光伏發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景探討

許大維

[摘要]光伏發(fā)電技術(shù)不僅具有廣闊的發(fā)展空間，而且?guī)砹酥T多就業(yè)契機(jī)，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。文章梳理了光伏發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，對其主要技術(shù)展開分析，并探究了光伏發(fā)電技術(shù)的未來應(yīng)用前景。

[關(guān)鍵詞]光伏發(fā)電技術(shù)；研究技術(shù)；應(yīng)用前景

[DOI]1013939/jcnkizgsc201915069

以往的化石能源資源逐漸貧瘠，環(huán)境的嚴(yán)重破壞限制了世界經(jīng)濟(jì)的良好發(fā)展。能源需求量直線上升，相關(guān)資源現(xiàn)已變成主要的戰(zhàn)略物資。和其他國家相比，我國化石能源短缺效果更加明顯。據(jù)有關(guān)預(yù)測表示，我國現(xiàn)存煤炭資源在104年之內(nèi)會(huì)全部采完，電能供應(yīng)缺口則會(huì)在2020年到達(dá)100GW。

1國內(nèi)外光伏電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀分析

太陽能光伏發(fā)電近些年備受世界各國關(guān)注，日本充分運(yùn)用其技術(shù)優(yōu)勢，不斷研發(fā)光伏電產(chǎn)品，產(chǎn)量現(xiàn)已超過世界產(chǎn)量的60%；英國、美國、德國、日本等企業(yè)也已壟斷世界范圍內(nèi)的相關(guān)產(chǎn)品市場，出口額達(dá)到全球貿(mào)易額的85%之上。根據(jù)歐盟預(yù)估，此市場會(huì)從當(dāng)下的3500MW上升至2020年的75Gp，光伏發(fā)電能滿足非洲35%、OECD國家和經(jīng)濟(jì)合作國家15%的電力需求。

對比先進(jìn)國家，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)生成兩頭在外的局面，具體是指92%的原材料都是進(jìn)口而來，而92%的光伏產(chǎn)品卻流進(jìn)了國際市場。其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度也較慢，相應(yīng)的光伏材料發(fā)展也無法與時(shí)俱進(jìn)。早在上個(gè)世紀(jì)中期我國就已對太陽能光伏電池展開探究，并且把其成功運(yùn)用在了東方紅二號(hào)衛(wèi)星上。從70-80年代，因?yàn)槌杀据^高，太陽電池使用范圍也比較局限。直至90年代后，伴隨成本的減少，太陽電池產(chǎn)量飛速提升，其開始進(jìn)軍農(nóng)村電氣化與工業(yè)領(lǐng)域，開辟出更多的市場，我國也確定了具體的光伏計(jì)劃。到2017年，我國電池產(chǎn)量達(dá)到了400MW，組件產(chǎn)量有600MW。[1]

2光伏發(fā)電設(shè)施的主要技術(shù)

21PV系統(tǒng)構(gòu)造

PV系統(tǒng)又叫做基本光伏電池系統(tǒng)，主要有交流模塊、串型、集中型等模式。

其中集中型構(gòu)造只需要一臺(tái)變流器，構(gòu)造簡單，逆變器工作效率非常高。但此系統(tǒng)的抗陰影與抗熱斑效果較差，導(dǎo)致MPPT無法讓系統(tǒng)保持最大功率點(diǎn)運(yùn)作，而且周圍分布的二極管與阻塞會(huì)加大系統(tǒng)損耗，降低系統(tǒng)的冗余水平與延伸水平。

串型構(gòu)造雖然沒有阻塞二極管，運(yùn)行效率良好，抗陰影效果與抗熱班效果好，設(shè)計(jì)出了多串MPP，系統(tǒng)的冗余與延伸水平較高，但依然存在陰影與熱斑效果，而且隨著逆變器數(shù)量的增加成本不斷升高，逆變效率逐漸降低。

交流模塊型構(gòu)造不存在阻塞與旁路二極管，也不存在陰影與熱斑現(xiàn)象；單獨(dú)MPP設(shè)計(jì)，運(yùn)行效率較高，系統(tǒng)的冗余與延伸水平較高；在光伏建筑一體化中的利用率較高。然而其只能在容量較小的逆變器中設(shè)計(jì)應(yīng)用，效率較低。[2]

22MPPT技術(shù)

此技術(shù)具體是指按照太陽能電池所創(chuàng)造的最大功率來協(xié)調(diào)輸出，把最大功率轉(zhuǎn)變成效率。最基礎(chǔ)的算法包括電導(dǎo)微增法與爬山法，大多數(shù)算法都是基于此衍生而來，其中前者對檢測精度有著較高要求，后者則較低。

23并網(wǎng)逆變器種類

231關(guān)于直接耦合系統(tǒng)

因?yàn)槿コ斯ゎl變壓器，所以效率逐漸升高、構(gòu)造越來越簡單、有著良好的穩(wěn)定性。但其不足之處體現(xiàn)在以下幾方面：一方面，電網(wǎng)和太陽能間未能做到電氣隔離，電池板兩極存在電壓，安全隱患居多，觸電事故屢見不鮮，無法滿足電氣安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。另一方面，直流測電壓要具備可逆變的電壓等級，具體而言就是普通電流側(cè)的MPPT電壓要超過350V。這無論是對整個(gè)系統(tǒng)還是各個(gè)電池組件而言都有著較高要求，易發(fā)生漏電問題。

232關(guān)于工頻隔離系統(tǒng)

此系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括構(gòu)造簡單、穩(wěn)定性高、安全性好、直流側(cè)的MPPT電壓上限與下限的比值通常在三倍之內(nèi)。但其運(yùn)行效率低，而且變壓器會(huì)讓系統(tǒng)變得比較笨重。

24孤島效應(yīng)保護(hù)技術(shù)

孤島效應(yīng)，具體是指電網(wǎng)中的一些線路因?yàn)橐S修或出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)停電，停電線路會(huì)通過并網(wǎng)發(fā)電裝備繼續(xù)供應(yīng)電能，同時(shí)協(xié)同附近負(fù)載組成一個(gè)自給自足的供電孤島。

出現(xiàn)此效應(yīng)再來較多不良影響：第一，讓頻率與電壓波動(dòng)現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，有時(shí)還會(huì)失控，進(jìn)而損壞電網(wǎng)與用戶設(shè)施；第二，把孤島系統(tǒng)再次連接到電網(wǎng)中時(shí)，重合閘以后，系統(tǒng)內(nèi)的分布式發(fā)電裝備若和電網(wǎng)無法同步，會(huì)讓電路斷路器裝備遭到破壞，而且還會(huì)出現(xiàn)較大的沖擊電流，進(jìn)而損壞孤島系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)裝備，有可能發(fā)生再次跳閘的情況。第三，這一效應(yīng)無法徹底根除故障問題，損壞電網(wǎng)設(shè)施，而且影響電網(wǎng)常規(guī)供電的手動(dòng)或者自動(dòng)回復(fù)。第四，讓某些被視為已和電源斷開連接的線路帶電，嚴(yán)重威脅工作人員的人身安全。

但若是清除了現(xiàn)階段出現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)阻礙，搭配運(yùn)用一些新興的控制對策，同時(shí)重新設(shè)計(jì)分布式發(fā)電體系的構(gòu)造，那么孤島效應(yīng)可以提升某些負(fù)荷供應(yīng)的安全性與穩(wěn)定性。

3光伏發(fā)電的發(fā)展前景

31我國強(qiáng)化光伏發(fā)電的必要性

一是和外國相比較，我國能源系統(tǒng)還無法實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。國內(nèi)人口數(shù)量較多，人均資源占有量只有世界的1/2，天然氣與石油資源只占世界人均量的1825與149%。而且能源應(yīng)用技術(shù)落后，效率較低，耗能多，衰竭速度明顯加快，能源稀缺的威脅會(huì)提前到來。

能源供需缺口逐漸增加。到2020年，我國總需求量28億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，依然少50億噸標(biāo)準(zhǔn)煤；到2050年，每次需求量都會(huì)達(dá)到41億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，缺口增加到11億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，短缺超過30%。

大量燃燒煤炭，會(huì)嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境。煤炭基本滿足了1次能源需求的75%，70%城市的二氧化硫超出我國空氣質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，存在的大氣顆粒物也已超過25%，在冬天時(shí)污染物濃度會(huì)越來越大，一般是夏天的兩倍。

二是滿足我國基本國情。農(nóng)村要想實(shí)現(xiàn)小康建設(shè)必須要廣泛推廣與應(yīng)用光伏發(fā)電。我國13億多人口有75%的人民都是在農(nóng)村居住，一年要消耗7億多噸標(biāo)準(zhǔn)煤能量，其中有1/2源自于可再生資源，但這些資源現(xiàn)階段還在沿用過去的利用形式。

光伏發(fā)電可以提高農(nóng)村生活質(zhì)量，保護(hù)生態(tài)建設(shè)成果。當(dāng)下，有3億多人備受沙漠化影響，但燃燒生物質(zhì)能源在大部分區(qū)域依然是生活用能的主要形式，損壞了大量植物，破壞生態(tài)平衡。建設(shè)出一系列方便、清潔的用能體系，能為退耕還林工程的順利完成奠定良好基礎(chǔ)。

32光伏發(fā)電的未來前景

首先，光伏發(fā)電是一種單獨(dú)的光伏系統(tǒng)，在離網(wǎng)工業(yè)領(lǐng)域、交通信號(hào)燈、離網(wǎng)住宅供電領(lǐng)域等方面有著較大的發(fā)展空間。現(xiàn)階段，一些太陽能路燈、機(jī)場跑道照明系統(tǒng)、隧道照明系統(tǒng)等均是單獨(dú)的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

其次，其屬于并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，在緩和光伏、用戶并網(wǎng)光伏以及電站系統(tǒng)中有著良好的未來前景。

最后，光伏發(fā)電目前在光伏聲屏障系統(tǒng)與建筑一體化中的利用率也逐漸升。所謂建筑一體化，具體是指其建筑、景觀相融合，光伏市場中占據(jù)較大份額的是基于BIPV的光伏屋頂，特別是近些年德國與日本在安裝光伏時(shí)均采用了并網(wǎng)方式。

4結(jié)論

綜上所述，光伏發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn)與運(yùn)用是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢，相關(guān)人員必須要加大創(chuàng)新力度，讓其更加滿足我國基本國情，不斷提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，從而提高資源利用率。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣莉，代翠玲，黃偉文棄光現(xiàn)象成因及光伏產(chǎn)能轉(zhuǎn)化路徑研究——以西北地區(qū)為例[J].中國集體經(jīng)濟(jì)，2018（35）：30-31.

[2]李翔，陳啟卷，饒宛，等基于HPSO算法光伏并網(wǎng)逆變器MPPT技術(shù)研究[J].可再生能源，2018，36（11）：1600-1604.