太阳能光伏发电体系的运用

1概述

目前，全国各地已有不少太阳能光伏发电项目在建或已建成，有影响的项目包括：奥运会、世博会场馆和中新天津生态城等。太阳能光伏发电是一种优质的可再生能源。在一些电力输送比较困难而太阳能又相对较为充足的区域，设置太阳能光伏发电系统是非常必要的。本文主要论述的是民用建筑太阳能光伏发电系统的相关内容，不涉及大型光伏电站。近年来，在公共建筑上设立太阳能光伏发电系统似乎已成为绿色建筑的标志，并可作为示范工程获得政府的财政补贴。尽管太阳能光伏发电是一种很好的可再生能源，但在目前的技术和经济条件下，许多城市在建筑物上设太阳能光伏发电系统，是否真正发挥了其效能，推动了建筑节能的发展，还有待进一步验证，更没有一个明确的判定方法。在《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》JGJ203-2010中，也未给出选取的标准和方法。在具体工程中，更多的是依据甲方的需求和绿色建筑的需要设置太阳能光伏发电系统。本文试图对民用建筑应用太阳能光伏发电系统所遇到的一些问题给予简要说明，以使太阳能光伏发电系统的选择和使用更具科学性和合理性。

2光伏电池

光伏电池是太阳能光伏发电系统最重要、也是最基本的器件。目前已经商业化批量生产和规模化应用的光伏电池有：晶体硅光伏电池、薄膜光伏电池和硅异质结光伏电池（HIT）等。

2.1晶体硅光伏电池

晶体硅光伏电池是使用晶硅制造的光伏电池，包括单晶硅和多晶硅等。多晶硅光伏电池的转换效率可达15%左右，其单位面积上发电功率高且发电性能稳定，少有光衰效应。但其生产能耗较大，其能耗的75.8%来自多晶硅生产（包括原料工业硅的生产能耗）。如果按照等效电法对生产过程各种能耗进行分析，我国生产1kg多晶硅需要316391kWh等效电，1kWp（峰值功率）的光伏电池板需要1213kg多晶硅，生产1kWp光伏板需要41005100kWh等效电，生产1kWp光伏发电系统平均需要54006700kWh等效电[1]。国内现有的多晶硅厂绝大部分采用改良西门子法——闭环式三氯氢硅氢还原法生产多晶硅，它是当前成熟的多晶硅生产工艺。但最核心的硅提纯等工艺技术（电子级多晶硅纯度要求11个9，太阳能电池级要求6个9）却掌握在美、日、德等发达国家手中。从石英石中提取工业硅需要消耗大量的能源，不仅提炼成本高，而且环境污染严重。我国光伏产业很可能会成为世界太阳能产业的“制造工厂”、发达国家污染和能耗的转移地。2011年1月，工信部、发改委和环保部联合下发了《多晶硅行业准入条件》工联电子[2010]137号文，对多晶硅生产规模和能耗提出要求。到2011年底前，淘汰综合电耗大于200kWh/kg的太阳能级多晶硅生产线。

2.2薄膜电池(Thinfilm)

薄膜电池用硅量少（可降低97%的硅原料使用），但薄膜电池生产设备相对昂贵，主要是从国外引进。与国外合作研发的设备，成本相对会低许多，但技术上有待进一步提高，以确保薄膜电池在长时间使用过程中的稳定性。薄膜电池是将光伏发电与建筑相结合的应用形式。它既是具有建筑功能的发电装置，又是具有发电功能的建筑构件。因此，有利于实现太阳能光伏建筑一体化（BIPV-BuildingIntegratedPhotovoltaics）。薄膜电池透光性和弱光发电性能好，在早晚、阴天等弱光条件下仍可发电，前期生产对环境的污染要比晶体硅小。在同样地理和气象条件下，全年发电量比晶体硅电池高，但占用的安装面积会成倍增加。另外，薄膜电池的转换效率较低（约7%）。在2010年国家能源局280MW光伏电站特许权项目招标中，13个项目仅有一项薄膜电池中标，原因是项目方认为薄膜电池在效率和可靠性方面还有待市场和时间的检验[2]。2.3硅异质结光伏电池（HIT）硅异质结光伏电池是采用晶体硅和薄膜硅（或者叫晶体基片和PN型非晶硅）为原料制造的光伏电池，其兼有二者的优点，转换效率高。像三洋HIT电池板转换效率为18.9%，组件转换效率为16.7%，但价格较贵。

3全生命周期的经济分析

太阳能光伏发电系统在应用时，首先要考虑在全生命周期内的投资、运营及成本回收等问题。通常1kWp光伏发电系统年发电量平均在1000kWh左右，而太阳能光伏电池的寿命为20多年。据有关数据分析：一般太阳能光伏发电系统的总体投资约50元/Wp（在一定条件下政府可以补贴1720元/Wp），目前，总体价格趋于下降。一般系统越大，单位成本价格相对越低。对于不同时间建造的建筑物，由于其功能、定位和重要性不同，最终会导致投资造价的不同。如于2008年7月建成的中新天津生态城服务中心，安装了60kWp太阳能光伏发电系统并投入使用。而正在建设的中新天津生态城的零能耗展示中心，设计安装的一套300kWp太阳能光伏发电系统，二者的单位造价显然是不同的。天津市建筑设计院机电楼（国家二星级绿色建筑）于2010年初建成，安装了一套3kWp太阳能光伏发电系统，主要用于研究目的。其数据可实时传输到楼内的数据采集及展示系统中，而且由于该系统不涉及任何政策补贴和电网因素，因此便于进行分析和比较。系统采用的多晶硅光伏电池组件为KD135GH-2P，三相全数字控制的功率调节器为日本的GS-YUASA，设计寿命>25年，输出效率不低于94%。预计年发电量为3699度，合计2959元/年（电价按0.8元/kWh），成本回收期为70年左右，远超设计寿命（未考虑衰减和维护成本）。如果是大容量且有政府补贴等，投资可降至20元/Wp，成本回收期约20年，再有并网和电价补贴，回收期可降为10年左右。太阳能光伏发电系统的成本回收期大约在十年到几十年不等，主要取决于光伏发电系统的类型和容量、太阳辐射总量、电池材料、运营维护费用以及政府补贴等。太阳能光伏发电系统主要包括：（1）系统设备：光伏电池、逆变器柜、并网柜、并网应急配电柜（如果考虑储能，还有储能电池）及相关管理平台等；（2）系统运营：维护管理、器件更换（含储能电池）、光伏电池衰减等；（3）其他：政策支持（政府补贴）、并网可行性及上网电价等。总之，如果没有政府补贴，又不能并网，再加上银行贷款利息、运营维护费用以及光伏发电系统的正常衰减等因素，那么，全生命周期内的成本回收几乎不可能。如果再考虑采用晶体硅时的前期生产的能耗和环境污染，意义就更有限了。当然，并非光伏发电系统不可用。从国家层面还是鼓励使用包括太阳能光伏发电在内的可再生能源的。在国家《可再生能源法》第十七条明确指出：“国家鼓励单位和个人安装太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统。”因此，在选用时要做好方案比对和技术经济比较。目前，光伏发电系统的整体价位处于走低趋势。特别是薄膜电池，随着相关技术的不断成熟，生产成本不断降低，转换效率的提高，应用前景应该是不错的。