【摘要】盡管尋找新能源的工作已經(jīng)有相當(dāng)?shù)臍v史了，但是世界性的環(huán)境污染和能源短缺已經(jīng)迫使人們更加努力的尋找和開(kāi)發(fā)新能源。在尋找和開(kāi)發(fā)新能源的過(guò)程中，人們很自然的把目光投向了各種可再生的替代能源。光伏發(fā)電就是其中之一。雖然光伏發(fā)電的實(shí)際應(yīng)用存在著種種的局限，但是隨著光伏發(fā)電成本的降低和礦物發(fā)電成本的提高以及礦物能源的減少，總有一天光伏發(fā)電的成本將會(huì)與傳統(tǒng)發(fā)電成本相當(dāng)。到時(shí)侯，光伏發(fā)電將逐步進(jìn)入商業(yè)化階段。光伏并網(wǎng)發(fā)電形成規(guī)模后會(huì)對(duì)電網(wǎng)形成什么樣的影響是本文想要探討的問(wèn)題。

一、光伏發(fā)電的基本原理

1. 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能光伏電池組，光伏系統(tǒng)電池控制器，蓄電池和交直流逆變器是其主要部件。其中的核心元件是光伏電池組和控制器。各部件在系統(tǒng)中的作用是：

光伏電池：光電轉(zhuǎn)換。

控制器：作用于整個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程控制。光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用的控制器類型很多，如2點(diǎn)式控制器，多路順序控制器、智能控制器、大功率跟蹤充電控制器等，我國(guó)目前使用的大都是簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的控制器，智能型控制器僅用于通信系統(tǒng)和較大型的光伏電站。

蓄電池：蓄電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，用于存儲(chǔ)從光伏電池轉(zhuǎn)換來(lái)的電力。目前我國(guó)還沒(méi)有用于光伏系統(tǒng)的專用蓄電池，而是使用常規(guī)的鉛酸蓄電池。

交直流逆變器：由于它的功能是交直流轉(zhuǎn)換，因此這個(gè)部件最重要的指標(biāo)是可靠性和轉(zhuǎn)換效率。并網(wǎng)逆變器采用最大功率跟蹤技術(shù)，最大限度地把光伏電池轉(zhuǎn)換的電能送入電網(wǎng)。

2. 太陽(yáng)能光伏電池板

太陽(yáng)能電池主要使用單晶硅為材料。用單晶硅做成類似二極管中的P-N結(jié)。工作原理和二極管類似。只不過(guò)在二極管中，推動(dòng)P-N結(jié)空穴和電子運(yùn)動(dòng)的是外部電場(chǎng)，而在太陽(yáng)能電池中推動(dòng)和影響P-N結(jié)空穴和電子運(yùn)動(dòng)的是太陽(yáng)光子和光輻射熱(*)。也就是通常所說(shuō)的光生伏特效應(yīng)原理。目前光電轉(zhuǎn)換的效率，也就是光伏電池效率大約是單晶硅13%-15%，多晶硅11%-13%。目前最新的技術(shù)還包括光伏薄膜電池。

3. 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)大致可分為三類，離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及前兩者混合系統(tǒng)。

A)離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)。這是一種常見(jiàn)的太陽(yáng)能應(yīng)用方式。在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用已有若干年。系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，而且適應(yīng)性廣。只因其一系列種類蓄電池的體積偏大和維護(hù)困難而限制了使用范圍。

B)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)用電負(fù)荷較大時(shí)，太陽(yáng)能電力不足就向市電購(gòu)電。而負(fù)荷較小時(shí)，或用不完電力時(shí)，就可將多余的電力賣(mài)給市電。在背靠電網(wǎng)的前提下，該系統(tǒng)省掉了蓄電池，從而擴(kuò)張了使用的范圍和靈活性，并降低了造價(jià)。

C)A, B兩者混合系統(tǒng)，這是介于上述兩個(gè)方之間的系統(tǒng)。該方案有較強(qiáng)的適應(yīng)性，例如可以根據(jù)電網(wǎng)的峰谷電價(jià)來(lái)調(diào)整自身的發(fā)電策略。但是其造價(jià)和運(yùn)行成本較上述兩種方案高。

二、光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)

進(jìn)入70年代后，由于2次石油危機(jī)的影響，光伏發(fā)電在世界范圍內(nèi)受到高度重視，發(fā)展非常迅速。從遠(yuǎn)期看，光伏發(fā)電將以分散式電源進(jìn)入電力市場(chǎng)，并部分取代常規(guī)能源。不論從近期和從近期看，光伏發(fā)電可以作為常規(guī)能源的補(bǔ)充，在解決特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如通信、信號(hào)電源，和邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)民用生活用電需求方面，從環(huán)境保護(hù)及能源戰(zhàn)略上都具有重大的意義。光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)充分體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面

1. 充分的清潔性。 (如果采用蓄電池方案，要考慮對(duì)廢舊蓄電池的處理)

2. 絕對(duì)的安全性。 (并網(wǎng)電壓一般在220V以下)

3. 相對(duì)的廣泛性。

4. 確實(shí)的長(zhǎng)壽命和免維護(hù)性。

5. 初步的實(shí)用性。

6. 資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等。

三、光伏發(fā)電局限性

任何事物總是具有兩面性。目前有太多的文章介紹光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，這里有必要指出光伏發(fā)電的一些局限性。太陽(yáng)能具有能量密度低,穩(wěn)定性差的弱點(diǎn),并受到地理分布、季節(jié)變化、晝夜交替等影響。光伏發(fā)電的局限性包括以下幾個(gè)方面：

1. 時(shí)間周期局限。由于光伏發(fā)電的條件是出太陽(yáng)時(shí)，光伏發(fā)電設(shè)備才能正常工作發(fā)電。因此，白晝黑夜，一年當(dāng)中春夏秋冬各個(gè)季節(jié)對(duì)光伏發(fā)電的負(fù)荷影響巨大。為了應(yīng)付這個(gè)情況，電網(wǎng)不得不配備相應(yīng)容量的發(fā)電機(jī)處于旋轉(zhuǎn)備用狀態(tài)。

2. 地理位置局限。光伏發(fā)電設(shè)備基本上只能依附建筑物安裝建設(shè)，也就是所謂的光伏屋頂就地供電。如果離開(kāi)建筑物來(lái)建設(shè)光伏發(fā)電，將會(huì)大大增加成本或者破壞環(huán)境和生態(tài)。

3. 氣象條件局限。氣候?qū)夥l(fā)電影響。采用光伏并網(wǎng)發(fā)電無(wú)蓄電池方案時(shí)，如果一個(gè)城市上空的氣候大幅變化，將造成電力負(fù)荷的大幅波動(dòng);當(dāng)一個(gè)城市上空的空氣質(zhì)量比如空氣污染，或能見(jiàn)度變差比如霧天，陰天等都將使光伏發(fā)電在線或?qū)崟r(shí)出力下降。

4. 容量傳輸局限。在解決了光伏發(fā)電的成本問(wèn)題后，大功率，高電壓，遠(yuǎn)距離從荒漠面積輸送電力到負(fù)荷中心，由于光伏發(fā)電沒(méi)有傳統(tǒng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣量，調(diào)速器及勵(lì)磁系統(tǒng)，將給交流電網(wǎng)帶來(lái)新的經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定問(wèn)題。不論采用交流或是直流高電壓大功率遠(yuǎn)距離從荒漠地區(qū)輸送電力，由于上述1，2，3的局限性將大大增加單位千瓦的輸送成本。下面將會(huì)討論這個(gè)問(wèn)題。

5. 光能轉(zhuǎn)換效率偏低。和傳統(tǒng)能源(礦物能源，石油，水能，原子能，等)的轉(zhuǎn)換效率相比，光伏能量的轉(zhuǎn)換效率不能令人滿意。

四、光伏發(fā)電未來(lái)展望

我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)正以每年30%的速度增長(zhǎng)。最近三年全球太陽(yáng)能電池總產(chǎn)量平均年增長(zhǎng)率高達(dá)49.8%以上。按照日本新能源計(jì)劃、歐盟可再生能源白皮書(shū)、美國(guó)光伏計(jì)劃等推算，2010年全球光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量將達(dá)到15GW(1500萬(wàn)千瓦，屆時(shí)仍不到全球發(fā)電總裝機(jī)容量的1%)，至2030年全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到300GW(屆時(shí)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值有可能突破3000億美元)，至2040年光伏發(fā)電將達(dá)到全球發(fā)電總量的15%-20%。按此計(jì)劃推算，2010-2040年，光伏行業(yè)的復(fù)合增長(zhǎng)率將高達(dá)25%以上(參看資料：15)。其中并網(wǎng)應(yīng)用會(huì)有較大的發(fā)展，從而形成并網(wǎng)發(fā)電(約46%)、離網(wǎng)供電(約27%)和通訊機(jī)站(約21%) 3個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域(參看資料：16)。

太陽(yáng)的能量對(duì)人類而言幾乎是無(wú)限的，但是實(shí)際上，在地球上能夠獲取太陽(yáng)能資源的資源是有限的。并不象有些文章中所說(shuō)的那樣巨大。例如，當(dāng)我們?cè)谠谖蓓敯惭b太陽(yáng)能熱水器時(shí)，就失去了安裝太陽(yáng)能電池的機(jī)會(huì)。除建筑物和荒漠外，在其他地點(diǎn)建設(shè)太陽(yáng)能電池板群將是不現(xiàn)實(shí)和得不償失。這不僅僅是因?yàn)槌杀揪薮蟮脑颍瑔?wèn)題是顯而易見(jiàn)的，主要的問(wèn)題是離開(kāi)建筑物和荒漠來(lái)建設(shè)光伏發(fā)電站將破壞環(huán)境和生態(tài)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在太陽(yáng)能電池板下面將寸草不生。

總之，節(jié)能降耗是人類的一個(gè)永恒話題。從某種意義上講，淘汰舊技術(shù)和產(chǎn)品的同時(shí)，也就浪費(fèi)掉了當(dāng)初生產(chǎn)這些技術(shù)和產(chǎn)品的能源。出國(guó)考察的人往往會(huì)發(fā)現(xiàn)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家有些場(chǎng)合還在使用20-30年代的產(chǎn)品和設(shè)備，他們并非要保護(hù)“古跡”，某種意義上講是在節(jié)約能源。新舊產(chǎn)品和技術(shù)的換代是要以耗費(fèi)能源為代價(jià)的，過(guò)快的產(chǎn)品更新?lián)Q代，將加快能源的消耗。當(dāng)然，這里需要有一個(gè)總體的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)判斷能耗。我們是否應(yīng)該考慮節(jié)約“used能源”的問(wèn)題?(**)

另一方面，任何先進(jìn)的技術(shù)，進(jìn)入商業(yè)使用的必要條件是價(jià)格能為市場(chǎng)所接受。如果使用成本太高，再好的技術(shù)必將只能停留在試驗(yàn)室中或者示范工程階段。