＧＷ）国家日本欧盟美国其它世界２０１０５３３３１４２０２０３０１５１５１０７０２０３０７２３０２５２３１５０大众用电２００６／１人从清洁、可靠的太阳能获取电能已为期不远了，光伏发电日益显露出光明的前景。３光伏系统优点和缺点３．１优点（１）可靠。在恶劣的环境和气候条件下，光伏发电系统很少产生故障，因此光伏发电经常被用于要求供电可靠性很高的场合，而且并未因高可靠性而增加系统建设费用。（２）耐用。目前，绝大多数光伏组件的生产技术都足以保证１０年以上其性能不下降，从而有充分理由相信光伏组件可以发电２５年或更长的时间。（３）维护费用低。在远离城镇的边远地区，为了维护或修理常规发电设备要将材料和人员运送到很远的地方，其费用很高。光伏系统只需要周期性的检查和很少的维护工作量，因此维护费用比常规发电设备要少得多。（４）无需燃料费用。由于光伏系统不需要燃料，从而免去了购买、储存和运输燃料的费用。（５）减少噪声污染。光伏系统运动部件很少，基本没有噪声。（６）光伏组件积木化。便于用户根据自己的需要选择和调整发电系统的容量大小，安装时灵活方便。（７）安全。光伏系统不需要易燃的燃料，只要设计和安装适当，系统具有很高的安全性。（８）供电自主性。离网运行的光伏发电系统，具有供电的自主性、灵活性。许多用户采用光伏发电的动机，是欣赏该系统独立于公用电网的自主性。（９）非集中电网。小型分散的光伏发电站，可减少公用电网故障给用户带来的不良影响及危害。（１０）高海拔性能。在高海拔处由于日照增强，光伏系统的功率输出也随之增加，因此使用光伏发电非常有利。相反，在高海拔处运行的柴油发电机，由于效率降低，输出功率减少很多。３．２缺点（１）初投资大。由于光伏系统初投资高，必须对每个系统进行经济性评估及多种方案比较。如果光伏系统的初投资减少，常规燃料的成本上升，则在经济方面光伏系统将更具有竞争性。（２）日照不稳定。天气对任何太阳能系统的功率输出都有很大影响，气候或场地条件变化时，系统设计应随之改变。（３）需储能装置。为了夜间或以后某个时间用电，光伏系统需使用蓄电池储能。蓄电池组增加了系统规模、成本及维护工作量。（４）效率有待改进。从投资的有效性出发，要求高效率的使用光伏系统资源，这意味着用户必须更换效率低的负载设备。（５）需技术培训。光伏系统使用了很多人们不熟悉的新技术，了解这些技术的人又不多。因此，用户在使用光伏系统前，都需要经过技术培训。●栏目编辑／梁学造４０Ｅｘｐｅｒｔｓ ′ Ｐｌａｔｆｏｒｍ专家讲堂电力市场环境下的配电自动化● 深圳供电局黄志伟武汉大学电气工程学院龙志君配电网络及其自动化技术（１０）１配电系统自动化概述２００２年初，国务院颁发了关于电力体制改革方案，拉开了新一轮电力改革的序幕；同年１２月，中国电力工业进行了重组，实现厂网分开。２００３年上半年中国电监会公布在华东和东北开展区域电力市场试点工作。电监会关于建立东北区域电力市场的意见提出，初期目标开放部分发电市场，逐步对配电业务实行内部财务独立核算；中期目标将进行输配分开的改革，并逐步加大电力市场竞争力度，开展发电公司与独立配电公司和大用户的双边交易；远期目标是建立零售竞争电力市场。我国电力市场改革给配电系统自动化的发展带来了新的机遇与挑战（１）电力市场化改革增加了实施配电系统自动化的紧迫性，应抓住机遇适时推进配电系统自动化的实施。（２）为降低运行维护成本，配电系统自动化必须走集成化、大众用电２００６／１编者按电工课堂栏目从２００６年１月起改为专家讲堂栏目。为统一格式，原 “配电网及其自动化技术讲座”改为 “配电网及其自动化技术” ，特此告之。