太阳能光伏发电主要技术与进展

太阳能光伏发电主要技术与进展（综述）（中国电力企业联合会科技服务中心尹淞）一、概述太阳能作为一种可永续利用的清洁能源，是理想的可再生能源。太阳能光伏发电是太阳能利用的一种重要形式，是利用太阳电池的光伏效应原理将太阳辐射能直接转换为电能的一种发电形式。从能源与环境的角度来看，太阳能光伏发电属于真正无污染的清洁可再生能源。太阳能光伏发电技术的研究始于二十世纪五十年代，近年得到迅速发展，并首先在太阳能资源丰富的国家如德国、日本和美国等国家得到了大面积的推广和应用。为了实现能源和环境的可持续发展，世界各国都将光伏发电作为发展的重点，在各国政府的大力支持下，太阳能光伏产业发展迅速，太阳能光伏发电技术也得到了很大进展。二、主要技术进展太阳能光伏发电技术主要涉及太阳能电池和矩阵、电源转换（逆变器、充电器）、控制系统、储能系统、并网技术等领域，本文主要就太阳能并网电站涉及的主要技术进行综述。1、太阳能电池太阳电池技术是太阳能发电技术的主要组成部份。太阳能电池主要有以下几种类型：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等。各类型电池主要性能如表1所示。表1太阳能电池分类汇总表种类电池类型商用效率实验室效率优点缺点晶硅电池单晶硅14%-17%23%效率高、技术成熟原料成本高多晶硅13%-15%20.3%效率较高、技术成熟原料成本较高薄膜电池非晶硅5%-8%13%弱光效应好、成本相对较低转化率相对较低碲化镉5%-8%15.8%弱光效应好、成本相对较低有毒、污染环境铜铟硒5%-8%15.3%弱光效应好、成本相对较低稀有金属根据表1，晶硅类电池分为单晶硅电池组件和多晶硅电池组件，两种组件最大的差别是单晶硅组件的光电转化效率略高于多晶硅组件，也就是相同功率的电池组件，单晶硅组件的面积小于多晶硅组件的面积。单晶硅、多晶硅太阳能电池具有制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高的特点。非晶硅薄膜太阳能电池具有弱光效应好，成本相对于硅太阳能电池较低的优点。而碲化镉、铜铟硒电池则由于原材料剧毒或原材料稀缺性，其规模化生产受到限制。我国从上世纪50年代起就开始对太阳能电池进行研究，上世纪80至90年代先后从国外引进多条太阳能电池生产线。近几年，太阳能电池的研究开发和生产飞跃地发展。整体上看，我国不但在太阳能电池生产能力上进入国际先进行列，而且在薄膜太阳能电池的研究开发上达到国际先进水平。同时还在新的有机纳米晶太阳能电池的研究中取得国际领先的成果。目前，薄膜电池的转换效率达到6%-8%，近两年内可达到10%-12%，五年内有望达到18%，其功率衰退问题也已解决。薄膜电池对弱光的转化率十分好，即使在阴天照样能够发电。薄膜太阳能电池技术正在成为主流太阳能电池技术，与晶体硅太阳电池技术并驾齐驱。2、逆变器及控制系统逆变器是一种电源转换装置，太阳能逆变器的作用是将太阳能电池产生的DC电压转换成为电网兼容的AC输出。太阳能发电系统对逆变器的主要要求可靠、效率高、波形畸变小，功率因数高。在可靠性和可恢复性方面，要求逆变器应具有一定的抗干扰能力、环境适应能力、瞬时过载能力及各种保护功能，如：故障情况下，逆变器必须自动从主网解列。在逆变器输出效率方面，由于现在常用的太阳电池矩阵的光电转换效率小于15%，如果逆变器效率低，将太阳电池好不容易转换来的电能损耗掉，十分可惜。这样势必要增加矩阵中太阳电池组件的数量，增大矩阵所占的面积，从而大大增加太阳能发电设备的投资和土建费用。所以，要求逆变器效率要大于90%。大功率逆变器在满载时，效率必须在90%或95%以上。中小功率的逆变器在满载时，效率必须在85%或90%以上，在逆变器额定功率10%的情况下，也要保证90%（大功率逆变器）以上的转换效率。对于逆变器输出波形，为使光伏阵列所产生的直流电源逆变后向公共电网并网供电，就必须对逆变器的输出电压波形、幅值及相位等与公共电网一致，实现向电网无扰动平滑供电。输出电流波形良好，波形畸变以及频率波动低于门槛值。并网逆变器需要在不降低功率等级的前提下，紧密匹配电网的相位和频率。在并网时，逆变器能够把负载用不了的电能回送至电网且无须借助体积庞大、成本高昂的能量存储器件。基于安全考虑，并网的逆变器将在掉电时自动切断且一般没有用于存储能量的电池组。同时，离网太阳能逆变器工作在独立模式，无需与外部AC电网同步。所以，它不需要任何反孤岛保护措施。大型太阳光伏并网电站的控制逆变技术是太阳能光伏并网发电领域的最核心技术之一。光伏发电系统必须对电网和太阳能电池的输出情况进行实时监测，对周围环境做出准确判断，完成相应动作，如对电网的投、切控制，系统的启动、运行、休眠、停止、故障等状态检测，以确保系统安全、可靠的工作。由于太阳能电池的输出曲线是非线性的，受环境影响很大，为确保系统能最大输出电能，需采用最大功率跟踪控制技术，通过自寻优方法使系统跟踪并稳定运行在太阳能光伏系统的最大输出功率点，从而提高太阳能输出电能利用率；同时光伏发电系统作为分散供电电源，当电网由于电气故障、误操作或自然因素等外部原因引起中断供电时，为防止损坏用电设备以及确保电网维修人员的安全，系统必须具有孤岛保护的能力。随着现代电力电子技术、微电子技术和控制技术的进步，特别是电力电子器件和高性能微控制器技术的提高，使高性能、高可靠性的能量变换装置成为可能，目前许多新能源领域的国外公司都在致力于这方面的研发工作，而且已经取得卓著的成效，形成了比较完善的针对并网逆变器的标准。例如：德国SMA公司已经研制成功大型并网逆变器，并开始系列化生产，其单台最大功率达到1000kW，由两台500kW逆变单元通过采用群控技术并联而成，具有完善的运行保护功能，而且可以通过网络通信实现在中央控制室对逆变器的监控。Xantrex公司500kW并网逆变器也已投入市场。相比较而言，太阳能光伏发电用控制并网型逆变器的研究起步比较晚，研究难度和研究范围大大增加，须涉及光伏阵列最大功率跟踪、逆变、并网和防止孤岛效应（指供电电网断电时由于负载匹配等原因造成发电装置未停机，仍然给局部电网供电的不安全情况）等技术难题。我国对小型的与低压用户电网直接并网的光伏逆变器做过一些研究，但还没有成熟产品；对直接和高压网并网的逆变器的研究还刚刚起步，由于我国并网型太阳能发电设备还未形成规模生产，如何正确选定并网型太阳能发电设备用逆变器，将是近期必须面对的一个重要课题。3、并网技术国际上并网光伏发电有两种应用方式，一种是在城镇的建筑屋顶或其它空地上建设，和低压配电网并联，光伏电站发出的电力直接被用户消耗，多余部分输送到电网；另一种是在荒漠建设，和高压输电网并联，通过输电网输送，降压后再供给用电负载。光伏与建筑相结合的系统（BIPV）是一种先进、有潜力的高科技绿色节能建筑发电系统。BIPV系统也是目前世界上大规模利用光伏技术发电的重要市场，一些发达国家都在作为重点项目积极推进。近年来，国外推行在用电密集的城镇建筑物上安装光伏系统，并采用与公共电网并网的形式，极大地推动了光伏并网系统的发展，光伏与建筑一体化已经占整个世界太阳能发电最大比例。BIPV是光伏并网一种重要的应用形式，主要在城镇安装光伏电站，它是我国未来光伏发电的主要发展方向之一，我国目前已建成1MWpBIPV低压并网光伏电站，已经初步掌握了低压配电网并联的大型太阳光伏电站系统集成技术，但在关键设备及大容量光伏电站接入低压电网后对电网的影响等方面还有待深如研究。要重点研究城镇中和低压配电网并联的大型太阳光伏电站系统集成技术，研制开发适合BIPV的多支路型光伏并网逆变器，从规模化和产业化的角度，解决新产品研制过程中出现的问题，按产业化要求进行产品设计，降低产品成本；多台逆变器的并联群控技术；完成单台容量100kVA以上的和低压并网光伏电站配套的控制逆变器；与建筑结合一体化多支路并网逆变器的最大功率跟踪以及协调控制研究，用于实际示范系统；解决大规模光伏电站接入低压电网后，谐波、孤岛，环流等问题。目前我国的太阳能光伏发电系统，绝大多数是为解决我国边远地区人民生活用电和某些特殊生产用电而建立的独立系统。关于并网光伏发电系统的研究还处于研究示范阶段，已建成的示范性并网光伏电站均为低压用户端并网模式，发电容量相对较小，不参与电网调度，基本不影响电网的正常运行。而大型和超大型并网光伏电站系统不仅建设规模可以达到MW甚至GW级别，发出的电能直接并入高压输电网络，未来可参与电力的输送和调配，是世界各国未来可再生能源发电的重要发展方向。随着智能电网的建设和发展，将有效地促进分布式可再生能源发电的发展，为太阳能光伏发电并网带来美好前景。4、跟踪式光伏发电技术影响光伏系统发电效率的因素主要有太阳光照幅照度、太阳能电池转化效率、光伏逆变器的工作效率等。当前开发的商业化电池效率最高大约为14%-17%，在现有技术条件下，再提高光伏电池的转化效率仍然需要一定的周期；光伏逆变器的工作效率已经达到90%以上，部分光伏逆变器的工作效率已经能够达到98%，很难再有大的提高。而跟踪系统能够保证太阳入射光线始终与光伏电池阵列保持最佳的角度以接收最大的太阳光照幅射量，从而提高光电转化效率，降低光伏发电的成本。在现有技术条件下，采用跟踪式光伏发电系统是提高太阳辐射利用率，降低成本的最佳方式，国外的研究显示单轴跟踪系统可以提高发电量20%以上，而双轴跟踪系统则可以将发电量提高40%之多。太阳跟踪控制技术作为跟踪系统的关键技术经历了简单的手动机械式跟踪、用模拟电路进行相关逻辑控制的跟踪、以微处理器、PLC或小型计算机为控制核心的智能型跟踪三个阶段。跟踪控制技术现在已经非常成熟，20世纪70年代以后，美国就开始跟踪光伏发电的研究；2006年德国建成的当时世界上最大的光伏并网电站，总容量为12MWp，全部采用双轴跟踪的安装方式；此外西班牙、葡萄牙等国也在建设上百兆瓦的跟踪光伏电站。由于可靠性问题一直没有得到有效解决，我国目前尚未建成带有光伏阵列跟踪系统的并网光伏电站，中科院电工所2006年10月底在西藏羊八井建成我国第一座具有多种跟踪方式的光伏示范电站，总容量为13.2KWp，目前处于试运行阶段。针对我国目前的技术状况，应建立百千瓦级多种跟踪形式的光伏自动跟踪示范系统，开展不同跟踪方式下光伏并网发电系统运行控制规律及优化控制策略，包括：不同跟踪方式下光伏并网发电系统综合优化及其综合性能评价,大规模跟踪式光伏发电系统布局等问题。5、风光互补技术风力与太阳能互补发电系统是科学利用自然现象的最新成果。其主要特点有：弥补独立风力发电和太阳能光伏发电系统的不足，向电网提供更加稳定的电能；充分利用空间，实现地面和高空的合理利用；共用一套送变电设备，降低工程造价;同用一套经营管理人员，提高工作效率，降低运行成本。将风力发电与太阳能发电技术加以综合利用，从而构成一种互补的新型能源，将是本世纪能源结构中一个新的增长点。国外在新能源领域的研究主要集中于大型并网发电场及单独风力发电和单独太阳能光伏发电的控制，风/光互补发电方面的研究比较少，但也有一些初步的研究成果。在我国，风/光互补发电场也比较少，主要集中在青藏高原、内蒙古等偏远地区，采用独立式发电。2004年12月，华能南澳54MW/100kWp风光互补发电场成功并入当地10kV电网，是我国第一个正式投入商业化运行的风/光互补发电系统。当前，国内外对风力/太阳能光伏互补发电的研究大多集中于互补发电系统的静态体系结构的研究、底层发电、蓄能设备的配置及控制、系统仿真等。为了促进风/光互补发电系统的发展，使其成为一种具有竞争力的清洁电源，还需做很多研究工作。另外，高倍聚光发电技术由于提高了效率，在国外部分电站得到了应用和研究，近期国外提出在太空建立太阳能发电站的技术研究，目的都是提高太阳能光伏发电的效率。三、部分典型光伏电站技术特点截止2008年统计，全世界10MWp以上的大型光伏电站有四十余个（见表2），主要分布在德国、西班牙、葡萄牙、美国、韩国等国。日本则急起直追，日本电气事业联合会2008年9月宣布，关西电力、九州电力等10家电力公司将全面导入更加环保的太阳能发电，于2020年度前建设30座大型太阳能发电站，发电总功率为14万千瓦，年发电量约为1亿5万千瓦时，每年可减少二氧化碳排放量7万吨。印度、以色列、南非、澳大利亚等国也正在规划在沙漠或荒地进行超大型光伏电站的建设。可以说，光伏发电正成为电力企业新的利润增长点和社会责任的显示器。表2：10MWp以上的大型光伏电站（截止2008年）序号装机容量国家地点上网时间146MWp葡萄牙阿马雷莱雅2008.12235MWp德国Brandis2007-2008334MWp西班牙Arnedo2008.10430MWp西班牙Trujillo2008530MWp西班牙Merida2008.9

628MWp西班牙FuenteAlamo2008.8724MWp韩国SinAn2008.10823.2MWp西班牙LucaineradelasTerre2008.8923.1MWp西班牙Abertura20081023MWp西班牙Hoyadelosvincentes2008.11122.1MWp西班牙Almaraz2008.91221.2MWp西班牙Calaveron20081320MWp西班牙ElCoronil20081420MWp西班牙Calasparra20081520MWp西班牙Beneixama2007.91618MWp西班牙ElBonillo2008.101715MWp韩国Gochang2008.101815MWp西班牙Mohora2008.91914.75MWp德国Kothen2008.102014.2MWp美国NelisNV2007.122114MWp韩国Chungcheongnam-do20082213.8MWp西班牙Salamanca2007.92313.6MWp西班牙SanRoque20082412.7MWp西班牙Lobosillo2007.92512MWp西班牙Villafranca20072612MWp德国Erlasee/Arnstein20062711.8MWp西班牙Zaragoza2008.92811.6MWp西班牙FrechiladeAlmazan20082911.5MWp西班牙ArroyadeSanServan20083011.45MWp西班牙ValverdedeMerida20083111MWp葡萄牙Serpa2007.33210.856MWp西班牙Belmez2008.93310.81MWp西班牙Corella20083410.8MWp西班牙LasGabias20083510.6MWp西班牙Benahadux20083610.11MWp西班牙Bardenas20083710MWp德国Helmeringen20083810MWp西班牙AlomdovardelCampo20083910MWp西班牙Talayuela20084010MWp西班牙AlmodovardelRio20084110MWp西班牙Calzadadecalatrava20084210MWp西班牙LasGabias20084310MWp西班牙Alconchel2008.94410MWp德国Pocking2005-2006目前已知的世界上最大的太阳能光伏电站是位于葡萄牙南部的阿马雷莱雅地区的一座太阳能光伏电站，该电站于2008年12月30日建成并投入运行，其总装机容量46兆瓦，由西班牙ACCIONA公司投资建设，这座太阳能光伏电站的建设总投资约为2.61亿欧元，占地面积250公顷。该发电站安装有2520个大型太阳能光伏电池板，每块电池板面积约为140平方米。采用了跟踪式系统，光伏电池板会随着太阳运行调整角度，能旋转240度，固定的倾斜角度为45度，可长时间多角度地获取太阳光能。我国目前最大的太阳能光伏电站是2009年9月30日刚投产的中节能尚德石嘴山太阳能光伏电站一期工程，该项目位于宁夏石嘴山，规划装机总容量为50兆瓦，一期装机10兆瓦。深圳园博园光伏发电并网系统深圳国际园林花卉博览园1MWp并网光伏电站于2004年8月在深圳国际园林花卉博览园内建成发电，总投资6600万元人民币。该电站填补了中国在兆瓦级并网光伏项目设计和建设上的空白，成为当时国内首座大型的兆瓦级并网光伏电站，也是亚洲最大的并网太阳能光伏电站。该电站的建成对今后太阳能光伏发电系统在建筑上的应用，以及设计、建设大型并网光伏电站具有借鉴和参考意义，是对建筑并网光伏发电的尝试，成为中国建筑并网太阳能发电的里程碑。西藏羊八井并网光伏发电站为了弥补在中压和高压网直接并网的大型太阳能并网发电领域的研究和建设上的空白，2005年8月31日，直接与高压并网的100千瓦光伏发电站在西藏羊八井建成并一次并网成功，顺利投入运行。西藏羊八井100千瓦戈壁沙漠高压并网光伏电站的建成，作为世界上海拔最高的太阳能光伏并网电站，是沙漠电站雏形。该工程进一步深入开展了光伏发电高压并网关键技术研究，如并网逆变器技术及其相关的运行安全控制技术、光伏阵列跟踪技术等。内蒙古伊泰集团太阳能聚光光伏电站伊泰集团205千瓦太阳能聚光光伏电站是国内首座太阳能聚光光伏示范电站，于2007年10月在鄂尔多斯市建成。该项目采用数倍聚光光伏发电系统，安装了200千瓦太阳能聚光光伏电池和5千瓦常规平板太阳能光伏电池，目的是进行太阳能聚光光伏发电和常规平板太阳能光伏发电的对比试验。该电站的建成，标志着我国聚光光伏电站建设迈出了重要的一步，将对聚光光伏发电系统的经济性、可靠性进行检验，为推广使用太阳能聚光光伏发电技术积累宝贵经验。上海崇明兆瓦级太阳能光伏发电示范工程崇明兆瓦级太阳能光伏发电示范工程装机容量1046千瓦，年平均上网电量约107.3万千瓦时，该项目于2007年10月正式并网发电，接入崇明35千伏前卫村变电站的10千伏侧电网。该工程以单晶硅光伏组件为主，同时采用了少量多晶硅、HIT等多种类型的晶体硅电池组件，其中HIT光伏电池在国内首次使用。作为示范项目，通过对多种类型的晶体硅电池组件实际应用的比较分析，为今后长三角地区开发利用太阳能提供了较好的经验。中节能尚德石嘴山太阳能光伏电站中节能尚德太阳能光伏发电项目位于宁夏石嘴山市，规划占地面积2平方公里，规划装机总容量为50兆瓦。一期10兆瓦项目占地350亩左右，安装多晶硅电池板37000多块，支架基础15260座。并网接入系统输电线路也已建成，接入柳园110KV变电所。项目于2009年9月30日投产并网发电，是目前国内最大的并网发电的大型光伏电站。一期项目建成后，后续项目将分两期实施，将于2011年全部建成。几个光伏电站情况如表3所示。表3：我国