专家观点 | 光伏发电及特高压电网与新材料

作者简介：

付耀耀，博士，中国科学院宁波材料所智库中心主管，江厦智库《中国新基建与5G智慧城市》课题组专家。

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光伏发电及特高压电网与新材料

煤、石油、天然气等化石能源，长期占据人类能源消费的主体部分。大量传统能源的消耗不仅造成了能源枯竭的威胁，而且引发了严重的环境污染，催生出开发新能源的需求，包括太阳能、风能、地热能、潮汐能等。

光伏发电是将太阳能转换成电能的发电系统，系统主要由三部分构成：太阳能电池板、控制器、逆变器。太阳能电池板是由一块块能接收太阳能的电池串联组合而成，主要原理是利用光电效应使半导体与金属结合的部位之间产生电位差。光伏发电装置所产生的电为直流电，需通过逆变器转化为交流电才能供给电网使用。光伏发电系统有集中式并网和分散式并网方式，集中式并网主要适应于大型光伏电站并网，分散式并网主要适应于城区内、特别是与建筑结合的光伏系统。

对于能源行业而言，除数字化浪潮的加持外，更关键的是其来自供给端、运输端和需求端的整合。其中供给端主要是指氢能、光伏、风电、核电和天然气等能源供应，需求端主要指充电桩和新能源汽车等。单凭这两者还不足以建成一个智慧能源互联网，还要加上“中间运输环节”——特高压。不论新能源供给方是哪类能源，特高压都可将其高效地输送到各个充电站，并具有输送距离远、容量大和损耗低等优势。

一、光伏发电与新材料

制造太阳能电池的材料主要有硅（Si）、硫化镉（CdS）和砷化镓（GaAs）等半导体材料。目前来看，太阳能电池材料主要包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、多元化合物、纳米晶等。如今，全球光伏市场被硅基太阳能电池主导，占全部份额的90%以上，其中多晶硅占65%，单晶硅占35%。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，国际上许多国家的碲化镉薄膜太阳电池已由实验室研究阶段走向规模化生产。

二、光伏并网与新材料

由于光伏发电产生的电流为直流电，需要经过逆变器处理成交流电后方可并入电网。逆变器技术的发展始终与功率器件及其控制技术的发展紧密结合，从开始发展至今经历了5个阶段。

第一阶段：20世纪五六十年代，晶闸管（SCR）的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件；

第二阶段：20世纪 70年代，可关断晶闸管（GTO）及双极型晶体管（BJT）的问世，使得逆变技术得到了发展和应用。

第三阶段：20世纪80年代，功率场效应管、绝缘栅型晶体管、MOS控制晶闸管等功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础。

第四阶段：20世纪90年代，微电子技术的发展使新近的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊控制等技术在逆变领域得到了较好的应用，极大地促进了逆变器技术的发展。

第五阶段 ：21世纪初，逆变技术的发展随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的进步不断改进，朝着高频化、高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向发展。

三、特高压与新材料

打开中国地图，不难发现，能源资源与生产力布局呈逆向分布，是我们国家的一大现实国情。80%以上的能源资源分布在北部，70%以上的电力消费集中在中东部。

特高压被称为“电力高速公路”，与传统输电技术相比，特高压采用超高电压输送电力，具有损耗低、输电容量高、输送距离远等优势，可以更安全、更高效、更环保地配置能源。特高压产业链包括电源、电工装备、用能设备、原材料等，产业链长且环环相扣，特高压的建设带动了导线、铁塔、换流阀、控制保护系统等各类电工装备产品的需求，进而带动对钢芯、铝合金、绝缘材料等原材料的需求。