光伏發(fā)電在我國(guó)農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用及推廣研究

劉 峰，鞠 偉，韓 雪

(1.中廣核新能源投資(深圳)有限公司吉林分公司，長(zhǎng)春 130022；2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130021)

0 引言

太陽(yáng)能是太陽(yáng)產(chǎn)生的熱輻射能，由光線傳輸?shù)降厍?。從生命誕生以來(lái)，太陽(yáng)能就是地球生命賴以生存的基礎(chǔ)。在遠(yuǎn)古時(shí)代，古人類利用陽(yáng)光提供熱能、曬干實(shí)物；而在當(dāng)代，太陽(yáng)能已經(jīng)成為人類社會(huì)能源結(jié)構(gòu)組成中的重要部分，太陽(yáng)能以其綠色、清潔、可再生的特點(diǎn)得到了各個(gè)國(guó)家和地區(qū)的廣泛應(yīng)用。截至2015年，我國(guó)光伏發(fā)電的總裝機(jī)容量超過(guò)了3 500萬(wàn)kW，說(shuō)明國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能的需求非常旺盛。我國(guó)農(nóng)村地區(qū)范圍廣泛，結(jié)合太陽(yáng)能發(fā)電的分布式特點(diǎn)，將太陽(yáng)能光伏發(fā)電因地制宜地應(yīng)用到農(nóng)村地區(qū)，不僅利于農(nóng)村地區(qū)原有生態(tài)環(huán)境的維持、增加農(nóng)民收入，還能顯著提高我國(guó)光能利用的規(guī)模化，對(duì)我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化具有積極的意義。

1 光伏發(fā)電技術(shù)概述

1.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的基本原理

利用太陽(yáng)能電池(一種類似于晶體二極管的半導(dǎo)體器件)的光生伏打效應(yīng)直接把太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N發(fā)電方式，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器就是太陽(yáng)能電池，也叫光伏電池。當(dāng)太陽(yáng)光照射到由p、n型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的太陽(yáng)能電池上時(shí)，其中一部分光線被反射，一部分光線被吸收，還有一部分光線透過(guò)電池片。所吸收的光能激發(fā)被束縛的高能級(jí)狀態(tài)下的電子，產(chǎn)生電子·空穴對(duì)，在p-n結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)作用下，電子、空穴相互運(yùn)動(dòng)(如圖1所示，n區(qū)的空穴向p區(qū)運(yùn)動(dòng)，p區(qū)的電子向n區(qū)運(yùn)動(dòng)，使太陽(yáng)電池的受光面有大量負(fù)電荷〔電子)積累，而在電池的背光面有大量正電荷〔空穴)積累。若在電池兩端接上負(fù)載，負(fù)載上就有電流通過(guò)，當(dāng)光線一直照射時(shí)，負(fù)載上將源源不斷地有電流流過(guò)，如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理

在規(guī)?；陌l(fā)電系統(tǒng)中，可以將半導(dǎo)體晶體硅封裝為光伏組件，然后由陽(yáng)光照射光伏組件陣列生成電能。半導(dǎo)體晶體硅的光電轉(zhuǎn)換率在18%～20%，使用壽命超過(guò)25 a，因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)建成后能夠以極低的成本運(yùn)營(yíng)，不消耗任何資源。

1.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

通過(guò)太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)稱為太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。其主要結(jié)構(gòu)由太陽(yáng)能電池組件(或方陣)、蓄電池(組)、光伏控制器、逆變器(在有需要輸出交流電的情況下使用)以及一些測(cè)試、監(jiān)控、防護(hù)等附屬設(shè)施構(gòu)成。從宏觀角度來(lái)看，光伏發(fā)電系統(tǒng)又分為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)(獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng))兩種形式。

1.2.1 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)原理如圖2所示。太陽(yáng)能電池方陣吸收太陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)化成電能后，在防反充二極管的控制下為蓄電池組充電。直流或交流負(fù)載通過(guò)開(kāi)關(guān)與控制器連接?？刂破髫?fù)責(zé)保護(hù)蓄電池，防止出現(xiàn)過(guò)充或過(guò)放電狀態(tài)，即在蓄電池達(dá)到一定的放電深度時(shí)，控制器將自動(dòng)切斷負(fù)載，當(dāng)蓄電池達(dá)到過(guò)充電狀態(tài)時(shí)，控制器將自動(dòng)切斷充電電路。有的控制器能夠顯示獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的充放電狀態(tài)，并能貯存必要的數(shù)據(jù)，甚至還具有遙測(cè)、遙信和遙控的功能。在交流光伏發(fā)電系統(tǒng)中，DC—AC逆變器將蓄電池組提供的直流電變成能滿足交流負(fù)載需要的交流電，即生成的電能獨(dú)立使用，不并入國(guó)家電網(wǎng)，這種形式通常應(yīng)用在國(guó)家電網(wǎng)尚未普及的偏遠(yuǎn)地區(qū)或不適宜設(shè)置電網(wǎng)系統(tǒng)的地點(diǎn)，例如山區(qū)等。常見(jiàn)的離網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用有太陽(yáng)能殺蟲(chóng)燈、太陽(yáng)能水泵等。

圖2 離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)示意圖

1.2.2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是與電網(wǎng)相連，并向電網(wǎng)饋送電能的光伏發(fā)電系統(tǒng)。一種是將產(chǎn)生的全部電力都輸送到國(guó)家電網(wǎng)，這種形式的發(fā)電規(guī)模較大；另外一種則是在用戶端構(gòu)建分布的光伏發(fā)電系統(tǒng)，這種形式的發(fā)電規(guī)模較小，產(chǎn)生的電能不僅可以并入國(guó)家電網(wǎng)進(jìn)行售賣，還可以留存自用，是一種方便靈活的光伏發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池方陣、聯(lián)網(wǎng)逆變器和控制器三大部分組成。利用蓄電池和太陽(yáng)能電池構(gòu)成獨(dú)立的供電系統(tǒng)來(lái)向負(fù)載提供電能，當(dāng)太陽(yáng)能電池輸出電能不能滿足負(fù)載要求時(shí)，由蓄電池來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充，而當(dāng)其輸出的功率超出負(fù)載需求時(shí)，將電能儲(chǔ)存在蓄電池中;將太陽(yáng)能電池控制系統(tǒng)和電網(wǎng)并聯(lián)，當(dāng)太陽(yáng)能電池輸出電能不能滿足負(fù)載要求時(shí)，由電網(wǎng)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充，而當(dāng)其輸出的功率超出負(fù)載需求時(shí)，將電能輸送到電網(wǎng)中。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)原理如圖3所示。該系統(tǒng)由太陽(yáng)能、光伏陣列、雙向直流變換器、蓄電池或超級(jí)電容和并網(wǎng)逆變器構(gòu)成。

圖3 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

光伏發(fā)電的成本較低，并且隨著技術(shù)的快速發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)將得到廣泛的普及。雖然我國(guó)面積廣闊，但是礦產(chǎn)資源相對(duì)貧乏，無(wú)法滿足經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和社會(huì)生活的需求，發(fā)展太陽(yáng)能發(fā)電成為解決這一問(wèn)題的重要措施。從20世紀(jì)50年代末開(kāi)始，我國(guó)就加入了太陽(yáng)能電池的研究序列，并將其成功應(yīng)用到了衛(wèi)星上。目前，我國(guó)在光伏發(fā)電技術(shù)研究領(lǐng)域位居世界前列。尤其是最近幾年來(lái)，依靠良好的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)和政策扶持，我國(guó)的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模得到了快速的發(fā)展，不僅在廣袤的西北地區(qū)建立了大規(guī)模的光伏發(fā)電廠，還積極推進(jìn)農(nóng)村發(fā)展分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。目前我國(guó)的光伏發(fā)電裝機(jī)容量位居世界首位。

2 農(nóng)村光伏發(fā)電技術(shù)推廣過(guò)程中遇到的問(wèn)題

最近幾年來(lái)，在國(guó)家政策對(duì)光伏發(fā)電大力扶持的情況下，我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在農(nóng)村地區(qū)得到了快速的發(fā)展。農(nóng)村實(shí)施光伏發(fā)電模式多樣，屋頂、灘涂、鹽堿地、農(nóng)業(yè)大棚、池塘水庫(kù)等是非常好的應(yīng)用場(chǎng)所，目前，根據(jù)農(nóng)村實(shí)際情況已經(jīng)延伸出多種模式，光伏扶貧、光伏大棚、漁光互補(bǔ)、林光互補(bǔ)等等。但是在向農(nóng)村地區(qū)推廣光伏發(fā)電技術(shù)時(shí)還是遇到了很多問(wèn)題，主要包括如下幾個(gè)方面。

2.1 較高的發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施成本

進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，光伏發(fā)電設(shè)備的生產(chǎn)規(guī)模和效能不斷上升，大規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率不斷提高，使得硬件設(shè)備和系統(tǒng)構(gòu)建的平均成本逐漸降低。但是，相對(duì)于其他發(fā)電形式而言，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本仍然較高。尤其是在采用分布式發(fā)電系統(tǒng)的農(nóng)村地區(qū)，發(fā)電成本將進(jìn)一步提高。以家庭建5 kW光伏電站為例，安裝需要考慮樓頂上是否有充足面積，電站每千瓦需要10 m2左右的電池板，5 kW就需要50 m2。以目前家用光伏電站建造市價(jià)，各種費(fèi)用加起來(lái)平均10元/W左右，與火電3.5元/W相比，造價(jià)較高。因此，大規(guī)模的農(nóng)村地區(qū)光伏發(fā)電技術(shù)推廣還面臨著很大的困難。

2.2 較低的光伏能源認(rèn)知程度

首先，在我國(guó)能源管理機(jī)構(gòu)中，農(nóng)村級(jí)別下的服務(wù)人員數(shù)量較少，并且缺少必要的培訓(xùn)?；鶎庸芾砣藛T缺乏必要的經(jīng)營(yíng)管理和專業(yè)技術(shù)知識(shí)，不能更好地進(jìn)行光伏發(fā)電應(yīng)用的推廣；其次，農(nóng)村地區(qū)的教育水平相對(duì)較低，尤其是需要大力推廣光伏發(fā)電應(yīng)用的偏遠(yuǎn)地區(qū)，使得農(nóng)村居民在光伏能源的利用上不積極，甚至有抵制的想法。

2.3 缺少系統(tǒng)化的扶助政策

在太陽(yáng)能發(fā)展領(lǐng)域，我國(guó)己經(jīng)制定了很多法律法規(guī)和鼓勵(lì)政策進(jìn)行規(guī)范和支持。但是，由于市場(chǎng)發(fā)展較快，政策法規(guī)的制定還是跟不上市場(chǎng)的發(fā)展。在農(nóng)村光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的推廣中，缺乏實(shí)質(zhì)性的補(bǔ)貼和政策支持，制約了行業(yè)的推廣和發(fā)展。

我們正一年比一年更迫近這樣的目標(biāo)：《星火》既要成為省內(nèi)外作家眼中的發(fā)表高地，也要充當(dāng)維系和改良本省文壇生態(tài)的濕地。

3 光伏發(fā)電在農(nóng)村地區(qū)推廣的主要對(duì)策

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了光伏發(fā)電在農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用的相關(guān)對(duì)策。

3.1 完善相關(guān)政策法規(guī)，促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)在農(nóng)村的發(fā)展

在農(nóng)村地區(qū)發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)必須依靠政策的支持。只有完善的政策法規(guī)，才能保證市場(chǎng)的秩序和參與者的利益。另外，政府部門(mén)還應(yīng)該制定相應(yīng)的財(cái)政政策，以有效促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)在農(nóng)村的發(fā)展。應(yīng)該增強(qiáng)市場(chǎng)優(yōu)化配置，加大政策傾斜，促進(jìn)農(nóng)村對(duì)光伏發(fā)電方式和光伏電能應(yīng)用的接受能力。我國(guó)還應(yīng)該從政府層面制定光伏發(fā)電站的發(fā)展規(guī)劃，加強(qiáng)國(guó)家電網(wǎng)的建設(shè)力度，設(shè)立專項(xiàng)資金提高光伏發(fā)電技術(shù)的水平。

3.2 更新農(nóng)村傳統(tǒng)觀念，增強(qiáng)農(nóng)村對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的認(rèn)知

我國(guó)應(yīng)該大力支持太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的推廣應(yīng)該提高到政策層面上來(lái)。各級(jí)部門(mén)應(yīng)該在農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行大力的推廣和宣傳，提高人們對(duì)太陽(yáng)能資源的了解，形成農(nóng)村居民的綠色能源意識(shí)，提高居民應(yīng)用光伏能源的積極性。發(fā)展緩慢的地區(qū)還可以通過(guò)示范戶的示范作用對(duì)光伏能源的特點(diǎn)進(jìn)行宣傳。只有切實(shí)體會(huì)到光伏能源的優(yōu)勢(shì)和帶來(lái)的效益，農(nóng)村地區(qū)才能更加主動(dòng)地接受這一新鮮事物。

3.3 優(yōu)化光伏產(chǎn)業(yè)體系，確定合理的農(nóng)村光伏發(fā)展模式

發(fā)電量較少、布局分散成為農(nóng)村發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)

的主要制約因素。這些因素在很大程度上增加了光伏項(xiàng)目的投資，也對(duì)電能并網(wǎng)能力提出了更高的要求。因此，在農(nóng)村光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前期，要進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、完善布局。對(duì)條件成熟的地區(qū)大力推廣，力求形成規(guī)模，降低成本；而農(nóng)民光伏應(yīng)用意識(shí)較弱的地區(qū)，則可以先通過(guò)示范戶積極引導(dǎo)，但不進(jìn)行大規(guī)模的投資，以免造成不必要的浪費(fèi)。

3.4 加強(qiáng)農(nóng)村金融支持，構(gòu)建完整的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃

3.5 提高人才培養(yǎng)力度，夯實(shí)農(nóng)村地區(qū)的專業(yè)技術(shù)力量

為了更好地支持我國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，應(yīng)該提高光伏發(fā)電技術(shù)的科研力度，培養(yǎng)高科技技術(shù)人才。同時(shí)，還要加強(qiáng)對(duì)基層單位和服務(wù)人員的培訓(xùn)，提高技術(shù)人員的專業(yè)知識(shí)，使其能夠更好地對(duì)光伏發(fā)電產(chǎn)品進(jìn)行推廣和指導(dǎo)，增強(qiáng)農(nóng)村居民對(duì)光伏產(chǎn)品的認(rèn)知，促進(jìn)農(nóng)村地區(qū)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

促進(jìn)低碳環(huán)保、經(jīng)濟(jì)節(jié)能的光伏能源的利用是我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要方向。在未來(lái)的能源規(guī)劃中，國(guó)家不斷加強(qiáng)對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)的扶植力度，中國(guó)的太陽(yáng)能發(fā)電市場(chǎng)將更加活躍。在農(nóng)村地區(qū)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和推廣的過(guò)程中，需要面對(duì)更多的困難，因此，需要國(guó)家在政策和財(cái)政方面提供更多的支持。隨著農(nóng)村地區(qū)對(duì)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)認(rèn)知程度和支持的加深，農(nóng)村能夠充分利用這一技術(shù)發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展成為一個(gè)規(guī)范、完善和繁榮的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)。