太陽(yáng)能的應(yīng)用與發(fā)展

太陽(yáng)能的應(yīng)用與發(fā)展

0光伏發(fā)電技術(shù)隨著煤炭、石油等現(xiàn)有能源的頻繁出現(xiàn)，世界能源或可再生資源的惡化，人們需要盡快找到新的清潔能源和可再生資源。其中包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、水能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿?而太陽(yáng)能以其儲(chǔ)量巨大、安全、清潔等優(yōu)勢(shì)使其必將成為21世紀(jì)最有希望大規(guī)模應(yīng)用的清潔能源之一。目前太陽(yáng)能發(fā)電主要有兩種形式:一是熱發(fā)電、二是光伏發(fā)電(PhotovoltaicGeneration,PV)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電可直接將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換成電能,是一種不需燃料、無(wú)污染獲取電能的高新技術(shù),具有許多優(yōu)點(diǎn),如:安全可靠、無(wú)噪聲,能量隨處可得,不受地域限制,無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件,故障率低,維護(hù)簡(jiǎn)便,可以無(wú)人值守,建站周期短,規(guī)模大小隨意,無(wú)需架設(shè)輸電線路,可以方便地與建筑物相結(jié)合等。因此,在太陽(yáng)能的有效利用中,光伏發(fā)電是近些年來(lái)太陽(yáng)能眾多利用方式中發(fā)展最快、最具活力的研究領(lǐng)域。從上世紀(jì)70年代開始太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)得到迅速發(fā)展,日本、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家都大力發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè),他們走在了世界的前列;我國(guó)在光伏發(fā)電技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)方面也奮起直追,現(xiàn)在以每年20%的速度迅速發(fā)展。1光伏發(fā)電技術(shù)原理光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體材料光伏效應(yīng)直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電形式。早在1839年,法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾就發(fā)現(xiàn)光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來(lái)被稱為“光生伏打效應(yīng)(PhotovoltaicEffect)”,簡(jiǎn)稱“光伏效應(yīng)”。然而,第一個(gè)實(shí)用單晶硅光伏電池(SolarCell)直到1954年才在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功,從此誕生了太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)。光伏發(fā)電的基本原理如圖l所示。半導(dǎo)體材料組成的PN結(jié)兩側(cè)因多數(shù)載流子(N區(qū)中的電子和P區(qū)中的空穴)向?qū)Ψ降臄U(kuò)散而形成寬度很窄的空間電荷區(qū)w,建立自建電場(chǎng)Ei。它對(duì)兩邊多數(shù)載流子是勢(shì)壘,阻擋其繼續(xù)向?qū)Ψ綌U(kuò)散,但它對(duì)兩邊的少數(shù)載流子(N區(qū)中的空穴和P區(qū)中的電子)卻有牽引作用,能把它們迅速拉到對(duì)方區(qū)域。穩(wěn)定平衡時(shí),少數(shù)載流子極少,難以構(gòu)成電流和輸出電能。但是,當(dāng)太陽(yáng)光照射到PN結(jié)時(shí),如圖l(a)、(b)所示,以光子的形式與組成PN結(jié)的原子價(jià)電子碰撞,產(chǎn)生大量處于非平衡狀態(tài)的電子-空穴對(duì),其中的光生非平衡少數(shù)載流子在內(nèi)建電場(chǎng)Ei的作用下,將P區(qū)中的非平衡電子驅(qū)向N區(qū),N區(qū)中的非平衡空穴驅(qū)向P區(qū),從而使得N區(qū)有過剩的電子,P區(qū)有過剩的空穴。這樣在PN結(jié)附近就形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)Eph。光生電場(chǎng)除一部分抵消內(nèi)建電場(chǎng)外,還使P型層帶正電,N型層帶負(fù)電,在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)接通外部電路時(shí),就會(huì)產(chǎn)生電流,輸出電能。當(dāng)把眾多這樣小的太陽(yáng)能光伏電池單元通過串并聯(lián)的方式組合在一起構(gòu)成光伏陣列,就會(huì)在太陽(yáng)能作用下輸出足夠大的電能。2光伏發(fā)電技術(shù)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池板、控制器和電能儲(chǔ)存及變換環(huán)節(jié)構(gòu)成的發(fā)電與電能變換系統(tǒng)。隨著全球光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,從電池板的生產(chǎn)到電力電子變換器的設(shè)計(jì),眾多的光伏發(fā)電相關(guān)技術(shù)都得到了極大的發(fā)展,對(duì)于一個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng),太陽(yáng)能電池技術(shù)、光伏陣列的最大功率跟蹤(MaximumPowerPointTracking,MPPT)技術(shù)、聚光器技術(shù)、孤島效應(yīng)檢測(cè)技術(shù)等都是系統(tǒng)運(yùn)行所涉及到的重要技術(shù)。2.1薄膜電池技術(shù)光伏電池是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中基本核心部件,它的大規(guī)模應(yīng)用需要解決兩大難題:一是提高光電轉(zhuǎn)換效率;二是降低生產(chǎn)成本。以硅片為基礎(chǔ)的第一代光伏電池,其技術(shù)雖已經(jīng)發(fā)展成熟,但成本一直高居不下?；诒∧ぜ夹g(shù)的第二代光伏電池中,很薄的光電材料被鋪在非硅材料的襯底上,大大減少了半導(dǎo)體材料的消耗,且易于批量自動(dòng)化生產(chǎn),從而大大降低光伏電池的成本。國(guó)際上已經(jīng)開發(fā)出電池效率在15%以上、組件效率10%以上和系統(tǒng)效率8%以上、使用壽命超過15年的薄膜電池工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。繼晶體硅和薄膜電池之后,一些新概念、新結(jié)構(gòu)的電池,通過減少非光能耗,增加光子有效利用以及減少光伏電池內(nèi)阻,使得光伏轉(zhuǎn)換效率的上限有望獲得新的提升。目前許多研究人員把目光投向了以先進(jìn)薄膜制造技術(shù)為基礎(chǔ)的,理論極限光電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)93%的第三代太陽(yáng)能電池,主要有量子點(diǎn)、多層多結(jié)、染料敏化太陽(yáng)能電池、有機(jī)聚合物電池、納米結(jié)構(gòu)電池等,這些新型太陽(yáng)能電池目前正圍繞提高光電轉(zhuǎn)換光電效率和降低生產(chǎn)成本兩大目標(biāo)展開研發(fā)。2.2最大功率跟蹤技術(shù)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),光伏陣列功率輸出特性具有非線性特征,并受太陽(yáng)輻射照度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況的影響。光伏陣列電流、電壓輸出特性如圖2所示。假定圖中曲線1和曲線2為兩個(gè)不同太陽(yáng)輻照下的光伏陣列輸出特性。A和B分別為相應(yīng)的最大功率輸出點(diǎn),并假定某一時(shí)刻,系統(tǒng)運(yùn)行在A點(diǎn)。當(dāng)太陽(yáng)輻照度發(fā)生變化,輸出特性曲線由1上升為2,此時(shí)如果負(fù)載1保持不變,系統(tǒng)將運(yùn)行于A′點(diǎn),偏離了相應(yīng)的功率最大點(diǎn)。為了繼續(xù)跟蹤最大功率點(diǎn),應(yīng)當(dāng)將負(fù)載特性由負(fù)載1變化至負(fù)載2,以保持系統(tǒng)運(yùn)行在新的最大功率點(diǎn)B。同樣,如果太陽(yáng)輻照度變化使得陣列輸出特性由曲線2變至曲線l,則相應(yīng)的工作點(diǎn)由B點(diǎn)變化至B′點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)相應(yīng)地減小負(fù)載2至負(fù)載1,以保證系統(tǒng)在太陽(yáng)輻照度減小的情況下仍然運(yùn)行在最大功率點(diǎn)A。為了使太陽(yáng)能電池在供電系統(tǒng)中充分發(fā)揮它的光電轉(zhuǎn)換能力,就需要實(shí)時(shí)控制光伏電池陣列的工作點(diǎn)以獲得最大的功率輸出。最大功率跟蹤的實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)態(tài)尋優(yōu)的過程,通過對(duì)光伏電池陣列當(dāng)前輸出電壓與電流的檢測(cè),得到當(dāng)前光伏電池陣列輸出功率,再與已被存儲(chǔ)的前一時(shí)刻功率相比較,舍小取大,再檢測(cè),再比較,如此不停地周而復(fù)始,便可使光伏電池陣列動(dòng)態(tài)的工作在最大功率點(diǎn)上。這一過程稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤,相應(yīng)技術(shù)稱之為MPPT技術(shù)。目前采用的定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀察法、功率回授法、增量電導(dǎo)法以及模糊控制算法等可以較好的實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤功能。2.3聚光器的組成直接到達(dá)地面的太陽(yáng)能密度很低,其峰值不超過lkW/m2,為了提高太陽(yáng)能利用效率,可采用聚光光伏技術(shù)。一方面將太陽(yáng)光會(huì)聚到面積很小的高性能聚光電池上,提高太陽(yáng)光輻照能量密度;另一方面用相對(duì)便宜的聚光器部分代替昂貴的太陽(yáng)電池,從而達(dá)到降低光伏發(fā)電系統(tǒng)成本的目。聚光器是聚光光伏系統(tǒng)的主要組成部分,根據(jù)光學(xué)原理可分為:折射聚光器、反射聚光器、混合聚光器、熱光伏聚光器、熒光聚光器、全息聚光器等。其中混合聚光器利用折射、反射和內(nèi)部反射達(dá)到聚光。熱光伏聚光器工作原理是:太陽(yáng)把輻射器加熱到高溫,完成光熱轉(zhuǎn)換;輻射器再發(fā)出輻射到太陽(yáng)電池上,完成光電轉(zhuǎn)換。熒光聚光器和全息聚光器是兩種尚未成熟的技術(shù)。雖然目前聚光光伏系統(tǒng)還存在一些關(guān)鍵的科學(xué)技術(shù)問題沒有得到完全解決,但各國(guó)光伏工作者也在不斷地以實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證聚光技術(shù)。2005年5月,美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室報(bào)道其三結(jié)太陽(yáng)電池在10倍聚光條件下的效率為37.9%。2006年12月,該項(xiàng)世界紀(jì)錄又被其刷新為40.7%。我國(guó)雖然聚光器技術(shù)起步比較晚,但是發(fā)展比較迅速,2009年6月的我國(guó)自主研發(fā)出的“4倍聚光+跟蹤”的新型光伏發(fā)電技術(shù),具有廉價(jià)、輕巧、效率高、抗風(fēng)強(qiáng)等特點(diǎn)。2.4孤島效應(yīng)檢查方法所謂孤島效應(yīng)是指:當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障、誤操作或停電維修等原因造成中斷供電時(shí),各個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍在運(yùn)行,并向周圍的負(fù)載供電,而構(gòu)成一個(gè)電力公司無(wú)法控制的自給供電的孤島。孤島模型如圖3所示。當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果,如孤島中的電壓和頻率無(wú)法控制,可能會(huì)對(duì)用戶的設(shè)備造成損壞;孤島中的線路仍然帶電會(huì)對(duì)維修人員造成人身危險(xiǎn)等。孤島效應(yīng)檢查方法在并網(wǎng)逆變器側(cè)可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式。被動(dòng)式檢測(cè)方法是利用電網(wǎng)斷電時(shí)逆變器輸出端電壓、頻率、相位或諧波的變化進(jìn)行孤島檢測(cè),該方法適用于負(fù)載功率變化不大,且與逆變器的輸出不匹配的場(chǎng)合。主動(dòng)式檢測(cè)方法是指通過控制逆變器,使其輸出功率、頻率或相位存在一定的擾動(dòng)。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),由于電網(wǎng)鎖相環(huán)的平衡作用,檢測(cè)不到這些擾動(dòng),一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障,逆變器輸出的擾動(dòng)將快速累積并超出允許范圍,便可觸發(fā)孤島效應(yīng)檢測(cè)電路。主動(dòng)式檢測(cè)方法目前主要有:阻抗測(cè)量法、輸出功率擾動(dòng)法、主動(dòng)頻率偏移法及滑動(dòng)頻率移相法等。其中頻率偏移法及頻率移相法具有易于實(shí)現(xiàn)、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn),在應(yīng)用中更為廣泛。3發(fā)電系統(tǒng)及光伏系統(tǒng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電的應(yīng)用方式有多種,包括獨(dú)立、并網(wǎng)、混合光伏發(fā)電系統(tǒng),光伏與建筑集成系統(tǒng)以及大規(guī)模光伏電站領(lǐng)域;在偏遠(yuǎn)農(nóng)村電氣化、荒漠、軍事、通信及野外檢測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并且隨著技術(shù)的發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷地延伸和發(fā)展。3.1移動(dòng)電源的覆蓋獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是不與公共電網(wǎng)系統(tǒng)相連而孤立運(yùn)行的發(fā)電系統(tǒng),通常建設(shè)在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的邊遠(yuǎn)地區(qū)或作為野外移動(dòng)式便攜電源,比如公共電網(wǎng)難以覆蓋的邊遠(yuǎn)農(nóng)村、海島、邊防哨所、移動(dòng)通訊基站等等。由于太陽(yáng)能發(fā)電的特點(diǎn)是白天發(fā)電,而負(fù)荷用電特性往往是全天候的,因此在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件必不可少。盡管其供電可靠性受氣象環(huán)境等因素影響很大,供電穩(wěn)定性也相對(duì)較差,但它是邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)居民和社會(huì)用電問題的重要方式。3.2電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)換并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相聯(lián)接,共同承擔(dān)供電任務(wù)。光伏電池陣列所發(fā)的直流電經(jīng)逆變器變換成與電網(wǎng)相同頻率的交流電,以電壓源或電流源的方式送入電力系統(tǒng)。容量可以視為無(wú)窮大的公共電網(wǎng)在這里扮演著儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的角色。因此并網(wǎng)系統(tǒng)不需要額外的蓄電池,降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本,提高了系統(tǒng)運(yùn)行和供電穩(wěn)定性,并且光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換效率要大大高于獨(dú)立系統(tǒng),它是當(dāng)今世界太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的最合理發(fā)展方向。3.3綜合利用各種發(fā)電技術(shù),避免各次犯罪,以維護(hù)電混合光伏發(fā)電系統(tǒng)是將一種或幾種發(fā)電方式同時(shí)引入光伏發(fā)電系統(tǒng)中,聯(lián)合向負(fù)載供電的系統(tǒng)。其目的是為了綜合利用各種發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),避免各自的缺點(diǎn)。如光伏系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是維護(hù)少,缺點(diǎn)是電能輸出依賴于天氣、不穩(wěn)定。在冬天日照差,但風(fēng)力大的地區(qū),采用光伏/風(fēng)力混合發(fā)電系統(tǒng),可以減少對(duì)天氣的依賴性,降低負(fù)載缺電率。3.4光伏發(fā)電技術(shù)“光伏發(fā)電與建筑物集成化”(BuildingintegratedPV,BIPV)的概念在1991年被正式提出,是目前世界上大規(guī)模利用光伏發(fā)電的研發(fā)熱點(diǎn)。光伏與建筑相結(jié)合主要有兩種形式:一種是在建筑物屋頂安裝平板光伏器什,光伏陣列與電網(wǎng)并聯(lián)向用戶供電,形成用戶聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)。第二種形式是將光伏器件與建筑集成化,在屋頂安裝光伏電池板,用光伏發(fā)電的玻璃幕墻代替普通的玻璃幕墻,由屋頂和墻面的光伏器件直接吸收太陽(yáng)能,這樣既可以做建材又可以發(fā)電,進(jìn)一步降低光伏發(fā)電的成本。目前已研制出大尺度的彩色光伏模塊代替昂貴的墻體外飾材料,不僅實(shí)現(xiàn)以上目的,還可使建筑外觀更具魅力。3.5光伏led照明技術(shù)特點(diǎn)LED照明,也稱固態(tài)照明。LED是發(fā)光二極管,是半導(dǎo)體材料制成的組件,可將電能轉(zhuǎn)換為光能。基于LED技術(shù)的半導(dǎo)體照明,具有高效、節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽命、易維護(hù)等顯著特點(diǎn)。光伏LED照明技術(shù)是將光生伏特效應(yīng)原理應(yīng)用在照明上,即利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能,再用LED照明裝置將電能轉(zhuǎn)換為光能。光伏發(fā)電技術(shù)能與LED照明完美結(jié)合關(guān)鍵在于兩者同為直流電、電壓低并能互相匹配等特點(diǎn)。兩者結(jié)合不需要變頻器將光伏電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電,因此大大提高了整個(gè)照明系統(tǒng)的效率,同時(shí)也可借助于并網(wǎng)技術(shù)或可充放蓄電池,所具有的優(yōu)勢(shì)是顯而幼見的。4光伏發(fā)電前景廣闊近年來(lái)各國(guó)都將太陽(yáng)能光伏發(fā)電擺在利用可再生能源的首位。特別是從20世紀(jì)末,在一些國(guó)家實(shí)施“太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”的推動(dòng)下,1997年以后全球太陽(yáng)電池產(chǎn)量每年以30%以上的速度上升,自2004年以來(lái),產(chǎn)品始終處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。2004年世界產(chǎn)量達(dá)到1256MW,2005年1817.7MW,預(yù)計(jì)2010年4GW,2020年15GW以上;歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)2020年可達(dá)到40GW,系統(tǒng)總裝機(jī)容量將達(dá)到195GW,屆時(shí)太陽(yáng)能光伏發(fā)電量將達(dá)到274Twh,占當(dāng)時(shí)全球發(fā)電量的1%。在太陽(yáng)能光伏發(fā)電領(lǐng)域,德國(guó)、日本、美國(guó)一直保持著世界領(lǐng)先的位置。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)還處于初級(jí)階段,2006年我國(guó)太陽(yáng)能電池僅占世界總產(chǎn)量的6%左右。依照目前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)和中國(guó)的資源情況,到2020年的電力供應(yīng)單靠傳統(tǒng)的煤、水是不夠的,電力供給在2020年的缺口將達(dá)到l0.70%,這部分缺口將通過可再生能源來(lái)補(bǔ)充。因此,光伏發(fā)電將在中國(guó)未來(lái)的電力供應(yīng)中扮演重要的角色,預(yù)計(jì)到2020年累計(jì)裝機(jī)將達(dá)到30GWp;2050年