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中国光伏发电的技术发展潜力和战略地位
1.1.
中国的能源资源和可再生能源现状和预测
无论从世界还是从中国来看,常规能源都是很有限的,中国的常规能源储量远远低于世界的平均水平,大约只有世界总储量的10%。
图1给出了世界和中国主要常规能源储量预测。
图1世界和中国主要常规能源储量预测
从长远来看,可再生能源将是未来人类主要的能源来源,因此世界上多数发达国家和部分发展中国家都十分重视可再生能源在未来能源供应的重要作用。
在新的可再生能源中,光伏发电和风力发电是发展最快的,也是各国竞相发展的重点。
中国是一个能源生产大国,也是一个能源消费大国。
2003年能源消费总量约为16.8亿吨,比2002年增长13%,其中:
煤炭占67.1%、石油占22.7%、天然气占2.8%、水电等占7.3%。
2003年石油进口达到9700万吨,约占中国总石油消耗的40%。
由于能源需求的强劲增长,煤炭在能源消费结构中的比例有所提高,比2002年提高1个百分点。
图2给出了我国2003年一次能源消费构成。
我国政府重视可再生能源技术的发展,主要有水能、风能、生物质能、太阳能、地热能和海洋能等。
我国目前可再生能源的发展现状如下:
水能:
我国经济可开发的水能资源量为3.9亿千瓦,年发电量1.7万亿千瓦时,其中5万千瓦及以下的小水电资源量为1.25亿千瓦。
到2003年底,我国已建成水电发电装机容量9000万千瓦,其中小水电容量3000万千瓦。
风能:
我国濒临太平洋,季风强盛,海岸线长达18000多公里,内陆还有许多山系,改变了气压的分布,形成了分布很广的风能资源。
根据全国气象台风能资料估算,我国陆地可开发装机容量约2.5亿千瓦,海上风能资源量更大,可开发装机容量在7.5亿千瓦,总共可开发装机容量10亿千瓦。
目前全国已建成并网风力发电装机容量57万千瓦,此外,还有边远地区农牧民使用的小型风力发电机约18万台,总容量约3.5万千瓦。
图22003年中国常规能源消费比例
太阳能:
目前太阳能利用方式主要有热利用和光电利用两种,到2003年底,全国已安装光伏电池约55MWp,主要为边远地区居民及交通、通讯等领域提供电力,现在已开始进行并网光伏发电系统的试验和示范工作。
全国已有太阳能电池生产及组装厂10多家,制造能力超过100MWp。
到2003年底,全国太阳热水器使用量为5200万平方米,约占全球使用量的40%,年生产量为1200万平方米。
生物质能:
生物质能主要有农、林生产及加工废弃物、工业废水和城市生活垃圾等。
目前,全国农村已有户用沼气池1300多万口,年产沼气约33亿立方米;
大中型沼气工程2200多处,年产沼气约12亿立方米;
生物质发电装机容量大于2000MW。
其它可再生能源:
除上述水能、风能、太阳能、生物质能外,还有地热能、海洋能等可再生能源资源,目前所占比例不大。
我国目前可再生能源利用(不含传统秸秆燃烧和50MW以上的大水电)总量为5000万吨标煤,占能源消耗总量3%。
可再生能源是可循环利用的清洁能源,是满足人类社会可持续发展需要的最终能源选择。
目前,小水电、风电、太阳热水器和沼气等可再生能源技术已经成熟,生物质供气和发电技术也接近成熟,具有广阔的发展前景。
预计今后20-30年内,可再生能源将逐步从弱小地位走向能源主角,将对经济和社会发展做出重大贡献。
我国可再生能源到2010,2020直至2050年的发展预测如下:
表1中国可再生能源发展预测(至2050年)
公历年
2003
2010
2020
2030
2050
能源总量(亿吨标煤)
16.8
20
30
40
60
小水电(10MW)
3000
5000
7500
10000
20000
年发电量(亿千瓦时)
960
1600
2400
3200
6400
相当于(亿吨标煤)
0.34
0.56
0.84
1.12
2.24
风电(10MW)
60.5
1000
2000
10000
12.7
210
420
1050
2100
0.0044
0.074
0.15
0.37
0.74
生物质发电(10MW)
200
100
500
2500
5000
0.035
0.18
0.35
0.88
1.75
沼气(亿立方米)
45
250
300
1000
0.036
0.08
0.20
0.24
0.80
光热(万平方米)
5200
27000
50000
100000
0.062
0.12
0.32
0.6
1.2
光电(10MW)
5.5
60
4000
0.55
6.6
390
540
1400
0.0002
0.0023
0.14
0.19
0.49
其它(亿吨标煤)
0.027
0.07
1.00
2.60
4.78
合计(亿吨标煤)
0.504
1
3
6
12
可再生能源比例(%)
5
10
15
20
*:
按照1KWh=350克标煤折算
1.2.
中国电力现状和未来电力缺口分析
中国的电力供应在2000年以前并不紧张。
2001年以后,由于经济发展迅猛,电力需求以每年超过20%的速度增长,2003年全国出现电力供应严重不足的现象,电力供应的紧张情况在今后2-3年内都不会缓解。
2002年全国电力装机容量35657万千瓦,其中煤电占74.5%,发电量16542亿千瓦时,煤电占81.7%。
表2给出了2002年我国电力装机和发电情况。
按照目前的经济发展趋势和中国的资源情况,2010年和2020年的电力供应单靠传统的煤、水、核是不够的,尚存在一定的缺口,需要由可再生能源发电来填补。
表22002年中国电力装机和发电情况(电力科学院)
发电方式
装机容量(10MW)
发电量(亿千瓦时)
容
量
占总量百分比
电
占总量百分比
(10MW)
(%)
(亿千瓦时)
(%)
火电
26554
74.5
13522
81.7
水电
8607
24.1
2746
16.6
核电
446
1.25
265
1.6
总计
35657
16542
100
光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色,预计到2010年中国的光伏发电累计装机容量将达到600MWp,2020年累计装机将达到30GWp,2050年将达到100GWp。
根据电力科学院的预测,到2050年中国可再生能源发电将占到全国总电力装机的25%,其中光伏发电占到5%。
表32010和2020年中国发电装机预测(GW)(电力科学院)
年
煤
水
核
缺口
总计
2010
400
135
12.5
37
584.5
68.40%
23.10%
2.10%
6.40%
100%
2020
592
220
36
102
950
62.30%
23.20%
3.80%
10.70%
图3中国2010年常规发电装机和缺口预测
图4中国2020年常规发电装机和缺口预测
表42010、2020和2050年中国总电力发展需求预测(电力科学院)
年度
装机容量(亿千瓦)
发电量(亿千瓦时)
2002
3.57
16542
5.85
27100
9.50
44000
2050
20.0
92700
表52050年中国发电装机构成预测(电力科学院)
种类
装机容量(亿千瓦)
占总量百分比(%)
煤电
10.0
50%
2.4
12%
气电
1.0
5%
大水电
1.6
8%
小水电
2.0
10%
可再生能源
25%
生物质发电
5%
风电
光电
2.
中国太阳能的资源状况
我国地处北半球,土地辽阔,幅员广大,国土总面积达960万平方公里。
南从北纬4o的曾母暗沙,北到北纬52.5o的漠河,西自东经73o的帕米耳高原,东至东经135o的黑龙江与乌苏里江汇流处,距离都在5000公里以上。
在我国广阔富饶的土地上,有着丰富的太阳能资源。
全国各地的年太阳辐射总量为928-2333KWh/m2,中值为1626kWh/m2。
根据各地接受太阳总辐射量的多少,可将全国划分为五类地区。
一类地区为我国太阳能资源最丰富的地区,年太阳辐射总量6680-8400MJ/m2,相当于日辐射量5.1-6.4KWh/m2。
这些地区包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地。
尤以西藏西部最为丰富,最高达2333KWh/m2(日辐射量6.4KWh/m2),居世界第二位,仅次于撒哈拉大沙漠。
二类地区为我国太阳能资源较丰富地区,年太阳辐射总量为5850-6680MJ/m2,相当于日辐射量4.5-5.1KWh/m2。
这些地区包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。
三类地区为我国太阳能资源中等类型地区,年太阳辐射总量为5000-5850MJ/m2,相当于日辐射量3.8-4.5KWh/m2。
主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。
四类地区是我国太阳能资源较差地区,年太阳辐射总量4200-5000MJ/m2,相当于日辐射量3.2-3.8KWh/m2。
这些地区包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕南、苏北、皖南以及黑龙江、台湾东北部等地。
五类地区主要包括四川、贵州两省,是我国太阳能资源最少的地区,年太阳辐射总量3350-4200MJ/m2,相当于日辐射量只有2.5-3.2KWh/m2。
太阳能辐射数据可以从县级气象台站取得,也可以从国家气象局取得。
从气象局取得的数据是水平面的辐射数据,包括:
水平面总辐射,水平面直接辐射和水平面散射辐射。
从全国来看,我国是太阳能资源相当丰富的国家,绝大多数地区年平均日辐射量在4kWh/m2.天以上,西藏最高达7kWh/m2.天。
与同纬度的其它国家相比,和美国类似,比欧洲、日本优越得多。
上述一、二、三类地区约占全国总面积的2/3以上,年太阳辐射总量高于5000MJ/m2,年日照时数大于2000h,具有利用太阳能的良好条件。
特别是一、二类地区,正是我国人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、边远的广大西北地区,经济发展较为落后。
可充分利用当地丰富的太阳能资源,采用太阳光发电技术,发展经济,提高人民生活水平。
图5中国的太阳能资源分布
颜色
辐射等级
年辐射量(MJ/m2)
日辐射量(KWh/m2)
红
最好
≥6680
≥5.1
桔红
好
5850-6680
4.5–5.1
黄
一般
5000-5850
3.8–4.5
浅蓝
较差
4200-5000
3.2–3.8
深蓝
很差
<
4200
3.2
3.
中国光伏发电的市场发展
3.1.
中国光伏发电市场的历史发展情况
我国于1958年开始研究太阳能电池,于1971年首次成功地应用于我国发射的东方红二号卫星上。
于1973年开始将太阳能电池用于地面(天津港航标灯)。
我国的光伏工业在80年代以前尚处于雏形,太阳能电池的年产量一直徘徊在10KW以下,价格也很昂贵。
由于受到价格和产量的限制,市场的发展很缓慢,除了作为卫星电源,在地面上太阳能电池仅用于小功率电源系统,如航标灯、铁路信号系统、高山气象站的仪器用电、电围栏、黑光灯、直流日光灯等,功率一般在几瓦到几十瓦之间。
在“六五”(1981-1985)和“七五”(1986-1990)期间,国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给以支持,中央和地方政府在光伏领域投入了一定资金,使得我国十分弱小的太阳能电池工业得到了巩固并在许多应用领域建立了示范,如微波中继站、部队通信系统、水闸和石油管道的阴极保护系统、农村载波电话系统、小型户用系统和村庄供电系统等。
同时,在“七五”期间,国内先后从国外引进了多条太阳能电池生产线,除了一条1MWp的非晶硅电池生产线外,其它全是单晶硅电池生产线,使得我国太阳能电池的生产能力猛增到4.5MWp/年(实际年销售量达到0.5MWp),售价也由“七五”初期的80元/Wp下降到40元/Wp左右,这对于光伏市场的开拓起到了积极的推动作用。
太阳能电池已不再仅仅用于小功率电源系统,而开始广泛用于通信、交通、石油、农村电气化、民用产品等各个领域,光伏发电不但列入到国家的攻关计划,而且列入到国家的电力建设计划,同时也在一些重大工程项目中得到采用,如国家计委的“光明工程”、电力部的西藏无电县建设计划、西藏阿里光电计划、林业部的森林防火通信工程、邮电部的光缆工程、石油部的管道阴极保护工程、广电部的村村通工程等。
2001年,我国的太阳能电池年实际年销售量已达4.5MWp,累计用量超过20MWp。
2002年,原国家计委启动了“西部省区无电乡通电计划”,即“送电到乡”工程,通过光伏和小型风力发电的方式,最终解决了西部七省区(西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙、陕西和四川)近800个无电乡的用电问题,光伏组件用量达到19.6MWp,风力发电机840KWp。
这一项目的启动大大刺激了光伏工业的发展,国内建起了几条太阳能电池的封装线,使我国太阳能电池组件的年生产能力迅速达到100MWp(组件封装能力),2002年当年销售量为20MWp。
截止到2003年底,我国太阳能电池的累计装机已经达到55MWp。
1995年以后,大部分非晶硅太阳能电池出口到国外,2003年,我国晶体硅太阳能电池也有一部分出口。
表6中国太阳能电池历年产量、售价和累计用量
年产量
(KWp)
组建售价
(元/Wp)
累计用量
(KWp)
1976
0.5
400.0
0.5
1977
200.0
1.5
1978
120.0
3.5
1979
5.0
100.0
8.5
1980
8.0
80.0
16.5
1981
15.0
75-80
31.5
1982
70.0
51.5
1983
30.0
60.0
81.5
1984
50.0
131.5
1985
45-50
200
1986
40-45
280
1987
40.0
380
1988
a-Si200.0
c-Si150.0
a-Si21-23
c-Si35-45
730
1989
a-Si300.0
c-Si250.0
a-Si23
c-Si35-37
1280
1990
a-Si100.0
c-Si400.0
a-Si22-25
c-Si38-40
1780
1991
a-Si100.0
c-Si450.0
a-Si23-25
c-Si38-40
2330
1992
a-Si150.0
c-Si500.0
a-Si25
c-Si40-42
2980
1993
a-Si250.0
c-Si650.0
a-Si25-27
c-Si40-47
3880
1994
c-Si900.0
进口100.0
5080
1995
c-Si1000.0
进口350.0
c-Si40-47
50-60
6630
1996
a-Si450.0
c-Si1420.0
进口300.0
8800.0
1997
a-Si500.0
c-Si1500.0
c-Si42-47
46-60
11100.0
1998
a-Si430.0
c-Si1670.0
进口200.0
c-Si40-45
45-60
13300
1999
c-Si2000.0
a-Si22-25
c-Si38-45
16000
2000
a-Si600.0
c-Si2200.0
进口500.0
a-Si20-25
c-Si35-45
19000
2001
c-Si4000.0
40-50
23500
c-Si15000.
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