太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)核心問題與前景展望

范成忠

（青海黃河水電公司格爾木太陽(yáng)能發(fā)電分公司，青海西寧，816000）

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)核心問題與前景展望

范成忠

（青海黃河水電公司格爾木太陽(yáng)能發(fā)電分公司，青海西寧，816000）

太陽(yáng)能光伏發(fā)電高清潔、無污染，有替代不可再生能源的趨勢(shì)。介紹了太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理，為技術(shù)的核心問題提出了相應(yīng)對(duì)策，并以青海省為例，展望了技術(shù)發(fā)展前景。相關(guān)部門應(yīng)加大技術(shù)研發(fā)力度，從用電負(fù)荷、電壓波動(dòng)、諧波污染和孤島效應(yīng)四個(gè)方面開展重點(diǎn)研究。青海省整年平均光照輻射量為6 500 MJ·m-2，位居全國(guó)第2，亟待引進(jìn)高端人才，著力于新能源開發(fā)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電將成為我國(guó)科技和經(jīng)濟(jì)健康、穩(wěn)步向前發(fā)展的支撐。

太陽(yáng)能電池；光伏發(fā)電；青海??；諧波污染；孤島效應(yīng)；人才引進(jìn)

引言

煤炭和石油是目前全世界主要使用的不可再生能源。隨其不斷被開采和消耗，終有一天將枯竭，尋找新的可再生資源成為全球關(guān)注的重點(diǎn)。可再生資源包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、海洋能等，其中太陽(yáng)能是在資源量、污染程度、安全和清潔等方面的最好選擇，將成為本世紀(jì)應(yīng)用規(guī)模最大的能源之一。

目前，太陽(yáng)能發(fā)電主要以光伏發(fā)電為主，利用光伏電池將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，是一種不需要任何燃料、不產(chǎn)生任何污染的技術(shù)。中國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)在不斷發(fā)展，光伏技術(shù)的研究一直在路上。

1 光伏發(fā)電技術(shù)原理

太陽(yáng)能電池將光作用于半導(dǎo)體上，引起光電反應(yīng)。當(dāng)光子聚集到一定量時(shí)，作用到半導(dǎo)體上，光子與半導(dǎo)體反應(yīng)形成電子與空穴，分別形成正電荷與負(fù)電荷，聚集在半導(dǎo)體的兩端。將兩端電極用導(dǎo)線連接后，就會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)的電荷，從而產(chǎn)生電能[1]。通過這個(gè)原理，便能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，并且?chǔ)存到電池里，再利用相應(yīng)的調(diào)節(jié)技術(shù)，將轉(zhuǎn)化的電能轉(zhuǎn)變成供人們使用的標(biāo)準(zhǔn)電能。相對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)電方式而言，這種形式既清潔無污染，又無噪聲。

不同場(chǎng)合所使用的光伏發(fā)電系統(tǒng)也不同。一般情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為混合型、并網(wǎng)型、獨(dú)立光伏型。圖1所示為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)造，主要包括太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、單片機(jī)控制器、逆變器、直流升壓系統(tǒng)、太陽(yáng)能電池板、充電器、蓄電池等[2-3]。

圖1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

比較典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池陣列、儲(chǔ)能系統(tǒng)、逆變器、直流控制系統(tǒng)四大部分組成。當(dāng)太陽(yáng)光照比較強(qiáng)烈時(shí)，太陽(yáng)能電池直接向直流升壓電路提供低壓直流電，利用充電器讓蓄電池儲(chǔ)存電能；當(dāng)太陽(yáng)光照弱時(shí)，太陽(yáng)能電池難以達(dá)到發(fā)電要求，蓄電池就會(huì)提供低壓直流電給直流升壓電路。通過這種方式，可保證發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定和連續(xù)。升壓電路會(huì)將低壓直流電提升為330 V的高壓直流電，利用逆變器作用轉(zhuǎn)變?yōu)?0/220 V的交流電，再經(jīng)過檢測(cè)電路返還給控制器，利用其控制閉環(huán)。

2 技術(shù)核心問題及相應(yīng)對(duì)策

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)雖然有很多優(yōu)勢(shì)，但也存在著一些比較現(xiàn)實(shí)性的核心問題。例如，這種發(fā)電方式轉(zhuǎn)化的是直流電，若要引入公眾電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)使用，必須通過轉(zhuǎn)變器轉(zhuǎn)化為交流電方能夠利用。然而如圖2所示，這個(gè)過程是非常復(fù)雜的，存在的問題也比較多，需要逐一解決[4-5]。

圖2 光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的核心問題

2.1 用電負(fù)荷

太陽(yáng)能光伏發(fā)電主要采用分布式布局，也就是把太陽(yáng)能電池板鋪設(shè)到各種房屋建筑的屋頂上接受光照。屋頂?shù)奶?yáng)能電池板將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎?，可供家庭正常利用。若未用完，可以通過轉(zhuǎn)變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，出售給國(guó)家電網(wǎng)公司，如果晚間供電不足，還可以再?gòu)膰?guó)家電網(wǎng)購(gòu)回。這種光伏發(fā)電模式的規(guī)模相對(duì)較小，但數(shù)量卻較大，所以在進(jìn)行并網(wǎng)時(shí)，會(huì)受到很多因素的影響，比如發(fā)電量不能有效定量，電網(wǎng)對(duì)電負(fù)荷不能有效控制，結(jié)果降低了轉(zhuǎn)變器轉(zhuǎn)化效率，也降低了效益。

利用電力方面的分析軟件建立太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)的用電負(fù)荷變化模型，同時(shí)將模型的電荷預(yù)測(cè)信息與實(shí)際的用電負(fù)荷進(jìn)行比較，進(jìn)而建設(shè)電網(wǎng)用電的負(fù)荷控制模型，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)軟件的分析計(jì)算能力，可改善轉(zhuǎn)變器效率低下的問題，提高轉(zhuǎn)變效益。

2.2 電壓波動(dòng)

利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電發(fā)出的是直流電，在發(fā)電過程中，電源輸出不穩(wěn)定。由于很多因素，如天氣變化、溫度升降以及突發(fā)狀況，也會(huì)造成輸出功率不穩(wěn)定，還使得控制發(fā)電比較困難。如果電源容量與當(dāng)?shù)氐倪\(yùn)行負(fù)載不符合，由于周圍環(huán)境的變化，其在功率輸出上變化會(huì)較大，那么連接點(diǎn)的電壓會(huì)變得非常不穩(wěn)定。所以，光伏發(fā)電在轉(zhuǎn)變并網(wǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生諸如潮流大小變化、方向轉(zhuǎn)變和電壓分布變化等問題。

研究太陽(yáng)能電池各個(gè)部分的特征，創(chuàng)建一個(gè)有效的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型來分析并網(wǎng)電壓波動(dòng)中可能存在的問題，同時(shí)研究典型的電壓波動(dòng)控制方法和控制策略，探究有效提升預(yù)知光伏發(fā)電功率正確性的方法，能夠使得在未知的情況下保障太陽(yáng)能光伏發(fā)電正常安全運(yùn)行。

2.3 諧波污染

如前文所述，若要更好利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能，就要利用轉(zhuǎn)變器把太陽(yáng)能電池發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)變成與電網(wǎng)一致的交流電能。轉(zhuǎn)變器要利用到一些高頻的電子元件，很大概率會(huì)出現(xiàn)諧波現(xiàn)象。當(dāng)諧波的產(chǎn)生量積累到一定程度時(shí)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染，其結(jié)果就是加大電網(wǎng)中一些機(jī)械件的損耗，使得輸電效率大大降低，也會(huì)降低發(fā)電機(jī)和一些用電設(shè)備的效率，嚴(yán)重者甚至發(fā)熱，造成火災(zāi)發(fā)生，或?qū)χ車耐ㄐ畔到y(tǒng)設(shè)施造成干擾。

所有的探究要在充分利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電的基礎(chǔ)上，研究和開發(fā)新的配電系統(tǒng)；從光伏發(fā)電的電源出發(fā)，找出合理的電源優(yōu)化方法（如電池的容量以及選址）；研究太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)的方式，以及有效控制發(fā)電輸出和選擇有效位置；深入探究諧波影響以及電壓的不穩(wěn)定情況，只有這樣才能從根本上保證并網(wǎng)使用的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性。

2.4 孤島效應(yīng)

在用電過程中，電網(wǎng)會(huì)因?yàn)闄z修或者一些故障的發(fā)生而斷電。當(dāng)斷電發(fā)生時(shí)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)備如果不能馬上斷開與電網(wǎng)的連接，就會(huì)產(chǎn)生孤島效應(yīng)，也就是光伏發(fā)電輸出的電和周邊用電負(fù)荷產(chǎn)生電網(wǎng)之外獨(dú)立供電的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象一旦發(fā)生，就很有可能對(duì)用戶和電網(wǎng)檢修人員產(chǎn)生危害，極有可能發(fā)生安全事故，而且電壓頻率不能穩(wěn)定也會(huì)損害一些供電設(shè)施。所以，必須解決相關(guān)問題或者改變方式，才能充分有效地將光伏發(fā)電進(jìn)行大眾化推廣。

出于用電安全的考慮，出現(xiàn)孤島效應(yīng)后要立刻檢測(cè)孤島的所在，并采取相應(yīng)措施，直到故障消除為止。積極開發(fā)在突發(fā)情況下切斷負(fù)荷與劃離孤島的技術(shù)，同時(shí)開發(fā)孤島效應(yīng)與并網(wǎng)之間的切換方式。探究發(fā)生短路時(shí)的電流大小、電流分布對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)的影響，以及有效利用有關(guān)設(shè)備，對(duì)光伏發(fā)電電源和并網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行有效保護(hù)和控制的策略，以達(dá)到立刻劃離故障并恢復(fù)用電的目的。

3 前景展望——以青海省為例

據(jù)有關(guān)資料，2001年我國(guó)光伏電池產(chǎn)量只有3 MW，而2008年達(dá)到2 600 MW，2009年達(dá)到4 000 MW，在短短的8年時(shí)間里上漲了上千倍，增速巨大；與全世界的光伏電池產(chǎn)量相比，占到了40%左右的比例；同時(shí)也成為了全球最大的光伏電池生產(chǎn)國(guó)。

據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院大數(shù)據(jù)庫(kù)顯示：我國(guó)2015年的太陽(yáng)能電池產(chǎn)量是58 000 MW。2015年1月到9月，中國(guó)的新增光伏裝機(jī)量大約是10 500 MW，同比增長(zhǎng)了170%左右。光地面電站新增的裝機(jī)量大約為6 500 MW。

展望未來，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｒ郧嗪Ｊ槔?，青海省在太?yáng)能資源的利用上擁有得天獨(dú)厚的條件。青海省的平均海拔較高，大約是4 000 m，所以空氣相對(duì)比較稀薄，光照透明度比較大，又由于氣候相對(duì)干燥、雨水少、光照時(shí)間多，所以光照資源非常充足。青海省光照比例高達(dá)50%，一年光照時(shí)間一般是在2 400 h左右，整年平均光照輻射量大概為6 500 MJ·m-2，僅次于西藏。特別是柴達(dá)木地區(qū)整年光照輻射量甚至可以達(dá)到7 400 MJ·m-2，是極有潛力應(yīng)用太陽(yáng)能光伏的區(qū)域，亟待引進(jìn)高端人才，著力于新能源技術(shù)與裝備的開發(fā)。

4 結(jié)語(yǔ)

伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及社會(huì)生產(chǎn)力的日益提高，用電領(lǐng)域會(huì)越來越多，用電量也會(huì)越來越大，發(fā)電資源以及發(fā)電源頭需要不斷地開發(fā)和創(chuàng)新。這也促使人們不斷了解太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域，有效解決能源問題，減少用電不足的情況發(fā)生。加大太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的研究力度、開發(fā)新的可再生資源，尤其是更加高效能和高清潔的能源，已迫在眉睫，且必將促進(jìn)中國(guó)科技和經(jīng)濟(jì)健康、穩(wěn)步地向前發(fā)展。

[1]楊靜濤, 賈暉杰, 呂國(guó)東. 并網(wǎng)光伏電站發(fā)電量影響因素分析[J]. 太陽(yáng)能, 2013(17): 40-42.

[2]趙爭(zhēng)鳴, 雷一, 賀凡波, 等. 大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2011, 35(12): 101-107.

[3]劉麗紅. 太陽(yáng)能光伏發(fā)電逐日自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 太原:山西大學(xué), 2013.

[4]尹強(qiáng)民. 探討太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005.

[5]王長(zhǎng)貴. 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)綜述(上)[J]. 太陽(yáng)能, 2008(2): 14-17.

Core Issues and Development Prospects on Photovoltaic Power Generation Technology

FAN Cheng-zhong
(Golmud Solar Power Branch Company, Qinghai Yellow River Hydropower Company, Xining, Qinghai,816000, China)

Photovoltaic power generation has characteristics such as high cleanliness and no pollution, and a trend to replace non-renewable energy. Principles of photovoltaic power generation are introduced, as to further put forward the corresponding countermeasures for the four core issues of such a technology. Also, Qinghai Province is taken as an example to prospect the development of photovoltaic power generation. Related departments should enhance technological research from the four core issues such as power load, voltage fluctuation, harmonic pollution and islanding effect. Qinghai Province has an average of 6 500 MJ·m-2per year of light radiation, ranked 2 in China, so the introduction of high-end talent focusing on new energy development is urgent. Technological revolution on photovoltaic power generation is bound to lead the healthy and steady development of science, technology and economy in China.

Solar Cell; Photovoltaic Power Generation; Qinghai Province; Harmonic Pollution; Islanding Effect; Talent Introduction

TK51

B

2095-8412 (2016) 06-1296-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.066

范成忠(1979-)，男，助理工程師。研究方向：新能源。