太陽能發電技術應用探索

太陽是地球永恒的能源。太陽的總輻射功率約為3.8×1026W，地球每年從太陽獲取的能量約為6×1017kW·h。在中國960萬km2的土地上，年平均獲得的太陽能約為1 億億kW·h，相當于1.2 萬億t標準煤所具有的能量。因此，可以說太陽能是一種衰竭的能源，同時也是一種無污染、zui清潔的能源。在石油、煤及天然氣等化石能源日益枯竭的今天，充分開發和利用太陽能具有可持續發展和環保的雙重意義。

利用太陽能的方式很多，主要有太陽能發電、太陽能熱利用、太陽能動力利用、太陽能光化利用、太陽能生物利用及太陽能光－ 光利用等。其中，"太陽能發電"在新能源發電技術中占有重要地位。

利用太陽的光能或熱能來生產電能者均稱為太陽能發電。利用太陽的光能直接生產電能的太陽能光電池是目前應用的太陽能發電，也稱為太陽能光伏電池發電。

1、太陽能光伏電池發電技術

1.1太陽能光伏電池

太陽能光伏電池發電也簡稱為太陽能光伏發電，被認為是未來世界上發展zui快和zui有前途的一種可再生新能源技術。太陽能光伏電池的基本原理是利用半導體的"光生伏打效應"(光伏效應) 將太陽的光能直接轉換成電能。能利用光伏效應產生電能的物質，稱為光伏材料。利用光伏效應將太陽能直接轉換成電能的器件叫太陽能光伏電池或光伏電池。光伏電池是太陽能光伏發電的核心組件。

1839 年，法國物理學家貝克勒爾( Edmond Becqurel)發現: 將兩片金屬浸入電解液中所構成的伏打電池，當接收到太陽光照射時電壓升高，他在所發表的論文中把這種現象稱為"光生伏打效應( PhotovohaicEffect) "。"光生伏打效應"是不均勻半導體或半導體與金屬混合材料在光照作用下，其內部可以傳導電流的載流子分布狀態和濃度發生變化，因而在不同部位之間產生電位差的現象。1941 年，奧爾在硅材料上發現了光伏效應，從而奠定了半導體硅在太陽能光伏發電中廣泛應用的基礎。1954 年，美國貝爾實驗室的科學家恰賓( Darryl Chapin) 和皮爾松( Gerald Pearson) 研制成功世界上*個實用的單晶硅光伏電池。同年，韋克爾發現砷化鎵具有光伏效應，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成世界上*塊薄膜光伏電池。我國2010 年12 月投入運行的大豐20 MW 光伏電站，是目前全國zui大的薄膜光伏電站，年發電量2 300 萬kW·h。

太陽能光伏電池的工作原理如圖1 所示。

圖1 太陽能電池的工作原理

在半導體中摻加雜質制成PN結，以形成在平衡狀態時具有的內建電場，在該內建電場的作用下分離由外界激發而生成的過剩載流子，從而形成外部電壓。在光照條件下，半導體中的電子吸收光子能量從價帶躍入導帶，形成電子---空穴對，成為載流子。生成載流子所需要的zui低能量是半導體的禁帶寬度Eg，使用禁帶寬度較小的材料制作的太陽能電池可以形成較大的電流。

基于單晶硅的*代光伏電池是目前太陽能光伏電池市場的主流，其光電轉換率已達24.7%; 基于薄膜技術的第二代光伏電池的光電轉換效率已達到16.5%～18.8%。由于薄膜光伏電池大大減少了半導體材料的消耗，因此具有很好的發展前景。應該指出，光伏電池在光電轉換過程中，光伏材料既不發生任何化學變化，也不產生任何機械磨損，因此太陽能光伏電

池是一種無噪音、無氣味、無污染的理想清潔能源。

2006年，我國太陽能電池生產總量達到400MW，從而超過美國成為第三大生產國，也是世界上發展zui快的國家。

1.2 太陽能光伏電站

太陽能光伏電站是將若干個光伏轉換器件即光伏電池封裝成光伏電池組件，再根據需要將若干個組件組合成一定功率的光伏陣列，并與儲能、測量、控制裝置相配套，構成太陽能光伏電站。

太陽能光伏電池具有很大的靈活性，不僅可以用其建設零星規格的電站，而且可以組成應用于小型、分散電力用戶的太陽能光伏發電系統。這種獨立運行的太陽能光伏發電系統稱之為離網型太陽能光伏發電系統。

由于受晝夜日照變化及天氣的影響，離網型光伏發電系統通常需要和其他電源形式聯合使用，比如柴油發電機組以及蓄電池組，從而增大了電站的投資和維護費用。離網型光伏發電系統往往建在距離電網較遠的偏遠山區及荒漠地帶，向獨立的區域用戶供電。

西藏措勒20kW 光伏電站是我國建設較早的離網型光伏電站，總投資290萬元，1994年12月正式投產發電。

離網型太陽能光伏電站系統如圖2所示。

圖2 離網型太陽能電站系統框圖

電站的發電系統由太陽能光伏電池方陣、蓄電池組、直流控制器、直流－ 交流逆變器、交流配電柜和備用電源系統( 包括柴油發電機組和整流充電柜) 等組成。其工作原理為太陽能光伏電池方陣經過直流控制柜向蓄電池組供電，并根據需要整定蓄電池組的上限和下限電壓，由直流控制柜自動控制充電。蓄電池組通過直流控制柜向直流－ 交流逆變器供電，經逆變器將直流電變換成三相交流電，再通過交流配電柜以三相四線制向用戶供電。當蓄電池組的電壓下降到下限電壓時，為不造成蓄電池組的過渡放電，直流控制柜將自動切除其輸出電路，使直流－ 交流逆變器停止工作。柴油發電機組為電站的備用電源，必要時由備用電源通過整流充電柜向蓄電池組充電，或在光伏發電系統出現故障及停運時直接通過交流配電柜向用戶供電。

直流－ 交流逆變器和柴油發電機組不能同時向用戶供電，為此必須在交流配電柜中設置互鎖裝置以保證供電電源的*性。

當太陽能光伏電站的容量達到一定規模時，還可與電網相聯，即所謂的并網型光伏電站。這時，如果本地負荷不足，則可將多余的電能輸送給電網。當本地太陽能發電量不足時，則由電網向用戶提供電能。因此，并網型光伏電站可以不需要使用蓄能裝置，減少系統投資和維護費用。同時由于與電網的互濟，提高了發電設備的利用率和供電用電的安全可靠性，是大規模開發太陽能發電技術的必然趨勢。

我國*座并網型光伏電站是2006年建成投運的西藏羊八井可再生能源基地100kW 高壓并網光伏電站。2010年底全國*光伏并網發電項目敦煌2×10MW 光伏發電項目建成投產。

2、太陽能熱發電技術

太陽能熱發電技術是指將太陽輻射熱能轉換成電能的發電技術。它包括兩大類型: 一類是利用太陽熱能直接發電，如半導體或金屬材料的溫差發電，真空器件中的熱電子和熱離子發電，以及堿金屬熱點轉換和磁流體發電等。這類發電的重要特點是發電裝置本身沒有活動部件，但目前此類發電量比較小，不少方法還處于原理性實驗研究階段。另一類是將太陽熱能通過熱機帶動發電機發電，其基本組成與常規發電設備相類似，只不過其熱能是來自于太陽能。

2.1太陽能熱發電系統的構成

典型的太陽能熱發電系統如圖3 所示。

圖3 太陽能熱發電系統原理圖

與常規的熱發電廠相比，zui大的不同是利用一種所謂的太陽鍋爐取代常規的燃料鍋爐，即利用太陽集熱器將來自太陽內部高溫核聚變的輻射能---太陽能收集起來，加熱工質，產生過熱蒸汽，驅動熱動力裝置，帶動發電機發電，從而將太陽能轉換成電能。

太陽能為自然能，輻射到地球表面的能量密度較低，且晝夜相間，四季有變，一天之中也因氣象變化而變化。為了使太陽能熱電站穩定運行，一般在太陽能熱發電系統中，都設置有蓄熱子系統或輔助能源子系統，如圖3中的蓄熱器及鍋爐。在晴好的白天及夏季，太陽能不但可以供給機組滿載運行，而且還有多余的能量被儲存到蓄熱器中，留待晚間或陰雨時間與輔助能源系統共同供給機組運行，維持太陽能熱電站的正常供電。

2.2聚光式太陽能熱發電系統

聚光式太陽能熱電站中的太陽鍋爐實際上是一個聚光集熱子系統，是收集太陽能的主要設備，它包括聚光器、接收器和跟蹤裝置。

聚光器用于收集太陽能，并將其聚集到一個有限平面上，以提高單位面積上的太陽輻照度，從而提高被加熱工質的工作溫度。聚光方法有多種，但在太陽能熱發電系統中zui常用的聚光方式有兩種，即平面反射鏡和曲面反射鏡。

平面反射鏡聚光方式代表性的是采用多面平面反射鏡，將太陽光聚集到一個高塔的頂處，其聚光比通?？蛇_100～1000，可將接收器內的工質加熱到500～2000℃，構成高溫塔式太陽能熱發電系統，如圖4所示。美國太陽Ⅰ號電站是目前世界上較為典型的塔式太陽能熱發電站，其額定容量為10MW。2005年10月，我國在南京江寧太陽能試驗場成功建成投運*座70kW 塔式太陽能熱發電系統。

圖4 塔式太陽能熱發電系統原理圖

曲面反射鏡有一維拋物面反射鏡、二維拋物面反射鏡和混合平面---拋物面反射鏡。一維拋物面反射鏡也叫槽型拋物面反射鏡，其整個反射鏡是一個拋物面槽，太陽光經拋物面槽反射聚集在一條焦線上，其聚光比為10～30，集熱溫度可達400℃，構成中溫槽式太陽能發電系統。20世紀80年代，LUZ公司在美國加州沙漠地區相繼建成9座槽式太陽能熱發電站，總裝機容量353.8MW。其上網電價為13～14 美分/( kW·h) ，已具有與常規能源熱力發電廠相競爭的潛能。

二維拋物面反射鏡也叫盤式拋物面反射鏡，形狀上是由一條拋物線旋轉360°所掃描出來的拋物球面，故此也叫旋轉拋物面反射鏡。二維拋物面反射鏡的聚光比為50～1000，焦點溫度可達800～1000℃，構成高溫盤式太陽能熱發電系統。

數據分析表明，盤式太陽能熱發電站與太陽能光伏發電站相比，其單位發電功率的裝置重量更輕，空間利用更好。特別是為解決邊遠荒漠地區的供電問題更具優勢。盤式太陽能熱發電系統通常是以單個旋轉拋物面反射鏡為基礎，構成一個完整的聚光、集熱和發電單元。由于單個旋轉拋物面反射鏡不可能做得太大，因此，這種太陽能熱發電站的單個功率都比較小，一般為5～50 kW，它可以分散地單獨發電，也可以由多個電站組成一個較大的發電系統。

接收器是通過接收經過聚焦的太陽光，將太陽輻射能轉變為熱能，并傳遞給工質的裝置。根據不同的聚光方式，接收器的結構也會有較大的差別。接收器的關鍵技術是其接收陽光的表面必須涂選擇性吸收膜，用以提高對太陽輻射的吸收率α。吸收率α越大，接收器可能達到的集熱溫度就越高。

跟蹤裝置使光時刻都能通過反射鏡面反射到固定不動的接收器上。太陽聚光器的跟蹤方式有兩種，一種是反射鏡面繞1根軸轉動的單軸跟蹤; 另一種是反射鏡面繞2根軸轉動的雙軸跟蹤。槽型拋物面反射鏡都為單軸跟蹤，而盤式拋物面反射鏡和塔式聚光平面反射鏡都采用雙軸跟蹤。

對跟蹤器的控制方式，可以采用程序控制方式，即按計算得到的太陽運動規律來自動控制跟蹤機構對太陽進行跟蹤; 也可以采用傳感器控制方式，即通過傳感器即時測出太陽光的入射方向，然后控制跟蹤機構對太陽進行跟蹤。目前更多的是采用上述兩種控制方式的組合，即以程序控制為主，采用傳感器即時測量作反饋，不斷對程序控制所造成的累積誤差進行糾正，從而保證在任何光照條件下都能對太陽聚光器進行準確可靠的跟蹤控制。

2.3 非聚光式太陽能熱發電

上述塔式、槽式和盤式太陽能發電由于都采用了聚光，所以其集熱溫度較高，屬于中高溫太陽能熱發電系統。除此之外，還有非聚光方式的低溫太陽能熱發電系統，如太陽池發電和太陽能熱氣流發電。

太陽池發電是利用不同比重的水，比如一定濃度的鹽水，組成所謂的太陽池，利用池中上下不同比重的水的密度梯度不同，各層水對太陽光的能量吸收不同，使太陽池底部的水產生低溫熱。太陽池一般都依托天然鹽湖或海邊建造，利用鹽水作為儲能介質，但可達到的工作溫度較低，故其應用受到一定限制。1925年，以色列建造了*1座太陽池發電站。

太陽能熱氣流發電是在以大地為吸熱材料的巨大蓬式地面太陽空氣集熱器的中央，建造1座高大豎直的煙囪，在煙囪的底部開一吸風口，并安裝風輪。地面空氣集熱器產生的熱空氣從吸風口進入煙囪，形成熱氣流，從而驅動風輪帶動發電機發電。1982年在西班牙投運了1座50kW 太陽能熱氣流實驗電站。

綜上所述，可見太陽能發電技術正在引起世界各國的關注，并以多元化的方式快速發展。我國"十二五"規劃太陽能發電裝機總容量將達到5GW。預計2050 年，世界太陽能發電將在總能耗中占有30%以上的份額。

3、太陽能發電系統接入電網帶來的問題及對電網運行的影響

由于太陽能發電受晝夜相間及天氣變化、四季更替等諸多自然因素的限制，其發電功率、輸出電能常常是不穩定的。如果有大量的太陽能發電系統接入常規的電網會給電網的安全穩定運行帶來一系列不利影響。

3.1 對電能質量及電網運行特性的影響

大量的太陽能發電系統接入電網的終端，會產生反向的潮流，即太陽能電流通過饋線阻抗所產生的壓降會使負荷側電壓高于變電站側，以致于負荷側電壓越限。同時，由于太陽能發電輸出電流隨光照變化而變化也會引起電壓的波動，由此可能引起無功調節裝置的頻繁動作，從而波及電網的電壓形態、短路電流、網損、有功和無功潮流、諧波、暫態穩定、動態穩定以及頻率控制等一系列運行特性。

3.2 對配電網規劃及調度自動化的影響

太陽能發電系統接入電網向電網反送功率，改變電網的潮流分布，使配電網可調度的發電容量發生變化。由于太陽能發電系統本身一般不具備調度自動化功能，不能有效參與電網頻率及電壓的調整，因此相對減小了配電網可調度的發電容量，從而對現有配電網的規劃和調度運行方式產生影響。

3.3對繼電保護的影響

目前，變電站繼電保護主要是基于斷路器的三段式電流保護，主饋線裝設自動重合閘，支線裝設熔斷器。大量的太陽能發電系統接入電網會使電網從傳統的單電源輻射狀網絡變成雙端網絡，從而改變了故障電流的大小、方向及持續時間，影響繼電保護的正常工作，可能使保護誤動、拒動、自動重合閘失效等，降低供電的可靠性。