光伏发电技术状况及解决方法

随着煤、石油等化石燃料资源的逐渐枯竭,传统发电方式需要新的绿色能源来代替。2011年3月日本大地震造成的核电危机,迫使世界各有核电国家不得不重新审视其核电发展战略;水力发电由于受到资源和季节性限制,一定程度上制约了进一步发展;而风力发电存在并网接入稳定性差等问题,短期内也很难形成一定的规模。在这种情况下,太阳能发电越来越受到重视。中国太阳能资源非常丰富,理论储量达年1.7×1012t标准煤,太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。南北和东西距离均在5000km以上,大多数地区年平均日辐射量在4(kW•h)/m2以上,西藏日辐射量最高达7(kW•h)/m2,年日照时间大于2000h。与同纬度的其他国家相比,与美国接近,比欧洲、日本优越得多,拥有巨大的开发潜能,具有得天独厚的自然条件。太阳能发电分为光伏发电和光热发电。通常太阳能发电多指太阳能光伏发电。

1太阳能发电技术

1.1光伏发电技术

1.1.1基本原理

光伏电池由Si等半导体材料制成。当太阳光照射电池时,有一部分光会被半导体材料吸收,吸收的光能将传给半导体导致电子逸出并自由流动。同时施加一个或多个电场,可以迫使由光吸收并释放的电子以一定方向流动形成电流,通过在光伏电池的顶部和底部安放金属触点,可以将电流引出以供使用。

1.1.2系统组成

光伏发电系统由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜和太阳跟踪控制系统等构成。光伏发电系统分为独立光伏系统和并网光伏系统。独立光伏电站包括边远地区的村庄供电系统,太阳能户用电源系统,通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。并网光伏发电系统是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。可以分为带蓄电池和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性,可以根据需要并入或退出电网,还具有备用电源的功能,当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑;不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能,一般安装在较大型的系统上。目前,按光电的规模可分:大中型光伏电站、小型光伏发电系统、太阳能建筑一体化和发电瓦等。

光伏发电系统逆变器按运行方式,可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的光伏发电系统,为独立负荷供电。并网逆变器用于并网运行的光伏发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单,造价低,但谐波分量大,一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高,但可以适用于各种负荷。接入电力系统的大中型光伏电站对电网规划、电网运行、配电网都有很大影响,因此要求大中型光伏电站具有输出有功和无功的调节能力,并在电网异常状态下起到支撑作用。光伏发电的随机出力特性是对电网造成不良影响的关键,其较小的系统惯量直接影响到电网的稳定性和故障恢复能力,由于电力电子开关器件构建的逆变器既是电能质量的干扰源,同时也可以依靠控制实现无功和谐波补偿的作用。大容量光伏发电并网的运行需要借助于净负荷的概念和准确的发电预测模型,与常规机组协作以保证供电可靠性。

1.2光热发电系统

1.2.1基本原理

太阳能光热发电是指利用大规模阵列抛物或蝶形镜面收集太阳热能,通过换热装置提供蒸汽,结合传统汽轮发电机的工艺,从而达到发电的目的。采用太阳能光热发电技术,避免了昂贵的硅晶光电转换工艺,可以大大降低太阳能发电的成本。而且,这种形式的太阳能利用还有一个其他形式的太阳能转换所无法比拟的优势,即太阳能所烧热的水可以储存在巨大的容器中,无日照后短时内仍然能够带动汽轮机发电。

1.2.2系统组成

一般来说,太阳能光热发电形式有槽式、塔式,碟式(盘式)3种系统。3种系统目前只有槽式线聚焦系统实现了商业化,其他2种处在示范阶段,有实现商业化的可能和前景。3种系统均可单独使用太阳能运行,安装成燃料混合(如与天然气、生物质气等)互补系统是其突出的优点。太阳能光热发电与现有电网匹配性好、连续稳定发电和调峰发电能力强,受到业界专家的推崇,光热的成本比较低。装机容量越大,发电成本越低,可以实现规模化,适用于大型电站。利用500℃以上熔融盐作为蓄热介质,储存的能量在1×106kW•h以上,成本比蓄电池低一个数量级。

1.2.3国外光热发电情况

国外太阳能热发电的蓄能装置已实现产业化,1个50MW的太阳能热电站所使用的蓄热熔融盐达到3×104t的规模,这为储能技术的产业化开辟了重要战略方向。美国早在上世纪80年代就已实现太阳能热发电的商业运行。实际上,低成本、大容量的储能技术正是全球新能源产业所面临的最大技术挑战,不解决这个难题,可再生能源和智能电网的发展将面临巨大的困难。

2国内光伏发电现状

20世纪80年代末,国内先后引进了多条太阳能电池生产线,年生产能力达4.5MW。投资主要来自中央和地方政府以及国有大型企业,实现了光伏产业的第一次跳跃性发展。21世纪初,在国际大环境、政府项目的启动和市场拉动等共同作用下,光伏产业进入快速发展阶段。2002年由国家发改委实施的“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程以及2006年实施的送电到村工程均采用了太阳能光伏发电技术。在这些措施的引导下,中国光伏发电产业快速发展。2010年末,国内光伏电力装机容量达到893MW,同比增长139.4%,占世界光伏电力装机容量的2.2%。根据“十二五”规划,2015年光伏发电装机容量将达1×104MW,2020年将达5×104MW。值得注意的是,截至2010年,屋顶光伏电站的装机规模约0.03×104MW,2015年,预计达0.3×104MW,到2020年则达2.5×104MW。分析指出,近年来国内屋顶光伏市场已逐步打开,随着政策支持力度的进一步加大,建设屋顶光伏电站,推广中小型光伏系统应用将逐渐成为产业发展的主流。