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太阳能光伏发电技术及其应用 张立文3,张聚伟,田 葳,张晓红 河南科技大学电子信息工程学院,河南洛阳471003 摘 要随着现代工业的发展,全球能源危机和大气污染问题日益突出,太阳能作为理想的可再生能源受到了许多国家的重视。目前太阳能光伏发电技术正在迅速发展,应用的规模和范围也在不断地扩大,已成为当今世界新能源发电领域的一个研究热点。本文在介绍太阳能光伏发电基本原理的基础上,详细阐述了太阳能光伏发电的相关重要技术,论述了太阳能光伏发电技术的主要应用方式和应用领域,并分析了太阳能光伏发电技术的应用前景。 关键词太阳能;光伏发电;最大功率跟踪;聚光光伏技术;孤岛效应 中图分类号TK519 文献标识码 文章编号1009-3230201003-0004-05 T echnology and Application of Solar E nergy PV G eneration ZH ANGLi-wen,ZH ANGJu-wei,TI AN Wei,ZH ANG X iao-hong College of E lectronics and I n ation E ngineering,H enan U niversity of Science and T echnology,Luoyang471003,H enan AbstractWith the development of m odern industry,exhaustion of w orld energy and environment pollution is m ore serious,s olar energy has attracted w orldwide attention as the best renewable energy.S olar energy photov oltaicPVtechnology develops rapidly,and applied dimensions and area are continuously expanding,which has been one of the hot researches in the new energy generation area.On the base of introduction for the basic principle of s olar energy PV,the im portant technologies of s olar energy PV are elaborated;the applied and area of s olar photov oltaic technology are discussed.The prospect of development of s olar energy PV technology is als o analyzed. K ey w ordsS olar energy;Photov oltaic generation;Maximum power point tracking;C oncentrating photo2 v oltaic technology;Islanding effect 0 引言 随着煤炭、石油等现有化石能源的频频告急和全球变暖等生态环境的恶化,使得人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生资源。其中包括太阳能、风能、生物质能、水能、地热能、海洋能等, 收稿日期2010- 修订稿日期2010- 作者简介张立文 而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势使其必将成为21世纪最有希望大规模应用的清洁能源之一。 目前太阳能发电主要有两种形式一是热发电、二是光伏发电Photov oltaic G eneration,PV。太阳能光伏发电可直接将太阳光能转换成电能,是一种不需燃料、无污染获取电能的高新技术,具有许多优点,如安全可靠、无噪声,能量随处可得, 不受地域限制,无机械转动部件,故障率低,维护简便,可以无人值守,建站周期短,规模大小随意,无需架设输电线路,可以方便地与建筑物相结合等。因此,在太阳能的有效利用中,光伏发电是近些年来太阳能众多利用方式中发展最快、最具活力的研究领域。从上世纪70年代开始太阳能光伏发电技术得到迅速发展,日本、德国、美国等国家都大力发展光伏发电产业,他们走在了世界的前列;我国在光伏发电技术研究和产业方面也奋起直追,现在以每年20的速度迅速发展。 1 太阳能光伏发电的原理 光伏发电是利用半导体材料光伏效应直接将太阳能转换为电能的一种发电形式。早在1839年,法国科学家贝克勒尔就发现光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应Photov oltaic E ffect ”,简称“光伏效应”。然而,第一个实用单晶硅光伏电池S olar Cell 直到1954年才在美国贝尔实验室研制 成功,从此诞生了太阳能转换为电能的实用光伏发电技术 [1] 。 光伏发电的基本原理如图l 所示。半导体材料组成的PN 结两侧因多数载流子N 区中的电子和P 区中的空穴向对方的扩散而形成宽度很窄的空间电荷区w ,建立自建电场Ei 。它对两边多数载流子是势垒,阻挡其继续向对方扩散,但它对两边的少数载流子N 区中的空穴和P 区中的电子却有牵引作用,能把它们迅速拉到对方区域。稳定平衡时,少数载流子极少,难以构成电流和输 出电能。但是,当太阳光照射到PN 结时,如图l a 、b 所示,以光子的形式与组成PN 结的原子 价电子碰撞,产生大量处于非平衡状态的电子-空穴对,其中的光生非平衡少数载流子在内建电场Ei 的作用下,将P 区中的非平衡电子驱向N 区,N 区中的非平衡空穴驱向P 区,从而使得N 区有过剩的电子,P 区有过剩的空穴。这样在PN 结附近就形成与内建电场方向相反的光生电场E ph 。光生电场除一部分抵消内建电场外,还使P 型层带正电,N 型层带负电,在N 区和P 区之间的薄层产生光生电动势。当接通外部电路时,就会产 生电流,输出电能。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起构成光伏阵列,就会在太阳能作用下输出足够大的电能。 图1 太阳能光伏发电的原理图 2 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发电与电能变换系统。随着全球光伏产业的迅速发展,从电池板的生产到电力电子变换器的设计,众多的光伏发电相关技术都得到了极大的发展,对于一个光伏发电系统,太阳能电池技术、光伏阵列的最大功率跟踪Maximum P ower P oint Tracking ,MPPT 技术、聚光器技术、孤岛效应检测技术等都是系统运行所涉及到的重要技术 [2-5] 。 2.1 太阳能电池技术 光伏电池是太阳能光伏发电系统中基本核心部件,它的大规模应用需要解决两大难题一是提高光电转换效率;二是降低生产成本。以硅片为基础的第一代光伏电池,其技术虽已经发展成熟,但成本一直高居不下。基于薄膜技术的第二代光伏电池中,很薄的光电材料被铺在非硅材料的衬底上,大大减少了半导体材料的消耗,且易于批量自动化生产,从而大大降低光伏电池的成本。国际上已经开发出电池效率在15以上、组件效率10以上和系统效率8以上、使用寿命超过15 年的薄膜电池工业化生产技术 [2] 。继晶体硅和薄 膜电池之后,一些新概念、新结构的电池,通过减少非光能耗,增加光子有效利用以及减少光伏电池内阻,使得光伏转换效率的上限有望获得新的提升。目前许多研究人员把目光投向了以先进薄膜制造技术为基础的,理论极限光电转换效率最高可达93的第三代太阳能电池,主要有量子点、多层多结、染料敏化太阳能电池、有机聚合物 电池、纳米结构电池等,这些新型太阳能电池目前正围绕提高光电转换光电效率和降低生产成本两大目标展开研发。 2.2 光伏阵列的最大功率跟踪技术 经研究发现,光伏阵列功率输出特性具有非线性特征,并受太阳辐射照度、环境温度和负载情况的影响。光伏阵列电流、电压输出特性如图2所示 [3,6] 。假定图中曲线1和曲线2为两个不同 太阳辐照下的光伏阵列输出特性。A 和B 分别为相应的最大功率输出点,并假定某一时刻,系统运行在A 点。当太阳辐照度发生变化,输出特性曲线由1上升为2,此时如果负载1保持不变,系统将运行于A ′点,偏离了相应的功率最大点。为了继续跟踪最大功率点, 应当将负载特性由负载1变化至负载2,以保持系统运行在新的最大功率点B 。同样,如果太阳辐照度变化使得阵列输出特性由曲线2变至曲线l ,则相应的工作点由B 点变化至B ′点。应当相应地减小负载2至负载1,以保证系统在太阳辐照度减小的情况下仍然运行在最大功率点A 。 图2 MPPT 技术示意图 为了使太阳能电池在供电系统中充分发挥它的光电转换能力,就需要实时控制光伏电池阵列的工作点以获得最大的功率输出。最大功率跟踪的实现实质上是一个动态寻优的过程,通过对光伏电池阵列当前输出电压与电流的检测,得到当前光伏电池阵列输出功率,再与已被存储的前一时刻功率相比较,舍小取大,再检测,再比较,如此不停地周而复始,便可使光伏电池阵列动态的工作在最大功率点上。这一过程称之为最大功率点跟踪,相应技术称之为MPPT 技术。 目前采用的定电压跟踪法、扰动观察法、功率 回授法、增量电导法以及模糊控制算法等可以较好的实现最大功率点跟踪功能[7] 。 2.3 聚光光伏技术 直接到达地面的太阳能密度很低,其峰值不超过lkW Πm2,为了提高太阳能利用效率,可采用聚光光伏技术。一方面将太阳光会聚到面积很小的高性能聚光电池上,提高太阳光辐照能量密度;另一方面用相对便宜的聚光器部分代替昂贵的太阳电池,从而达到降低光伏发电系统成本的目。聚光器是聚光光伏系统的主要组成部分,根据光学原理可分为折射聚光器、反射聚光器、混合聚光器、热光伏聚光器、荧光聚光器、全息聚光器等。其中混合聚光器利用折射、反射和内部反射达到聚光。热光伏聚光器工作原理是太阳把辐射器加热到高温,完成光热转换;辐射器再发出辐射到太阳电池上,完成光电转换。荧光聚光器和全息聚光器是两种尚未成熟的技术。 虽然目前聚光光伏系统还存在一些关键的科学技术问题没有得到完全解决,但各国光伏工作者也在不断地以实验结果验证聚光技术。2005年5月,美国可再生能源实验室报道其三结太阳电池在10倍聚光条件下的效率为37.9[4] 。2006年12月,该项世界纪录又被其刷新为40.7 [8] 。我国虽然聚光器技术起步比较晚,但 是发展比较迅速,2009年6月的我国自主研发出的“4倍聚光跟踪”的新型光伏发电技术,具有廉价、轻巧、效率高、抗风强等特点。 2.4 孤岛效应检测技术 所谓孤岛效应是指当电网由于电气故障、误操作或停电维修等原因造成中断供电时,各个光伏并网发电系统仍在运行,并向周围的负载供电,而构成一个电力公司无法控制的自给供电的孤岛。孤岛模型如图3所示。当光伏并网发电系统处于孤岛运行状态时会产生严重的后果,如孤岛中的电压和频率无法控制,可能会对用户的设备造成损坏;孤岛中的线路仍然带电会对维修人员造成人身危险等。 孤岛效应检查方法在并网逆变器侧可分为被动式和主动式。被动式检测方法是利用电网断 图2 孤岛模型图 电时逆变器输出端电压、频率、相位或谐波的变化进行孤岛检测,该方法适用于负载功率变化不大,且与逆变器的输出不匹配的场合。主动式检测方法是指通过控制逆变器,使其输出功率、频率或相位存在一定的扰动。电网正常运行时,由于电网锁相环的平衡作用,检测不到这些扰动,一旦电网出现故障,逆变器输出的扰动将快速累积并超出允许范围,便可触发孤岛效应检测电路。主动式检测方法目前主要有阻抗测量法、输出功率扰动法、主动频率偏移法及滑动频率移相法等[9]。其中频率偏移法及频率移相法具有易于实现、实用性强等特点,在应用中更为广泛。 3 太阳能光伏发电技术的应用 太阳能光伏发电的应用方式有多种,包括独立、并网、混合光伏发电系统,光伏与建筑集成系统以及大规模光伏电站领域;在偏远农村电气化、荒漠、军事、通信及野外检测等领域得到广泛应用,并且随着技术的发展,其应用领域还在不断地延伸和发展[10-11]。 3.1 独立光伏发电系统 独立光伏发电系统是不与公共电网系统相连而孤立运行的发电系统,通常建设在远离电网的边远地区或作为野外移动式便携电源,比如公共电网难以覆盖的边远农村、海岛、边防哨所、移动通讯基站等等。由于太阳能发电的特点是白天发电,而负荷用电特性往往是全天候的,因此在独立光伏发电系统中储能元件必不可少。尽管其供电可靠性受气象环境等因素影响很大,供电稳定性也相对较差,但它是边远无电地区居民和社会用电问题的重要方式。 3.2 并网光伏发电系统 并网光伏发电系统与公共电网相联接,共同承担供电任务。光伏电池阵列所发的直流电经逆变器变换成与电网相同频率的交流电,以电压源或电流源的方式送入电力系统。容量可以视为无穷大的公共电网在这里扮演着储能环节的角色。因此并网系统不需要额外的蓄电池,降低了系统运行成本,提高了系统运行和供电稳定性,并且光伏并网系统的电能转换效率要大大高于独立系统,它是当今世界太阳能光伏发电技术的最合理发展方向。 3.3 混合光伏发电系统 混合光伏发电系统是将一种或几种发电方式同时引入光伏发电系统中,联合向负载供电的系统。其目的是为了综合利用各种发电技术的优点,避免各自的缺点。如光伏系统的优点是维护少,缺点是电能输出依赖于天气、不稳定。在冬天日照差,但风力大的地区,采用光伏Π风力混合发电系统,可以减少对天气的依赖性,降低负载缺电率。 3.4 光伏建筑一体化 “光伏发电与建筑物集成化”Building inte2 grated PV,BIPV的概念在1991年被正式提出,是目前世界上大规模利用光伏发电的研发热点。光伏与建筑相结合主要有两种形式一种是在建筑物屋顶安装平板光伏器什,光伏阵列与电网并联向用户供电,形成用户联网光伏系统。第二种形式是将光伏器件与建筑集成化,在屋顶安装光伏电池板,用光伏发电的玻璃幕墙代替普通的玻璃幕墙,由屋顶和墙面的光伏器件直接吸收太阳能,这样既可以做建材又可以发电,进一步降低光伏发电的成本。目前已研制出大尺度的彩色光伏模块代替昂贵的墙体外饰材料,不仅实现以上目的,还可使建筑外观更具魅力。 3.5 光伏发电与LE DLght Emitter Diode照明的结合 LE D照明,也称固态照明。LE D是发光二极管,是半导体材料制成的组件,可将电能转换为光能。基于LE D技术的半导体照明,具有高效、节能、环保、长寿命、易维护等显著特点。光伏LE D 照明技术是将光生伏特效应原理应用在照明上, 即利用太阳能电池将太阳能转换成电能,再用LE D照明装置将电能转换为光能。光伏发电技术能与LE D照明完美结合关键在于两者同为直流电、电压低并能互相匹配等特点。两者结合不需要变频器将光伏电池产生的直流电转化为交流电,因此大大提高了整个照明系统的效率,同时也可借助于并网技术或可充放蓄电池,所具有的优势是显而幼见的。 4 光伏发电技术的应用前景展望近年来各国都将太阳能光伏发电摆在利用可再生能源的首位。特别是从20世纪末,在一些国家实施“太阳能屋顶计划”的推动下,1997年以后全球太阳电池产量每年以30以上的速度上升,自2004年以来,产品始终处于供不应求的状态。2004年世界产量达到1256MW,2005年1817. 7MW,预计2010年4G W,2020年15G W以上;欧洲光伏工业协会预测2020年可达到40G W,系统总装机容量将达到195G W,届时太阳能光伏发电量将达到274T wh,占当时全球发电量的1[12-13]。 在太阳能光伏发电领域,德国、日本、美国一直保持着世界领先的位置。与发达国家相比,我国的光伏产业还处于初级阶段,2006年我国太阳能电池仅占世界总产量的6左右。依照目前的经济发展趋势和中国的资源情况,到2020年的电力供应单靠传统的煤、水是不够的,电力供给在2020年的缺口将达到l0.70,这部分缺口将通过可再生能源来补充。因此,光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色,预计到2020年累计装机将达到30G W p;2050年将达到100G W p。随着光伏电池技术的进步,其发电成本将会进一步降低,并能够和常规的化石能源发电技术相竞争。 根据我国光伏发电的发展情况。在今后一段时间。我国光伏发电主要应用在以下几个方面 1城市并网光伏发电,2荒漠和海岛地区的供电,3边远地区离网供电,3景观灯、LE D照明等商业应用。 太阳能光伏发电作为一种取之不尽、用之不竭的清洁环保能源将得到前所未有的发展。随着光伏发电产业化进程和技术开发的深化,它的效率、性价比将得到提高,它在包括BIPV在内的各个领域都将得到广泛的应用,也将极大地推动中国“绿色电力工程”的快速发展。 参考文献 [1] 赵争鸣,刘建政,孙晓英,等.太阳能光伏发电及其应 用[M].北京科学出版社,200520-26. [2] 倪萌,M KLeung,K Sumathy.太阳能电池研究的新进 展[J].可再生能源,2004,11429-11. [3] 狄丹.太阳能光伏发电是理想的可再生能源[J].华 中电力,2006,21559-62. [4] 陈诺夫,白一鸣.聚光光伏系统[J].物理,2007,36 11862-868. [5] John,Z.Y e,A.K olwalkar.Investigation of anti-is2 landing protection of power converter based distributed generators using frequency domain analysis[J].IEEE T rans.P ower E lectron.,2004,1951177-1183. [6] 苑进社,余世杰,何慧若.C VT光伏泵水系统瞬态工 作点特性分析[J].太阳能学报,2002,235554- 556. [7] Y ang C,Smedley K,Vacher F.A new maximum power point tracking controller for photov oltaic power generation [J].IEEE APEC C on f.Rec.cpp.20038-62. [8] K ing R,Law D,Edm onds on K.40efficient metam or2 phic G aInPΠG aInAsΠG e multijunctions olar cells[J].Ap2 plied Physics Letters,2007,9018183-516. [9] 杨海柱,金新民.基于正反馈频率漂移的光伏并网 逆变器反孤岛控制[J].太阳能学报,2005,23409 -412. [10] 安文韬,刘彦丰.太阳能光伏光热建筑一体化系统 的研究[J].应用能源技术,2007,1133-35,39. [11] 李永杰.太阳能与高亮LE D的集成应用[J].应用能 源技术,2007,625-27. [12] Joachim Benemann.Building-integrated PV m odules [J].S olar Energy MaterialsS olar Cells,2001,67345 -354. [13] 杨忠.太阳能光伏发电现状与发展趋势[J].金陵科 技学院学报,2008,2419-13.