太陽能發(fā)電技術(shù)應(yīng)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(guó)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(dāng)于1.2 萬億t標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(fā)和利用太陽能具有可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保的雙重意義。

利用太陽能的方式很多，主要有太陽能發(fā)電、太陽能熱利用、太陽能動(dòng)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(fā)電"在新能源發(fā)電技術(shù)中占有重要地位。

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

1、太陽能光伏電池發(fā)電技術(shù)

1.1太陽能光伏電池

太陽能光伏電池發(fā)電也簡(jiǎn)稱為太陽能光伏發(fā)電，被認(rèn)為是未來世界上發(fā)展zui快和zui有前途的一種可再生新能源技術(shù)。太陽能光伏電池的基本原理是利用半導(dǎo)體的"光生伏打效應(yīng)"(光伏效應(yīng)) 將太陽的光能直接轉(zhuǎn)換成電能。能利用光伏效應(yīng)產(chǎn)生電能的物質(zhì)，稱為光伏材料。利用光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)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(fā)電的核心組件。

1839 年，法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾( Edmond Becqurel)發(fā)現(xiàn): 將兩片金屬浸入電解液中所構(gòu)成的伏打電池，當(dāng)接收到太陽光照射時(shí)電壓升高，他在所發(fā)表的論文中把這種現(xiàn)象稱為"光生伏打效應(yīng)( PhotovohaicEffect) "。"光生伏打效應(yīng)"是不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬混合材料在光照作用下，其內(nèi)部可以傳導(dǎo)電流的載流子分布狀態(tài)和濃度發(fā)生變化，因而在不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。1941 年，奧爾在硅材料上發(fā)現(xiàn)了光伏效應(yīng)，從而奠定了半導(dǎo)體硅在太陽能光伏發(fā)電中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。1954 年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家恰賓( Darryl Chapin) 和皮爾松( Gerald Pearson) 研制成功世界上*個(gè)實(shí)用的單晶硅光伏電池。同年，韋克爾發(fā)現(xiàn)砷化鎵具有光伏效應(yīng)，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(guó)2010 年12 月投入運(yùn)行的大豐20 MW 光伏電站，是目前全國(guó)zui大的薄膜光伏電站，年發(fā)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(dǎo)體中摻加雜質(zhì)制成PN結(jié)，以形成在平衡狀態(tài)時(shí)具有的內(nèi)建電場(chǎng)，在該內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分離由外界激發(fā)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(dǎo)體中的電子吸收光子能量從價(jià)帶躍入導(dǎo)帶，形成電子---空穴對(duì)，成為載流子。生成載流子所需要的zui低能量是半導(dǎo)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(chǎng)的主流，其光電轉(zhuǎn)換率已達(dá)24.7%; 基于薄膜技術(shù)的第二代光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到16.5%～18.8%。由于薄膜光伏電池大大減少了半導(dǎo)體材料的消耗，因此具有很好的發(fā)展前景。應(yīng)該指出，光伏電池在光電轉(zhuǎn)換過程中，光伏材料既不發(fā)生任何化學(xué)變化，也不產(chǎn)生任何機(jī)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(guó)太陽能電池生產(chǎn)總量達(dá)到400MW，從而超過美國(guó)成為第三大生產(chǎn)國(guó)，也是世界上發(fā)展zui快的國(guó)家。

1.2 太陽能光伏電站

太陽能光伏電站是將若干個(gè)光伏轉(zhuǎn)換器件即光伏電池封裝成光伏電池組件，再根據(jù)需要將若干個(gè)組件組合成一定功率的光伏陣列，并與儲(chǔ)能、測(cè)量、控制裝置相配套，構(gòu)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(shè)零星規(guī)格的電站，而且可以組成應(yīng)用于小型、分散電力用戶的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。這種獨(dú)立運(yùn)行的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)稱之為離網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。

由于受晝夜日照變化及天氣的影響，離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)通常需要和其他電源形式聯(lián)合使用，比如柴油發(fā)電機(jī)組以及蓄電池組，從而增大了電站的投資和維護(hù)費(fèi)用。離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)往往建在距離電網(wǎng)較遠(yuǎn)的偏遠(yuǎn)山區(qū)及荒漠地帶，向獨(dú)立的區(qū)域用戶供電。

西藏措勒20kW 光伏電站是我國(guó)建設(shè)較早的離網(wǎng)型光伏電站，總投資290萬元，1994年12月正式投產(chǎn)發(fā)電。

離網(wǎng)型太陽能光伏電站系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 離網(wǎng)型太陽能電站系統(tǒng)框圖

電站的發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)( 包括柴油發(fā)電機(jī)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(jīng)過直流控制柜向蓄電池組供電，并根據(jù)需要整定蓄電池組的上限和下限電壓，由直流控制柜自動(dòng)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(jīng)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(dāng)蓄電池組的電壓下降到下限電壓時(shí)，為不造成蓄電池組的過渡放電，直流控制柜將自動(dòng)切除其輸出電路，使直流－ 交流逆變器停止工作。柴油發(fā)電機(jī)組為電站的備用電源，必要時(shí)由備用電源通過整流充電柜向蓄電池組充電，或在光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障及停運(yùn)時(shí)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(fā)電機(jī)組不能同時(shí)向用戶供電，為此必須在交流配電柜中設(shè)置互鎖裝置以保證供電電源的*性。

當(dāng)太陽能光伏電站的容量達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，還可與電網(wǎng)相聯(lián)，即所謂的并網(wǎng)型光伏電站。這時(shí)，如果本地負(fù)荷不足，則可將多余的電能輸送給電網(wǎng)。當(dāng)本地太陽能發(fā)電量不足時(shí)，則由電網(wǎng)向用戶提供電能。因此，并網(wǎng)型光伏電站可以不需要使用蓄能裝置，減少系統(tǒng)投資和維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)由于與電網(wǎng)的互濟(jì)，提高了發(fā)電設(shè)備的利用率和供電用電的安全可靠性，是大規(guī)模開發(fā)太陽能發(fā)電技術(shù)的必然趨勢(shì)。

我國(guó)*座并網(wǎng)型光伏電站是2006年建成投運(yùn)的西藏羊八井可再生能源基地100kW 高壓并網(wǎng)光伏電站。2010年底全國(guó)*光伏并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目敦煌2×10MW 光伏發(fā)電項(xiàng)目建成投產(chǎn)。

2、太陽能熱發(fā)電技術(shù)

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

2.1太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

典型的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理圖

與常規(guī)的熱發(fā)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(guī)的燃料鍋爐，即利用太陽集熱器將來自太陽內(nèi)部高溫核聚變的輻射能---太陽能收集起來，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)熱動(dòng)力裝置，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而將太陽能轉(zhuǎn)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(wěn)定運(yùn)行，一般在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，都設(shè)置有蓄熱子系統(tǒng)或輔助能源子系統(tǒng)，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(jī)組滿載運(yùn)行，而且還有多余的能量被儲(chǔ)存到蓄熱器中，留待晚間或陰雨時(shí)間與輔助能源系統(tǒng)共同供給機(jī)組運(yùn)行，維持太陽能熱電站的正常供電。

2.2聚光式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

聚光式太陽能熱電站中的太陽鍋爐實(shí)際上是一個(gè)聚光集熱子系統(tǒng)，是收集太陽能的主要設(shè)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(gè)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(zhì)的工作溫度。聚光方法有多種，但在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)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(gè)高塔的頂處，其聚光比通?？蛇_(dá)100～1000，可將接收器內(nèi)的工質(zhì)加熱到500～2000℃，構(gòu)成高溫塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，如圖4所示。美國(guó)太陽Ⅰ號(hào)電站是目前世界上較為典型的塔式太陽能熱發(fā)電站，其額定容量為10MW。2005年10月，我國(guó)在南京江寧太陽能試驗(yàn)場(chǎng)成功建成投運(yùn)*座70kW 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。

圖4 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)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(gè)反射鏡是一個(gè)拋物面槽，太陽光經(jīng)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(dá)400℃，構(gòu)成中溫槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代，LUZ公司在美國(guó)加州沙漠地區(qū)相繼建成9座槽式太陽能熱發(fā)電站，總裝機(jī)容量353.8MW。其上網(wǎng)電價(jià)為13～14 美分/( kW·h) ，已具有與常規(guī)能源熱力發(fā)電廠相競(jìng)爭(zhēng)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(zhuǎn)360°所掃描出來的拋物球面，故此也叫旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡。二維拋物面反射鏡的聚光比為50～1000，焦點(diǎn)溫度可達(dá)800～1000℃，構(gòu)成高溫盤式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)分析表明，盤式太陽能熱發(fā)電站與太陽能光伏發(fā)電站相比，其單位發(fā)電功率的裝置重量更輕，空間利用更好。特別是為解決邊遠(yuǎn)荒漠地區(qū)的供電問題更具優(yōu)勢(shì)。盤式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)通常是以單個(gè)旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡為基礎(chǔ)，構(gòu)成一個(gè)完整的聚光、集熱和發(fā)電單元。由于單個(gè)旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡不可能做得太大，因此，這種太陽能熱發(fā)電站的單個(gè)功率都比較小，一般為5～50 kW，它可以分散地單獨(dú)發(fā)電，也可以由多個(gè)電站組成一個(gè)較大的發(fā)電系統(tǒng)。

接收器是通過接收經(jīng)過聚焦的太陽光，將太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽鬟f給工質(zhì)的裝置。根據(jù)不同的聚光方式，接收器的結(jié)構(gòu)也會(huì)有較大的差別。接收器的關(guān)鍵技術(shù)是其接收陽光的表面必須涂選擇性吸收膜，用以提高對(duì)太陽輻射的吸收率α。吸收率α越大，接收器可能達(dá)到的集熱溫度就越高。

跟蹤裝置使光時(shí)刻都能通過反射鏡面反射到固定不動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)的單軸跟蹤; 另一種是反射鏡面繞2根軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)跟蹤器的控制方式，可以采用程序控制方式，即按計(jì)算得到的太陽運(yùn)動(dòng)規(guī)律來自動(dòng)控制跟蹤機(jī)構(gòu)對(duì)太陽進(jìn)行跟蹤; 也可以采用傳感器控制方式，即通過傳感器即時(shí)測(cè)出太陽光的入射方向，然后控制跟蹤機(jī)構(gòu)對(duì)太陽進(jìn)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(shí)測(cè)量作反饋，不斷對(duì)程序控制所造成的累積誤差進(jìn)行糾正，從而保證在任何光照條件下都能對(duì)太陽聚光器進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的跟蹤控制。

2.3 非聚光式太陽能熱發(fā)電

上述塔式、槽式和盤式太陽能發(fā)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(fā)電系統(tǒng)。除此之外，還有非聚光方式的低溫太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，如太陽池發(fā)電和太陽能熱氣流發(fā)電。

太陽池發(fā)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(duì)太陽光的能量吸收不同，使太陽池底部的水產(chǎn)生低溫?zé)?。太陽池一般都依托天然鹽湖或海邊建造，利用鹽水作為儲(chǔ)能介質(zhì)，但可達(dá)到的工作溫度較低，故其應(yīng)用受到一定限制。1925年，以色列建造了*1座太陽池發(fā)電站。

太陽能熱氣流發(fā)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(fēng)口，并安裝風(fēng)輪。地面空氣集熱器產(chǎn)生的熱空氣從吸風(fēng)口進(jìn)入煙囪，形成熱氣流，從而驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。1982年在西班牙投運(yùn)了1座50kW 太陽能熱氣流實(shí)驗(yàn)電站。

綜上所述，可見太陽能發(fā)電技術(shù)正在引起世界各國(guó)的關(guān)注，并以多元化的方式快速發(fā)展。我國(guó)"十二五"規(guī)劃太陽能發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)到5GW。預(yù)計(jì)2050 年，世界太陽能發(fā)電將在總能耗中占有30%以上的份額。

3、太陽能發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)帶來的問題及對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響

由于太陽能發(fā)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(fā)電功率、輸出電能常常是不穩(wěn)定的。如果有大量的太陽能發(fā)電系統(tǒng)接入常規(guī)的電網(wǎng)會(huì)給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來一系列不利影響。

3.1 對(duì)電能質(zhì)量及電網(wǎng)運(yùn)行特性的影響

大量的太陽能發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的終端，會(huì)產(chǎn)生反向的潮流，即太陽能電流通過饋線阻抗所產(chǎn)生的壓降會(huì)使負(fù)荷側(cè)電壓高于變電站側(cè)，以致于負(fù)荷側(cè)電壓越限。同時(shí)，由于太陽能發(fā)電輸出電流隨光照變化而變化也會(huì)引起電壓的波動(dòng)，由此可能引起無功調(diào)節(jié)裝置的頻繁動(dòng)作，從而波及電網(wǎng)的電壓形態(tài)、短路電流、網(wǎng)損、有功和無功潮流、諧波、暫態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定以及頻率控制等一系列運(yùn)行特性。

3.2 對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃及調(diào)度自動(dòng)化的影響

太陽能發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)向電網(wǎng)反送功率，改變電網(wǎng)的潮流分布，使配電網(wǎng)可調(diào)度的發(fā)電容量發(fā)生變化。由于太陽能發(fā)電系統(tǒng)本身一般不具備調(diào)度自動(dòng)化功能，不能有效參與電網(wǎng)頻率及電壓的調(diào)整，因此相對(duì)減小了配電網(wǎng)可調(diào)度的發(fā)電容量，從而對(duì)現(xiàn)有配電網(wǎng)的規(guī)劃和調(diào)度運(yùn)行方式產(chǎn)生影響。

3.3對(duì)繼電保護(hù)的影響

目前，變電站繼電保護(hù)主要是基于斷路器的三段式電流保護(hù)，主饋線裝設(shè)自動(dòng)重合閘，支線裝設(shè)熔斷器。大量的太陽能發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)會(huì)使電網(wǎng)從傳統(tǒng)的單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)變成雙端網(wǎng)絡(luò)，從而改變了故障電流的大小、方向及持續(xù)時(shí)間，影響繼電保護(hù)的正常工作，可能使保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)、自動(dòng)重合閘失效等，降低供電的可靠性。