光伏发电的成本考量

光伏发电的成本考量

一、目前光伏上网电价依然居高不下

光伏应用最大的障碍，首先在于居高不下的发电成本。从各种清洁能源的上网电价来看，水电比火电还要便宜0.1元左右，这可以看成对其季节性和发电量不确定性的一种补偿；核电上网价格略高于火电，但其供电稳定，输出功率几乎没有波动，这一点在新能源中独一无二，最适合于取代火电作为电网的基础电站；风电的四区域标杆电价也已确定，价格与核电相比更高一些，但仍具备可比性；惟有光伏上网电价与火电相比远远高出，且其网上电价处于个案处理状态，严重阻碍了其广泛应用。

图7.4　各种新能源发电成本对比（美分/千瓦时）

二、光伏发电系统的构成

典型的光伏发电系统由光伏阵列、电缆、电力电子（控制器和逆变器）和储能原件组成。当负载为直流时，可省略逆变器，但如发电直接上网或负荷为其他交流负载时，逆变器便成为不可省略的器件。另外，在发电直接上网的场合，蓄电池组并不是必要的。

图7.5　光伏发电系统构成

光伏阵列是由若干光伏电池组件根据实际需要经串、并联后排列而成，以满足光伏系统实际电压和电流的需要。光伏阵列的连接方式，一般是将部分光伏电池组件串联成串，再将若干串电池并联成列。串联时要求每个光伏电池组件的输出电流一致，并联时要求每个光伏电池串的输出电压一致，否则必然会形成光伏阵列的内部电流而造成功率浪费以及电池发热损耗。

与孤立运行的离网光伏电站相比，并入大电网可以给光伏发电带来诸多好处。首先，不必考虑负载供电的稳定性和供电质量问题；其次，通过MPPT调整光伏电池可以始终运行在最大功率点，由大电网来接纳光伏电站所发送的全部电能，提高了光伏电站的效率。并网电站基本省略了作为储能环节的蓄电池，避免了蓄电池充放电过程中的能量损失、蓄电池本身的维护费用，但提高了对电力电子器件的要求。电力电子器件主要分为控制器和逆变器两大模块，其中逆变器负责将光伏电池所发的电能从直流转化为正弦电流并入电网，而控制器负责控制光伏电池的最大功率点跟踪并控制逆变器并网电流的波形和功率，使其向电网传送

图7.6　光伏阵列常见的内部串并联结构

的功率与光伏阵列所发送的最大功率相平衡。控制器一般由单片机或者数字信号处理芯片作为核心器件构成，而电压型变换器主要由电力电子开关器件连接电感构成，以脉宽调制的形式向电网送电。

图7.7　光伏发电系统构架

众所周知，太阳每天早上从东方升起，中午升至天空最高点，而傍晚再从西方落下，周而复始，其运动轨迹又随季节的变化而变化，这就使得日光的入射角和方位角始终处于变化中。另外，云雾和大风也会影响太阳的辐射强度和光伏阵列之间的相对位置。因此，为了光伏系统能够在任何时候均能与日光保持一个最佳的角度和位置，以提高太阳辐射能量的采集率，客观上需要

图7.8　太阳跟踪系统结构图

引入太阳跟踪系统。但是，不同技术路线的光伏系统，对太阳跟踪系统的精确度要求相差很大，其中CPV技术对日光的入射角最为敏感，大部分薄膜光伏系统对日光入射角的敏感度都较低，而晶硅电池则居二者之间。不同的精确度需求对应着对太阳跟踪系统的不同投资规模。

三、光伏发电系统的制造成本分析

根据上述分析可以得知，光伏发电系统的成本从材料构成上，主要由电池组件、电力电子器件、电缆等组成，此外必不可少的还有土地成本、资金成本和人工成本等。根据应用的不同（并网或者离网），上述大类的细分组成部分可能发生变化，如逆变器的需要与否，也可能引入其他必要的器件，如离网应用中的储能设备，以及太阳跟踪系统。

表7.2　北京奥运会1 MW太阳能光伏并网系统成本构成

表7.2为北京奥运会使用的太阳能光伏并网系统成本构成。由表7.2可见，在2007年，光伏阵列逆变器是并网系统中最主要的成本组成部分，其中光伏电池组件成本占总成本的一半以上。随着多晶硅价格的暴跌和金融危机的影响，光伏电池组件的价格直线下滑，带动光伏并网系统的总体造价随之下降。具体而言，组件成本在光伏系统造价中的占比也从2007年的60%左右下降到2009年的45%左右，结合其他因素共同导致了光伏系统整体造价2009年下降至2007年的一半。截至目前，单晶硅电池每瓦价格已经低至12元左右，组件成本在光伏系统造价中的占比也滑落至30%到35%之间。

表7.3　光伏系统造价对比（单位：万元）

从上述成分构成的细项可以看出，电池组件及其附属物品是价格下降最快的部分，是带动光伏系统造价降低的主要因素。并网逆变器等电力电子产品由于技术门槛较高，在光伏应用初期价格颇为昂贵，但随着国内产能的形

图7.9　LME铜现货价格

成，价格也有快速回落的趋势。其他如电缆等输配电设备的价格则随铜等主要原材料的价格波动而变化，2010年初由于智利地震造成的供应紧缺，铜价已基本提升至2008年铜价滑坡之前的水平，但随后又有所回落。

四、光伏发电系统的营运收益与成本

虽然取代传统火电让光伏系统有着先天的存在基础，但其长期的合理性需要用持续的盈利能力来加以证明。而与光伏系统盈利直接相关的，则是系统整体的营运能力是否良好。

一般而言，除系统造价的折旧之外，光伏营运所需的维护费用较低，而其发电收益则与其工作环境密切相关。

我国幅员辽阔，各地光辐射强度的差别很大。东南部总体而言光照强度偏低，大部分地区在2～2.5千瓦时/平方米/天之间，部分内陆地区甚至低于2千瓦时/平方米/天，而东北、华北、西北大部分地区都在4千瓦时/平方米/天左右或者超过4千瓦时/平方米/天，西南地区日照强度最高，西藏局部地区甚至超过9千瓦时/平方米/天。

图7.10　中国不同地区光辐射强度分布（千瓦时/平方米/天）

西藏部分地区日辐射量在8.5千瓦时/平方米/天以上，折算为年峰值日照时间则在3 100小时以上，是发展光伏发电的绝佳之地。

考虑到实际辐射面的最佳倾角设置，则可对年日照时间有进一步的提升，特别是对华中部分地区提升较为强烈。但日照至地面的辐射测量是一个复杂的过程，受到大气尘埃、降雨量、云雾遮蔽甚至气温变化等诸多因素的影响。

表7.4　中国各大城市年日照最佳倾角和年日照小时数对比

日照时间直接关系到光伏电站的发电量，例如同样的光伏电站，安装在拉萨地区比安装在贵阳地区发电量高出一倍不止。在设备折旧为光伏电站发电主要成本的情况下，相当于单位发电成本降低50%以上，这对于目前发电成本总体过高导致应用受限的光伏产业来说，具有绝对的意义。

依然以北京奥运会光伏发电示范并网项目为例，该1 MW光伏发电项目第一年发电量为1 364 385度，折合实际发电小时数为1 364.385小时，仅相当于北京地区有效日照时间的87%，相当于理论日照时间的一半左右。造成这种差异的原因是多方面的，例如并网逆变和电缆输电过程都会造成一定程度的损失，目前并网逆变器的效率在85%左右，而电缆输电也会造成大致5%左右的损失。另外，安装太阳跟踪器可以提高法相辐射当量，从而在增加电站总投资10%的条件下增加发电量20%以上。

图7.11　跟踪器对太阳辐射强度的影响（美国）

光伏电站的发电量也会因为尘埃积淀和效率衰减而逐年衰减。晶硅电池效率衰减率较低，每年大致为1%左右，而非晶硅薄膜电池在使用的第一年存在15%～20%左右的较大幅度衰减，之后趋向于稳定在与晶硅电池类似的水平。尘埃积淀问题的严重性随各地大气环境的不同而各异，北京地区大致能够造成1%左右的年衰减率，而在风沙较大的地区封装表面腐蚀也会造成透光率下降。

晶硅电池在弱光情况下对辐射的敏感度降低。通常认为理想情况下同瓦数薄膜电池发电量要高出晶硅电池25%左右。

从积极的角度看，以上因素也为光伏发电成本的降低提供了不小的空间。

表7.5中国各大城市光伏度电成本对比

从上述计算可以看出，根据目前的光伏发电成本计算，日照条件最好的拉萨地区可以在投资补助（50%左右）的情况下直接上网，或者直接以较高的标杆电价上网；条件尚可的北方地区可以在投资补助（50%以上）以照顾性标杆电价上网，但该区域距离用电中心距离较近，输配电成本较低；条件最差的中部区域晶硅光伏电站成本很高，应积极应用薄膜光伏技术结合光伏建筑一体化来实现光伏应用，或者等待晶硅发电成本的进一步下降。

由于晶体硅材料依赖于极其成熟的加工工艺和丰富的原材料储备，在未来很长一段时间内依然可以保持光伏材料的主流地位，目前原材料价格的下降确认了这一趋势；薄膜电池原材料需求小，生产能耗低，成本和能耗优势将使其在不大的生产规模范围快速发展，但由于绝大部分涉及一到数种稀有元素，未来大规模应用时成本预计将大幅度提高，部分抵消了其技术潜力，因此，原材料的稀缺程度和技术潜力的相对值将决定其长期发展，相对而言，在薄膜技术中我们比较看好铜铟硒材料，并密切关注叠层砷化镓的国产化进程。