太陽能光伏發電技術及其應用研究

王現美　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電技術進行了研究，根據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。

關鍵詞：太陽能；光伏發電技術；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 太陽能光伏發電技術

太陽能光伏發電系統是由光伏電池板、控制器和電能儲存及變換環節構成的。隨著光伏產業的發展，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電系統的核心部分，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，應用程度已經得到了最大范圍的開發，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成本的限制，所以可批量生產。繼晶體硅和薄膜電池也是后來開發的一種新型電池，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，與周圍環境、光照強度及負載狀況等都有著緊密的聯系。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生變化，由1上升為2，此時若負載1不變，那么系統將運行到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成本。聚光器在聚光光伏系統中占有核心地位，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，通過輻射器發射到太陽能電池上，完成光電轉換。目前，聚光光伏系統的應用尚有需要突破的科學難題，但經過不斷地探究，相信未來該項技術的應用將愈發地純熟。

1.4 孤島效應檢測技術

孤島效應是在電網出現供電故障，因錯誤操作或維修造成供電中斷時，光伏并網發電系統仍處于運行狀態，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。在光伏并網發電系統處于孤島運行狀態時，會引發一系列后果，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。電網處于正常運行狀態時，因電網鎖相環的平衡作用，檢測儀器不會受到干擾信號，但在發生電網故障后，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、內蒙古等地區使用家用光伏電源系統的數量逐漸增多，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開始嘗試使用太陽能光伏發電系統。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的用電需求，同時還能向體育場供電系統傳輸電能，有效地補充了供電系統消耗的電能，為使各系統都能夠發揮穩定的功能創造了條件。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

隨著光伏產業的不斷發展，硅材料使用逐漸增多，由此引發了硅材料緊缺的狀況。在我國，這種現象表現得尤為明顯。為了使太陽能光伏發電產業得到良好的發展，相關部門應采取有力的措施，在擴大硅材料生產能力的同時，研發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電技術得到進一步地推廣和廣泛的應用。

2.2 生產規模小，產業鏈不完整

目前，我國太陽能光伏產業的生產規模較小，多在3～30MW之間，個別的能達到50MW，與國外的生產規模相比，還存在較大的差距。同時，因產業鏈的不完整，生產的硅片數量有限，多數生產廠家不提供電池，多為電池的封裝組件，一定程度上影響了產業的生產效率。為此，加大產業生產投入，提高科技含量，建立完善的生產體系，實現從生產、加工和運行的完整，從而保障太陽能光伏發電技術的良好發展，為實現供電系統的穩定運行創造條件。

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、起泡等現象發生，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、品種規格少，與國外的產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，相比國外的同類產品，價格相對要高很多，不具備市場競爭力。

2.6 標準規范不健全

在產品規格、標準檢驗上，尚無完善、統一的標準，這對于產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，加大產品質量監管力度，從而實現產業的有序發展。

3 發展趨勢

與發達國家相比，我國太陽能光伏發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展。目前，我國政府對新能源和可再生能源的發展給予了高度重視，面對化石能源的枯竭，大量化石能源對環境的影響逐漸加劇，國家起草了可再生能源開發戰略規劃，為我國新能源以及可再生能源的長期發展制定了指導方針。在規劃當中，對于新能源的利用效率提出了要求，其中發電總容量達到了6000萬kW，太陽能光伏發電達到45萬kW。未來我國太陽能光伏發電的總量將逐漸提升，覆蓋的范圍也將更為廣泛，成為我國電業行業發展的主要能動力。相信通過各方面的協調配合以及努力，我國的太陽能光伏發電技術將向著更快、更好的方向發展。

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