（西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安，710049）

 

 

關(guān)鍵詞:  太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù); 太陽(yáng)能電池; 逆變器技術(shù)

 

太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)主要包括：太陽(yáng)電池和矩陣、蓄電池和充電器、逆變器等技術(shù)。它具有以下特點(diǎn)。

（1）利用太陽(yáng)能。優(yōu)點(diǎn)是太陽(yáng)能總量巨大，是使用不會(huì)枯竭的能源；沒(méi)有影響環(huán)境的排泄物，是最清潔的能源；不集中在某個(gè)地方，是在整個(gè)地球上都可以利用的能源。但是，不集中也是它的缺點(diǎn)。有時(shí)可采取聚焦等方法，來(lái)提高效率。另外，還受天氣影響，一般在計(jì)算太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換功率時(shí)，都是在規(guī)定的天氣和輻射條件下來(lái)確定，采用單位叫峰瓦，符號(hào)為Wp。下面為了方便起見(jiàn)，在本文中仍用瓦（W）作為單位，但是實(shí)際意義是峰瓦（Wp）。

（2）太陽(yáng)能發(fā)電使用的是靜止裝置，無(wú)可動(dòng)部分，容易維護(hù)。太陽(yáng)電池、蓄電池和逆變器都可以采用模塊結(jié)構(gòu)，自由組合，可大可小，可以大規(guī)模生產(chǎn)，降低成本。不需要運(yùn)送燃料，可以放置在邊遠(yuǎn)地區(qū)和海島上。建設(shè)工期比水電站和火電站短，節(jié)省施工費(fèi)用。

�。�3）太陽(yáng)能發(fā)電一般把設(shè)備安裝在用戶所在地，可以節(jié)省輸配電設(shè)備。據(jù)日本有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，可節(jié)約供電成本25%左右。但是1MW（1 000kW）以上的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，仍然要采用輸配電設(shè)備，形成獨(dú)立電網(wǎng)。

1.2 太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)及其組成設(shè)備

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理,利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能^[1]。不論是獨(dú)立使用還是并網(wǎng)發(fā)電,光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件,所以,光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉,可靠穩(wěn)定壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便(如圖1所示)。理論上講,光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場(chǎng)合,上至航天器,下至家用電源,大到兆瓦級(jí)電站,小到玩具,光伏電源無(wú)處不在。太陽(yáng)能光伏發(fā)電的最基本元件是太陽(yáng)能電池（片），有單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。目前，單晶和多晶電池用量最大，非晶電池用于一些小系統(tǒng)和計(jì)算器輔助電源等。國(guó)產(chǎn)晶體硅電池效率在10至13％左右，國(guó)外同類產(chǎn)品效率約12至14％。由一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池片組成的太陽(yáng)能電池板稱為光伏組件。目前，光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用于三大方面：一是為無(wú)電場(chǎng)合提供電源，主要為廣大無(wú)電地區(qū)居民生活生產(chǎn)提供電力，還有微波中繼電源、通訊電源等，另外，還包括一些移動(dòng)電源和備用電源；二是太陽(yáng)能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽(yáng)能充電器、太陽(yáng)能路燈和太陽(yáng)能草坪燈等；三是并網(wǎng)發(fā)電，這在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)大面積推廣實(shí)施。

1.2.1 太陽(yáng)電池

　　太陽(yáng)電池技術(shù)是太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的主要組成部份。太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率是代表材料性能、器件結(jié)構(gòu)、制備技術(shù)、工藝設(shè)備和檢測(cè)手段等綜合性能水平的標(biāo)志性指標(biāo)^[2]。太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率分為兩種。一種是小尺寸（例如1cm2）的研究開(kāi)發(fā)水平：?jiǎn)尉Ч杼��?yáng)電池24.7%，多晶硅太陽(yáng)電池19.8%，非晶硅太陽(yáng)電池15%，銅銦硒太陽(yáng)電池18.8%，砷化鎵太陽(yáng)電池33%，有機(jī)納米晶太陽(yáng)電池5.48%。一種是大尺寸（例如1200cm2）的商品化生產(chǎn)水平：?jiǎn)尉Ч杼��?yáng)電池15%，多晶硅太陽(yáng)電池12%，非晶硅太陽(yáng)電池8%，銅銦硒太陽(yáng)電池10%。以上數(shù)據(jù)都是從已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)資料中收集來(lái)的，現(xiàn)在可能已有所變化。

提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率是降低太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備成本的主要手段。轉(zhuǎn)換效率高，可以在同樣發(fā)電容量下，減少太陽(yáng)電池矩陣面積，減少太陽(yáng)電池模塊用量。因此成為太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展方向。 　　 

1.2.2 逆變器技術(shù)

　　逆變器技術(shù)也是的主要組成部分^[3][4]。對(duì)逆變器的主要要求有以下三點(diǎn)。

(1) 可靠，能滿足使用條件要求國(guó)大多數(shù)獨(dú)立型太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備用于邊遠(yuǎn)地區(qū)和海島，要求逆變器能承受惡劣的使用條件，能保證在少維護(hù)條件下長(zhǎng)期工作。大多數(shù)并網(wǎng)型太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備用于家庭，要求逆變器的電磁干擾少，不影響人的生活環(huán)境，也不妨礙其他家用電器工作。

　（2）效率高國(guó)由于現(xiàn)在常用的太陽(yáng)電池矩陣的光電轉(zhuǎn)換效率小于15%，如果逆變器效率低，將太陽(yáng)電池好不容易轉(zhuǎn)換來(lái)的電能損耗掉，十分可惜。這樣勢(shì)必要增加矩陣中太陽(yáng)電池組件的數(shù)量，增大矩陣所占的面積，從而大大增加太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的投資和土建費(fèi)用。所以，要求逆變器效率要大于90%。

�。�3）波形畸變小，功率因數(shù)高國(guó)并網(wǎng)型太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備要并網(wǎng)，逆變器輸出波形必須與外電網(wǎng)一致，波形畸變小于5%，高次諧波含量小于3% ，功率因數(shù)接近于1。獨(dú)立型太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備中的逆變器波形畸變可以大一些，小于10%。

　太陽(yáng)能發(fā)電用逆變器分為以下幾種形式。

�。�1）工頻變壓器絕緣方式國(guó)用于獨(dú)立型太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備，可靠性高，維護(hù)量少，開(kāi)關(guān)頻率低，電磁干擾小。

�。�2）高頻變壓器絕緣方式國(guó)用于并網(wǎng)型太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備，體積小，重量輕，成本低。要經(jīng)兩級(jí)變換，效率問(wèn)題比較突出，采取措施后，仍可達(dá)到90%以上，高頻電磁干擾嚴(yán)重，要采用濾波和屏蔽措施。

�。�3）無(wú)變壓器非絕緣方式國(guó)本來(lái)希望進(jìn)一步降低成本，從兩級(jí)變換變?yōu)閱渭?jí)變換，提高效率，使它成為并網(wǎng)型太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備中更理想的逆變器，但是使用中出現(xiàn)一系列問(wèn)題。無(wú)變壓器非絕緣方式逆變器不能使輸入的太陽(yáng)電池與輸出電網(wǎng)絕緣隔離，輸入的太陽(yáng)電池矩陣正、負(fù)極都不能直接接地。太陽(yáng)電池矩陣面積大，對(duì)地有很大的等效電容存在，將在工作中產(chǎn)生等效電容充放電電流。其中低頻部分，有可能使供電電路的漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作。其中高頻部分，將通過(guò)配電線對(duì)其他用電設(shè)備造成電磁干擾，而影響其他用電設(shè)備工作。這樣，必須加濾波和保護(hù)，達(dá)不到降低成本的預(yù)期效果。

�。�4）正激變壓器絕緣方式國(guó)是在無(wú)變壓器非絕緣方式使用效果不佳之后開(kāi)發(fā)出來(lái)的，既保留了無(wú)變壓器非絕緣方式單級(jí)變換的主要優(yōu)點(diǎn)，又消除無(wú)絕緣隔離的主要缺點(diǎn)，是到目前為止并網(wǎng)型太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備比較理想的逆變器。

　　圖1.太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)及其組成設(shè)備

太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù),即把太陽(yáng)輻射熱轉(zhuǎn)抵達(dá)成電能的發(fā)電技術(shù)^[5].它包括兩大類:一類是利用太陽(yáng)熱能直接發(fā)電,如半導(dǎo)體或金屬材料的溫差發(fā)電、真空器件中的熱電子和熱離子發(fā)電以及堿金屬熱發(fā)電轉(zhuǎn)換和磁流體發(fā)電等,這類發(fā)電的特點(diǎn)是發(fā)電裝置本體沒(méi)有活動(dòng)部件,但此類發(fā)電量小,有的方法尚處于原理性試驗(yàn)階段.另一類是將太陽(yáng)熱能通過(guò)熱機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,其基本組成與常規(guī)發(fā)電設(shè)備類似,只不過(guò)其熱能是從太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換來(lái)，

太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能再轉(zhuǎn)換成電能進(jìn)行發(fā)電。通常，太陽(yáng)能熱發(fā)電站由集熱、輸熱、儲(chǔ)熱、熱交換系統(tǒng)和汽輪發(fā)電機(jī)組成。一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究，建立一批試驗(yàn)電站，其中容量最大的為10MW。太陽(yáng)能熱發(fā)電站投資，技術(shù)尚不成熟，目前還未投入商業(yè)運(yùn)行。

 

  1．國(guó)外太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

　　目前全世界有136 個(gè)國(guó)家正在普及推廣應(yīng)用，其中95 個(gè)國(guó)家正在大規(guī)模研究開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)各種太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備和太陽(yáng)電池應(yīng)用產(chǎn)品。世界各主要國(guó)家都在努力提高太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的生產(chǎn)規(guī)模和應(yīng)用規(guī)模，因?yàn)樘��?yáng)電池從生產(chǎn)量10MW 開(kāi)始，每增加一倍，成本將降低20%。應(yīng)用上建立MW級(jí)的大型太陽(yáng)能發(fā)電站，不但可以降 低成本，還可以緩解荒漠和海島地區(qū)的供電和環(huán)境問(wèn)題，為荒漠地區(qū)打井抽水和海島淡化海水提供動(dòng)力，改善生態(tài)環(huán)境�，F(xiàn)在世界上MW級(jí)太陽(yáng)能發(fā)電站已超過(guò)10 座，其中最大的一個(gè)容量達(dá)到6.45MW。

太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)位居世界前列的德國(guó)，在巴伐利亞州法蘭哥尼亞地區(qū)的阿恩施泰因建成大型的太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)，其發(fā)電功率為12.4兆瓦，可以同時(shí)滿足3500戶家庭的用電需要。這座太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)占地77公頃，將擁有1500套太陽(yáng)能發(fā)電裝置。它由兩家私人企業(yè)聯(lián)合策劃，建成后發(fā)電功率是目前世界上最大的5兆瓦風(fēng)力發(fā)電站的兩倍多。這兩家企業(yè)計(jì)劃完全通過(guò)私人購(gòu)買的方式，籌集建場(chǎng)所需的7500萬(wàn)歐元。個(gè)人購(gòu)買套太陽(yáng)能發(fā)電裝置的需要先投資1.44萬(wàn)歐元。據(jù)調(diào)查，這種集資建太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)的全新途徑在德國(guó)有著廣闊的發(fā)展前景。
　1973年第一次石油危機(jī)的爆發(fā)對(duì)日本產(chǎn)生了重大影響，石油危機(jī)終結(jié)了日本經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的時(shí)代。此后，日本政府提倡節(jié)省能源，加強(qiáng)新能源開(kāi)發(fā)，放寬能源限制，大力開(kāi)發(fā)新能源，采用太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料電池、氫能、超導(dǎo)能等。日本正在極力謀求多角度、全方位的能源安全措施，通過(guò)這些努力來(lái)保護(hù)環(huán)境，構(gòu)筑新層次的可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)。在替代能源和節(jié)能技術(shù)的研發(fā)上，日本舍得投入，力圖確保未來(lái)能源科技的制高點(diǎn)，推出"新陽(yáng)光計(jì)劃"，每年撥款570多億日元研究再生能源技術(shù)、能源輸送與儲(chǔ)存技術(shù)等。經(jīng)過(guò)多年的苦心經(jīng)營(yíng)，日本成為世界上能源利用效率最高的國(guó)家之一（為美國(guó)的2.75倍）。日本的太陽(yáng)能技術(shù)全球獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，2002年日本的太陽(yáng)能發(fā)電量占全球總量的46%。

  我國(guó)太陽(yáng)能源豐富，從上世紀(jì)80 年代起就開(kāi)始推廣100~500W的農(nóng)牧民戶用太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備。后來(lái)實(shí)施光明工程，解決邊遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)電的2 300 萬(wàn)人民的生活用電問(wèn)題。從2001 年起，實(shí)施“全球環(huán)境基金/ 世界銀行可再生能源發(fā)展項(xiàng)目”和聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署支持的可再生能源村落發(fā)電項(xiàng)目計(jì)劃，到現(xiàn)在為止，已安裝50 萬(wàn)套以上100~500W的用戶太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備，在邊遠(yuǎn)地區(qū)和海島上建立了縣級(jí)、鄉(xiāng)級(jí)、村級(jí)、學(xué)校用1 kW、10 kW 至100 kW大大小小的太陽(yáng)能發(fā)電站將近1000 座，累計(jì)總?cè)萘恳堰_(dá)50MW，今后還會(huì)以超過(guò)30%的速度逐年迅速增加。從1985 年在甘肅省榆中縣園子鄉(xiāng)建成10 kW 太陽(yáng)能發(fā)電站起，經(jīng)過(guò)20 多年，我國(guó)獨(dú)立型戶用和100 kW 以下太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備技術(shù)已基本成熟。今后，除了繼續(xù)推廣戶用和中小型太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備外，還要向大型1MW以上的太陽(yáng)能發(fā)電站發(fā)展。2004 年9 月在廣東深圳建成1MW太陽(yáng)能發(fā)電站。2007 年以前上海準(zhǔn)備建設(shè)總?cè)萘?MW的示范太陽(yáng)能發(fā)電站，其中首先在崇明島建設(shè)1MW太陽(yáng) 能發(fā)電站。四川攀西地區(qū)準(zhǔn)備建設(shè)2MW太陽(yáng)能發(fā)電站。2005 年甘肅《敦煌8MW并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)預(yù)可行性報(bào)告》，已通過(guò)專家評(píng)審，列入國(guó)家“十一·五”規(guī)劃，如果建成容量將超過(guò)現(xiàn)在世界上最大的6.45MW太陽(yáng)能發(fā)電站�，F(xiàn)在我國(guó)從事太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的單位已超過(guò)100家，出現(xiàn)了類似無(wú)錫尚德太陽(yáng)能電力公司（如圖2）和保定英利新能源有限公司等知名的大企業(yè)，中電電氣集團(tuán)等其他行業(yè)的大企業(yè)紛紛進(jìn)入，我國(guó)的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅速壯大，早已突破以前提出的2006 年年產(chǎn)太陽(yáng)電池20MW，太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備累計(jì)裝機(jī)容量80MW的指標(biāo)(如圖3)。但是，也存在一些問(wèn)題。其中主要產(chǎn)品太陽(yáng)電池組件的上下游兩頭在外：90%以上的原依賴進(jìn)口，90%以上的產(chǎn)品依賴出口。很可能將阻礙我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　　　　　

圖2, 無(wú)錫尚德太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)備公司 　　　　圖3.太陽(yáng)能發(fā)電測(cè)試裝置圖

 

較之發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用的落后除技術(shù)原因外，政府的措施也存在著很大差距。我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)科技自主創(chuàng)新的支持力度不夠，科研投入太少。缺乏國(guó)家的相關(guān)政策支持，其實(shí)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)并沒(méi)有真正與市場(chǎng)接軌，而企業(yè)看不到利潤(rùn)空間也不會(huì)積極介入這個(gè)產(chǎn)業(yè)。因此，國(guó)家要加大對(duì)光伏發(fā)電的科研投入，出臺(tái)相關(guān)的政策來(lái)支持其發(fā)展。我國(guó)相關(guān)部門在過(guò)去１０多年曾制定并出臺(tái)了一些促進(jìn)可再生能源發(fā)展的政策。但隨著體制改革的推進(jìn)，管理機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了變化，一些政策逐漸失去了作用，一些政策名存實(shí)亡。我國(guó)既無(wú)光伏發(fā)電的專用法律，又缺乏必要的促進(jìn)政策。面對(duì)當(dāng)前情況，我國(guó)政府首先應(yīng)加強(qiáng)立法，促進(jìn)全國(guó)光伏技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)的整體發(fā)展，進(jìn)行可行性研究，制訂長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃；其次加快可再生能源強(qiáng)制性市場(chǎng)份額政策的研究和試點(diǎn)示范，以便在條件成熟時(shí)建立適合于中國(guó)國(guó)情的政策。加快電網(wǎng)信息化的進(jìn)程,優(yōu)化電力結(jié)構(gòu),提高可再生能源的使用比例。針對(duì)技術(shù)上的差距，政府應(yīng)加大投入，強(qiáng)化關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)制造攻關(guān)，從技術(shù)創(chuàng)新和突破上加快降低成本的步伐；加強(qiáng)扶持：在安裝補(bǔ)貼和購(gòu)電保護(hù)價(jià)等方面采取措施，使光伏發(fā)電成本降到各方可以接受的程度內(nèi)；加大宣傳，推動(dòng)公眾的環(huán)保、能源意識(shí)。從表面看，是太陽(yáng)能發(fā)的電成本太高影響推廣，根源還在于我國(guó)沒(méi)有及時(shí)出臺(tái)對(duì)綠色電力的扶持政策，這才是導(dǎo)致太陽(yáng)能發(fā)電只能小范圍應(yīng)用的重要原因。隨著法律和政策的出臺(tái)，能源長(zhǎng)期性短缺的中國(guó)將有望成為世界上最大的光伏發(fā)電市場(chǎng)。

 

　　綜上所述，我國(guó)發(fā)展獨(dú)立型太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，合理利用太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)可以有效解決我國(guó)能源短缺的問(wèn)題。目前，我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的光電轉(zhuǎn)換效率與國(guó)外相關(guān)技術(shù)還有較大差距，根據(jù)國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家科技部共同提出的可再生能源發(fā)展的總目標(biāo)：“提高轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本，增大在能源結(jié)構(gòu)中所占比例�！碧�陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)今后的發(fā)展方向主要是提高轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本。

 

[1]郁濟(jì)敏.太陽(yáng)電池技術(shù)的新突破[J].電源技術(shù)，2008.32（3）：141-142

[2]朱偉鋼，林燕梅，周蕾.太陽(yáng)能光伏發(fā)電在中國(guó)的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電力，2007，24（5）：19-23

[3]李蔚.太陽(yáng)能光伏技術(shù)與建筑應(yīng)用[J].建筑電氣，2006，26（9）：16-20

[4]謝運(yùn)祥.太陽(yáng)能逆變器的消諧控制方法研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2004，25（4）：452-456

[5]楊敏林，楊曉西，林汝謀等.太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)與系統(tǒng)，2008，23（3）：221-228

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

作者姓名：劉俊峰

出生年月：1983年7月

學(xué)歷：碩士研究生

所在單位：西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

聯(lián)系地址：陜西省西安市碑林區(qū)咸寧西路28號(hào)西安交通大學(xué)1618信箱

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