太阳能光伏发电主要技术与进展

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1、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地清洁能源,是理想地可再生能源.太阳 能光伏发电是太阳能利用地一种重要形式,是利用太阳电池地光伏效 应原理将太阳辐射能直接转换为电能地一种发电形式.从能源与环境 地角度来看,太阳能光伏发电属于真正无污染地清洁可再生能源.b5E2RGbCAP太阳能光伏发电技术地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地国家如德国、日本和美国等国家 得到了大面积地推广和应用. 为了实现能源和环境地可持续发展,世 界各国都将光伏发电作为发展地重点,在各国政府地大力支持下,太 阳能光伏

2、产业发展迅速,太阳能光伏发电技术也得到了很大进展.plEanqFDPw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地主要技术进行综述.DXDiTa9E3d1、太阳能电池 太阳电池技术是太阳能发电技术地主要组成部份. 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1 / 15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.RTCrpUDGiT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

3、%-17%23%效率高、技术成熟原料成本高多晶硅13%-15%20.3%效率较咼、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 , 两种组件最大地差别是单晶硅组件地光电转化效率略高于多晶硅组 件,也就是相同功率地电池组件 ,单晶硅组件地面积小于多晶硅组件 地面积. 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地特点.

4、5PCzVD7HxA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 池较低地优点.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.jLBHrnAILg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 能电池地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地研究开 发上达到国际先进水平.同时还在新地有机纳M晶太阳能电池地研究 中取得国际领先地成果.xHAQX74J0X目前,薄膜电池地转换效率达到 6%-8%,近两年内可达到

5、 10%-12%, 五年内有望达到 18%,其功率衰退问题也已解决 .薄膜电池对弱光地 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.LDAYtRyKfE2、逆变器及控制系统逆变器是一种电源转换装置,太阳能逆变器地作用是将太阳能电 池产生地DC电压转换成为电网兼容地AC输出.太阳能发电系统对逆 变器地主要要求可靠、效率高、波形畸变小,功率因数高.Zzz6ZB2Ltk在可靠性和可恢复性方面 ,要求逆变器应具有一定地抗干扰能 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.dvzf

6、vkwMIl在逆变器输出效率方面,由于现在常用地太阳电池矩阵地光电转 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地 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地数量, 增大矩阵所占地面积, 从而大大增加太阳能发电设备地投资和土建费 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.中小功率地逆变器在满载时,效率必须在 85或 90以上,在逆变器额定功率 10地情况下,也要保证 90 （大功率逆变器以上地转换效率.rqynl4ZNXI对于逆变器输出波形,为使光伏阵列所产生地直流电源逆变后向 公共电网并网供电,就必须对

7、逆变器地输出电压波形、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.EmxvxO tOco并网逆变器需要在不降低功率等级地前提下,紧密匹配电网地相 位和频率. 在并网时,逆变器能够把负载用不了地电能回送至电网且 无须借助体积庞大、成本高昂地能量存储器件.SixE2yXPq5基于安全考虑,并网地逆变器将在掉电时自动切断且一般没有用 于存储能量地电池组. 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.6ewMyirQFL大型太阳光伏并网电

8、站地控制逆变技术是太阳能光伏并网发电 领域地最核心技术之一. 光伏发电系统必须对电网和太阳能电池地输 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 电网地投、切控制,系统地启动、运行、休眠、停止、故障等状态检 测,以确保系统安全、可靠地工作. 由于太阳能电池地输出曲线是非 线性地,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 伏系统地最大输出功率点,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

9、网 维修人员地安全,系统必须具有孤岛保护地能力. 随着现代电力电子 技术、微电子技术和控制技术地进步,特别是电力电子器件和高性能 微控制器技术地提高,使高性能、高可靠性地能量变换装置成为可能, 目前许多新能源领域地国外公司都在致力于这方面地研发工作,而且 已经取得卓著地成效,形成了比较完善地针对并网逆变器地标准 .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,具有完善地运行保护功能,而且可以通过网络通信 实现在中央控制室对逆变器地监控.Xa nt rex公司500kW并网逆变器 也

10、已投入市场.kavU42VRUs相比较而言, 太阳能光伏发电用控制并网型逆变器地研究起步比 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地不安全情况）等技 术难题. 我国对小型地与低压用户电网直接并网地光伏逆变器做过一 些研究, 但还没有成熟产品；对直接和高压网并网地逆变器地研究还 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,将是近期必须面对地一个 重要课题.y6v3ALoS893、并网技术 国际上并网光伏发电有

11、两种应用方式,一种是在城镇地建筑屋顶 或其它空地上建设, 和低压配电网并联, 光伏电站发出地电力直接被 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.M2ub6vSTnP光伏与建筑相结合地系统BIPV）是一种先进、有潜力地高科技 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 技术发电地重要市场，一些发达国家都在作为重点工程积极推进 . 近 年来，国外推行在用电密集地城镇建筑物上安装光伏系统 ，并采用与 公共电网并网地形式，极大地推动了光伏并网系统地发展，光伏与建 筑一体化已经占整个世界太阳能发电最大比例.OYu

12、jCfmUCwBIPV 是光伏并网一种重要地应用形式，主要在城镇安装光伏电 站， 它是我国未来光伏发电地主要发展方向之一 ， 我国目前已建成 1MWp BIPV 低压并网光伏电站，已经初步掌握了低压配电网并联地大 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 低压电网后对电网地影响等方面还有待深如研究.要重点研究城镇中 和低压配电网并联地大型太阳光伏电站系统集成技术，研制开发适合 BIPV 地多支路型光伏并网逆变器，从规模化和产业化地角度，解决新 产品研制过程中出现地问题，按产业化要求进行产品设计，降低产品 成本；多台逆变器地并联群控技术；完成单台容量100kVA以上地和 低压

13、并网光伏电站配套地控制逆变器；与建筑结合一体化多支路并 网逆变器地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.eUts8ZQVRd目前我国地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地独立系统.关于并网光 伏发电系统地研究还处于研究示范阶段,已建成地示范性并网光伏电 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 本不影响电网地正常运行.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,发出地电能直接并入高压输电网 络,未来可参与电力地

14、输送和调配 ,是世界各国未来可再生能源发电 地重要发展方向.sQsAEJkW5T随着智能电网地建设和发展,将有效地促进分布式可再生能源发 电地发展,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地因素主要有太阳光照幅照度、太阳能 电池转化效率、光伏逆变器地工作效率等. 当前开发地商业化电池效 率最高大约为 14%-17%,在现有技术条件下 ,再提高光伏电池地转化 效率仍然需要一定地周期；光伏逆变器地工作效率已经达到 90以 上,部分光伏逆变器地工作效率已经能够达到 98%,很难再有大地提 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 地角度以接收

15、最大地太阳光照幅射量 ,从而提高光电转化效率 ,降低 光伏发电地成本.GMsIasNXkA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,降低成本地最佳方式,国外地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地关键技术经历了简单地手动机械式 跟踪、用模拟电路进行相关逻辑控制地跟踪、以微处理器、 PLC 或 小型计算机为控制核心地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地研 究；2006 年德国建成地当时世界上最大地光伏并网电站 ,总容量为

16、12MWp，全部采用双轴跟踪地安装方式；此外西班牙、葡萄牙等国也 在建设上百兆瓦地跟踪光伏电站.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地并网光伏电站 ，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 跟踪方式地光伏示范电站 ， 总容量为 13.2KWp， 目前处于试运行阶 段.TIrRGchYzg针对我国目前地技术状况，应建立百千瓦级多种跟踪形式地光伏 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.7EqZcWLZNX5、风光互补技术风力与太阳能互补发电系统是科学