太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)應用探索

太陽(yáng)是地球永恒的能源。太陽(yáng)的總輻射功率約為3.8×1026W，地球每年從太陽(yáng)獲取的能量約為6×1017kW·h。在中國960萬(wàn)km2的土地上，年平均獲得的太陽(yáng)能約為1 億億kW·h，相當于1.2 萬(wàn)億t標準煤所具有的能量。因此，可以說(shuō)太陽(yáng)能是一種衰竭的能源，同時(shí)也是一種無(wú)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(kāi)發(fā)和利用太陽(yáng)能具有可持續發(fā)展和環(huán)保的雙重意義。

利用太陽(yáng)能的方式很多，主要有太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)能熱利用、太陽(yáng)能動(dòng)力利用、太陽(yáng)能光化利用、太陽(yáng)能生物利用及太陽(yáng)能光－ 光利用等。其中，"太陽(yáng)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(yáng)的光能或熱能來(lái)生產(chǎn)電能者均稱(chēng)為太陽(yáng)能發(fā)電。利用太陽(yáng)的光能直接生產(chǎn)電能的太陽(yáng)能光電池是目前應用的太陽(yáng)能發(fā)電，也稱(chēng)為太陽(yáng)能光伏電池發(fā)電。

1、太陽(yáng)能光伏電池發(fā)電技術(shù)

1.1太陽(yáng)能光伏電池

太陽(yáng)能光伏電池發(fā)電也簡(jiǎn)稱(chēng)為太陽(yáng)能光伏發(fā)電，被認為是未來(lái)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(yáng)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(yáng)的光能直接轉換成電能。能利用光伏效應產(chǎn)生電能的物質(zhì)，稱(chēng)為光伏材料。利用光伏效應將太陽(yáng)能直接轉換成電能的器件叫太陽(yáng)能光伏電池或光伏電池。光伏電池是太陽(yáng)能光伏發(fā)電的核心組件。

1839 年，法國物理學(xué)家貝克勒爾( Edmond Becqurel)發(fā)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(yáng)光照射時(shí)電壓升高，他在所發(fā)表的論文中把這種現象稱(chēng)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(tài)和濃度發(fā)生變化，因而在不同部位之間產(chǎn)生電位差的現象。1941 年，奧爾在硅材料上發(fā)現了光伏效應，從而奠定了半導體硅在太陽(yáng)能光伏發(fā)電中廣泛應用的基礎。1954 年，美國貝爾實(shí)驗室的科學(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(fā)電量2 300 萬(wàn)kW·h。

太陽(yáng)能光伏電池的工作原理如圖1 所示。

圖1 太陽(yáng)能電池的工作原理

在半導體中摻加雜質(zhì)制成PN結，以形成在平衡狀態(tài)時(shí)具有的內建電場(chǎng)，在該內建電場(chǎng)的作用下分離由外界激發(fā)而生成的過(guò)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(jià)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(yáng)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(yáng)能光伏電池市場(chǎng)的主流，其光電轉換率已達24.7%; 基于薄膜技術(shù)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(fā)展前景。應該指出，光伏電池在光電轉換過(guò)程中，光伏材料既不發(fā)生任何化學(xué)變化，也不產(chǎn)生任何機械磨損，因此太陽(yáng)能光伏電

池是一種無(wú)噪音、無(wú)氣味、無(wú)污染的理想清潔能源。

2006年，我國太陽(yáng)能電池生產(chǎn)總量達到400MW，從而超過(guò)美國成為第三大生產(chǎn)國，也是世界上發(fā)展zui快的國家。

1.2 太陽(yáng)能光伏電站

太陽(yáng)能光伏電站是將若干個(gè)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(gè)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(yáng)能光伏電站。

太陽(yáng)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(hù)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統。這種獨立運行的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統稱(chēng)之為離網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統。

由于受晝夜日照變化及天氣的影響，離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統通常需要和其他電源形式聯(lián)合使用，比如柴油發(fā)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(wǎng)型光伏發(fā)電系統往往建在距離電網(wǎng)較遠的偏遠山區及荒漠地帶，向獨立的區域用戶(hù)供電。

西藏措勒20kW 光伏電站是我國建設較早的離網(wǎng)型光伏電站，總投資290萬(wàn)元，1994年12月正式投產(chǎn)發(fā)電。

離網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏電站系統如圖2所示。

圖2 離網(wǎng)型太陽(yáng)能電站系統框圖

電站的發(fā)電系統由太陽(yáng)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(fā)電機組和整流充電柜) 等組成。其工作原理為太陽(yáng)能光伏電池方陣經(jīng)過(guò)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(dòng)控制充電。蓄電池組通過(guò)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(guò)交流配電柜以三相四線(xiàn)制向用戶(hù)供電。當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(guò)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)電機組為電站的備用電源，必要時(shí)由備用電源通過(guò)整流充電柜向蓄電池組充電，或在光伏發(fā)電系統出現故障及停運時(shí)直接通過(guò)交流配電柜向用戶(hù)供電。

直流－ 交流逆變器和柴油發(fā)電機組不能同時(shí)向用戶(hù)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(yáng)能光伏電站的容量達到一定規模時(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)，如果本地負荷不足，則可將多余的電能輸送給電網(wǎng)。當本地太陽(yáng)能發(fā)電量不足時(shí)，則由電網(wǎng)向用戶(hù)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，減少系統投資和維護費用。同時(shí)由于與電網(wǎng)的互濟，提高了發(fā)電設備的利用率和供電用電的安全可靠性，是大規模開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的必然趨勢。

我國*座并網(wǎng)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(wǎng)光伏電站。2010年底全國*光伏并網(wǎng)發(fā)電項目敦煌2×10MW 光伏發(fā)電項目建成投產(chǎn)。

2、太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)

太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是指將太陽(yáng)輻射熱能轉換成電能的發(fā)電技術(shù)。它包括兩大類(lèi)型: 一類(lèi)是利用太陽(yáng)熱能直接發(fā)電，如半導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)轉換和磁流體發(fā)電等。這類(lèi)發(fā)電的重要特點(diǎn)是發(fā)電裝置本身沒(méi)有活動(dòng)部件，但目前此類(lèi)發(fā)電量比較小，不少方法還處于原理性實(shí)驗研究階段。另一類(lèi)是將太陽(yáng)熱能通過(guò)熱機帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電，其基本組成與常規發(fā)電設備相類(lèi)似，只不過(guò)其熱能是來(lái)自于太陽(yáng)能。

2.1太陽(yáng)能熱發(fā)電系統的構成

典型的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統如圖3 所示。

圖3 太陽(yáng)能熱發(fā)電系統原理圖

與常規的熱發(fā)電廠(chǎng)相比，zui大的不同是利用一種所謂的太陽(yáng)鍋爐取代常規的燃料鍋爐，即利用太陽(yáng)集熱器將來(lái)自太陽(yáng)內部高溫核聚變的輻射能---太陽(yáng)能收集起來(lái)，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，驅動(dòng)熱動(dòng)力裝置，帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電，從而將太陽(yáng)能轉換成電能。

太陽(yáng)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(yáng)能熱電站穩定運行，一般在太陽(yáng)能熱發(fā)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(yáng)能不但可以供給機組滿(mǎn)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(shí)間與輔助能源系統共同供給機組運行，維持太陽(yáng)能熱電站的正常供電。

2.2聚光式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統

聚光式太陽(yáng)能熱電站中的太陽(yáng)鍋爐實(shí)際上是一個(gè)聚光集熱子系統，是收集太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能熱發(fā)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(yáng)光聚集到一個(gè)高塔的頂處，其聚光比通?？蛇_100～1000，可將接收器內的工質(zhì)加熱到500～2000℃，構成高溫塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統，如圖4所示。美國太陽(yáng)Ⅰ號電站是目前世界上較為典型的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，其額定容量為10MW。2005年10月，我國在南京江寧太陽(yáng)能試驗場(chǎng)成功建成投運*座70kW 塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統。

圖4 塔式太陽(yáng)能熱發(fā)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(gè)反射鏡是一個(gè)拋物面槽，太陽(yáng)光經(jīng)拋物面槽反射聚集在一條焦線(xiàn)上，其聚光比為10～30，集熱溫度可達400℃，構成中溫槽式太陽(yáng)能發(fā)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(yáng)能熱發(fā)電站，總裝機容量353.8MW。其上網(wǎng)電價(jià)為13～14 美分/( kW·h) ，已具有與常規能源熱力發(fā)電廠(chǎng)相競爭的潛能。

二維拋物面反射鏡也叫盤(pán)式拋物面反射鏡，形狀上是由一條拋物線(xiàn)旋轉360°所掃描出來(lái)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(diǎn)溫度可達800～1000℃，構成高溫盤(pán)式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統。

數據分析表明，盤(pán)式太陽(yáng)能熱發(fā)電站與太陽(yáng)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。特別是為解決邊遠荒漠地區的供電問(wèn)題更具優(yōu)勢。盤(pán)式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統通常是以單個(gè)旋轉拋物面反射鏡為基礎，構成一個(gè)完整的聚光、集熱和發(fā)電單元。由于單個(gè)旋轉拋物面反射鏡不可能做得太大，因此，這種太陽(yáng)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。

接收器是通過(guò)接收經(jīng)過(guò)聚焦的太陽(yáng)光，將太陽(yáng)輻射能轉變?yōu)闊崮?，并傳遞給工質(zhì)的裝置。根據不同的聚光方式，接收器的結構也會(huì )有較大的差別。接收器的關(guān)鍵技術(shù)是其接收陽(yáng)光的表面必須涂選擇性吸收膜，用以提高對太陽(yáng)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(shí)刻都能通過(guò)反射鏡面反射到固定不動(dòng)的接收器上。太陽(yáng)聚光器的跟蹤方式有兩種，一種是反射鏡面繞1根軸轉動(dòng)的單軸跟蹤; 另一種是反射鏡面繞2根軸轉動(dòng)的雙軸跟蹤。槽型拋物面反射鏡都為單軸跟蹤，而盤(pán)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(yáng)運動(dòng)規律來(lái)自動(dòng)控制跟蹤機構對太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤; 也可以采用傳感器控制方式，即通過(guò)傳感器即時(shí)測出太陽(yáng)光的入射方向，然后控制跟蹤機構對太陽(yáng)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)測量作反饋，不斷對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太陽(yáng)聚光器進(jìn)行準確可靠的跟蹤控制。

2.3 非聚光式太陽(yáng)能熱發(fā)電

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

太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)光的能量吸收不同，使太陽(yáng)池底部的水產(chǎn)生低溫熱。太陽(yáng)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(zhì)，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(yáng)池發(fā)電站。

太陽(yáng)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(yáng)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(kāi)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，從而驅動(dòng)風(fēng)輪帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。1982年在西班牙投運了1座50kW 太陽(yáng)能熱氣流實(shí)驗電站。

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

3、太陽(yáng)能發(fā)電系統接入電網(wǎng)帶來(lái)的問(wèn)題及對電網(wǎng)運行的影響

由于太陽(yáng)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定的。如果有大量的太陽(yáng)能發(fā)電系統接入常規的電網(wǎng)會(huì )給電網(wǎng)的安全穩定運行帶來(lái)一系列不利影響。

3.1 對電能質(zhì)量及電網(wǎng)運行特性的影響

大量的太陽(yáng)能發(fā)電系統接入電網(wǎng)的終端，會(huì )產(chǎn)生反向的潮流，即太陽(yáng)能電流通過(guò)饋線(xiàn)阻抗所產(chǎn)生的壓降會(huì )使負荷側電壓高于變電站側，以致于負荷側電壓越限。同時(shí)，由于太陽(yáng)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(wú)功調節裝置的頻繁動(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(wú)功潮流、諧波、暫態(tài)穩定、動(dòng)態(tài)穩定以及頻率控制等一系列運行特性。

3.2 對配電網(wǎng)規劃及調度自動(dòng)化的影響

太陽(yáng)能發(fā)電系統接入電網(wǎng)向電網(wǎng)反送功率，改變電網(wǎng)的潮流分布，使配電網(wǎng)可調度的發(fā)電容量發(fā)生變化。由于太陽(yáng)能發(fā)電系統本身一般不具備調度自動(dòng)化功能，不能有效參與電網(wǎng)頻率及電壓的調整，因此相對減小了配電網(wǎng)可調度的發(fā)電容量，從而對現有配電網(wǎng)的規劃和調度運行方式產(chǎn)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(xiàn)裝設自動(dòng)重合閘，支線(xiàn)裝設熔斷器。大量的太陽(yáng)能發(fā)電系統接入電網(wǎng)會(huì )使電網(wǎng)從傳統的單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò )變成雙端網(wǎng)絡(luò )，從而改變了故障電流的大小、方向及持續時(shí)間，影響繼電保護的正常工作，可能使保護誤動(dòng)、拒動(dòng)、自動(dòng)重合閘失效等，降低供電的可靠性。