光伏发电在我国农村地区的应用及推广研究

刘 峰，鞠 伟，韩 雪

(1.中广核新能源投资(深圳)有限公司吉林分公司，长春 130022；2.中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021)

0 引言

太阳能是太阳产生的热辐射能，由光线传输到地球。从生命诞生以来，太阳能就是地球生命赖以生存的基础。在远古时代，古人类利用阳光提供热能、晒干实物；而在当代，太阳能已经成为人类社会能源结构组成中的重要部分，太阳能以其绿色、清洁、可再生的特点得到了各个国家和地区的广泛应用。截至2015年，我国光伏发电的总装机容量超过了3 500万kW，说明国内太阳能的需求非常旺盛。我国农村地区范围广泛，结合太阳能发电的分布式特点，将太阳能光伏发电因地制宜地应用到农村地区，不仅利于农村地区原有生态环境的维持、增加农民收入，还能显著提高我国光能利用的规模化，对我国光伏产业的发展和农村经济的优化具有积极的意义。

1 光伏发电技术概述

1.1 太阳能光伏发电的基本原理

利用太阳能电池(一种类似于晶体二极管的半导体器件)的光生伏打效应直接把太阳的辐射能转变为电能的一种发电方式，太阳能光伏发电的能量转换器就是太阳能电池，也叫光伏电池。当太阳光照射到由p、n型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的太阳能电池上时，其中一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过电池片。所吸收的光能激发被束缚的高能级状态下的电子，产生电子·空穴对，在p-n结的内建电场作用下，电子、空穴相互运动(如图1所示，n区的空穴向p区运动，p区的电子向n区运动，使太阳电池的受光面有大量负电荷〔电子)积累，而在电池的背光面有大量正电荷〔空穴)积累。若在电池两端接上负载，负载上就有电流通过，当光线一直照射时，负载上将源源不断地有电流流过，如图1所示。

图1 太阳能光伏发电原理

在规模化的发电系统中，可以将半导体晶体硅封装为光伏组件，然后由阳光照射光伏组件阵列生成电能。半导体晶体硅的光电转换率在18%～20%，使用寿命超过25 a，因此，光伏发电系统建成后能够以极低的成本运营，不消耗任何资源。

1.2 太阳能光伏发电系统

通过太阳能电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统。其主要结构由太阳能电池组件(或方阵)、蓄电池(组)、光伏控制器、逆变器(在有需要输出交流电的情况下使用)以及一些测试、监控、防护等附属设施构成。从宏观角度来看，光伏发电系统又分为并网发电系统和离网发电系统(独立式光伏发电系统)两种形式。

1.2.1 离网光伏发电系统

离网光伏发电系统原理如图2所示。太阳能电池方阵吸收太阳光并将其转化成电能后，在防反充二极管的控制下为蓄电池组充电。直流或交流负载通过开关与控制器连接。控制器负责保护蓄电池，防止出现过充或过放电状态，即在蓄电池达到一定的放电深度时，控制器将自动切断负载，当蓄电池达到过充电状态时，控制器将自动切断充电电路。有的控制器能够显示独立光伏发电系统的充放电状态，并能贮存必要的数据，甚至还具有遥测、遥信和遥控的功能。在交流光伏发电系统中，DC—AC逆变器将蓄电池组提供的直流电变成能满足交流负载需要的交流电，即生成的电能独立使用，不并入国家电网，这种形式通常应用在国家电网尚未普及的偏远地区或不适宜设置电网系统的地点，例如山区等。常见的离网发电应用有太阳能杀虫灯、太阳能水泵等。

图2 离网发电系统示意图

1.2.2 并网光伏发电系统

并网光伏发电系统是与电网相连，并向电网馈送电能的光伏发电系统。一种是将产生的全部电力都输送到国家电网，这种形式的发电规模较大；另外一种则是在用户端构建分布的光伏发电系统，这种形式的发电规模较小，产生的电能不仅可以并入国家电网进行售卖，还可以留存自用，是一种方便灵活的光伏发电系统。系统主要由太阳能电池方阵、联网逆变器和控制器三大部分组成。利用蓄电池和太阳能电池构成独立的供电系统来向负载提供电能，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由蓄电池来进行补充，而当其输出的功率超出负载需求时，将电能储存在蓄电池中;将太阳能电池控制系统和电网并联，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由电网来进行补充，而当其输出的功率超出负载需求时，将电能输送到电网中。并网发电系统原理如图3所示。该系统由太阳能、光伏阵列、双向直流变换器、蓄电池或超级电容和并网逆变器构成。

图3 并网光伏发电系统示意图

光伏发电的成本较低，并且随着技术的快速发展，光伏发电系统将得到广泛的普及。虽然我国面积广阔，但是矿产资源相对贫乏，无法满足经济的高速发展和社会生活的需求，发展太阳能发电成为解决这一问题的重要措施。从20世纪50年代末开始，我国就加入了太阳能电池的研究序列，并将其成功应用到了卫星上。目前，我国在光伏发电技术研究领域位居世界前列。尤其是最近几年来，依靠良好的产业优势和政策扶持，我国的光伏发电产业规模得到了快速的发展，不仅在广袤的西北地区建立了大规模的光伏发电厂，还积极推进农村发展分布式光伏发电系统。目前我国的光伏发电装机容量位居世界首位。

2 农村光伏发电技术推广过程中遇到的问题

最近几年来，在国家政策对光伏发电大力扶持的情况下，我国光伏发电产业在农村地区得到了快速的发展。农村实施光伏发电模式多样，屋顶、滩涂、盐碱地、农业大棚、池塘水库等是非常好的应用场所，目前，根据农村实际情况已经延伸出多种模式，光伏扶贫、光伏大棚、渔光互补、林光互补等等。但是在向农村地区推广光伏发电技术时还是遇到了很多问题，主要包括如下几个方面。

2.1 较高的发电系统实施成本

进入20世纪以来，我国的光伏发电技术发展迅速，光伏发电设备的生产规模和效能不断上升，大规模发电系统的光电转换效率不断提高，使得硬件设备和系统构建的平均成本逐渐降低。但是，相对于其他发电形式而言，光伏发电系统的发电成本仍然较高。尤其是在采用分布式发电系统的农村地区，发电成本将进一步提高。以家庭建5 kW光伏电站为例，安装需要考虑楼顶上是否有充足面积，电站每千瓦需要10 m2左右的电池板，5 kW就需要50 m2。以目前家用光伏电站建造市价，各种费用加起来平均10元/W左右，与火电3.5元/W相比，造价较高。因此，大规模的农村地区光伏发电技术推广还面临着很大的困难。

2.2 较低的光伏能源认知程度

首先，在我国能源管理机构中，农村级别下的服务人员数量较少，并且缺少必要的培训。基层管理人员缺乏必要的经营管理和专业技术知识，不能更好地进行光伏发电应用的推广；其次，农村地区的教育水平相对较低，尤其是需要大力推广光伏发电应用的偏远地区，使得农村居民在光伏能源的利用上不积极，甚至有抵制的想法。

2.3 缺少系统化的扶助政策

在太阳能发展领域，我国己经制定了很多法律法规和鼓励政策进行规范和支持。但是，由于市场发展较快，政策法规的制定还是跟不上市场的发展。在农村光伏发电产业的推广中，缺乏实质性的补贴和政策支持，制约了行业的推广和发展。

我们正一年比一年更迫近这样的目标：《星火》既要成为省内外作家眼中的发表高地，也要充当维系和改良本省文坛生态的湿地。

3 光伏发电在农村地区推广的主要对策

针对上述问题，本文提出了光伏发电在农村地区推广应用的相关对策。

3.1 完善相关政策法规，促进光伏产业在农村的发展

在农村地区发展光伏发电产业必须依靠政策的支持。只有完善的政策法规，才能保证市场的秩序和参与者的利益。另外，政府部门还应该制定相应的财政政策，以有效促进光伏产业在农村的发展。应该增强市场优化配置，加大政策倾斜，促进农村对光伏发电方式和光伏电能应用的接受能力。我国还应该从政府层面制定光伏发电站的发展规划，加强国家电网的建设力度，设立专项资金提高光伏发电技术的水平。

3.2 更新农村传统观念，增强农村对光伏产业的认知

我国应该大力支持太阳能产业的发展，光伏发电产业的推广应该提高到政策层面上来。各级部门应该在农村地区进行大力的推广和宣传，提高人们对太阳能资源的了解，形成农村居民的绿色能源意识，提高居民应用光伏能源的积极性。发展缓慢的地区还可以通过示范户的示范作用对光伏能源的特点进行宣传。只有切实体会到光伏能源的优势和带来的效益，农村地区才能更加主动地接受这一新鲜事物。

3.3 优化光伏产业体系，确定合理的农村光伏发展模式

发电量较少、布局分散成为农村发展光伏产业

的主要制约因素。这些因素在很大程度上增加了光伏项目的投资，也对电能并网能力提出了更高的要求。因此，在农村光伏产业发展的前期，要进行统一规划、完善布局。对条件成熟的地区大力推广，力求形成规模，降低成本；而农民光伏应用意识较弱的地区，则可以先通过示范户积极引导，但不进行大规模的投资，以免造成不必要的浪费。

3.4 加强农村金融支持，构建完整的光伏产业发展规划

3.5 提高人才培养力度，夯实农村地区的专业技术力量

为了更好地支持我国太阳能产业的发展，应该提高光伏发电技术的科研力度，培养高科技技术人才。同时，还要加强对基层单位和服务人员的培训，提高技术人员的专业知识，使其能够更好地对光伏发电产品进行推广和指导，增强农村居民对光伏产品的认知，促进农村地区光伏产业的发展。

4 结语

促进低碳环保、经济节能的光伏能源的利用是我国社会和经济发展的重要方向。在未来的能源规划中，国家不断加强对光伏发电技术的研发和产业的扶植力度，中国的太阳能发电市场将更加活跃。在农村地区光伏发电产业应用和推广的过程中，需要面对更多的困难，因此，需要国家在政策和财政方面提供更多的支持。随着农村地区对光伏发电产业认知程度和支持的加深，农村能够充分利用这一技术发挥自己的优势，发展成为一个规范、完善和繁荣的光伏发电产业市场。