家用太阳能光伏发电系统的现状及发展前景

《新学术论坛》2008.08期

家用太阳能光伏发电系统的现状及发展前景
李龙
(华北电力大学 能源与动力工程学院 北京 102206)
摘要：众所周知，我国是一个发展中的大国，同时是一个资源消耗大国，而人均资源储量又偏低。因此快速的工业化进程和巨大的消费性需求使我国对资源对外具有很强的依赖性。环境污染和能源短缺已经直接威胁我国的可持续发展。与此同时，我国很多居住在偏远地区的人们还没有用上电。这些客观条件迫使我们更加努力的寻找和开发新能源，而太阳能光伏发电就是其中之一。本文将集中讨论家用太阳能光伏发电的现状及发展前景。
关键词：家用太阳能；光伏发电系统
一、 家用太阳能光伏发电系统的基本构成及分类
（一）家用太阳能光伏发电系统的组成
家用太阳能光伏发电系统主要由光伏电池组件，光伏系统电池控制器，蓄电池和交直流逆变器构成，其中的核心元件是光伏电池组件。各部件在系统中的作用是：
光伏电池组件：将太阳的光能直接转化为电能。按基本材料主要分为：晶体硅太阳能电池，非晶体硅太阳能电池，化合物太阳能电池和有机半导体太阳能电池[1]。
交直流逆变器：用于将直流电转换为交流电的装置。此外，逆变器还具有自动稳压功能，可改善光伏发电系统的供电质量[2]。
蓄电池：用于存储从光伏电池转换来的电力，按照需要随时释放出来使用。太阳能光伏系统中采用的是铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池[2]。
充放电控制器：具有自动防止太阳能光伏电源系统的储能蓄电池组过充电和过放电的设备，它是光伏发电系统的核心部件之一。
（二）家用太阳能光伏发电系统的分类
 目前家用太阳能光伏发电系统大致可分为三类[5]，离网光伏蓄电系统，光伏并网发电系统及前两者混合系统。
 1、离网光伏蓄电系统。这是一种常见的太阳能应用方式，在国内外应用已有若干年，系统比较简单，而且适应性广，适用于人口分布稀疏地区，如：游牧牧民。
2、光伏并网发电系统。当用电负荷较大时，太阳能电力不足就向市电购电。而负荷较小时，或用不完电力时，就可将多余的电力卖给市电。在背靠电网的前提下，该系统省掉了蓄电池，从而扩张了使用的范围和灵活性，并降低了造价。适用于人口分布稠密地区，如城市。
3、A,B两者混合系统。这是介于上述两个方之间的系统。该方案有较强的适应性，例如可以根据电网的峰谷电价来调整自身的发电策略，但是其造价和运行成本较上述两种方案高。
二、光伏发电的优点
进入70年代后，由于二次石油危机的影响，在客观上使人们认识到：现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持。从远期看，光伏发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源[4]。从近期看，光伏发电可以作为常规能源的补充，在解决特殊应用领域，如通信、信号电源，和边远无电地区民用生活用电需求方面，以及环境保护及能源战略上都具有重大的意义。光伏发电的优点充分体现在以下几个方面[2]：
1.太阳能资源取之不尽，用之不竭。照射到地球上的太阳能要比人类目前消耗的能量大6000倍。另外，根据太阳产生的核能计算，太阳要照耀地球600多亿年。
2.绿色环保。光伏发电本身不需要燃料，没有二氧化碳的排放，不污染空气，不产生噪声。
3.应用范围广。只要有光照的地方就可以使用光伏发电系统。
4.使用寿命长、维护简单、可靠性高。晶体硅太阳能电池寿命长达20-35年；由于无机械转动部件，操作、维护简单，可靠性高，加之现在均采用自动控制技术，基本不用人工操作。
5.太阳能电池组件结构简单，体积小且轻，便于运输和安装，光伏发电系统建设周期短。
6.系统组合容易。若干太阳能电池组件和蓄电池单体组合成为系统的太阳能电池方阵和蓄电池组；逆变器、控制器也可以集成。所以光伏发电系统可大可小，极易组合、扩容[2]。
三、太阳能资源在我国的分布情况
我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50x1018kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837kJ／cm2•a，中值为586kJ／cm2•a。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68％，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8，太阳总辐射为816kJ／cm2•a，比全国其它省区和同 纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。 例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26％，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高达8.4。其它地区的太阳年辐射总量居中。
 我国太阳能资源分布的主要特点有：太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22°～35°这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部；由于南方多数地区云雾雨多，在北纬30°～40°地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增长。
 按接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区，如表一所示：

表一我国太阳能热能资源分布
地区
分类 日照时数
（H/A） 年辐射总量[MJ/(m*m*a)] 包括的主要地区 备注
一类 3200~3300 6680~8400 宁夏北部，甘肃北部，新疆南部，青海西部，西藏西部 太阳能资源最丰富地区
二类 3000~3200 5852~6680 河北西北部，山西北部，内蒙南部，宁夏南部，甘肃中部，青海东部，西藏东南部，新疆南部 较丰富地区
三类 2200~3000 5016~5852 山东，河南，河北东南部，山西南部，新疆北部，吉林，辽宁，云南，陕西北部，甘肃东南部，广东南部 较丰富地区
四类 1400~2000 4180~5016 湖南，广西，江西，浙江，湖北，福建北部，广东北部，陕西南部，安徽南部 中等地区
五类 1000~1400 3344~4180 四川大部分地区，贵州 较差地区
四、家用太阳能光伏发电的现状及发展前景
目前，家用太阳能光伏发电系统现阶段主要是用于无电、缺电的人口通电。中国的西部地区，包括西藏、贵州、甘肃、内蒙古、青海、新疆和四川，中国的大部分有人居住海岛离海岸线约15—100Km，主要分布在浙江、福建和广东省，还有一部分分布在山东和辽宁，其余的则在海南、中国台湾和广西。目前，有些岛屿使用柴油发电，但由于很高的运输费用，电价很高，且供应时间很短。一些地方则仍然使用蜡烛和煤油灯来照明，有些则用电池，无电、缺电在很大程度上制约了当地经济发展。另一方面，中国这些西部省份和沿海岛屿有着极丰富的太阳能资源，它们中大部分完全可以利用既环保又经济的可再生能源来解决其用电问题[2]。
至2005年底，已有大约75万套家用太阳能光伏发电系统进入用户家庭。在这些用户之中，大多数都是牧区的牧民家庭，这些家庭的通电水平还比较低，一般只能满足基本的照明需要。除此以外，还有林区和农区的农户和养蜂户以及无电的公路道班、学校、商店等小单位以在使用家用太阳能光伏发电系统，还有一些缺电地区的城镇居民，也成为家用太阳能光伏发电系统的用户。如果这些家用太阳能光伏发电系统的保有量按80%计，加上国家光明工程和送电到乡工程的光伏电站，中国目前至少有100万户家庭主要依靠光伏发电系统解决基本的生活照明用电[2]。
到2005年底，中国的光伏发电市场累计安装量达到70MW，其中约43%为农村电力建设方面的应用，而全国大约还有300万无电户，估计其中至少还有150万户需要在今后的十年内采用光伏或风光互补发电系统来解决。由于居住条件的限制，他们中的大多数只能采用分散的供电方式，即采用家用太阳能光伏发电系统。而许多已经用上光伏系统的用户也将升级换代，提高用电水平。因此，中国的光伏市场潜力仍然很大[4]。
在人口稠密的都市中，光伏发电系统也正起着越来越重要的作用。2006年，《上海市10万个太阳能屋顶计划》可行性调研完成初稿。根据计划，未来上海10万个屋顶有望安装太阳能发电系统，每年至少发电4.3亿度。对于处在电荒中的上海，这当然是好消息。“中国缺能，我们不能辜负头顶的大好阳光。”这是《上海市10万个太阳能屋顶计划》的主持者，上海交通大学太阳能研究所所长崔容强教授的呼吁。面对迫在眉睫的能源危机，太阳能因其清洁、高效和永不衰竭的特点受到了世界各国能源专家的青睐，并被业内人士称为“黄金电”。没有油田煤矿的上海拥有两亿平方米的屋顶，每天只要有阳光，每个屋顶将会是一个小型的绿色发电厂；把上海的大小屋顶、建筑立面联合起来，可建成一座巨型“发电厂”。以上海现有两亿平方米平屋顶的1.5%，即十万个屋顶(约300万平方米)，为其安装“太阳能并网屋顶光伏发电系统”，每年至少能发电4.3亿度，这将很大缓解上海的用电紧张。
五、结束语
光是一种清洁、可再生能源，并且太阳能资源在我国广泛分布。由于我国是一个能源消耗大国，并且人口分布极不合理，因此发展太阳能光伏发电系统对于我国的可持续发展、保持能源供给的独立性和安全性，以及分散人口地区居民用电具有重要意义。对能源的需求，对新技术的追求以及人们不断提高的物质文化的需要，都将促使太阳能光伏技术成为21世纪的关键技术，而家用太阳能光伏发电系统也必会走进千家万户。
参考文献：
[1]冯垛生，宋金莲. 太阳能发电原理与应用[M]. 北京：人民邮电出版社.
[2]刘宏， 吴达成， 杨志刚， 翟永辉.家用太阳能光伏电源系统[M]. 北京：化学工业出版社. 2007.
[3]苏亚欣，赵敬德，毛玉如. 新能源与可再生能源概论[M]. 北京：化学工业出版社. 2006.
[4]新能源和可再生能源产业发展“十五”规划. 国经贸资源〔2001〕1020号( 2001年10月10日).
[5]李维亚. 未来太阳能光伏并网发电对电网的影响. 中国论文下载中心. 08-06-15.