太陽能光伏發(fā)電技術及其應用研究

王現(xiàn)美　潘翔峰　史影甲　包瑞明

摘要：隨著能源問題的不斷加劇，各國對于可再生能源的利用給予了高度重視。太陽能作為綠色、可再生能源，在能源利用追求高效、無污染的情況下，得到了廣泛研究和利用。文章對太陽能光伏發(fā)電技術進行了研究，根據(jù)其應用的情況提出假想，以期為該項技術的廣泛應用提供理論參考依據(jù)。

關鍵詞：太陽能；光伏發(fā)電技術；可再生能源；光伏電池板；控制器；電能儲存 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM615 文章編號：1009-2374（2016）20-0094-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.046

1 太陽能光伏發(fā)電技術

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池板、控制器和電能儲存及變換環(huán)節(jié)構成的。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相關的技術，如太陽能電池技術、聚光器技術以及孤島效應檢測技術等也得到了一定程度的提升。

1.1 太陽能電池技術

光伏電池作為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，在應用的過程中需要注意兩方面的問題：一是光電轉換效率；二是生產(chǎn)成本。第一代光伏電池的原料是硅，隨著硅材料應用范圍的不斷擴大，應用程度已經(jīng)得到了最大范圍的開發(fā)，并且應用技術也達到了成熟階段，但使用成本卻居高不下。在科技的支撐下，人們研制出了第二代光伏電池。電池里面鋪設了很多非硅材料在襯底上，以減少半導體材料對電能的消耗，因不受制作材料以及生產(chǎn)成本的限制，所以可批量生產(chǎn)。繼晶體硅和薄膜電池也是后來開發(fā)的一種新型電池，其之后又進行更為深入的研究，結合先進的設計理念和技術，以增加電池光子的方法使光伏的轉換效率得到進一步的提升。目前，很多研究人員將研究的方向轉向薄膜制造技術上，經(jīng)過理論驗證之后，可將太陽能電池的93%轉換成電能。具體的開發(fā)和實踐還有待時間的考驗。

1.2 光伏陣列的最大功率跟蹤技術

從實際應用情況上看，光伏陣列功率輸出能夠進行非線性傳導，與周圍環(huán)境、光照強度及負載狀況等都有著緊密的聯(lián)系。如圖1所示，光伏陣列電流、電壓輸出特性可用兩條曲線表示。若曲線1和曲線2的太陽光照強度不同，那么，在某一時刻，光伏陣列的運行軌跡達到A點。此時，改變太陽輻照強度，輸出特性曲線就會發(fā)生變化，由1上升為2，此時若負載1不變，那么系統(tǒng)將運行到A'點，與相應的功率最大點存在一定的距離值。為了能夠繼續(xù)觀察最大功率點的運行情況，將負載特性從1變化至2，同樣，太陽輻照度變化從特性2變至特性1，相應的工作點由B點變化至B'點。在負載2降低至負載1后，可以有效地保證系統(tǒng)在太陽輻照度減小的情況下仍然運行，處于最大的功率點A上。

1.3 聚光光伏技術

太陽的光能在經(jīng)過路徑消耗之后，到達地面的能量十分有限，為了提高太陽能的利用效率，采用聚光光伏技術，可有效降低通過路徑的能量消耗。利用聚光光伏技術，可以將太陽光聚集到面積較小的高性能聚光電池上，提高太陽光輻照能量密度，同時有效地降低了生產(chǎn)成本。聚光器在聚光光伏系統(tǒng)中占有核心地位，包括折射聚光器、反射聚光器、混合聚光器、熱光伏聚光器等。其中熱光伏聚光器主要是將太陽能通過輻射器加熱到一定的溫度，然后轉化成光熱能，通過輻射器發(fā)射到太陽能電池上，完成光電轉換。目前，聚光光伏系統(tǒng)的應用尚有需要突破的科學難題，但經(jīng)過不斷地探究，相信未來該項技術的應用將愈發(fā)地純熟。

1.4 孤島效應檢測技術

孤島效應是在電網(wǎng)出現(xiàn)供電故障，因錯誤操作或維修造成供電中斷時，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍處于運行狀態(tài)，以負載電壓的方式向用戶供電，從而形成了自給供電的孤島。在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)處于孤島運行狀態(tài)時，會引發(fā)一系列后果，如電頻、電壓不受控制，極有可能損壞用戶的用電設備，同時在維修的過程中，這種帶電的線路也會威脅到維修人員的人身安全。

通常，對于孤島效應的檢查在并網(wǎng)逆變器側可分為被動和主動兩種檢測方法。其中，被動式檢測方法是在電網(wǎng)斷電時，通過檢測逆變器輸出端電壓、頻率、相位或諧波等變化，以確定電壓輸出是否存在孤島效應。此種檢測方法適用于負載功率變化幅度不大，且與逆變器的輸出不匹配的情況下選用。主動式檢測方法通過調整逆變器，對輸出功率、頻率或相位進行一定的擾動。電網(wǎng)處于正常運行狀態(tài)時，因電網(wǎng)鎖相環(huán)的平衡作用，檢測儀器不會受到干擾信號，但在發(fā)生電網(wǎng)故障后，逆變器的擾動頻率積累到一定的程度，超出允許范圍，就可觸發(fā)孤島效應。主動檢測方式常見的有阻抗測量法、輸出功率擾動法、主動頻率偏移法等。其中，頻率偏移法及頻率移相法因實用性較強，所以得到了廣泛的應用。

2 市場應用

我國的光伏發(fā)電技術主要應用于家用光伏電源，微波通信中繼站光伏電源，光纜通信站光伏電源，輸油輸氣管道陰極保護光伏電源等。如在西藏地區(qū)建成了25～100kW的縣級光伏電站，7座電站的總功率可達420kW。因光伏電站的成立，新疆、甘肅、青海、內蒙古等地區(qū)使用家用光伏電源系統(tǒng)的數(shù)量逐漸增多，有效地保證了基本用電需求。同時，我國很多建筑物在供電方面也已經(jīng)開始嘗試使用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。鳥巢的12個燕尾狀檢票站中就有7個采用了太陽能充電，其不僅能夠滿足檢票系統(tǒng)的用電需求，同時還能向體育場供電系統(tǒng)傳輸電能，有效地補充了供電系統(tǒng)消耗的電能，為使各系統(tǒng)都能夠發(fā)揮穩(wěn)定的功能創(chuàng)造了條件。但在應用的過程中也存在以下六方面的問題：

2.1 原材料緊缺

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，硅材料使用逐漸增多，由此引發(fā)了硅材料緊缺的狀況。在我國，這種現(xiàn)象表現(xiàn)得尤為明顯。為了使太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到良好的發(fā)展，相關部門應采取有力的措施，在擴大硅材料生產(chǎn)能力的同時，研發(fā)能取代硅材料的物質，并通過提升硅材料的利用效率，從而使太陽能光伏發(fā)電技術得到進一步地推廣和廣泛的應用。

2.2 生產(chǎn)規(guī)模小，產(chǎn)業(yè)鏈不完整

目前，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模較小，多在3～30MW之間，個別的能達到50MW，與國外的生產(chǎn)規(guī)模相比，還存在較大的差距。同時，因產(chǎn)業(yè)鏈的不完整，生產(chǎn)的硅片數(shù)量有限，多數(shù)生產(chǎn)廠家不提供電池，多為電池的封裝組件，一定程度上影響了產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率。為此，加大產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)投入，提高科技含量，建立完善的生產(chǎn)體系，實現(xiàn)從生產(chǎn)、加工和運行的完整，從而保障太陽能光伏發(fā)電技術的良好發(fā)展，為實現(xiàn)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行創(chuàng)造條件。

2.3 技術水平低

目前，我國商品晶體硅光伏電池組件的光電轉換效率多在10%～14%之間，組件封裝的水平較低，因長時間放置，表面會有泛黃、起泡等現(xiàn)象發(fā)生，一定程度上影響電池的使用效率，降低了使用壽命。對其加大科技投入，提升技術水平，將成為解決此類問題的關鍵。

2.4 平衡設備薄弱落后

在太陽能光伏發(fā)電中，為了控制電壓及電頻，設置了控制器、逆變器等維持平衡的設備，因設備的技術性能可靠性低、品種規(guī)格少，與國外的產(chǎn)品還存在著較大的差距。

2.5 成本價格高

目前，晶體硅光伏電池組件的生產(chǎn)所需的成本大約在25～30元/W之間，售賣的價格為35～40元/W，相比國外的同類產(chǎn)品，價格相對要高很多，不具備市場競爭力。

2.6 標準規(guī)范不健全

在產(chǎn)品規(guī)格、標準檢驗上，尚無完善、統(tǒng)一的標準，這對于產(chǎn)品的后期使用無疑埋下了隱患。對此，相關部門應采取積極的措施，加大產(chǎn)品質量監(jiān)管力度，從而實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的有序發(fā)展。

3 發(fā)展趨勢

與發(fā)達國家相比，我國太陽能光伏發(fā)電還有很多需要完善的地方，需要政府及相關部門予以政策和資金上的支持，以保證新能源和可再生能源得以良好地發(fā)展。目前，我國政府對新能源和可再生能源的發(fā)展給予了高度重視，面對化石能源的枯竭，大量化石能源對環(huán)境的影響逐漸加劇，國家起草了可再生能源開發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃，為我國新能源以及可再生能源的長期發(fā)展制定了指導方針。在規(guī)劃當中，對于新能源的利用效率提出了要求，其中發(fā)電總容量達到了6000萬kW，太陽能光伏發(fā)電達到45萬kW。未來我國太陽能光伏發(fā)電的總量將逐漸提升，覆蓋的范圍也將更為廣泛，成為我國電業(yè)行業(yè)發(fā)展的主要能動力。相信通過各方面的協(xié)調配合以及努力，我國的太陽能光伏發(fā)電技術將向著更快、更好的方向發(fā)展。

參考文獻

[1] 肖志剛，蔣瑤，尹紹全，等.“太陽能光伏發(fā)電技術及應用”課程改革研究[J].樂山師范學院學報，2013，28（11）.

[2] 朱志福.太陽能光伏發(fā)電技術及其應用[J].城市建設理論研究（電子版），2015，12（22）.

[3] 金千.淺談太陽能光伏發(fā)電技術在建筑電氣節(jié)能設計中的應用[J].價值工程，2012，31（26）.

[4] 馮孝.淺析太陽能光伏發(fā)電技術及其應用[J].建筑工程技術與設計，2015，19（30）.

[5] 劉躍偉.太陽能光伏發(fā)電技術及其應用[J].中國高新技術企業(yè)，2015，31（9）.

[6] 高振福.太陽能光伏發(fā)電技術對建筑電氣設計的影響[J].城市建筑，2014，26（12）.

[7] 蘭正權.太陽能光伏發(fā)電技術在農(nóng)村建筑上的應用

[J].城市建設理論研究（電子版），2015，5（27）.

[8] 路賓，鄭瑞澄，李忠，等.太陽能建筑應用技術研究現(xiàn)狀及展望[J].建筑科學，2013，29（10）.