碳中和的推进者：太阳能发电技术

March 2, 2023

Fanny Hu

发布于2022-11-25

全球绿色能源市场现状

能源安全对国家繁荣发展至关重要。2022年初爆发的乌俄冲突再次引发国际对能源市场的担忧，俄罗斯作为全球最大天然气出口国和第二大石油出口国在全球供应体系中扮演着重要的角色。全球能源市场短期波动加剧，能源供应的不确定性加快了欧洲能源转型。全球能源流动方向也发生了变化，这也加快了了清洁能源的部署。相比其他清洁能源的利用与产出，太阳能发电应用的更加广泛。

太阳能光伏发电在全球的市场状况

随着全球“碳中和”进程的推进，发展以光伏为代表的可再生能源成为共识。在政策大力支持和供电产业发展的推动下，可再生能源发电成本逐步下降，其中以太阳能光伏发电为代表的绿色能源发电成本较同期其他发电模式成本下降尤为明显。随着光伏发电技术的不断优化，2019年至今光伏发电成本大幅下降 82%。根据 IRENA 统计，2020年全球范围内光伏项目最低成本已降至1.32 美分/kWh。随着煤炭等化石燃料发电成本的上升，光伏发电与传统发电技术的发电成本差距也逐步拉开。到2020年，光伏发电成本已经低于风能和核能等发电模式。

光伏装机数量稳步提升

图一：2015-2021年光伏发电量与增量占比

从上图不难发现，可再生能源在电力结构中的比重呈上升趋势，市场的需求变化促进了光伏装机量的快速增长。2020年，全球光伏发电仅占全球发电总量的3.1%，有很大的提升空间。2021年，光伏发电占可再生能源发电新装机容量份额的39%，在可再生能源中新增装机量占比最高，体现出光伏行业发展的潜力。全球光伏市场保持快速增长，国内市场预期不减。

随着新冠疫情消极影响逐渐消除，在光伏发电成本持续下降和新兴市场有力拉动的推动下，全球光伏市场将保持较快增长。根据CPIA（中国光伏行业协会）数据显示，2021年全球新增光伏装机量约170GW，同比增长31%。预计2021-2025年全球光伏领域新增装机量的CAGR（复合年均增长率）为 26.84%，到2025年全球光伏新增装机量将达到440GW。^[3]

光伏与光热发电在全球占比情况

图二：光伏光热发电占比

由上图不难看出，光伏是太阳能发电产生的主要方式。2020年末，光伏发电装机总容量为707.495GW，在太阳能发电装机总容量为713.97GW的前提下，光热发电占比不足1%，而光伏占比则达到99.09%之高。2021年，光热发电占比为2.31%，光热发电占比在九年间下降了1.31%。

什么是太阳能发电

太阳能发电分为光伏发电和光热发电，我们通过下表来简单了解一下两者的不同。

表一：光伏与光热发电

两者之间最重要的差别在于能量储存上的不同。光热发电和光伏发电各有各的优势和各自运用的领域，有光伏发电体系的地方也一定有光热发电体系，他们互不干涉。但近年来光伏发电在可再生能源中新增装机占比最高，体现出巨大的发展潜力。^[1]

独立光伏发电系统

太阳能光伏发电是利用电池组件将太阳能直接转换为电能的装置。独立光伏发电系统主要由太阳能电池组件（阵列）、控制器、蓄电池、逆变器、照明负载等组成。其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。^[4]

工作原理：首先，太阳辐射经过太阳能电池阵列被转化成电能。之后电力经电子转换器转换后给负载供电。多余电量经过控制器后储存在蓄电池中。储存的多余电量会在天气变化导致日照不足时用于供电。储存在蓄电池中的化学能通过电力电子逆变器、滤波和工频变压器通过升压转化成220V、5Hz的交流电供交流负载使用。太阳能发电只能在白天工作，因此储能电池在独立发电系统中不可或缺。

并网光伏发电系统

并网光伏发电系统，是与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统。系统由太阳能电池阵列、高频DC/DC升压电路、电力电子逆变器、交流负载和变压器等部分组成。

工作原理：太阳辐射能量经过电池阵列转换后，再经高频直流变换后变成高压直流电，然后经过电力电子逆变器逆变后向电网输送与电网电压同幅同频的正弦交流电流。

两种系统的区别在于，并网发电系统直接连接电网，电量盈余并联电网实现用电互补。这省去了独立发电系统中必须的蓄电池原件，降低了系统成本，提高了系统可靠性。^[5]

太阳能发电中的技术热点

要使太阳能发电真正地实用化，一是要提高太阳能光电变换效率并降低其成本；二是要实现太阳能发电同公共电网联网。在提高前光电转换效率的前提下如何最大限度收集能量也是需要考虑的课题。^[7]

能量收集

光伏电池如何收集能量：因为硅适合将光转化为电，大约85%的光伏 (PV) 电池是由储量丰富的硅制成。但是，硅也有它的缺点：最高光电转换效率只能达到33%左右，加工过程需要采用高温工艺，耗能严重，并且成品不易于保管。为了解决硅存在的问题，新材料被运用到光伏电池中，例如：“砷化镓 (GaAs)、磷化镓 (GaP)、钙钛矿 (CaTiO)”等半导体新材料，以及新型聚光光伏架构等新装配技术。

硅光伏电池由于生产规模大、价格友好，主要用于大规模光伏电站领域。上述新材料和新技术也运用到某些特定应用中，例如无线物联网传感器可以借助高效、紧凑、耐用、廉价的光伏技术收集太阳能，为设备电池充电。

光伏过程：光伏电池工作原理是利用半导体中的PN结（P型N型半导体之间的接触面）。太阳能电池由成千上万个PN结组成，这使其产生的电流大大增加。光伏电池产生的直流电通过逆变器变为交流电，直接输入到电网中或执行工作。

图三：光伏电池组合能量收集

提高能量转化效率：太阳能在能源结构中是主流能源，但太阳能通过电池板转换为电能的效率很低，这也是为什么太阳能电池板的面积都很大。太阳光使用光伏（PV）半导体材料转换为电能。多个光伏电池连接在一起形成一个模块或面板。通过使用最大功率点MPPT（最大功率点跟踪）技术，在转换光伏模块功率时可实现最高效率。

MPPT控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压和追踪最高电的压电流值 (VI)，使系统以最大功率对蓄电池充电。应用于太阳能光伏系统中，协调太阳能电池板、蓄电池、负载的工作，是光伏系统的大脑。在电池充电情况下，MPPT算法会比较PV输出和电池电压，然后设置最佳充电电压。只有在最合适的电压下工作，光伏电池的输出功率才会达到最大值。MPPT算法在寒冷天气或电池快要放完电时执行最有效。

图四：MPPT系统

储能系统

光伏电源不同于传统电源，它的输出功率随着太阳光强度、温度等环境因素的改变而剧烈变化，具有不可控和不稳定性。因此，光伏发电若要取代传统能源，实现大规模并网发电，就需要储能系统的全力配合来达到平稳运作。

光伏发电具有午间短时间出力水平高，其他时段出力水平低和昼间有出力、夜间无出力的特点。储能技术能够实现电能的时空平移，为光伏电站配置储能间，将光伏的午间出力转移至其他时段，消减电站出力尖峰、减少弃光。

储能系统是一种通过调节电气模块的工作状态，使光伏板能够输出更多电能的电气系统。它能够将太阳能电池板发出的直流电有效贮存在蓄电池中，可有效解决常规电网不能覆盖偏远地区及旅游地区的生活和工业用电的问题，不产生环境污染。

在电池储能系统中，延长储能系统的使用寿命的根本是减少系统的充放电次数。在发电的高峰阶段，对光伏电站进行削峰主要通过控制电池储能系统充电。在发电高峰过后，控制电池储能系统放电，从而帮助平稳光伏发电波动和辅助系统调峰来实现最大化储能。根据储能放电的不同作用，可划分储能系统的三种工作模式：削峰、削峰＋平抑及削峰＋转移样式。^[8]

太阳能逆变器

逆变器是光伏系统必不可少的一部分，其主要功能是把太阳能电池板所发的直流电转化成家电用的交流电。太阳能电池板所发的电都要通过逆变器处理才能对外输出。它不仅能直交流变换，还可以最大限制地发挥电池效能，并利于系统维护，例如自动电压调整功能､直流检查功能､直流接地检测功能和放单独运行功能。这些功能需要在并网系统中使用。在光伏系统设计时，需要选择高效率逆变器来进行系统配置，从而提高工作效率，降低系统成本。

继电保护与监测

当电力系统元件或电力系统本身出现问题而影响系统安全时，能够控制电路发出命令来终止或发出警告来预警的自动化保护装置。

电力系统发生故障后，主要特征是：

1）电流增大，故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将增大至超过负荷电流。

2）电压降低，越靠近短路点电压越低，当系统各点的相间电压值下降时就可能是发生了短路故障。

3）电流与电压的相位角改变，正常运行时电流与电压间的相位角一般约为20°。

4）测量阻抗发生变化，即测量点(保护安装处)电压与电流之比值。

基本任务：自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。继电保护装置还可以与电力系统中的其他自动化装置配合，在条件允许时，采取预定措施，缩短事故停电时间，尽快恢复供电，从而提高电力系统运行的可靠性。

智能终端

配电智能融合终端作为低压配电物联网的核心，汇集各类智能感知终端数据，相当于配电网的“神经末梢”，可与低压智能设备、智能电表等就地组网完成台区智能化改造。此类智能配电终端能够实现对台区配电网的运行环境、电网状态、用电信息等数据全采集、全掌控；与主站信息系统进行交互，发挥边缘计算的优势，与主站信息系统进行合理分工，实现对台区配电网进行高效管控，提高智能终端计量准确性。