光伏电站应用形式及前景分析
中国储能网讯：21世纪初是世界光伏产业在经历一个世纪的发展后迎来的一个发展高峰。根据EPIA统计，截至2015年底全世界累计光伏装机容量229GWp[1]。而在2006年至2015年底，这10年间全球光伏累计装机容量相对截至于2005底全球光伏累计装容量翻了45倍[1]，可见全球光伏发展之迅速。我国光伏产业的发展，起始于2009年的“金太阳示范工程”[2]，在国家政府的大力支持下，在过去的6年里，我国光伏累计和新增安装量不断攀升。截至2016年第一季度，我国累计装机容量为50.31GWp[3]，目前我国已然成为世界的光伏安装大国，居世界首位。随着国家鼓励创新光伏电站建设和利用方式，光伏电站的应用形式也趋于多元化。本文将介绍目前已有的光伏并网发电项目形式，以及结合国际形势和国内政策对光伏行业前景进行分析。
一、 光伏电站形式
在国内，根据国家补贴政策的不同，将光伏发电项目分为光伏电站和分布式光伏发电[4]。在国标GB 中，光伏发电系统按是否接入公共电网可分为并网光伏发电系统和独立光伏发电系统，本文所讲的皆为并网光伏发电系统。根据国标GB ，光伏发电系统按安装容量大小可分为三种，小型光伏发电系统：安装容量小于或等于1MWp，中型光伏发电系统：安装容量大于1MWp和小于或等于30MWp，大型光伏发电系统：安装容量大于30MWp;光伏发电系统按是否与建筑结合可分为与建筑结合的光伏发电系统和地面光伏发电系统[5]。
? 根据政策分类
根据《国家发展改革委关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》，光伏发电项目补贴政策分为两大类。
一类为光伏电站，光伏电站作为公共电源建设及运行管理，进行“全额上网”，实行标杆上网电价;另一类是分布式光伏发电，分布式光伏发电实行“自发自用、余电上网、就近消纳、电网调节”的运营模式，实行全电量补贴的政策，电价补贴标准为每千瓦0.42元(含税)，分布式光伏发电系统自用有余上网的电量，由电网企业按照当地燃煤机组标杆上网电价收购。
在《国家能源局关于进一步落实分布式光伏有关政策的通知》指出，利用建筑屋顶及附属场地建设的分布式光伏发电项目，享有一次更换运营模式的机会，该政策起到保障分布式发电项目收益的作用，并不影响分类。《国家电网公司关于做好分布式电源并网服务工作的意见》中指出分布式电源，是指位于用户附近，所发电能就地利用，以10千伏及以下电压等级接入电网，且单个并网点总装机容量不超过6兆瓦的发电项目。包括太阳能、天然气、生物质能、风能、地热能、海洋能资源综合利用发电等类型。
? 应用形式分类
在应用形式上，光伏发电项目主要有集中式光伏电站和分布式光伏电站两大类，集中式光伏电站以地面光伏电站为主，其主要应用形式有常规地面电站(平地)，山地光伏电站、农光互补光伏电站、水上光伏电站以及林光互补光伏电站，这些类型的光伏电站均为“全额上网”，实行标杆上网电价;分布式光伏电站主要为与建筑结合的光伏发电系统，其形式主要为BAPV和BIPV，这类型的光伏电站实行“自发自用、余电上网、就近消纳、电网调节”的运营模式。
集中式电站
集中式光伏电站是指充分利用荒漠土地、荒山荒地、滩涂、废弃物堆放场、废弃矿区以及各类未利用地区丰富和相对稳定的太阳能资源构建的中、大型光伏发电系统，接入高压输电系统供给远距离负荷。
地面光伏电站是目前在中国应用最为广泛的光伏电站应用形式之一，在中国相关政策的支持下得到了飞速的发展，主要是在中国西北部地区得到大规模的应用。图1.2为位于中国西北地区的地面光伏电站的实景图。地面光伏电站的基本特点是：光伏电站安装容量大，占地面积广阔;很多电站建设在偏僻的人烟稀少的地方，光伏电站土建工程量较大;为了光伏电站正常运行与维护，光伏电站需要专业人员驻守维护，相应的附属设施较多。
(a) 青海格尔木10MWp地面并网光伏电站(b) 黄河水电公司共和产业园区200MW地面并网光伏电站
图1.2 位于中国西北地区的地面光伏电站实景图
山地光伏电站
地面电站不可能都建在一马平川的平原上，随着可用土地面积的减少，地面电站逐步向地势复杂的山地发展，进而形成了地面光伏电站的一大组成部分——山地光伏电站。复杂地形的山地给山地光伏电站设计带来了技术上的挑战，这要求我们能合理的选区布置区域，设置阵列间距、倾角、方位角，避免山体和光伏阵列之间带来阴影的遮挡，以及由于光伏阵列分散、分区复杂，带来的设备选型的困难[6]。
图1.3山地光伏电站
农光互补光伏电站
在《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，国家能源局、国务院扶贫办于2014年10月，联合下发了《关于印发实施光伏扶贫工程工作方案的通知》，在全国范围内计划用六年时间，开展光伏发电产业扶贫工程，以及2016年6月份出台的《关于实施光伏发电扶贫工作的意见》发改能源【号等利好政策的推动下，光伏农业扶贫成为光伏产业投资新的兴奋点。
农光互补光伏电站立足于光伏扶贫工程，是地面光伏电站的一种新的模式，也是扶贫工作的新途径。与地面光伏电站相比，农光互补光伏有诸多的优势，有效节约土地资源，实现一地多用和一地多产;可灵活创造适宜不同农作物生长的环境;满足农业用电需求、产生发电效益;开创绿色农业生产的新路径，通过实现农业科技化、农业产业化，将成为区域农业增效和农民增收的支柱型产业;可发展为观光农业，利用良好的交通和区位优势，充分利用农业生产和生态环境两大资源，依托观赏苗等生态旅游资源，配合有机蔬菜等农产品生产采摘等农业旅游资源的开发建设，发展多种形式的观光、休闲和体验等旅游项目，形成特色化、规模化的观光农业[7]。
图 1.4 农光互补光伏项目实景图
水上光伏电站
水上光伏电站是指建设在水库、湖泊、采煤塌陷区形成的水上平台等水面上的光伏发电系统。根据其安装方式可分为水上漂浮式光伏电站和水上打桩式光伏电站;水上漂浮式光伏电站的组成部分主要为光伏面板、汇流箱、逆变设备、变压器、集电线路、聚乙烯浮体架台等，利用水上基台将光伏组件漂浮在水面进行发电的光伏电站。漂浮式适合于深水区(约3-10米)，但目前尚处于示范阶段，技术成熟度有待提高，是未来水上光伏电站的重要发展方向;水上打桩式光伏电站适合于浅水区(约3米以内)，目前主要以“固定打桩+固定支架式”为主和少量“固定打桩+跟踪支架式”[8]。水上光伏电站可与渔业、养殖业结合，成为“渔光互补”光伏电站[9]。
(a) 日本桶川水上漂浮式光伏电站
(b) 英国水上漂浮式太阳电池
图 1.5 水上光伏电站实例
日本是目前世界上水上漂浮式光伏电站实际应用最多的国家，截至2014年，已有3.824 MWp水上光伏电站并网，2015年预计约15 MWp将进行并网，另还有约15 MWp将于2016年年初并网[10]。早在2011年，英国设计师菲尔-波利 (Phil Pauley) 就提出能漂浮在水面的太阳电池(图1.5 (b))，不同于现在的水上光伏电站，它是一种漂浮在海面上的网状太阳电池，太阳电池可连接在一起，形成一个庞大的网络状结构，伴随着浮力船在水面上忽沉忽浮，还可以收集产生的波浪能。
目前，中国的水上光伏电站多以渔光互补项目为主，并已在江苏、山东、天津，河南、河北、上海、宁夏，江西，广东、浙江、安微、湖北等省份进行，其中江苏的渔光互补项目已超过1 GWp。渔光互补光伏电站也是光伏农业扶贫工程的途径之一。
图1.6 中国江苏建湖渔光互补光伏电站
水上光伏电站特点在于不占用土地资源;水体对光伏组件有冷却效应，镜面反射等作用，从而获得更高的发电量;再者，将太阳能电池板覆盖在水面上，还可以减少水面蒸发量，抑制藻类繁殖，保护水资源;此外，灰尘少，减少清洗次数，避免杂草阴影遮挡。而“渔光互补”则可利用水产养殖集中地区丰富的池塘水面资源，开发建设光伏发电项目，采用水上发电、水下养殖的模式，来实现多产业的互补发展[9]。
林光互补光伏电站
2015年11月，国家林业局发布了《国家林业局关于光伏电站建设使用林地有关问题的通知》，规范光伏电站建设使用林地，用以支持光伏产业健康发展。
图1.7 横山县雷龙湾光伏产业园区20兆瓦林光互补项目
该通知明确指出，适宜“林光互补”的林地有，年降雨量400毫米以上区域覆盖度低于30%的灌木林地和年降雨量400毫米以下区域覆盖度低于50%的灌木林地;对于森林资源调查确定为宜林地而第二次全国土地调查确定为未利用地的土地，应采用“林光互补”用地模式，“林光互补”模式光伏电站要确保使用的宜林地不改变林地性质。
尽管根据国家林业局的定义，光伏电站能用的林地范围非常窄，但是这也大大减少了原先出现“涉林”问题而导致光伏项目无法开工，甚至最终搁浅的现象再次发生。林光互补模式开辟了光伏电站建设在土地利用方式的一个崭新的模式，有效推动光伏产业的发展进程。
分布式光伏电站
分布式光伏发电是指在用户所在场地或附近建设运行，以用户侧自发自用为主、多余电量上网且在配电网系统平衡调节为特征的光伏发电设施。其主要应用形式以BAPV和BIPV为主。
“BAPV”(Building Attached Photovoltaic)：附着在建筑物上的太阳能光伏发电系统，也称为“安装型”太阳能光伏建筑。BAPV是利用建筑屋面建设并网光伏电站的形式，将光伏组件直接安装于屋面上进行采光并发电。在多数屋面光伏电站中，光伏电站所发电能首先供给建筑内负荷使用，剩余电量再反馈到电网向电力公司卖电，在国内，采用这类并网方式的光伏电站称为“自发自用，余电上网”的分布式并网光伏电站。
根据屋面形式，屋面光伏电站又可细分为彩钢瓦屋面光伏电站和水泥屋面光伏电站和户用型屋顶光电站。
彩钢瓦屋面光伏电站中，光伏组件通过连接件直接安装在屋面上，节省大量光伏支架;水泥屋面光伏电站多采用配重式安装方式，即通过水泥墩或水泥条基和光伏支架安装光伏组件。户用型屋顶光伏电站也是屋面光伏电站的一种，这类光伏电站是利用居民居住建筑屋面进行安装光伏系统。户用型屋顶光伏电站是分布式并网光伏电站的重要组成部分也是未来分布式发展的重要趋势。
(a) 彩钢瓦屋面光伏电站
(b) 水泥屋面光伏电站
(c)典型户用光伏系统
图1.6 屋面光伏电站实例
“BIPV”(Building Integrated Photovoltaic)：与建筑物同时设计、同时施工和安装并与建筑物形成完美结合的太阳能光伏发电系统，也称为“构建型”和“建材型”太阳能光伏建筑。它作为建筑物外部结构的一部分，既具有发电功能，又具有建筑构件和建筑材料的功能，甚至还可以提升建筑物的美感，与建筑物形成完美的统一体。
图1.7北京奥林匹克森林项目
图1.7展示的是北京奥林匹克森林BIPV项目，该项目竣工于2014年10月，装机容量600kWp，采用透光组件、异形组件、超大组件、柔性组件多种结合。该项目亮点，龙鳞和彩虹桥设计，造型灵动;应用类型多样、解决办公用电需求、大幅减少建筑能耗、提升办公舒适性和智能微网管理系统[11]。
随着人们生活的日益改善，人们对室内环境的要求越来越高，导致建筑在照明、采暖和空调的能耗日益增长，对环境的压力也与日俱增。据统计，建筑能耗占全球总能耗的30%左右。BIPV作为薄膜光伏技术应用的主要途径之一，以其与环境友好、节约能源为主要特征将邮箱的提高我国建筑的节能水平，具有跳出“减排”与“经济增长”之间的两难选择的重大意义。
BIPV带来的相关技术挑战问题，如：安装BIPV时遇到的挑战;操作和维护BIPV时遇到的挑战;BIPV对建筑技术的挑战;关于室内舒适度的挑战;以及居高不下的成本，这些都是导致BIPV的推广程度缓慢的重要原因。
二、光伏电站的前景分析
今年6月21日，欧洲光伏产业协会(SolarPowerEurope，原European Photovoltaic Industry Association：EPIA))汇总了年的光伏市场预测，并作为“Global Market Outlook
For Solar Power / 2016 - 2020”公开发布。
图2.1 GLOBAL ANNUAL SOLAR PV MARKET SCENARIOS UNTIL 2020
该报告预计2016年全世界光伏的新增容量将超过60GW，基于可能性最高的情况预测，估计新增光伏容量将有62GWp左右，在最保守预计中，新增光伏装机容量为47.1GWp，最高预测新增光伏装机容量为76.7GWp。基于可能性最高预测，2020年度全球新增光伏装机容量将有望达到97GW，2020年累计光伏装机容量可能达到700GWp[1]。
在今年6月份，国际可再生能源署发布的《HOW SOLAR PHOTOVOLTAICS WILL REVOLUTIonISE THE ELECTRICITY SYSTEM》预测，到2030年全球光伏累计装机1757GWp，中国光伏累计装机达到422GWp，占全球总装机的24%，紧跟中国其后的是美国，累计装机为237GWp;印度将是排在第三位的光伏大国，累计装机为209GWp。
图2.2 Solar PV deployment by country in GW in 2030[12]
根据国务院办公厅发布的《能源发展战略行动行动计划(年)》，明确指出，到2020年，光伏装机容量达到100GWp左右，光伏发电与电网销售电价相当[13]。
图2.3中国一次能源消费[14]
图2.3展示的是，在2015年4月，由国家发展和改革委员会能源研究所举办的中国2050高比例可再生能演发展情景暨路径研究中指明，2050年可再生能源能够提供60%以上一次能源供应。由于终端能源需求60%以上为电力的高比例的可再生能源发展情景，2050年的能源系统是一个高效率的系统，能源效率比2010年提高90%。届时一次能源供应量仅为34亿吨标准煤，可再生能源占一次能源比例达到62%。
图2.4高比例情景下风电、太阳能发电发展阶段示意图[14]
由于技术突破和成本降低，以及全面深化电力体制改革的成功，2020 年至2040 年间风电和太阳能发电得到迅猛发展，平均年度新增装机容量接近1 亿千瓦。2050 年将实现24 亿千瓦风电和27 亿千瓦太阳能发电，年发电量合计9.66 万亿千瓦时，占全部发电量的64%，成为未来绿色电力系统的主要电力供应来源。
日在巴黎召开的气候变化巴黎大会上，中国国家主席习近平出席开幕式并发表重要讲话，强调各方要展现诚意、坚定信心、齐心协力，推动建立公平有效的全球应对气候变化机制，实现更高水平全球可持续发展[15]，中国将在2030年左右二氧化碳排放达到峰值，并争取尽早实现[16]。
国家能源局起草的《太阳能利用“十三五”发展规划(征求意见稿)》中，规模发展指标指出，到2020年底，光伏发电总装机容量达到150GWp，分布式光伏发电规模显著扩大，总容量达到70GWp，形成西北部大型集中式电站和中东部分布式光伏发电系统并举的发展格局。重点依托现代农业、沿海渔业养殖、荒山缓坡开发规模化光伏电站，作为区域电网的重点新增电源，着力推广居民建筑光伏，以城镇光伏小区、光伏新村为示范带动千家万户建设光伏发电系统。
日，由国家能源局、工业和信息化部和国家认监委共同发布的《关于促进现金光伏技术产品应用和产业升级的意见》以及今年日，国家出台《国家能源局关于下达2016年光伏发电建设实施方案的通知》(下称《通知》)。《通知》指出，2016年全国新增光伏电站建设目标为18.1GW，包括普通光伏电站12.6GW，以及光伏领跑技术基地5.5GW。这都充分体现国家为促进先进光伏技术产品应用和产业升级，加强光伏产品和工程质量管理作出的市场指引作用。
不管是国际形势还是国内形势，光伏产业的发展道路可谓是阳关大道。面对日益恶劣的气候环境，我们需要光伏电站这种运行过程中不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质、无噪声、无污染的发电技术;面对日益减少的不可再生能源，太阳能资源以其分布广泛切取之不尽的优势，在可再生能源应用中具有发展潜力最大、增长比例最高的特点，而光伏发电技术是太阳能资源利用的最成熟、最有效的手段之一。相对于水力发电、风力发电和其它可再生能源，光伏发电受地域性影响较小，资源的分布更均匀，可扩展性更好，而且最适合作为分布式发电安装到负荷中心，可实现就地发电就地使用，减少传输过程中的能量损失[17]。
本文从国家补贴政策，光伏电站运营模式，列举了光伏电站最为常见的应用形式，充分说明了在太阳能资源的利用上，我们有着多元化的应用模式，具有融入自然环境的，而又与时俱进的可持续发展精神。国际与国内优异的光伏产业发展环境，使光伏产业之发展如雨后春笋，展望未来，太阳能资源利用将以光伏电站应用为主体，在未来能源结构中占据较高比例。随着可适合建设大型光伏电站的土地资源越来越来，分布式光伏电站将越来越受青睐，加之领跑者计划与光伏扶贫政策的落实，保障光伏产业的可持续发展。
[1]欧洲光伏工业协会(EPIA)Global Market Outlook For Solar Power / 2016 - 2020。
[2] 财政部，科技部，国家能源局联合印发《关于做好“金太阳”示范工程实施工作的通知》，财建【号。
[3] 国家能源局，2016年第一季度光伏发电建设和运行信息简况。
[4] 国家发展改革委，《国家发展改革委关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的痛》，发改价格【
[5] 中华人民共和国国家标准，光伏发电站设计规范，GB
[6] 王世朋. 关于山地光伏电站优化设计问题的几点探讨[J]. 低碳世界, -71.
[7]何旨羿. 我国农光互补发展现状及前景分析[J]. 科技经济导刊, 2016(5).
[8] 顾华敏. 水上光伏电站建设探索. 新形势下水面光伏电站开发模式、系统设计与建设管理(北京)研讨会。
[9] 诸荣耀. 浅析光伏电站中“渔光互补”技术[J]. 科技创新与应用, 2016(16).
[10] 水上漂浮式光伏电站的国内外发展现状
[11] 佚名. 汉能控股集团总部BIPV项目,北京,中国[J]. 世界建筑, 8-149.
[12] 国际可再生能源署，《HOW SOLAR PHOTOVOLTAICS WILL REVOLUTIonISE THE ELECTRICITY SYSTEM》。
[13] 国务院办公厅关于印发《能源发展战略行动计划(年)》的通知，国办发【2014】31号。
[14] 国家发展和改革委员会能源研究所，中国2050高比例可再生能源发展情景暨路径研究.
[15] 本刊讯. 习近平在巴黎气候大会上讲话:建立公平有效全球应对气候变化机制[J]. 中华纸业, 2015(23).
[16] 毕超. 中国能源CO_2排放峰值方案及政策建议[J]. 中国人口·资源与环境, -27.
[17] 孙韵琳. 并网光伏电站关键特性研究及其PR分析.中山大学博士学位论文。
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