太阳能光伏发电技术及其应用研究

王现美　潘翔峰　史影甲　包瑞明

摘要：随着能源问题的不断加剧，各国对于可再生能源的利用给予了高度重视。太阳能作为绿色、可再生能源，在能源利用追求高效、无污染的情况下，得到了广泛研究和利用。文章对太阳能光伏发电技术进行了研究，根据其应用的情况提出假想，以期为该项技术的广泛应用提供理论参考依据。

关键词：太阳能；光伏发电技术；可再生能源；光伏电池板；控制器；电能储存 文献标识码：A

中图分类号：TM615 文章编号：1009-2374（2016）20-0094-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.046

1 太阳能光伏发电技术

太阳能光伏发电系统是由光伏电池板、控制器和电能储存及变换环节构成的。随着光伏产业的发展，相关的技术，如太阳能电池技术、聚光器技术以及孤岛效应检测技术等也得到了一定程度的提升。

1.1 太阳能电池技术

光伏电池作为太阳能光伏发电系统的核心部分，在应用的过程中需要注意两方面的问题：一是光电转换效率；二是生产成本。第一代光伏电池的原料是硅，随着硅材料应用范围的不断扩大，应用程度已经得到了最大范围的开发，并且应用技术也达到了成熟阶段，但使用成本却居高不下。在科技的支撑下，人们研制出了第二代光伏电池。电池里面铺设了很多非硅材料在衬底上，以减少半导体材料对电能的消耗，因不受制作材料以及生产成本的限制，所以可批量生产。继晶体硅和薄膜电池也是后来开发的一种新型电池，其之后又进行更为深入的研究，结合先进的设计理念和技术，以增加电池光子的方法使光伏的转换效率得到进一步的提升。目前，很多研究人员将研究的方向转向薄膜制造技术上，经过理论验证之后，可将太阳能电池的93%转换成电能。具体的开发和实践还有待时间的考验。

1.2 光伏阵列的最大功率跟踪技术

从实际应用情况上看，光伏阵列功率输出能够进行非线性传导，与周围环境、光照强度及负载状况等都有着紧密的联系。如图1所示，光伏阵列电流、电压输出特性可用两条曲线表示。若曲线1和曲线2的太阳光照强度不同，那么，在某一时刻，光伏阵列的运行轨迹达到A点。此时，改变太阳辐照强度，输出特性曲线就会发生变化，由1上升为2，此时若负载1不变，那么系统将运行到A'点，与相应的功率最大点存在一定的距离值。为了能够继续观察最大功率点的运行情况，将负载特性从1变化至2，同样，太阳辐照度变化从特性2变至特性1，相应的工作点由B点变化至B'点。在负载2降低至负载1后，可以有效地保证系统在太阳辐照度减小的情况下仍然运行，处于最大的功率点A上。

1.3 聚光光伏技术

太阳的光能在经过路径消耗之后，到达地面的能量十分有限，为了提高太阳能的利用效率，采用聚光光伏技术，可有效降低通过路径的能量消耗。利用聚光光伏技术，可以将太阳光聚集到面积较小的高性能聚光电池上，提高太阳光辐照能量密度，同时有效地降低了生产成本。聚光器在聚光光伏系统中占有核心地位，包括折射聚光器、反射聚光器、混合聚光器、热光伏聚光器等。其中热光伏聚光器主要是将太阳能通过辐射器加热到一定的温度，然后转化成光热能，通过辐射器发射到太阳能电池上，完成光电转换。目前，聚光光伏系统的应用尚有需要突破的科学难题，但经过不断地探究，相信未来该项技术的应用将愈发地纯熟。

1.4 孤岛效应检测技术

孤岛效应是在电网出现供电故障，因错误操作或维修造成供电中断时，光伏并网发电系统仍处于运行状态，以负载电压的方式向用户供电，从而形成了自给供电的孤岛。在光伏并网发电系统处于孤岛运行状态时，会引发一系列后果，如电频、电压不受控制，极有可能损坏用户的用电设备，同时在维修的过程中，这种带电的线路也会威胁到维修人员的人身安全。

通常，对于孤岛效应的检查在并网逆变器侧可分为被动和主动两种检测方法。其中，被动式检测方法是在电网断电时，通过检测逆变器输出端电压、频率、相位或谐波等变化，以确定电压输出是否存在孤岛效应。此种检测方法适用于负载功率变化幅度不大，且与逆变器的输出不匹配的情况下选用。主动式检测方法通过调整逆变器，对输出功率、频率或相位进行一定的扰动。电网处于正常运行状态时，因电网锁相环的平衡作用，检测仪器不会受到干扰信号，但在发生电网故障后，逆变器的扰动频率积累到一定的程度，超出允许范围，就可触发孤岛效应。主动检测方式常见的有阻抗测量法、输出功率扰动法、主动频率偏移法等。其中，频率偏移法及频率移相法因实用性较强，所以得到了广泛的应用。

2 市场应用

我国的光伏发电技术主要应用于家用光伏电源，微波通信中继站光伏电源，光缆通信站光伏电源，输油输气管道阴极保护光伏电源等。如在西藏地区建成了25～100kW的县级光伏电站，7座电站的总功率可达420kW。因光伏电站的成立，新疆、甘肃、青海、内蒙古等地区使用家用光伏电源系统的数量逐渐增多，有效地保证了基本用电需求。同时，我国很多建筑物在供电方面也已经开始尝试使用太阳能光伏发电系统。鸟巢的12个燕尾状检票站中就有7个采用了太阳能充电，其不仅能够满足检票系统的用电需求，同时还能向体育场供电系统传输电能，有效地补充了供电系统消耗的电能，为使各系统都能够发挥稳定的功能创造了条件。但在应用的过程中也存在以下六方面的问题：

2.1 原材料紧缺

随着光伏产业的不断发展，硅材料使用逐渐增多，由此引发了硅材料紧缺的状况。在我国，这种现象表现得尤为明显。为了使太阳能光伏发电产业得到良好的发展，相关部门应采取有力的措施，在扩大硅材料生产能力的同时，研发能取代硅材料的物质，并通过提升硅材料的利用效率，从而使太阳能光伏发电技术得到进一步地推广和广泛的应用。

2.2 生产规模小，产业链不完整

目前，我国太阳能光伏产业的生产规模较小，多在3～30MW之间，个别的能达到50MW，与国外的生产规模相比，还存在较大的差距。同时，因产业链的不完整，生产的硅片数量有限，多数生产厂家不提供电池，多为电池的封装组件，一定程度上影响了产业的生产效率。为此，加大产业生产投入，提高科技含量，建立完善的生产体系，实现从生产、加工和运行的完整，从而保障太阳能光伏发电技术的良好发展，为实现供电系统的稳定运行创造条件。

2.3 技术水平低

目前，我国商品晶体硅光伏电池组件的光电转换效率多在10%～14%之间，组件封装的水平较低，因长时间放置，表面会有泛黄、起泡等现象发生，一定程度上影响电池的使用效率，降低了使用寿命。对其加大科技投入，提升技术水平，将成为解决此类问题的关键。

2.4 平衡设备薄弱落后

在太阳能光伏发电中，为了控制电压及电频，设置了控制器、逆变器等维持平衡的设备，因设备的技术性能可靠性低、品种规格少，与国外的产品还存在着较大的差距。

2.5 成本价格高

目前，晶体硅光伏电池组件的生产所需的成本大约在25～30元/W之间，售卖的价格为35～40元/W，相比国外的同类产品，价格相对要高很多，不具备市场竞争力。

2.6 标准规范不健全

在产品规格、标准检验上，尚无完善、统一的标准，这对于产品的后期使用无疑埋下了隐患。对此，相关部门应采取积极的措施，加大产品质量监管力度，从而实现产业的有序发展。

3 发展趋势

与发达国家相比，我国太阳能光伏发电还有很多需要完善的地方，需要政府及相关部门予以政策和资金上的支持，以保证新能源和可再生能源得以良好地发展。目前，我国政府对新能源和可再生能源的发展给予了高度重视，面对化石能源的枯竭，大量化石能源对环境的影响逐渐加剧，国家起草了可再生能源开发战略规划，为我国新能源以及可再生能源的长期发展制定了指导方针。在规划当中，对于新能源的利用效率提出了要求，其中发电总容量达到了6000万kW，太阳能光伏发电达到45万kW。未来我国太阳能光伏发电的总量将逐渐提升，覆盖的范围也将更为广泛，成为我国电业行业发展的主要能动力。相信通过各方面的协调配合以及努力，我国的太阳能光伏发电技术将向着更快、更好的方向发展。

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