太阳能光伏发电技术

太阳能光伏发电技术

太阳是地球上永恒的能源。太阳的总辐射功率约为3.8×1026W,地球每年从太阳获取的能量约为6×1017kW·h。在中国960万km2的土地上,年平均获得的太阳能约为1亿亿kW·h,相当于1.2万亿t标准煤所具有的能量。因此,可以说太阳能是一种永不衰竭的能源,同时也是一种无污染、最清洁的能源。在石油、煤及天然气等化石能源日益枯竭的今天,充分开发和利用太阳能具有可持续发展和环保的双重意义。利用太阳能的方式很多,主要有太阳能发电、太阳能热利用、太阳能动力利用、太阳能光化利用、太阳能生物利用及太阳能光-光利用等。其中,“太阳能发电”在新能源发电技术中占有重要地位。利用太阳的光能或热能来生产电能者均称为太阳能发电。利用太阳的光能直接生产电能的太阳能光电池是目前应用最为广泛的太阳能发电,也称为太阳能光伏电池发电。1太阳能源电池发电技术1.1光生伏打效应太阳能光伏电池发电也简称为太阳能光伏发电,被认为是未来世界上发展最快和最有前途的一种可再生新能源技术。太阳能光伏电池的基本原理是利用半导体的“光生伏打效应”(光伏效应)将太阳的光能直接转换成电能。能利用光伏效应产生电能的物质,称为光伏材料。利用光伏效应将太阳能直接转换成电能的器件叫太阳能光伏电池或光伏电池。光伏电池是太阳能光伏发电的核心组件。1839年,法国物理学家贝克勒尔(EdmondBecqurel)发现:将两片金属浸入电解液中所构成的伏打电池,当接收到太阳光照射时电压升高,他在所发表的论文中把这种现象称为“光生伏打效应(PhotovohaicEffect)”。“光生伏打效应”是不均匀半导体或半导体与金属混合材料在光照作用下,其内部可以传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化,因而在不同部位之间产生电位差的现象。1941年,奥尔在硅材料上发现了光伏效应,从而奠定了半导体硅在太阳能光伏发电中广泛应用的基础。1954年,美国贝尔实验室的科学家恰宾(DarrylChapin)和皮尔松(GeraldPearson)研制成功世界上第一个实用的单晶硅光伏电池。同年,韦克尔发现砷化镓具有光伏效应,并在玻璃上沉积硫化镉薄膜,制成世界上第一块薄膜光伏电池。我国2010年12月投入运行的大丰20MW光伏电站,是目前全国最大的薄膜光伏电站,年发电量2300万kW·h。太阳能光伏电池的工作原理如图1所示。在半导体中掺加杂质制成PN结,以形成在平衡状态时具有的内建电场,在该内建电场的作用下分离由外界激发而生成的过剩载流子,从而形成外部电压。在光照条件下,半导体中的电子吸收光子能量从价带跃入导带,形成电子———空穴对,成为载流子。生成载流子所需要的最低能量是半导体的禁带宽度Eg,使用禁带宽度较小的材料制作的太阳能电池可以形成较大的电流。基于单晶硅的第一代光伏电池是目前太阳能光伏电池市场的主流,其光电转换率已达24.7%;基于薄膜技术的第二代光伏电池的光电转换效率已达到16.5%~18.8%。由于薄膜光伏电池大大减少了半导体材料的消耗,因此具有很好的发展前景。应该指出,光伏电池在光电转换过程中,光伏材料既不发生任何化学变化,也不产生任何机械磨损,因此太阳能光伏电池是一种无噪音、无气味、无污染的理想清洁能源。2006年,我国太阳能电池生产总量首次达到400MW,从而超过美国成为全球第三大生产国,也是世界上发展最快的国家。1.2光伏发电系统太阳能光伏电站是将若干个光伏转换器件即光伏电池封装成光伏电池组件,再根据需要将若干个组件组合成一定功率的光伏阵列,并与储能、测量、控制装置相配套,构成太阳能光伏电站。太阳能光伏电池具有很大的灵活性,不仅可以用其建设零星规格的电站,而且可以组成应用于小型、分散电力用户的太阳能光伏发电系统。这种独立运行的太阳能光伏发电系统称之为离网型太阳能光伏发电系统。由于受昼夜日照变化及天气的影响,离网型光伏发电系统通常需要和其他电源形式联合使用,比如柴油发电机组以及蓄电池组,从而增大了电站的投资和维护费用。离网型光伏发电系统往往建在距离电网较远的偏远山区及荒漠地带,向独立的区域用户供电。西藏措勒20kW光伏电站是我国建设较早的离网型光伏电站,总投资290万元,1994年12月正式投产发电。离网型太阳能光伏电站系统如图2所示。电站的发电系统由太阳能光伏电池方阵、蓄电池组、直流控制器、直流-交流逆变器、交流配电柜和备用电源系统(包括柴油发电机组和整流充电柜)等组成。其工作原理为太阳能光伏电池方阵经过直流控制柜向蓄电池组供电,并根据需要整定蓄电池组的上限和下限电压,由直流控制柜自动控制充电。蓄电池组通过直流控制柜向直流-交流逆变器供电,经逆变器将直流电变换成三相交流电,再通过交流配电柜以三相四线制向用户供电。当蓄电池组的电压下降到下限电压时,为不造成蓄电池组的过渡放电,直流控制柜将自动切除其输出电路,使直流-交流逆变器停止工作。柴油发电机组为电站的备用电源,必要时由备用电源通过整流充电柜向蓄电池组充电,或在光伏发电系统出现故障及停运时直接通过交流配电柜向用户供电。直流-交流逆变器和柴油发电机组不能同时向用户供电,为此必须在交流配电柜中设置互锁装置以保证供电电源的唯一性。当太阳能光伏电站的容量达到一定规模时,还可与电网相联,即所谓的并网型光伏电站。这时,如果本地负荷不足,则可将多余的电能输送给电网。当本地太阳能发电量不足时,则由电网向用户提供电能。因此,并网型光伏电站可以不需要使用蓄能装置,减少系统投资和维护费用。同时由于与电网的互济,提高了发电设备的利用率和供电用电的安全可靠性,是大规模开发太阳能发电技术的必然趋势。我国第一座并网型光伏电站是2006年建成投运的西藏羊八井可再生能源基地100kW高压并网光伏电站。2010年底全国首个光伏并网发电项目敦煌2×10MW光伏发电项目建成投产。2加电机发电太阳能热发电技术是指将太阳辐射热能转换成电能的发电技术。它包括两大类型:一类是利用太阳热能直接发电,如半导体或金属材料的温差发电,真空器件中的热电子和热离子发电,以及碱金属热点转换和磁流体发电等。这类发电的重要特点是发电装置本身没有活动部件,但目前此类发电量比较小,不少方法还处于原理性实验研究阶段。另一类是将太阳热能通过热机带动发电机发电,其基本组成与常规发电设备相类似,只不过其热能是来自于太阳能。2.1太阳能发电系统典型的太阳能热发电系统如图3所示。与常规的热发电厂相比,最大的不同是利用一种所谓的太阳锅炉取代常规的燃料锅炉,即利用太阳集热器将来自太阳内部高温核聚变的辐射能———太阳能收集起来,加热工质,产生过热蒸汽,驱动热动力装置,带动发电机发电,从而将太阳能转换成电能。太阳能为自然能,辐射到地球表面的能量密度较低,且昼夜相间,四季有变,一天之中也因气象变化而变化。为了使太阳能热电站稳定运行,一般在太阳能热发电系统中,都设置有蓄热子系统或辅助能源子系统,如图3中的蓄热器及锅炉。在晴好的白天及夏季,太阳能不但可以供给机组满载运行,而且还有多余的能量被储存到蓄热器中,留待晚间或阴雨时间与辅助能源系统共同供给机组运行,维持太阳能热电站的正常供电。2.2曲面反射镜光学系统聚光式太阳能热电站中的太阳锅炉实际上是一个聚光集热子系统,是收集太阳能的主要设备,它包括聚光器、接收器和跟踪装置。聚光器用于收集太阳能,并将其聚集到一个有限平面上,以提高单位面积上的太阳辐照度,从而提高被加热工质的工作温度。聚光方法有多种,但在太阳能热发电系统中最常用的聚光方式有两种,即平面反射镜和曲面反射镜。平面反射镜聚光方式最具代表性的是采用多面平面反射镜,将太阳光聚集到一个高塔的顶处,其聚光比通常可达100~1000,可将接收器内的工质加热到500~2000℃,构成高温塔式太阳能热发电系统,如图4所示。美国太阳Ⅰ号电站是目前世界上较为典型的塔式太阳能热发电站,其额定容量为10MW。2005年10月,我国在南京江宁太阳能试验场成功建成投运国内首座70kW塔式太阳能热发电系统。曲面反射镜有一维抛物面反射镜、二维抛物面反射镜和混合平面———抛物面反射镜。一维抛物面反射镜也叫槽型抛物面反射镜,其整个反射镜是一个抛物面槽,太阳光经抛物面槽反射聚集在一条焦线上,其聚光比为10~30,集热温度可达400℃,构成中温槽式太阳能发电系统。20世纪80年代,LUZ公司在美国加州沙漠地区相继建成9座槽式太阳能热发电站,总装机容量353.8MW。其上网电价为13~14美分/(kW·h),已具有与常规能源热力发电厂相竞争的潜能。二维抛物面反射镜也叫盘式抛物面反射镜,形状上是由一条抛物线旋转360°所扫描出来的抛物球面,故此也叫旋转抛物面反射镜。二维抛物面反射镜的聚光比为50~1000,焦点温度可达800~1000℃,构成高温盘式太阳能热发电系统。数据分析表明,盘式太阳能热发电站与太阳能光伏发电站相比,其单位发电功率的装置重量更轻,空间利用更好。特别是为解决边远荒漠地区的供电问题更具优势。盘式太阳能热发电系统通常是以单个旋转抛物面反射镜为基础,构成一个完整的聚光、集热和发电单元。由于单个旋转抛物面反射镜不可能做得太大,因此,这种太阳能热发电站的单个功率都比较小,一般为5~50kW,它可以分散地单独发电,也可以由多个电站组成一个较大的发电系统。接收器是通过接收经过聚焦的太阳光,将太阳辐射能转变为热能,并传递给工质的装置。根据不同的聚光方式,接收器的结构也会有较大的差别。接收器的关键技术是其接收阳光的表面必须涂选择性吸收膜,用以提高对太阳辐射的吸收率α。吸收率α越大,接收器可能达到的集热温度就越高。跟踪装置使光时刻都能通过反射镜面反射到固定不动的接收器上。太阳聚光器的跟踪方式有两种,一种是反射镜面绕1根轴转动的单轴跟踪;另一种是反射镜面绕2根轴转动的双轴跟踪。槽型抛物面反射镜都为单轴跟踪,而盘式抛物面反射镜和塔式聚光平面反射镜都采用双轴跟踪。对跟踪器的控制方式,可以采用程序控制方式,即按计算得到的太阳运动规律来自动控制跟踪机构对太阳进行跟踪;也可以采用传感器控制方式,即通过传感器即时测出太阳光的入射方向,然后控制跟踪机构对太阳进行跟踪。目前更多的是采用上述两种控制方式的组合,即以程序控制为主,采用传感器即时测量作反馈,不断对程序控制所造成的累积误差进行纠正,从而保证在任何光照条件下都能对太阳聚光器进行准确可靠的跟踪控制。2.3太阳能发电技术上述塔式、槽式和盘式太阳能发电由于都采用了聚光,所以其集热温度较高,属于中高温太阳能热发电系统。除此之外,还有非聚光方式的低温太阳能热发电系统,如太阳池发电和太阳能热气流发电。太阳池发电是利用不同比重的水,比如一定浓度的盐水,组成所谓的太阳池,利用池中上下不同比重的水的密度梯度不同,各层水对太阳光的能量吸收不同,使太阳池底部的水产生低温热。太阳池一般都依托天然盐湖或海边建造,利用盐水作为储能介质,但可达到的工作温度较低,故其应用受到一定限制。1925年,以色列建造了世界上第1座太阳池发电站。太阳能热气流发电是在以大地为吸热材料的巨大蓬式地面太阳空气集热器的中央,建造1座高大竖直的烟囱,在烟囱的底部开一吸风口,并安装风轮。地面空气集热器产生的热空气从吸风口进入烟囱,形成热气流,从而驱动风轮带动发电机发电。1982年在西班牙投运了1座50kW太阳能热气流实验电站。综上所述,可见太阳能发电技术正在引起世界各国的关注,并以多元化的方式快速发展。我国“十二五”规划太阳能发电装机总容量将达到5GW。预计2050年,世界太阳能发电将在全球总能耗中占有30%以上的份额。3发电功率及输出电能由于太阳能发电受昼夜相间及天气变化、四季更替等诸多自然因素的限制,其发电功率、输出电能常常是不稳定的。如果有大量的太阳能发电系统接入常规的电网会给电网的安全稳定运行带来一系列不利影响。3.1负荷侧电压越限大量的太阳能发电系统接入电网的终端,会产生反向的潮流,即太阳能电流通过馈线阻抗所产生的压降会使负荷侧电压高于变电站侧,以致于负荷侧电压越限。同时,由于太阳能发电输出电流随光照变化而变化也会引起电压的波动,由此可能引起无功调节装置的频繁动作,从而波及电网的电压形态、短路电流、网损、有功和无功潮流、谐波、暂态稳定、动态稳定以及频率控制等一系列运行特性。3.2网可调度发电容量太阳能发电系统接入电网向电网反送功率,改变电网的潮流分布,使配电网可调度的发电容量发生变化。由于太阳能发电系统本身一般不具备调度自动化功能,不能有效参与电网频率及电压的调整,因此相对减小了配电网可调度的发电容量,从而对现有配电网的规划和调度运行方式产生影响。3.3熔断器的安装目前,变电站继电保护主要是基于断路器的三段式电流保护,主馈线装设自动重合闸,支线装设熔断器。大量的太阳能发电系统接入电网会使电网从传统的单电源辐射状网络变成双端网络,从而改变了故障电流的大小、方向及持续时间,影响继电保护的正常工作,可能使保护误动、拒动、自动重合闸失效等,降低供电的可靠性。4太阳能发电技术的发展前景(1)太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源。目前,太阳能发电技术可分为两大类:一类是太阳能光伏发电,一类是太阳能热发电。(2)太阳能光伏发电具有结构简单、体积较轻、建设周期短、维护简单、可靠性高