1.1 光伏发电系统认知
1.1.1 光伏产业现状
【任务说明】
太阳能属于可再生能源的一种，具有储量大、清洁无污染、就地可取等特点，因此成为目前人类可利用能源的最佳选择之一。本节主要分析光伏产业现状，掌握光伏发电应用场合、光伏发电特点以及光伏发电产业前景。
【任务实施】
1.光伏发电应用场合
当前太阳能光伏发电主要应用领域如下。
1）通信领域的应用。主要包括无人值守微波中继站、光缆通信系统及维护站、移动通信基站、广播、通信以及无线寻呼电源系统、卫星通信和卫星电视接收系统、农村程控电话、载波电话光伏系统、小型通信机、部队通信系统等。
2）公路、铁路、航运等交通领域的应用。如铁路和公路信号系统，铁路信号灯，交通警示灯、标志灯、信号灯，公路太阳能路灯，太阳能道钉灯、高空障碍灯，高速公路监控系统，高速公路、铁路线无线电话亭，无人值守道班供电，航标灯灯塔和航标灯电源等。
3）石油、海洋、气象领域的应用。如石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象和水文观测设备、观测站电源系统等。
4）农村和边远无电地区的应用。在高原、海岛、牧区、边防哨所等农村和边远无电地区应用太阳能光伏户用系统、小型风光互补发电系统等解决了日常生活的用电问题，如照明、电视、收录机、DVD、卫星接收机等的用电，也解决了手机、手电筒等随身小电器充电的问题，发电功率大多在几瓦到几百瓦之间。应用1～5kW的独立光伏发电系统或并网发电系统作为村庄、学校、医院、饭馆、旅社、商店等的供电系统。应用太阳能光伏水泵，解决了无电地区的深水井抽水、农田灌溉等用电问题。另外还有太阳能喷雾器、太阳能电围栏、太阳能黑光灭虫灯等应用。
5）太阳能光伏照明方面的应用。太阳能光伏照明包括太阳能路灯、庭院灯、草坪灯、太阳能景观照明、太阳能路标标牌、信号指示、广告灯箱照明等。还有家庭照明灯具及手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、割胶灯、节能灯、手电等。
6）大型光伏发电系统（电站）的应用。大型光伏发电系统（电站）是10kW～200MW的地面独立或并网光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车场充电站等。
7）太阳能光伏建筑一体化并网发电系统。将太阳能发电与建筑材料相结合，充分利用建筑的屋顶和外立面，使得大型建筑能实现电力自给、并网发电等。
8）太阳能电子商品及玩具的应用。包括太阳能收音机、太阳能时钟、太阳能帽、太阳能充电器、太阳能手表、太阳能计算器、太阳能玩具等。
9）其他领域的应用。包括太阳能电动汽车、太阳能电动自行车、太阳能游艇、太阳能电池充电设备、太阳能汽车空调、太阳能换气扇、太阳能冷饮箱等；还有太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统，海水淡化设备太阳能供电系统，卫星、航天器、空间太阳能电站等。
光伏发电应用案例如图1-1所示。
图1-1 光伏发电应用案例
2.光伏发电特点
太阳能光伏发电过程简单，没有机械转动部件、不消耗燃料、不排放包括温室气体在内的任何物质、无噪声、无污染。太阳能资源分布广泛且取之不尽、用之不竭，与风力发电和生物质能发电等新型发电技术相比，光伏发电是最具可持续发展特征（丰富的资源和洁净的发电过程）的可再生能源发电技术之一。
光伏发电的缺点主要体现在能量密度低、占地面积大、转换效率低、间歇性工作、受气候环境因素影响大、地域依赖性强、系统成本高、晶体硅电池的制造过程高能耗等。
尽管太阳能光伏发电存在上述不足，但是随着解决能源问题越来越迫切，大力开发可再生能源将是解决能源危机的主要途径。近年来我国相继出台了一系列鼓励和支持太阳能光伏产业的政策法规，这将极大地促进太阳能光伏产业的发展，光伏发电的技术和应用水平也将会不断地提高，我国光伏发电产业的前景将会十分广阔。
3.光伏发电产业前景
回顾100年间能源工业的发展历史，人类正在消耗地球通过50万年积累的有限能源资源——煤和石油。虽然极大地解放了生产力，但同时也向人类敲响了常规能源正面临枯竭的警钟。根据有关资料显示，人类已确知的石油储备将只能用40余年，天然气60余年，煤大约200年。另外，以化石能源为主体的能源结构，对人类环境的破坏是显而易见，每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈逐年上升的趋势，从而造成冰雪消融、冰川退缩、全球气候变暖等环境问题。能源短缺和环境保护是21世纪经济和能源领域最重要的课题之一。因此，目前国际上对太阳能资源的利用已经十分重视了。
1954年贝尔实验室的第一块单晶硅太阳能电池面世，为世界能源提供了一个新的希望。20世纪70年代以来，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。利用太阳能发电的光伏发电技术已被用于许多需要电源的场合。上至航天器，下至家用电源；大到兆瓦级电站，小到儿童玩具，光伏电源无处不在。
由于太阳能光伏发电的诸多优点，其研究开发、产业化制造技术及市场开拓已经成为当今世界各国，特别是发达国家激烈竞争的主要热点。
目前我国已经形成成熟且具有竞争力的光伏产业链，在国际上处于领先地位。2015～2019年，我国新增和累计光伏装机容量保持全球第一。2015年全年新增装机量1513万kW，累计装机容量4318万kW，全年发电量392亿kW·h；2016年全年新增装机量3454万kW，累计装机容量7742万kW，全年发电量662亿kW·h；2017年全年新增装机量5232万kW，累计装机容量12974万kW，全年发电量1182亿kW·h；2018年全年新增装机量4426万kW，累计装机容量1.74亿kW，全年发电量1775亿kW·h；2019年全年新增装机量3011万kW，累计装机容量20430万kW，全年发电量2243亿kW·h，提前一年完成“十三五”规划的装机任务，成为我国第四大发电能源。光伏发电年增装机量及年发电量如图1-2所示。
图1-2 光伏发电年增装机量及年发电量
a）年增装机量 b）年发电量
4.我国太阳能“十三五”规划
近年来，太阳能开发利用的规模快速扩大，技术进步和产业升级加快，成本显著降低，已成为全球能源转型的重要领域。“十二五”时期，我国光伏产业体系不断完善，技术进步显著，光伏制造和应用规模均居世界前列。太阳能热发电技术的研发及装备制造取得较大进展，已建成商业化试验电站，初步具备了规模化发展的条件。太阳能热利用持续稳定发展，并向建筑供暖、工业供热和农业生产等领域扩展应用。
“十三五”将是太阳能产业发展的关键时期，基本任务是产业升级、降低成本、扩大应用。实现不依赖国家补贴的市场化自我持续发展，成为实现2030年非化石能源分别占一次能源消费比重20%目标的重要力量。
“十三五”期间，我国太阳能产业的发展目标是：继续扩大太阳能利用规模，不断提高太阳能在能源结构中的比重，提升太阳能技术水平，降低太阳能利用成本，完善太阳能利用的技术创新和多元化应用体系，为产业健康发展提供良好的市场环境。
（1）开发利用目标
到“十三五”末，太阳能发电装机达到1.1亿kW以上，其中，光伏发电装机达到1.05亿kW以上，在“十二五”的基础上每年保持稳定的增长规模；太阳能热发电装机达到500万kW。太阳能热利用集热面积达到8亿m2。到2020年，太阳能年利用量达到相当于1.4亿t标准煤以上。表1-1为“十三五”太阳能利用主要指标，表1-2为重点地区“十三五”末光伏发电建设规模。
表1-1 “十三五”太阳能利用主要指标
表1-2 重点地区“十三五”末光伏发电建设规模
（2）成本目标
在光伏发电成本上，到“十三五”末，光伏发电电价在2015年基础上下降50%以上，在用电侧实现平价上网目标；太阳能热发电成本低于0.8元/kW·h；太阳能供暖、工业供热具有市场竞争力。
（3）技术进步目标
先进晶体硅光伏电池产业化转换率达到23%以上，薄膜光伏电池产业化转换率显著提高，若干新型光伏电池初步产业化。光伏发电系统效率显著提升，实现智能运维。太阳能热发电效率实现较大提高，形成全产业链集成能力。
5.“十三五”光伏发电产业发展主要路径
大力推动光伏发电多元化应用，积极推进太阳能热发电产业化发展，加速普及多元化太阳能热利用。
（1）推进分布式光伏和“光伏+”应用
1）大力推进屋顶分布式光伏发电。
继续开展分布式光伏发电应用示范区建设。到“十三五”末建成100个分布式光伏应用示范区，园区内80%的新建建筑屋顶、50%的已有建筑屋顶安装光伏发电设备。在具备开发条件的工业园区、经济开发区、大型工矿企业以及商场学校医院等公共建筑，采取“政府引导、企业自愿、金融支持、社会参与”的方式，统一规划并组织实施屋顶光伏工程。在太阳能资源优良、电网接入消纳条件好的农村地区和小城镇，推进居民屋顶光伏工程，结合新型城镇化建设、旧城镇改造、新农村建设、易地搬迁等统一规划建设屋顶光伏工程，形成若干光伏小镇、光伏新村。
2）拓展“光伏+”综合利用工程。
鼓励结合荒山荒地和沿海滩涂综合利用、采煤沉陷区等废弃土地治理、设施农业、渔业养殖等方式，因地制宜地开展各类“光伏+”应用工程，促进光伏发电与其他产业有机融合，通过光伏发电为土地的增值利用开拓新途径。探索各类提升农业效益的光伏农业融合发展模式，鼓励结合现代高效农业设施建设光伏电站；在水产养殖条件好的地区，鼓励利用坑塘水面建设渔光一体的光伏电站；在符合林业管理规范的前提下，在宜林地、灌木林、稀疏林地合理布局林光互补光伏电站；结合中药材种植、植被保护、生态治理工程，合理配建光伏电站。
3）创新分布式光伏应用模式。
结合电力体制改革，开展分布式光伏发电市场化交易，鼓励光伏发电项目靠近电力负荷建设，接入中低压配电网实现电力就近消纳。各类配电网企业应为分布式光伏发电接入电网运行提供服务，优先消纳分布式光伏发电量，建设分布式发电并网运行技术支撑系统并组织分布式电力交易。推行分布式光伏发电项目向电力用户市场化的售电模式，向电网企业缴纳的输配电价按照促进分布式光伏就近消纳的原则合理确定。
（2）优化光伏电站布局并创新建设方式
1）合理布局光伏电站。
综合考虑太阳能资源、电网接入、消纳市场和土地利用条件及成本等，以全国光伏产业发展目标为导向，安排各省（区、市）光伏发电年度建设规模，合理布局集中式光伏电站。规范光伏项目分配和市场开发秩序，全面通过竞争机制实现项目优化配置，加速推动光伏技术进步。在弃光限电严重地区，严格控制集中式光伏电站建设规模，加快解决已出现的弃光限电问题，采取本地消纳和扩大外送相结合的方式，提高已建成集中式光伏电站的利用率，降低弃光限电比例。
2）结合电力外送通道建设太阳能发电基地。
按照“多能互补、协调发展、扩大消纳、提高效益”的布局思路，在“三北”地区利用现有和规划建设的特高压电力外送通道，按照优先存量、优化增量的原则，有序建设太阳能发电基地，提高电力外送通道中可再生能源比重，有效扩大“三北”地区太阳能发电消纳范围。在青海、内蒙古等太阳能资源好、土地资源丰富地区，研究论证并分阶段建设太阳能发电与其他可再生能源互补的发电基地。在金沙江、雅砻江、澜沧江等西南水能资源富集的地区，依托水电基地和电力外送通道研究并分阶段建设大型风光水互补发电基地。
3）实施光伏“领跑者”计划。
设立达到先进技术水平的“领跑者”光伏产品和系统效率标准，建设采用“领跑者”光伏产品的领跑技术基地，为先进技术及产品提供市场支持，引领光伏技术进步和产业升级。结合采煤沉陷区、荒漠化土地治理，在具备送出条件和消纳市场的地区，统一规划有序建设光伏发电领跑技术基地，采取竞争方式优选投资开发企业，按照“领跑者”技术标准统一组织建设。组织建设达到最先进技术水平的前沿技术依托基地，加速新技术产业化发展。建立和完善“领跑者”产品的检测、认证、验收和保障体系，确保“领跑者”基地使用的光伏产品达到先进指标。
（3）开展多种方式光伏扶贫
1）创新光伏扶贫模式。
以主要解决无劳动能力的建档立卡贫困户为目标，因地制宜、分期分批推动多种形式的光伏扶贫工程建设，覆盖已建档立卡280万无劳动能力贫困户，平均每户每年增加3000元的现金收入。确保光伏扶贫关键设备达到先进技术指标且质量可靠，鼓励成立专业化平台公司，对光伏扶贫工程实行统一运营和监测，保障光伏扶贫工程长期质量可靠、性能稳定和效益持久。
2）大力推进分布式光伏扶贫。
在中东部土地资源匮乏地区，优先采用村级电站（含户用系统）的光伏扶贫模式，单个户用系统5kW左右，单个村级电站一般不超过300kW。村级扶贫电站优先纳入光伏发电建设规模，优先享受国家可再生能源电价附加补贴。做好农村电网改造升级与分布式光伏扶贫工程的衔接，确保光伏扶贫项目所发电量就近接入、全部消纳。建立村级扶贫电站的建设和后期运营监督管理体系，相关信息纳入国家光伏扶贫信息管理系统监测，鼓励各地区建设统一的运行监控和管理平台，确保电站长期可靠运行和贫困户获得稳定收益。
3）鼓励建设光伏农业工程。
鼓励各地区结合现代农业、特色农业产业发展光伏扶贫。鼓励地方政府按PPP（Public-Private Partnership，政府和社会资本合作）模式，由政府投融资主体与商业化投资企业合资建设光伏农业项目，项目资产归政府投融资主体和商业化投资企业共有，收益按股比分成，政府投融资主体要将所占股份折股量化给符合条件的贫困村、贫困户，代表扶贫对象参与项目投资经营，按月（或季度）向贫困村、贫困户分配资产收益。光伏农业工程要优先使用建档立卡贫困户劳动力，并在发展地方特色农业中起到引领作用。
1.1.2 光伏发电系统结构
【任务说明】
太阳能是光伏发电系统能量的来源，按照光伏发电系统应用结构来分，可以分为离网光伏发电系统和并网光伏发电系统。本书中的“光伏发电系统”均指“太阳能光伏发电系统”，“光伏电池”即“太阳能电池”。从光伏发电系统应用角度出发，要求掌握离网光伏发电系统、并网光伏发电系统的结构组成及各部件功能。
【任务实施】
1.离网光伏发电系统
（1）离网光伏发电系统组成
离网光伏发电系统主要包括光伏电池组件（光伏阵列）、光伏控制器、蓄电池、离网逆变器和负载。光伏发电的核心部件是光伏电池组件（即太阳能电池板），它能将太阳光直接转换成电能；并通过控制器把光伏电池产生的电能存储于蓄电池中；当负载用电时，蓄电池中的电能通过控制器合理地分配到各个负载上。光伏电池所产生的电流为直流电，可以直接以直流电的形式应用，也可以用逆变器将其转换成为交流电，供交流负载使用。光伏发电的电能可以即发即用，也可以用蓄电池等储能装置将电能存储起来。离网光伏发电系统结构如图1-3所示。
图1-3 离网光伏发电系统
（2）离网光伏发电系统各部件功能
1）光伏电池组件。
光伏电池组件也叫太阳能电池板，是太阳能发电系统中的核心部分。其作用是将太阳光的辐射能量转换为电能，并送往蓄电池中存储起来，也可以直接用于驱动负载工作。当发电容量较大时，就需要用多块电池组件串、并联后构成太阳能电池方阵。目前应用的太阳能电池主要是晶体硅电池，分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池等几种。
2）蓄电池（组）。
蓄电池的作用主要是存储太阳能电池板发出的电能，并可随时向负载供电。太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求是：自放电率低、使用寿命长、充电效率高、深放电能力强、工作温度范围宽、少维护或免维护以及价格低廉。目前为光伏系统配套使用的主要是免维护铅酸电池，在小型、微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池、锂电池或超级电容器。当需要大容量电能存储时，就需要将多只蓄电池进行串、并联，构成大容量蓄电池组。
3）光伏控制器。
光伏控制器的作用是控制整个光伏系统的工作状态。其功能主要有：蓄电池防过充电保护、蓄电池防过放电保护、系统短路保护、系统极性反接保护、夜间防反充保护等。在温差较大的地方，控制器还具有温度补偿的功能。另外控制器还有光控、时控等工作模式，以及充电状态、蓄电池电量等各种状态的显示功能。光伏控制器一般分为小功率、中功率、大功率和风光互补控制器等几种。
4）离网逆变器。
离网逆变器是把光伏电池组件或者蓄电池输出的直流电转换成交流电供应给交流负载使用的设备。
2.并网光伏发电系统
所谓并网光伏发电系统就是光伏电池组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电能后接入公共电网。并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏系统，也有分布式小型并网光伏系统。集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。这种电站投资大、建设周期长、占地面积大。分布式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是目前并网光伏发电的主流。常见并网光伏发电系统一般有下列两种形式。
（1）有逆流并网光伏发电系统
有逆流并网光伏发电系统如图1-4所示。当光伏发电系统发出的电能充裕时，可将剩余电能馈入公共电网，向电网供电（卖电）；当光伏发电系统提供的电力不足时，由电网向负载供电（买电）。由于向电网供电时与电网供电的方向相反，所以称为有逆流并网光伏发电系统。
图1-4 有逆流并网光伏发电系统
（2）无逆流并网光伏发电系统
无逆流并网光伏发电系统如图1-5所示。光伏发电系统即使发电充裕也不向公共电网供电，但当光伏发电系统供电不足时，则由公共电网向负载供电。
图1-5 无逆流并网光伏发电系统