太阳能光伏发电技术的研究与应用

太阳能光伏发电技术的研究与应用

太阳能源发电技术是集半材料、能源电子技术、现代控制技术、蓄水技术和能源工程技术于一体的综合技术。这是新能源能源领域的研究热点。本文介绍了光伏发电技术的相关概念,综述了该领域的主要研究内容和应用现状,并对光伏发电产业的未来发展趋势进行分析。随着全球经济的迅速发展和人口的不断增加,以石油、天然气和煤炭等为主的化石能源正逐步消耗,能源危机成为世界各国共同面临的课题。与此同时,化石能源造成的环境污染和生态失衡等一系列问题也成为制约社会经济发展甚至威胁人类生存的严重障碍。新能源应用正成为全球的热点。太阳能资源是最丰富的可再生能源之一,它分布广泛,可再生,不污染环境,是国际上公认的理想替代能源。光伏发电是太阳能直接应用的一种形式。作为一种环境友好并能有效提高生活标准的新型发电方式,光伏发电技术正在全球范围内逐步得到应用。现在多数光伏发电系统仍然采用配备蓄电池组的方式独立运行。然而,作为公共电网的一种补充备用,在人口密集地区建立并网型光伏发电系统将可缓解现有电力系统在用电高峰时期承受的容量和安全压力。根据业界权威统计,光伏并网系统已经占据了目前光伏发电设备销量的40%,成为该领域的发展潮流。照明技术1光伏发电技术“光伏发电”是将太阳光能直接转换为电能的一种发电形式。1839年,法国科学家贝克勒尔(A.E.Becqurel)首先发现了“光生伏打效应(PhotovoltaicEffect)”。然而,第一个实用单晶硅光伏电池(SolarCell)直到一个多世纪后的1954年才在美国贝尔实验室研制成功。20世纪70年代中后期开始,光伏电池技术不断完善,成本不断降低,带动了光伏产业的蓬勃发展。光伏发电原理如图1所示。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,如图1a、b所示,光伏电池受到太阳光子的冲击,在光伏电池内部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(即N+区中的非平衡空穴和P区中的非平衡电子)可以被内建电场Ei牵引到对方区域,然后在光伏电池中的PN结中产生光生电场Epv,当接通外电路时,即可流出电流,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,构成光伏电池组件,便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。2光伏并网技术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。太阳光辐射能量经由光伏电池板直接转换为电能,并通过电缆、控制器、储能等环节予以储存和转换,提供负载使用。图2是一个典型光伏发电系统的构成图。光伏发电系统按与电力系统关系分类,通常分为独立光伏发电系统(Stand-AlonePVSystem)和并网光伏发电系统(Grid-ConnectedPVSystem)。独立光伏发电系统是不与常规电力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,其建设的主要目的是解决无电问题。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。一般而言,系统在白天把太阳光转化为电能,通过充电器和蓄电池将电能储存起来,晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能释放出来适当使用。尽管其供电可靠性受气象环境、负荷等因素影响很大,供电稳定性也相对较差,但对地处边远地区的居民而言,他们往往没有条件连接入公共电网,用电设备也多为低功率级别,独立光伏发电系统因而成为当地安全、可靠的电力供给方式。并网光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统,像其他类型发电站一样,可为电力系统提供有功和无功电能。光伏电池所发的直流电能经变换器变换成与电网相同频率的交流电能,以电压源或电流源的方式送入电力系统。控制器一般由单片机或数字信号处理芯片作为核心器件构成,用以实现光伏电池最大功率点跟踪及控制逆变器并网电流的频率、波形和功率,使向电网转送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能平衡。变换器主要是由电力电子开关器件连接电感或电容构成,以脉宽调制方式形成所需电量形式向电网送电。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。光伏并网系统的电能转换效率要大大高于独立系统,成为光伏发电的最合理发展方向。光伏并网技术中目前主要研究重点为:(1)光伏并网电路拓扑。(2)能量管理及经济运行策略。(3)系统显示和远程监控。3最大功率点跟踪控制方法光伏阵列功率输出特性具有非线性特征,受太阳辐照度、环境温度和负载情况影响。在一定的太阳辐射度和环境温度下,光伏阵列可以工作在不同的输出电压,但是只有在某一输出电压值时,光伏阵列的输出功率才能达到最大值,这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率-电压曲线的最高点,称之为最大功率点(MaximumPowerPoint,MPP)。因此,在光伏发电系统中,要提高系统的整体效率,一个重要的途径就是实时检测光伏阵列的输出功率,通过一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出,从而改变当前的阻抗情况,调整光伏阵列的工作点,使之始终工作在最大功率点附近,这一过程就称之为最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking,MPPT),相应的技术称之为最大功率点跟踪技术。光伏阵列电压、电流的输出特性如图3所示。假定图中曲线1和曲线2为两不同太阳辐照度下光伏阵列的输出特性曲线,A点和B点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,即光伏阵列的输出特性由曲线1上升为曲线2。此时如果保持负载1不变,系统将运行在A'点,这样就偏离了相应太阳辐照度下的最大功率点。为了继续追踪最大功率点,应当将系统的负载特性由负载1变化至负载2,以保证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光伏阵列的输出特性由曲线2变至曲线1,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。目前,除了采用恒电压跟踪(CVT)方法来近似等效MPPT方法外,常见的MPPT方法还包括干扰观测法(PerturbandObserve)、电导增量法(IncrementalConductance)和模糊逻辑法(FuzzyLogicMethod)等。干扰观测法的原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏阵列输出电压,并观测之后其输出的功率变化方向,来决定下一步的控制策略。其优点是:模块化控制回路,跟踪方法简单,实现容易,对传感器精度要求不高;缺点是在光伏阵列最大功率点附近振荡运行,导致一定功率损失,跟踪步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度,并且在特定情况下会出现判断错误情况。电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。该算法控制精确,响应速度比较快,但是对硬件特别是传感器的精度要求比较高,因而整个系统的硬件造价也较高。模糊逻辑控制具有较好的动态特性和精度,具有一定的应用前景。国内外光能照明技术的现状1光伏发电系统的研究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,但高昂的材料成本在全部生产成本中占据主导地位,不仅消耗了过多硅材料,而且制作全过程中要消耗很多能源。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,并且易于形成批量自动化生产,从而大大降低了光伏电池的成本。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。第三代高转换效率的薄膜光伏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。另外,多晶硅光伏电池比单晶硅光伏电池的材料成本低,是世界各国竞相开发的重点。目前它的研究热点包括:开发多晶硅生产技术,开发快速掺杂和表面处理技术,提高硅片质量,研究连续和快速的布线工艺,多晶硅电池表面织构化技术和薄片化,高效率电池工艺技术等。非晶硅电池仍处在发展之中,每年的新增产量在10MW以上。化合物太阳电池(如铜铟镓硒等)正以其转换效率高、成本低、弱光性好及寿命长等优点成为新一代光伏电池的发展方向。逆变器是将直流电变换为交流电的电力电子变换装置。光伏阵列所发出的电能为直流电能,但最普遍的用电负载是交流负载。因此除特殊用电负荷外,均需要使用逆变器将直流电变换为交流电。独立光伏发电系统中逆变器的安全可靠运行是首要问题。此外,蓄电池端电压在充放电过程中波动很大,要求逆变器有较好的调压性能。并网型逆变器区别于独立型逆变器的一个重要特征是必须进行“孤岛效应”防护。孤岛效应指并网逆变器在向电网供电时,电网因电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电,并网逆变器却仍会继续向电网输送一定比例的电能。一方面,可能造成进行故障电网电力线路和设备检修的工作人员伤亡事故;另一方面,一旦电网恢复供电,电网和并网逆变器的输出电压和相位可能存在较大的差异,会在一瞬间产生很大的冲击电流而损坏设备。所以要求在电网停电后,必须立即中止光伏并网发电系统对电网的供电。目前国际上对于逆变器的研究一方面集中于针对“孤岛效应”的被动和主动防护检测方法;另一方面,综合了MPPT控制、电网电流控制及电压放大等多功能的多电平逆变器也逐渐浮出水面,成为提高光伏发电系统整体效率的重要途径之一。此外,光伏发电领域相关的技术标准仍在不断完善的过程中。特别地,对于并网系统,权威的电能质量、孤岛检测以及接地保护标准是厂商和用户都能安全操作测试的重要保障。IEEEP1547标准为光伏并网系统的过流保护、短路保护、电气隔离、通信和控制对整体电网性能的影响提出了一个规范的评估体系。未来十年的研究趋势是构建简单、经济、实用的小规模光伏发电系统网络。目前,一个包括光伏并网发电站在内的多类型发电测试专区已经在美国的北卡罗来纳州建成。2国内光伏发电技术我国于1958年开始研究太阳能电池,于1971年首次成功应用于自主发射的东方红二号卫星上,1973年太阳能电池开始用于地面工程。我国的光伏工业在80年代以前尚处于雏形,太阳能电池的年产量一直徘徊在10kW以下,价格也很昂贵。80年代以后,国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给予支持,中央和地方政府在光伏领域投入了一定资金,使得我国十分弱小的太阳能电池工业得到了巩固并在许多应用领域建立了示范,如微波中继站、部队通信系统、水闸和石油管道的阴极保护系统、农村载波电话系统、小型户用系统和村庄供电系统以及并网发电系统等。近年来,我国在光伏发电技术研发方面先后开展了晶体硅高效电池、非晶硅薄膜电池、碲化镉和铜铟硒薄膜电池、多晶硅薄膜电池及应用系统关键技术的研究。特别是“十五”期间,国家通过科技攻关和863计划安排支持了一批增强现有装备生产能力的项目,大幅度提高了光伏发电技术和产业的水平,缩短了光伏发电制造业与国际水平的差距。值得一提的是无锡尚德太阳能电力有限公司,通过国家“十五”科技攻关和产业化扶持,2005年的生产能力达到了150MW,成功跻身世界五强,2006年更是达到300MW,其光伏组件效率达到16%以上,也处于世界先进水平。在应用技术方面,国家“十五”期间安排了屋顶并网发电技术和高压并网发电的技术科技攻关,建成了一批10~50kW的屋顶系统:在深圳建成了兆瓦级低压并网光伏发电站一座;在拉萨建成了100kW的高压并网发电站一座,为我国2010年和2020年屋顶光伏并网发电和沙漠电站技术的规模化发展积累了经验。在产业化方面,目前国内光伏发电的主要产品是晶硅电池及少量非晶硅电池。截止至2006年底,我国已建成10多个一定规模的光伏电池专业生产厂,光伏电池组件的年生产能力超过200MW。尤其是晶体硅光伏电池组件的封装能力大大加强,10MW规模及以上的光伏电池封装技术及其配套装备已经成为商业化的工业装备。但是,目前我国商品化生产的单晶硅、多晶硅和非晶硅电池的效率分别为11%~14%、10%~12%和4%~6%,与发达国家相比,要低1~2个百分点。另外,截止至2006年,中国还没有用于光伏系统的专用蓄电池。逆变器的生产也仅仅停留在小功率级别,大功率逆变器的研发水平与国外差距较大。照明行业的发展趋势1太阳能发电前景广阔全球太阳电池年产量正在迅速增长,2004年的增长率超过60%,根据最近发表的统计数字,2005年的增长率为44%,太阳电池年产量达到1656MW。其中日本的产量仍为世界第一,占世界总产量46%,欧洲占世界总产量28%。2005年全球安装太阳电池组件1460MW,比前一年增长了34%。其中德国安装了838MW,比前一年增长了53%,占世界安装量的57%;日本安装了292MW,比前一年增长了14%。到2005年年末,全球累计安装太阳电池组件容量比前一年增长了39%,达到了5GW。2005年兴建新的太阳电池制造厂的投资超过了10亿美元。目前世界太阳电池生产量仍旧是日本第一,推广应用太阳能光伏发电系统却是德国领先。日本新能源和工业技术发展组织(NEDO)在2004年6月发表的“面向2030年光伏路线图的概述”中提出:到2030年累计安装太阳电池组件容量要达到1000GW,届时日本所有住宅所消费的电力中将有50%由太阳能光伏发电提供,大约占全部电力供应的10%。2002年5月欧洲光伏工业协会发表的报告“工业需要及路线图”预计:2010年前太阳能发电市场平均年增长率为27%,2010年~2020年间增长率为34%,2020年~2040年间增长率为15%。在2010年太阳能发电提供的电力将占总发电量的1%,到2040年将占总发电量的26%。到2020年,太阳电池组件的年产量将达到54GW,销售额为750亿美元,发电量为276TW·h,将为10亿人口提供电力。太阳能发电产业从业人员将达到230万人。每年太阳能发电减少CO2排放量16亿t。1999年以前,美国的太阳能光伏发电研究和开发一直处于世界领先地位,后来由于种种原因,太阳电池组件的产量落到了日本和欧洲的后面。美国在2004年9月发表了“我们太阳电力的未来:2030年及更久远的美国光伏工业路线图”,对此进行了分析,提出要恢复美国在光伏市场的领导地位。为此要采取税收优惠、提高上网电价、增加政府及当地投入以及在2010年以前每年投入2.5亿美元用于研发等措施,并提出以下目标:在2025年新增加发电容量的一半由太阳能发电提供。2003年美国安装的太阳电池组件容量不到0.4GW,预计在2010年前,美国的增长率为30%~38%。以后发展到成熟期,2010~2020年间年增长率为26%,到2020年累计安装太阳电池组件容量36GW,每年安装7.2GW,到2030年累计安装太阳电池组件容量将达到200GW,以后每年安装19GW。2030年美国太阳能发电量将为3600亿kW·h,足够3400万户家庭使用,届时太阳能电力将成为重要的电力来源。2015年太阳能发电系统的销售价格将为3.68美元/W。如有政府的政策支持,太阳能发电的电价可低于5.7美分/kW·h。下表是欧洲、日本和美国制定的光伏发展计划。国际光伏应用中并网发电和光伏建筑集成(BIPV)