光伏太阳能行业概述

第一节 光伏发电系统 分析

一、光伏系统的基本概念

光伏发电系统是将太阳能转换成电能的发电系统，利用的是光生伏打效应。光伏发电系统的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。

工作原理：白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。

二、光伏发电系统的组成

光伏系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜等设备组成。其各部分设备的作用是：

1、太阳能电池方阵

在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生"光生电压"，这就是"光生伏打效应"。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，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三种。

2、蓄电池组

其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。配套200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为2VDC；配套200Ah以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为12VDC。

3、充放电控制器

是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。

4、逆变器

是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。

逆变器保护功能：（1）过载保护；（2）短路保护；（3）接反保护；（4）欠压保护；（5）过压保护；（6）过热保护。

5、交流配电柜

其在电站系统的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系统的正常供电，同时还有对线路电能的计量。

三、光伏发电系统的分类

一般我们将光伏系统分为独立系统、并网系统和混合系统。

如果根据太阳能光伏系统的应用形式，应用规模和负载的类型，对光伏供电系统进行比较细致的划分，还可以将光伏系统细分为如下六种类型：小型太阳能供电系统（Small DC）；简单直流系统（Simple DC）；大型太阳能供电系统（Large DC）；交流、直流供电系统（AC/DC）；并网系统（Utility Grid Connect）；混合供电系统（Hybrid）；并网混合系统。

1、小型太阳能供电系统（Small DC）

该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。其主要用途是一般的家庭户用系统，各种民用的直流产品以及相关的娱乐设备。如在我国西部地区就大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流灯，用来解决无电地区的家庭照明问题。

2、简单直流系统（Simple DC）

该系统的特点是系统中的负载为直流负载而且对负载的使用时间没有特别的要求，负载主要是在白天使用，所以系统中没有使用蓄电池，也不需要使用控制器，系统结构简单，直接使用光伏组件给负载供电，省去了能量在蓄电池中的储存和释放过程，以及控制器中的能量损失，提高了能量利用效率。其常用于PV水泵系统、一些白天临时设备用电和一些旅游设施中。这种系统在发展中国家的无纯净自来水供饮的地区得到了广泛的应用，产生了良好的社会效益。

3、大型太阳能供电系统（Large DC）

与上述两种光伏系统相比，这种光伏系统仍然是适用于直流电源系统，但是这种太阳能光伏系统通常负载功率较大，为了保证可以可靠地给负载提供稳定的电力供应，其相应的系统规模也较大，需要配备较大的光伏组件阵列以及较大的蓄电池组，其常见的应用形式有通信、遥测、监测设备电源，农村的集中供电，航标灯塔、路灯等。我国在西部一些无电地区建设的部分乡村光伏电站就是采用的这种形式，中国移动公司和中国联通公司在偏僻无电网地区建设的通讯基站也有采用这种光伏系统供电的。如山西万家寨的通讯基站工程。

4、交流、直流供电系统（AC/DC）

与上述的三种太阳能光伏系统不同的是，这种光伏系统能够同时为直流和交流负载提供电力，在系统结构上比上述三种系统多了逆变器，用于将直流电转换为交流电以满足交流负载的需求。通常这种系统的负载耗电量也比较大，从而系统的规模也较大。在一些同时具有交流和直流负载的通讯基站和其它一些含有交、直流负载的光伏电站中得到应用。

5、并网系统（Utility Grid Connect）

这种太阳能光伏系统最大的特点就是光伏阵列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之后直接接入市电网络，并网系统中PV方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚，光伏阵列没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用PV方阵所发的电力从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本。但是系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压，频率等指标的要求。因为逆变器效率的问题，还是会有部分的能量损失。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能光伏组件阵列作为本地交流负载的电源。降低了整个系统的负载缺电率。而且并网PV系统可以对公用电网起到调峰作用。但是，并网光伏供电系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，如谐波污染，孤岛效应等。

6、混合供电系统（Hybrid）

这种太阳能光伏系统中除了使用太阳能光伏组件阵列之外，还使用了油机作为备用电源。使用混合供电系统的目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。比方说，上述的几种独立光伏系统的优点是维护少，缺点是能量的输出依赖于天气，不稳定。综合使用柴油发电机和光伏阵列的混合供电系统和单一能源的独立系统相比就可以提供不依赖于天气的能源。

1）混合供电系统的优点：

（1）使用混合供电系统的还可以达到可再生能源的更好的利用。因为使用可再生能源的独立系统通常是按照最坏的情况进行设计，因为可再生能源是变化的，不稳定的，所以系统必须按照能量产生最少的时期进行设计。由于系统是按照最差的情况进行设计，所以在其他的时间，系统的容量是过大的。在太阳辐照最高峰时期产生的多余的能量没法使用而浪费了。整个独立系统的性能就因此而降低。如果最差月份的情况和其他月份差别很大，有可能导致浪费的能量等于甚至超过设计负载的需求。
 
（2）具有较高的系统实用性。在独立系统中因为可再生能源的变化和不稳定会导致系统出现供电不能满足负载需求的情况，也就是存在负载缺电情况，使用混合系统则会大大的降低负载缺电率。

（3）和单用柴油发电机的系统相比，具有较少的维护和使用较少的燃料。

（4）较高的燃油效率。在低负荷的情况下，柴油机的燃油利用率很低，会造成燃油的浪费。在混合系统中可以进行综合控制使得柴油机在额定功率附近工作，从而提高燃油效率。 5. 负载匹配更佳的灵活性。使用混合系统之后，因为柴油发电机可以即时提供较大的功率， 所以混合系统可以适用于范围更加广泛的负载系统，例如可以使用较大的交流负载，冲击载荷等。还可以更好的匹配负载和系统的发电。只要在负载的高峰时期打开备用能源即可简单的办到。有时候，负载的大小决定了需要使用混合系统，大的负载需要很大的电流和很高的电压。如果只是使用太阳能成本就会很高。
 
2）混合系统还有其自身的缺点：

（1）控制比较复杂。因为使用了多种能源，所以系统需要监控每种能源的工作情况，处 理各个子能源系统之间的相互影响、协调整个系统的运作，这样就导致其控制系统比独立系统复杂，现在多使用微处理芯片进行系统管理。

（2）初期工程较大。混合系统的设计，安装，施工工程都比独立工程要大。

（3）比独立系统需要更多的维护。油机的使用需要很多的维护工作，比如更换机油滤清器，燃油滤清器，火花塞等，还需要给燃油箱添加燃油等。

（4）污染和噪音。光伏系统是无噪音，无排放的洁净能源利用，但是因为混合系统中使用了柴油机，这样就不可避免的产生噪音和污染。 很多在偏远无电地区的通信电源和民航导航设备电源，因为对电源的要求很高，都是采用的混合系统供电，以求达到最好的性价比。我国新疆、云南建设的很多乡村光伏电站就是采用光/柴混合系统。

7、并网混合供电系统（Hybrid）

随着太阳能光电子产业的发展，出现了可以综合利用太阳能光伏组件阵列，市电和备用油机的并网混合供电系统。这种系统通常是控制器和逆变器集成一体化，使用电脑芯片全面控制整个系统的运行，综合利用各种能源达到最佳的工作状态，并还可以使用蓄电池进一步提高系统的负载供电保障率，例如AES的SMD逆变器系统。该系统可以为本地负载提供合格的电源，并可以作为一个在线的UPS（不间断电源）工作。还可以向电网供电或者从电网获得电力。系统的工作方式通常的是将市电和太阳能电源并行工作，对于本地负载而言，如果光伏组件产生的电能足够负载使用，它将直接使用光伏组件产生的电能供给负载的需求。如果光伏组件产生的电能超过即时负载的需求还能将多余的电能返回到电网；如果光伏组件产生的电能不够用，则将自动启用市电，使用市电供给本地负载的需求，而且，当本地负载的功率消耗小于SMD逆变器的额定市电容量的60％时，市电就会自动给蓄电池充电，保证蓄电池长期处于浮充状态；如果市电产生故障，即市电停电或者是市电的品质不合格，系统就会自动的断开市电，转成独立工作模式，由蓄电池和逆变器提供负载所需的交流电能。一旦市电恢复正常，即电压和频率都恢复到上述的正常状态以内，系统就会断开蓄电池，改为并网模式工作，由市电供电。有的并网混合供电系统中还可以将系统监控、控制和数据采集功能集成在控制芯片中。这种系统的核心器件是控制器和逆变器。
四、光伏发电系统应用市场

理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合。目前，光伏发电产品主要用于三大方面：

一是为无电场合提供电源，主要为广大无电地区居民生活生产提供电力，还有微波中继电源等，另外，还包括一些移动电源和备用电源；

二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地厂各种灯具等；

三是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施。我国并网发电正在起步阶段。

２０１０年我国的光伏发电产品产量可能突破１０００兆瓦，成为世界最大的光伏电池生产国。

第二节 光伏太阳能产业链 分析

一、光伏太阳能的产业链 分析

对于全球光伏产业而言，如果说世界各国新能源政策是这一新兴朝阳产业快速崛起的发动机，高新技术则可以说是其从实验室走向市场的助产婆。很显然，在技术开发、产业发展与政策方向均已明确的前提下，对于那些力图进军光伏产业捕捉商机的众多国内企业来说，清楚认识并了解整个光伏产业生态、投资规模与技术要求就变得尤为重要。

光伏太阳能产业链：

多晶硅/单晶硅—硅片/硅碇—光伏电池及组件—应用产品开发

二、光伏太阳能上游产业 分析

在光伏产业链中，高纯度硅料(纯度在99.9999%以上)是光伏企业生产太阳能电池所需要的核心原料。因此，高纯度硅料的开采、提炼和生产也就成为光伏产业集群中最上游的产业。

目前，尽管中国的硅原料矿藏储量占世界总储量的25%(硅本身也是世界上蕴藏量最丰富的矿藏之一)，但因用于太阳能电池生产硅料的主要是单晶硅和多晶硅，它们是通过不同的提炼方式从硅原料中提炼而成，而中国现有的硅原料原始提炼技术远远落后于西方发达国家(国内最高提炼水平只能达到99.5%)，导致国内太阳能电池生产企业所需原材料绝大多数需要从国外进口。如此一来，不仅大大增加企业的生产成本，更成为制约当前我国光伏产业向上游环节发展的“瓶颈”。

由于满足太阳能电池生产需要的高纯度硅生产的核心技术掌握在西方发达国家少数几家企业手中，加之高纯度硅料也可用于军事工业，从而使引进此项核心技术非常困难。同时，从投资角度来看，一个1000吨左右的多晶硅生产线，就如同一个中型的现代石化公司，不仅工程设计复杂，耗电量高(年产千吨多晶硅的生产线需要的供电装机容量为9.8万kw，年总用电量为2.5亿千瓦时)，而且在国内的总投资更是高达10亿元，而1000吨/年目前也是全球公认的高纯度硅料生产的最小经济规模。更为重要的是，进入这一产业最重要的门槛并不是资本，而是技术。

我国硅料工业虽然起步较早(20世纪50年代)，但由于生产规模小、工艺技术落后、环境污染严重、消耗大、成本高，绝大部分企业因亏损而相继停产或转产，到2004年只剩下峨眉半导体材料厂和洛阳单晶硅有限公司两家生产企业，生产能力仅为100吨/年，满足太阳能电池生产需要的硅料实际产量只有80吨。预计2010年我国用于太阳能电池生产的硅料需求将达到4365吨，2015年为1.62万吨。若不以自主知识产权改变国内多晶硅的生产现状，我国硅料工业受制于国际市场的状况将无法改变，这将危及我国光伏产业的进一步发展。

事实上，在各国新能源政策的合力推动下，光伏产业近5年的迅猛发展已导致满足太阳能级硅料呈现出供不应求的局面，其市场价格更是一路高歌。在整个光伏产业链中，上游的原材料对太阳能电池企业的重要性就如同“粮食”一样。对于太阳能电池公司来说，目前甚至今后很长一段时间，关键不是生产能力与销售问题，而是是否有足够的原材料供应，硅料供应紧张将是太阳能 行业 最主要的风险。

三、光伏太阳能中游产业 分析

太阳能电池生产位居光伏产业链的中游。近几年，全球光伏 行业 每年都以超过30%的年速度增长。世界各个发达国家都分别制定了雄心勃勃的光伏产业扩产计划：欧盟内的光伏发电装机容量到2010年将达到3700兆瓦。按照目前欧盟接近1000兆瓦的装机为基准，需要接近50%年装机增速。由于能源紧张、油价高涨、环境保护等各方面的推动，太阳能发电在未来数十年仍将维持高速增长的态势，30%至40%的增长速度将持续到2010年以后。

在国内，随着《新能源法》在2006年1月1日的正式实施，国内已有不少企业将投资转向太阳能电池生产及相关领域。2006年国内企业投资光电，除看重《新能源法》颁布以及相关配套政策的完善和落实给光伏产业带来的巨大商机之外，直接的动因其实来源于欧洲特别是德国市场的爆发性增长。而德国光伏市场的爆发性增长，却可直接归因于该国新的上网电价法推动。随着欧洲企业光伏生产扩产的加速，2007年德国市场将再次达到平衡并开始出口。我国企业的产品只有将目光投向国内市场了，而国内不成规模的新能源市场要完成对这些企业欧洲市场的替代几乎是不可能的。因此，目前国内太阳能光伏产业在迅速发展的同时也面临亟待解决的问题。

四、光伏太阳能下游产业 分析

光伏发电实际上就是太阳能电池在光伏产业链下游产业集群的核心功能价值表现。不过，具体到光伏产业链的下游企业，除太阳能电池并网发电在发电工程等领域的具体应用外，还包括太阳能电池组件的生产和安装，以及太阳能光伏电池与机电产业、建筑材料的结合利用(光伏集成建筑)等方面。太阳能电池组件由于技术含量低、投入小，属于劳动密集型产业，相对于整个光伏产业而言，目前在国内市场的准入门槛还不是太高。

如前所述，光伏发电之所以能迅速进入千家万户，主要得益于世界各国政府行之有效的引导与激励措施。如，德国对光伏发电主要采用两种鼓励方法：一是用高价收购居民的太阳能电力，汇入总电网，每度收购价约0.53欧元，而居民使用太阳能电力的价格则与普通电价相同，每度收购价约0.21欧元，因此激发了居民在自家屋顶、庭院安装太阳能发电设备的自觉性；二是贷款优先，并对贷款贴息3%，鼓励居民购买安装太阳能发电设备。日本为鼓励百姓使用太阳能电力，也采用了补贴方法：居民安装太阳能发电设备所花费的投资由政府补贴50%，太阳能所发的电并入电网，政府高价收购，居民用电的价格则低于收购价格。

在我国，除《新能源法》对光伏发电提供明确的法律支持与相关部委提供产业发展的方向支持外，一些地方政府也相继采取更具体、更行之有效的措施扶持光伏发电企业。2005年10月，上海市政府联合众多太阳能知名企业启动了“十万屋顶光伏发电计划”，拉开了国内太阳能发电大规模应用的序幕。

光伏发电对不新能源进行替代，价格是显见的瓶颈。不过，如果这种替代是放在市场拾遗补缺的角度，价格的瓶颈制约则不复存在。如，在通信、交通、国防、海事以及灯饰、玩具等，凡是有需要利用光电的市场领域，太阳能的光电替代率正占据越来越大的市场份额。

有《新能源法》的推动和国家其他政策的支持，到2020年，光伏发电成本大幅度降低，光伏发电电价就有望接近或达到常规能源电价了。届时，大规模应用光伏产品已不是问题，整个光伏 行业 产业化之路也会越走越宽。从大方向来看，光伏产业不是想不想发展，而是必须发展，而且必须大发展，这是个必然趋势。
 

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