光伏电站系统发展趋势探讨

概述：

当今世界，煤炭、石油等化石能源频频告急，环境污染问题日益严峻。开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展，是人类必须采取的措施。而太阳能作为最具潜力的可再生能源，因其储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性以及实用的经济性，越来越被人们所青睐。

大力发展光伏产业、积极开发太阳能，在全球范围得到了空前重视，已成为各国可持续发展战略的重要组成部分,微机保护装置是电力重要二次部分。光伏产业也称太阳能电池产业，即利用太阳能级半导体电子器件吸收太阳光辐射能，并使之转换为电能的产业。

总体目标

◆建设光伏电站监控设备的统一管理平台

◆整合各类监测数据，实现对不同人员的差异化服务

监控系统构成

光伏电站监控系统采用分级分布式结构配置，发电机保护装置系统由就地监控子站、区域监控中心和全球监控中心组成。就地监控子站位于光伏发电站现场。区域监控中心以省为单位，位于省会城市或者光伏电站比较集中的市县。

就地监控子站构成

为了解决监测设备分散、无法进行远程集中监控和诊断的问题，本系统接入所有的光伏电站在线电能质量监测设备，进行设备统一管理，设备运行数据统一采集、查看和分析，提供综合全面的运行状态监测、运行告警发现与通知、数据查询分析、设备运行管理。

为实现设备的动态扩展接入，系统应能实现在不进行二次开发的情况下即能完成新增监控设备的接入。设备数据接入后进行分级存储，分类汇总统计，利用监测数据和事件信息，可以实现电站设备的集中远程监控，也可以为故障诊断提供技术手段和数据支持，亦为电站管理提供全面的统计数据和各类报表。

软件功能

实时监测太阳能电池板的电压、电流及其运行状况防雷器状态、断路器状态采集与显示实时监控逆变器工作状态，监测其故障信息系统详细运行参数显示障记录及报警

具有电量累计、系统分析、历史记录功能简单易用的参数设置功能

关键技术

统一集控平台系统接入所有的光伏电站在线监控设备和系统：包括汇流系统、逆变系统、环境系统、安防系统、电能及电能质量设备等；线路保护装置，变压器保护装置接入的数据非常全面：包括设备状态数据、设备运行数据、警报数据、事件数据等；系统所提供的应用服务面广，服务的人员包含了电站的各类人员，包括运行人员、检修人员、管理人员等。

坚强的分层式部署架构平台采用SOA架构将涉及诸多的资源都抽象为服务，利用WebService统一接口和数据交换格式,通过服务间的组合和交互形成全面完整的系统应用。变压器保护装置各服务间各自，分层部署，完全松耦合，各服务可升级和维护，不影响其他功能的应用。

采用设备ADP和设备规约库的智能数据采样体系电站设备种类和型号各异，各设备的通信接口和协议也都有差别，即便是同种设备也由于厂商、型号的不同而不同。针对这种情况，对每个设备进行单独开发接已不合适。为解决这个问题，本系统采用设备适配器（ADP）模式（智能设备适配器）实现智能采集。

数据分级存储考虑到不同数据应用的差异以及系统资源的有效利用，所有的数据都分类采集、分类压缩、分类同步，保护装置，差动

保护装置。数据存储按实时表、24小时表、历史表表存储，针对不同的信息（告警、状态、监测数据）分类采集，采用不同的采集策略。告警信息、状态信息、监测数据、统计信息分类存储，分类汇总。

采用设备分布图等方式直观展现，功能层级关联，减少用户操作次数。告警信息可通过弹出告警框、图标闪烁、短信通知、邮件通知等方式及时通知相关人员。通过系统自动分析和设备主动上送的告警发现设备运行异常，并通过与监测数据自动关联，追溯分析设备故障原因，降低故障处理周期，减少电站的运行维护成本。

当今世界，煤炭、石油等化石能源频频告急，环境污染问题日益严峻。而太阳能作为最具潜力的可再生能源，电容器保护装置因其储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性以及实用的经济性，越来越被人们所青睐。大力发展光伏产业、积极开发太阳能，在全球范围得到了空前重视，已成为各国可持续发展战略的重要组成部分。

一、光伏产业的基本内涵

光伏产业也称太阳能电池产业，即利用太阳能级半导体电子器件吸收太阳光辐射能，并使之转换为电能的产业。光伏产业包括光伏材料、电池组件、光伏设备和光伏应用系统。

太阳能发电方式。太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

1．光—热—电转换方式。电力二次设备通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计投资至少要比普通火电站贵5—10倍。一座1000MW（兆瓦，下同）的太阳能热电站需要投资20—25亿美元，平均1千瓦的投资为2000—2500美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

2．光—电直接转换方式。利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。备自投装置和太阳能电池是一种由于光生伏打效应而将太阳光能直接转化为电能的半导体器件，当太阳光照到电池板上时，就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就形成有比较大输出功率的太阳能电池方阵。太阳能电池具有长久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长，可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。

（二）光伏发电系统。包括太阳能电池组件、蓄电池、控制器、逆变

器等。

1．太阳能电池及组件。太阳能电池是光伏发电系统中的核心部分，也是价值最高的部分，投资一般占光伏发电系统总投资的60%。可分为两大类：

一类是晶体硅电池。包括单晶硅电池、多晶硅电池和带硅电池。由于晶体硅在自然界中易于获取，冶炼技术与当代化工、电子工业水平契合得较好，因此晶体硅电池成为光伏箱变测控装置电池市场的主流，2007年占光伏市场份额近90%。其中，单晶硅电池开发的历史最长、技术最成熟、应用最广泛，光电转换效率理论值为24—25%，实际产品为15—18%。多晶硅由单晶硅颗粒聚集而成，光电转换效率理论值为20%，实际产品为12—14%。虽然单晶硅电池的转换效率略高一筹，但由于耗能严重且炼制环节需要成本极高的高纯石英坩锅，因此，1998年起多晶硅的使用量逐渐超过单晶硅，在市场中占主导地位。

另一类是薄膜涂层电池。包括非晶体硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池和多元化合物(砷化镓、碲化镉、硒铟铜、铜铟镓硒等)薄膜电池。薄膜电池是利用非常薄的感光材料制成，附着或涂层于廉价的玻璃、不锈钢或塑料衬底上。与晶体硅电池相比，薄膜涂层电池在光电转换效率上处于劣势（薄膜系中光电转换效率最高的是铜铟镓硒电池，大面积组件的转换效率为12%，碲化镉等其他薄膜电池的转换效率一般为6

—9%），不过其成本低、适应范围广，光伏防孤岛保护装置在太阳能电池市场上拥有一席之地并代表了未来的一个重要发展方向。目前非晶体硅电池、铜铟镓硒电池和碲化镉电池己商业化，多晶硅薄膜电池商业化才刚刚起步。此外，刚刚兴起的有机聚合物太阳能电池和纳米晶太阳能电池的研究开发已开始起步。

2．蓄电池。受太阳辐射强度变化的影响，光伏发电的输入能量不稳定，必须先将产生的直流电通过蓄电池储存起来。储能用蓄电池的投资约占光伏发电系统总投资的15%—20%。一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其特性直接影响系统的工作效率、可靠性和发电价格。根据光伏系统中蓄电池运行要求，必须具有深循环放电、循环寿命长、对过充放电耐受能力强、可免维护或少维护、适应较大温差、能量效率高等特征。

3．控制器。太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备电路短路保护、反接保护、雷电保护、转子接地保护装置温度补偿的功能以及其他附加功能，如光控开关、时控开关。主要有旁路、串联、多阶、脉冲控制器四种类型。

逆变器。太阳能电池的直接输出一般都是12V、24V、48V直流电。为能并网发电或向220V电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能升压并转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。

逆变器按照升压原理的不同分为工频和高频两种，按用途不同分为并网逆变器和离网型逆变器。控制器和逆变器投资约占光伏发电系统总投资的20—25%。

光伏晶体硅电池产业链。光伏晶体硅电池产业链包括四个环节：一是材料制造，将硅料通过提纯和精炼加工成晶体硅；二是硅片制造，将晶体硅熔铸拉棒或成锭再切成片；三是电池片制造，硅片通过半导体加工工艺变成电池片；四是组件制造，将电池片连接并封装形成组件，包括电池测试、正面焊接、背面串接、层压敷设、修边装框、焊接线盒、测试检验等工艺环节。四个环节与光伏应用系统构成一个完整的产业链。硅料、硅片环节为产业上游；电池、组件环节为中游；应用系统环节为下游，目前所涉及企业数量依次大幅增加，整个光伏产业链企业分布呈金字塔型。在光伏发电机差动保护总成本中，太阳电池组件占60%以上；而在晶体硅电池组件成本中，多晶硅原料占35%，硅锭占20%，硅片切割占15%，电池片制造占10%，组件装配占20%。从价值链看，由于世界范围内多晶硅产能缺口导致暴利行情，使得产业链中几乎60%以上的利润来自多晶硅原料环节。据国际相关机构估计，2005—2010年间，全球光伏产业的平均税前利润率约为20%—25%，其中多晶硅提纯的税前利润率约为35%—50%，远高于中下游环节10%—15%的税前利润率。

（四）光伏电池技术走势。在光伏技术的发展趋势上，概括起来有两

个方面：

一是通过制备技术和工艺革新，降低晶体硅电池价格。1.提纯技术和工艺。这是制约光伏产业链的最大瓶颈。一般来说，制造太阳能电池板的多晶硅，纯度需要达到99.9999%。目前国际上多晶硅生产主要的传统工艺有改良西门子法（三氯氢硅还原法）、硅烷法和流化床法，但提纯的关键技术和工艺长期被少数企业垄断，致使太阳能级多晶硅的市场价格居高不下。从今后几年看，新一代低成本、高纯度多晶硅工艺技术研究将日趋活跃，并且一些新技术已初露端倪。2.超薄切割技术。制造更薄的硅片和减少切割过程中的损失，是提高硅材料使用效率、降低组件生产成本的重要环节。现在国际上大量应用的太阳能电池片的厚度约为180—240微米，据预测，到2020年，晶片的厚度将减少一半，达到100微米左右。晶片切割技术上，目前较多采用内圆切割和多丝切割。PT保护测控装置内圆切割是传统的加工方法，材料的利用率仅为40%—50%左右，并且无法加工200毫米以上的大中直径硅片。多丝切割是近年来崛起的一项新型硅片切割技术，主要通过金属丝带动碳化硅研磨料进行研磨加工来切割硅片，具有切割效率高、材料损耗小、硅片表面质量高、可切割大尺寸材料等特点。作为一种先进的切割技术，今后多丝切割将逐渐取代传统的内圆切割，成为硅片切片加工的主要方式。3.废液废气回收利用技术。资料显示，利用化学方法提炼高纯多晶硅，每提纯1吨，就会有8吨以上的四氯化硅产生，还有三氯氢硅、氯气等废液废气。未经处理回收的四氯化硅是一种有极强腐蚀性、难以保存的有毒液体，但如果能

有效分离废液废气中的四氯化硅、三氯氢硅、氯化氢和氢气，那么不仅可以返回系统循环使用，其中四氯化硅如果能达到99.99%以上的纯度，还是极有价值的光纤级原料副产品(现在我国光纤生产用四氯化硅全部由国外进口)。目前德国Wacker等国际厂商己具备先进的尾气回收和循环利用硅料技术。

二是发展薄膜电池。薄膜光伏电池用硅量极少，成本比多晶硅和单晶硅电池降低数倍。同时，它既是一种高效能源产品，又是一种新110KV升压站要110KV型建筑材料，更容易与建筑完美结合。所以，微机保护装置使用薄膜电池被公认为是国际光伏电池市场未来发展的重点。日、德、美等国正加紧开展薄膜光伏电池研发和商业化，探索低成本、大面积化的薄膜光伏电池技术。据欧洲能源协会预测，到2010年薄膜光伏电池将占光伏电池的20%。还有专家估计，到2013年，薄膜电池有望与晶体硅电池平分秋色。

（五）光伏发电应用产品。太阳能光伏发电应用产品包括太阳能照明、太阳能充电器以及各类光电转换器具和用品。目前，太阳能照明应用技术已取得较大突破，并且已较成熟地应用于建筑物楼道照明、城市亮化照明等，特别是光伏与建筑一体化（BIPV）取得突破性进展。城市亮化照明，就是将太阳能电池板作为发电机后备保护系统，让蓄电池充电达到一定程度时，控制系统内设的自动保护系统使电池板自动切断电源，实行自动保护；到夜间开启，输出电流，使各类负载灯

具产生照明效果。而建筑物楼道照明则是将太阳能电池板安装在天台或屋面，分体安装蓄电控制系统，用专用导线传送到楼道，采用声光感应和延时控制，自行启动和关闭。太阳能照明灯具，包括太阳能草坪灯、庭院灯、景观灯、高杆灯、信号灯、航标灯等，一般采用LED或直流节能灯。

光伏与建筑一体化(BIPV)提出了“建筑物产生能源”的新概念，即通过建筑物，主要是屋顶和墙面与光伏发电集成起来，使建筑物自身利用绿色、环保的太阳能资源生产电力。光伏与建筑的结合有两种方式：一种是建筑与光伏系统相结合，就是把封装好的光伏组件安装在居民住宅或建筑物的屋顶上，再与逆变器、蓄电池、控制器、负载母联保护等装置组成一个发电照明系统；另一种是建筑与光伏器件结合，将光伏器件与建筑材料集成一体，用光伏组件代替屋顶、窗户和外墙，形成光伏与建筑材料集成产品，既可以当建材，又能利用绿色太阳能资源发电，还可以降低BIPV系统造价。这必将推动太阳能建筑节能产业化和市场化的进程。

世界光伏产业发展现状及趋势

光伏产业的应用市场主要为并网发电、离网工业应用和发展中国家农村电气化应用。其中，并网发电占70%左右。光伏并网发电成本高昂，在中短期内与传统电力比较并无优势。根据光伏电池发电成本测算，目前太阳能并网发电的成本约为火电等常规电源的10倍，且

中短期内这一成本无法得到有效的下降，只有通过产业补贴和产业规模化，光伏应用市场才能保持持续发展。

（一）全球光伏市场发展迅猛。上世纪80年代，各国纷纷立法，制定鼓励，提出发展规划，大力扶持推广，促进了光伏产业飞速发展。太阳能光伏发电已成为可再生能源领域中继风电场箱变测控装置之后产业化发展最快、最大的产业。据权威商业研究机构Solarbuzz的最新数据显示，2007年全球光伏组件系统新增装机容量2826MW，同比增速达62%，全球累计光伏组件装机容量为9450MW，实现收入172亿美元。2000—2007年间，全球光伏累计装机容量年复合增长率达到30.83%，增长态势迅猛。欧洲是目前全球光伏业最大的消费市场。其中，德国2007年新增装机容量1328MW，同比增长38%，占全球新增光伏装机容量的47%。西班牙则紧随其后，以0MW的新增容量占据全球第2位，增长4.8倍。此外，美国市场也表现显著，2007年新增容量220MW，同比增幅超过了57%，而日本表现不佳，仅新增230MW，同比下降23%。

据欧洲光伏工业协会（EPIA）预测，2010年全球累计装机总容量将达12—15GW（千兆瓦，下同），2012年将达30GW，年复合增长率达30%以上。2020年光伏发电在世界电力生产中所占的比例将达1%，到2050年达25%左右，成为重要的能源供应来源；全球太阳能发电市场的规模将从2005年的110亿美元增长到2015年的510亿美

元。

全球太阳能电池产能大幅扩张。全球光伏产业主要集中在四个地区：欧洲、美国、日本和中国，近年来呈加速扩张之势。

1．在电池及组件方面。2006年全球太阳能电池产量为2500MW，同比增长44.8%（见表1）。中国列日本、欧洲之后，跃居全球第3位。2007年全球产量达到3436MW，增长37%，产能达5000MW；其中，全球薄膜太阳能电池产量达400V低压发电机保护装置，同比增长1.1倍，占全球太阳能电池份额达12%，提升3.8个百分点。据中国太阳能协会最新数据显示，2007年中国太阳能电池产量达1188MW，超过欧洲、日本，跃居全球第1位；中国、欧洲、日本分别占全球份额的35%、30%和26%。欧洲电池总产量达到1060MW，日本为900MW，欧洲也首次超过日本，而德国的Q-cells公司产量达390MW，超过夏普公司，位居全球第1位。