太陽能光伏發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用探討

方剛劍

（浙江華業(yè)電力工程股份有限公司，浙江 寧波 315000）

在煤炭、石油等能源危機(jī)日益嚴(yán)峻的形勢(shì)下，人們?cè)絹碓娇释碌那鍧?、可再生能源，目前，新型可再生能源包含太陽能、水能、風(fēng)能、地?zé)岬?，其中太陽能?chǔ)量大，使用安全、清潔，具有非常廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。當(dāng)前在太陽能發(fā)電方面的研究包含熱發(fā)電和光伏發(fā)電等形式，其中，太陽能光伏發(fā)電能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能與電能之間的直接轉(zhuǎn)換，不需要消耗燃料，清潔、無污染，使用過程中不會(huì)受到地域等因素限制，能夠較為容易的結(jié)合建筑物使用。針對(duì)太陽能的利用，光伏發(fā)電屬于一種新的技術(shù)類型，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，文章就此展開了研究分析。

1 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)

光伏發(fā)電指的是太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能形式，其原理是半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，早在1839年，國外科學(xué)家在研究中發(fā)現(xiàn)光照情況下半導(dǎo)體材料在不同部位會(huì)有電位差出現(xiàn)，將這一現(xiàn)象稱之為“光生伏打效應(yīng)”，也就是“光伏效應(yīng)”。直到1954年，第一個(gè)實(shí)用單晶硅光伏電池研制成功。目前所使用的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)包含電池板、控制器和電能存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)等組成，在世界光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展過程中，光伏發(fā)電技術(shù)水平有明顯提升，太陽能電池技術(shù)、聚光器技術(shù)、孤島效應(yīng)檢測(cè)技術(shù)等都屬于光伏發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 太陽能電池技術(shù)

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池屬于最為核心部件，當(dāng)前光伏電池的大范圍使用還存在有兩個(gè)方面問題：第一，生產(chǎn)成本問題；第二，光電轉(zhuǎn)換效率問題。第一代光伏電池以硅片為基礎(chǔ)，雖然其技術(shù)發(fā)展成熟，但是存在有非常高成本。第二代光伏電池以薄膜技術(shù)為基礎(chǔ)，光電材料薄，半導(dǎo)體材料消耗有明顯減少，能夠滿足自動(dòng)化和批量化生產(chǎn)需要。當(dāng)前還出現(xiàn)一些新結(jié)構(gòu)、新概念電池，研究人員工作重點(diǎn)向著薄膜制造技術(shù)為基礎(chǔ)的太陽能電池方面發(fā)展，理論光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)93%，比如納米結(jié)構(gòu)電池等，正在積極向著降低生產(chǎn)成本以及提高光電轉(zhuǎn)換效率方面發(fā)展。

1.2 光伏陣列最大功率跟蹤技術(shù)

有專家研究光伏陣列輸出功率，發(fā)現(xiàn)其存在非線性特點(diǎn)，會(huì)因?yàn)樘栞椛湟约皽囟鹊纫蛩赜绊?。為了確保供電系統(tǒng)中太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換能力得到充分全面發(fā)揮，必須要注意對(duì)光伏電池陣列工作點(diǎn)的控制，實(shí)現(xiàn)功率輸出最大化。最大功率跟蹤是一個(gè)動(dòng)態(tài)性過程，通過檢測(cè)光伏電池陣列的輸出電壓和電流，能夠明確光伏電池陣列輸出功率，與之前存儲(chǔ)的功率對(duì)比，將光伏電池陣列動(dòng)態(tài)控制在最大功率點(diǎn)。

1.3 聚光光伏技術(shù)

地表太陽能密度低，為了提高太陽能利用有效性，聚光光伏技術(shù)可發(fā)揮重要價(jià)值，該技術(shù)的使用不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光的聚集，集中在較小面積的聚光電池上，確保太陽光有足夠的輻射能量密度，同時(shí)，還能夠使用低廉聚光器取代太陽電池，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)成本的有效控制。在聚光光伏系統(tǒng)中，聚光器屬于主要組成結(jié)構(gòu)，根據(jù)光學(xué)原理的不同，可以將其分為折射、反射、熱光伏、全息等不同類型聚光器。熱光伏聚光器主要是利用太陽對(duì)輻射器加熱，完成光電轉(zhuǎn)換。

1.4 孤島效應(yīng)檢測(cè)技術(shù)

孤島效應(yīng)指的是電網(wǎng)出現(xiàn)異常造成供電中斷時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍能夠很長使用，同時(shí)向周圍供電，形成供電孤島。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在孤島狀態(tài)下運(yùn)行會(huì)造成嚴(yán)重影響，比如無法控制電壓和頻率，損壞用戶設(shè)備，同時(shí)給維修人員人身健康造成威脅。

在孤島效應(yīng)檢查方面有被動(dòng)式檢查方法和主動(dòng)式檢查方法，其中，被動(dòng)式檢查方法主要是利用電網(wǎng)斷電時(shí)逆變器輸出端在相位、電壓等方面變化檢測(cè)，主要應(yīng)用在一些負(fù)載功率變化較小場(chǎng)景。主動(dòng)式檢測(cè)主要是通過對(duì)逆變器額度控制給功率、相位等帶來擾動(dòng)。電網(wǎng)正常運(yùn)行過程中，電網(wǎng)鎖相環(huán)處于平衡狀態(tài)，無法進(jìn)行擾動(dòng)的檢測(cè)，一旦有故障出現(xiàn)，逆變器輸出擾動(dòng)會(huì)迅速超過閾值，進(jìn)而形成孤島效應(yīng)。常見主動(dòng)檢測(cè)方法包含頻率偏移法、頻率移相法等。

2 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

太陽能光伏發(fā)電在實(shí)際應(yīng)用中有較多類型，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，涉及建筑、偏遠(yuǎn)農(nóng)村、軍事等方面，當(dāng)前其應(yīng)用范圍還在不斷發(fā)展和延伸。

2.1 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)指的是孤立運(yùn)行發(fā)電系統(tǒng)，未與公共電網(wǎng)并網(wǎng)，多建設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū)等，或作為移動(dòng)式便攜電源使用，比如邊防哨所、通信基站、邊遠(yuǎn)農(nóng)村。與太陽能的發(fā)電特點(diǎn)相結(jié)合，發(fā)電集中在白天，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)中還需要有儲(chǔ)能元件，雖然供電可靠性容易受到氣象環(huán)境等因素影響，穩(wěn)定性差，當(dāng)前仍屬于邊遠(yuǎn)地區(qū)居民主要用電方式。

2.2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中連接至公共電網(wǎng)，協(xié)調(diào)發(fā)揮作用，在逆變器作用下對(duì)直流電轉(zhuǎn)化處理，變?yōu)榻涣麟?，有相同頻率，送入電力系統(tǒng)。公共電網(wǎng)在這一過程中發(fā)揮儲(chǔ)能環(huán)節(jié)作用，在并網(wǎng)系統(tǒng)中不需要專門設(shè)置蓄電池，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行成本低，供電穩(wěn)定性有明顯提升，同時(shí)，相比于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換效率明顯更高，屬于當(dāng)前太陽能光伏發(fā)電的一個(gè)主要發(fā)展方向。

2.3 混合光伏發(fā)電系統(tǒng)

混合光伏發(fā)電系統(tǒng)指的是在光伏發(fā)電系統(tǒng)中引入幾種不同發(fā)電方式，以此為負(fù)載提供穩(wěn)定電力供應(yīng)?；旌瞎夥l(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中能夠綜合利用不同發(fā)電技術(shù)優(yōu)勢(shì)，比如光伏系統(tǒng)不需要較多維護(hù)，但是在天氣方面有非常大依賴性，穩(wěn)定性差。冬天日照差同時(shí)存在較大風(fēng)力地區(qū)，可選擇光伏發(fā)電系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成混合發(fā)電系統(tǒng)，不需要過多依賴天氣，能夠使負(fù)載缺電率得到有效控制。

2.4 光伏建筑一體化

早在20世紀(jì)90年代，就提出光伏發(fā)電與建筑物集成化概念，當(dāng)前在世界范圍光伏發(fā)電方面研究重視度越來越高。將光伏發(fā)電與建筑物相結(jié)合具體有兩種不同形式，一種是對(duì)光伏器件和建筑物集成化發(fā)展，利用光伏電池板替代普通玻璃幕墻，直接吸收太陽能，通過這一方式，不僅可以作為建材使用，同時(shí)還能夠有效供電，控制光伏發(fā)電成本；另一種是在建筑屋頂按照平板光伏器件，將光伏與電網(wǎng)并聯(lián)提供電力供應(yīng)，形成聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)。當(dāng)前市場(chǎng)上出現(xiàn)有彩色光伏模塊，以此代替墻體外飾材料，能夠在發(fā)揮發(fā)電作用的同時(shí)提高建筑外觀美觀性。

2.5 光伏發(fā)電與LED照明相結(jié)合

LED由半導(dǎo)體材料組成，能夠?qū)崿F(xiàn)電能向光能的有效轉(zhuǎn)化，依托LED技術(shù)，提高半導(dǎo)體照明效果的同時(shí)兼具節(jié)能和環(huán)保，同時(shí)使用壽命長，便于維護(hù)。光伏發(fā)電與LED照明相結(jié)合主要是在照明方面應(yīng)用光生伏特效應(yīng)理念，通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能后經(jīng)LED照明設(shè)備將光能轉(zhuǎn)化為電能。不需要電能由直流向交流的轉(zhuǎn)化，照明系統(tǒng)效率高。

3 結(jié)語

太陽能光伏發(fā)電屬于清潔環(huán)保能源，取之不盡用之不竭，在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，太陽能光伏發(fā)電的效率和性價(jià)比會(huì)有明顯增加，廣泛應(yīng)用在BIPV等各個(gè)領(lǐng)域，能夠?yàn)槲覈熬G色電力工程”的快速穩(wěn)定發(fā)展提供重要支撐。