太阳能光伏发电系统的原理及其发展

７ 科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ高 新 技 术２００８ ＮＯ．０１Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 科技创新导报１ 光伏发电系统的原理及组成太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区和人口分散地区，整个系统造价很高；在有公共电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运行，省去蓄电池，不仅可以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。我国的太阳能资源比较丰富，且分布范围较广，太阳能光伏发电的发展潜力巨大。截止２００４年，太阳能光伏发电的应用领域遍及我们生活的各个方面，如交通、 通讯、 公共设施（如照明）、 家庭生活用电等。 尤其是在边远地区，太阳能光伏发电更加显示它的优势。我国目前尚有约３００００个村庄，７００万户，３０００万农村人员还没有用上电，６０％ 的有电县严重缺电，太阳能光伏发电市场潜力巨大 ［２］ 。光伏发电系统分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。为边远地区供电的系统、太阳能户用电源系统、 通讯信号电源、 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站是独立光伏系统。 图１为一独立光伏发电系统的结构示意图，光伏发电系统由太阳能电池、 阻塞二极管、 调节控制器和蓄电池组成 ［ ３ 、４ ］ 。图 １ 太阳能光伏发电系统结构示意图１．１ 太阳能电池方阵由单体太阳能电池封装成满足一定电压和功率的小组合，根据需要可由小组合构成太阳能电池光伏发电系统方阵，太阳能电池方阵工作电压一般为负载工作电压的 １ ． ４ 倍。１．２ 阻塞二极管阻塞二极管的作用是避免太阳能方阵不发电或出现短路故障时，蓄电池通过太阳能电池放电。它串联在太阳能电池方阵电路中，起单向导通的作用。１．３ 储能蓄电池组太阳能电池方阵只有在光照射工作，有功率输出，到晚上或阴雨天由于没有光线而不能输出功率，平时将太阳能电池方阵有光时发的电能储存起来，供晚上或雨天无光照时应用，所以太阳能光伏发电系统要装备储能蓄电池。太阳能光伏发电系统中的储能蓄电池，有几个作用一是储能；二是确定太阳能光伏发电方阵的工作点和起到一定钳位和稳定作用，不管方阵电压随光照如何变动，输出电压一定被钳位在蓄电池电压上。国外也有专为太阳能光伏发电储蓄所用的蓄电池，称为“太阳能蓄电池” 。具有耐低倍率充放电性能好，耐气候性好， 价格低， 寿命长， 可靠性高等优点。１．４ 调节控制器控制器的主要功能是防止方阵对蓄电池过充电或防止蓄电池对负载过放电。对铅酸蓄电池来说充电到单体电池平均电压 ２．３８～２ ． ４ ２ Ｖ 时起控停充或涓流充电， 蓄电池放电时，根据不同的放电率放电到单体电池平均电压 Ｕ＝１．８～２．０Ｖ 控制停止放电，以保护蓄电池，而太阳能光伏发电系统，电力是并入电网使用，必须设置控制调节转换装置，并起到如下的作用（１）当蓄电池过充或过放时，可以报警或自动切断电路，保护蓄电池。 （２）接需要设置高精度的恒压或恒流装置。 （３）当蓄电池有故障时，可以自动切换接通备用蓄电池，以保证负载正常用电。 （４）当负载发生短路时，可以自动断开。 （５）与交流电网同步以保证并网的可靠性。并网光伏发电系统是与电网相连，并向电网馈送电能的光伏发电系统。利用蓄电池和太阳能电池构成独立的供电系统来向负载提供电能，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由蓄电池来进行补充，而当其输出的功率超出负载需求时， 将电能储存在蓄电池中； 将太阳能电池控制系统和电网并联，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由电网来进行补充；而当其输出的功率超出负载需求时，将电能输送到电网中。图 ２ 是一个太阳能光伏并网发电系统示意图， 该系统由太阳能、 光伏阵列、 双向直流变换器、 蓄电池或超级电容和并网逆变器构成。光伏阵列除保证负载的正常供电外，将多余电能通过双向直流变换器储存到蓄电池或超级电容中；当日光不足时，光伏阵列不足以提供负载所需的电能，双向直流变换器反向工作向负载提供电能。双向直流变换器作为蓄电池的充放电管理器，它的电气性能直接影响到发电系统蓄电池的效率和使用寿命 ［ １ ］ 。２ 太阳能光伏制氢储能燃料电池混合发电系统 ［５］我国现有的太阳能光伏发电系统基本上是独立方式运行，系统供电受季节与气象条件的影响是其固有的弊端。目前， 通过蓄电池储能来调整光伏发电系统的发电与供电之间的时间差，是减少自然条件影响的主要手段。根据独立运行的光伏发电系统设计原则，用户对供电质量、供电保证率提出的要求愈高，系统对蓄电池的需要量也愈大。长期以来，对蓄电池的依赖性是影响独立运行的光伏发电系统大量推广应用的重要原因。鉴于我国边远山区多、海岛多的特点， 独立运行的光伏发电系统仍然有着广大的市场。因此， 研制高密度、低成本、长寿命、无污染的储能系统，减少发电系统对自然条件的依赖性，提高光伏发电系统供电的稳定性，是深入普及光伏发电技术，进一步开拓市场的重大课题。近年来，氢能领域中制氢技术的进展和质子交换膜燃料电池技术的突破，为独立运行的光伏发电系统改变依赖蓄电池的储能方式，寻求新的系统运行模式，提供了可能性。图 ３ 给出了一种“太阳能光伏制氢储能燃料电池发电系统” ，它的运行方式是在光伏发电系统中，以制氢储能方式替代传统的蓄电池储能环节。当日照情况良好时，通过电解水制氢将多余的电能储存起来；在阳光条件下不能使光伏发电系统正常工作时，将储存的氢通过燃料电池转换为电能，继续向负载送电，从而保证了系统供电的连续性。 “太阳能光伏制氢储能 － 燃料电池发电系统”具有储能密度高、使用寿命长、运行成本低、没有污染，可最大限度的发挥光伏系统的发电能力的优点。 “ 太阳能光伏制氢储能－燃料电池发电系统” 由两种运行方式当日照充足时，光伏阵列将以满功率发电。由于白天用电负荷轻，甚至无负荷，此时，光电太阳能光伏发电系统的原理及其发展沈国良 赵旭升（南京化工职业技术学院 江苏南京 ２１００４８）摘 要 太阳能光伏发电是一种零排放的清洁能源， 也是一种能够规模应用的现实能源， 可用来进行独立发电和并网发电。以其转换效率高、无污染、不受地域限制、维护方便、使用寿命长等诸多优点， 广泛应用于航天、通讯、军事、交通、城市建设、民用设施等诸多领域 ［ １ ］ 。本文对光伏发电系统的结构特点及其原理进行了详细的阐述。并针对独立光伏发电系统严重依赖于蓄电池的缺点，阐述了太阳能制氢储能 － 燃料电池混合发电系统的结构及其原理， 并对其在我国的应用前景进行了展望。关键词光伏发电系统 原理及组成中图分类号 Ｔ Ｍ ６ １ ５ 文献标识码Ａ 文章编号１６７４－０９８Ｘ（２００８）０１（ａ）－０００７－０２图 ２ 太阳能光伏并网发电系统图３ 太阳能光伏制氢储能－燃料电池发电系统（下转 ９ 页）９ 科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ高 新 技 术２００８ ＮＯ．０１Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 科技创新导报成为原子团，只有当原子团达到一定数量形成“核”后， 才能不断吸收新加入的原子而稳定 地 长 大 形 成“岛” ；（２）随着外来原子的增加，岛不断长大，进一步发生岛的接合；（３）很多岛接合起来形成通道网络结构；（４）后续的原子将填补网络通道间的空洞，成为连续薄膜。在薄膜的生长过程中，基片的温度对沉积原子在基片上的附着以及在其上移动等都有很大影响， 是决定薄膜结构的重要条件。一般来说， 基片温度越高， 则吸附原子的动能也越大，跨越表面势垒的几率增多，则需要形成核的临界尺寸增大，越易引起薄膜内部的凝聚，每个小岛的形状就越接近球形，容易结晶化，高温沉积的薄膜易形成粗大的岛状组织。而在低温时，形成核的数目增加，这将有利于形成晶粒小而连续的薄膜组织，而且还增强了薄膜的附着力，所以寻求实现薄膜的低温成型一直是研究的 方 向 。Ｃ Ｖ Ｄ 法由于生长温度低、反应条件易于控制、成膜均匀等优点成为目前制备结晶态ＳｉＣ 薄膜材料及器件的主要方法，通常采用含Ｓｉ 和 Ｃ 的气体作为反应源，Ｈ２ 或 Ａｒ 作为稀释和输送气体，衬底用射频感应电炉加热，通常选单晶硅片作为衬底， 因为它成本低、纯度高、生长重复性好。但是 ＳｉＣ 与 Ｓｉ 晶格失配与热膨胀失配比较大，分别为２０％和８％左右，因此在 ＳｉＣ ／ Ｓｉ 界面上会出现高密度的失配位错和堆垛位错等，这些缺陷会引起杂质的重新分配，杂质散射的增大，降低载流子迁移率。近年来，为了获得高质量的ＳｉＣ膜，人们一方面努力改进以Ｓｉ为衬底的外延生长技术，另一方面也发展了ＳｉＣ取代Ｓｉ作为衬底的外延生长技术。ＬＰＥ 是一种比较早且比较成熟的生长 ＳｉＣ薄膜的技术。因为 ＳｉＣ 不熔融于 Ｓｉ 体中，故可用 ＬＰＥ 工艺生长 ＳｉＣ，这一工艺的生长温度较低，且生长状态几乎维持在平衡态。以往的研究发现，在一定条件下，不同晶型的 ＳｉＣ 之间可以转换。例如，在大于 １６００℃温度下燃烧，３Ｃ－ＳｉＣ 可变为 ６Ｈ－ＳｉＣ；利用此现象已在 ３Ｃ－ＳｉＣ（１００）籽晶上生长出 ６Ｈ－ＳｉＣ（０１１４）单晶，同时还对 ４Ｈ－ＳｉＣ 的变型生长进行了研究。研究发现， 在生长初期掺入某种杂质有利于 ４Ｈ－ＳｉＣ 单晶生长，当生长温度高于通常 ６Ｈ－ＳｉＣ 生长所需要的温度时，在 ６Ｈ－ＳｉＣ（０００１）面上容易生长 ４Ｈ－ＳｉＣ 单晶。４ ＳｉＣ半导体材料的应用ＳｉＣ 优越的半导体特性将为众多的器件所采用。ＳｉＣ 作为高温结构材料 已经广泛应用于航空、航天、汽车、机械、石化等工业领域。利用其高热导、高绝缘性目前在电子工业中用作大规模集成电路的基片和封装材料。在冶金工业中作为高温热交换材料和脱氧剂， 同时作为一种理想的高温半导体材料。随着 ＳｉＣ 半导体技术的进一步发展，ＳｉＣ 器件的应用领域越来越广阔 ［８］ ，如表 ２ 所示。Ｓ ｉ Ｃ 材料以其宽禁带， 高击穿临界电场、饱和速度和热导率，小的介电常数和较高的电子迁移率，以及抗辐射能力强，结实耐磨等特性成为制作高频、大功率、耐高温、和抗辐射器件的理想材料。在器件研制方面，ＳｉＣ 蓝光 ＬＥＤ 已经商业化，高温高压二极管已经逐渐走向成熟。在高温半导体器件方面，利用 ＳｉＣ材料制作的 ＳｉＣＪＦＥＴ 和 ＳｉＣ 器件可以在无任何领却散热系统下的 ６００℃高温下正常工作，在航空航天、高温辐射环境、石油勘探等方面发挥重要作用 ［９］ 。５ 结语目前 Ｓ ｉ Ｃ 研究领域已经取得了很大的成绩，国际上掀起了对 ＳｉＣ 材料和器件研究的热潮。但是仍旧存在一些技术上的难题有待于解决。其中改善晶体质量， 降低成本， 减少缺陷密度，获得大面积的晶片成为人们竞相研究的热点。随着 Ｓ ｉ Ｃ 器件加工和封装技术的不断发展，在不远的将来，ＳｉＣ 器件和电路一定会大量的投放市场，满足国防和经济建设中众多领域在极端条件下对器件的要求。参考文献［１］ ＣＡＳＡＤＹ Ｊ Ｂ，ＪＯＨＮＳＯＮ Ｒ Ｗ．Ｓｔａ－ｔｕｓ ０ｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ａｓ ａ ｗｉｄｅ－ｂａｎｄｇａｐ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｏｒ ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａ－ｔｕｒｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａ ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］． ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅ Ｅ１ｅｃｔｒｏｎ，１９９６，３９（１０）１４０９－－１ ４ ２ ２ ．［２］ 张进城，郝跃，赵天绪，等，ＳｉＣ 新型半导体器件及其应用［Ｊ］，西安电子科技大学学报（自然科学版），２００２，２９（２）；１５７－１６２．［３］ 李晋闽，ＳｉＣ材料及器件研制的进展［Ｊ］，物理，２０００，２９（８）４８１－４８７．［４］ Ｙｕ Ｍ Ｂ，Ｍａ Ｊ Ｐ，Ｌｕｏ Ｊ Ｊ，Ｃｈｅｎ Ｚ Ｍ，Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ＳｉＣ Ｆｉｌｍｓ Ｇｒｏｗｎ Ｓｉ ｂｙＨＦＣＶＤ Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉ－ｎｅｓｃｅｎｃｅ ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，２００２，２１（７）６７３－６７６．［５］ Ｗｕ Ｘ Ｌ， Ｓｕｉ Ｇ Ｇ， Ｓｔｏｋｅｓ Ｍ Ｊ， ＦａｎＤ Ｌ， Ｇｕ Ｙ ａｎｄ Ｂａｏ Ｘ Ｍ， Ｂｌｕｅ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ －ＳｉＣ Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ Ａｎｎｅａｌ－ｉｎｇ Ｃ６０ Ｃｏｕｐｌｅｄ ｏｎ Ｐｏｒｏｕｓ Ｓｉ． Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ．，２０００，７７，１２９２－１２９４．［６］ Ｔａｎ Ｃ， Ｗｕ Ｘ Ｌ， Ｄｅｎｇ Ｓ Ｓ， Ｈｕａｎｇ ＧＳ， Ｌｉｕ Ｘ Ｎ ａｎｄ Ｂａｏ Ｘ Ｍ，Ｂｌｕｅ ｅｍｉｓ－ｓｉｏｎ ｆｒｏｍ ｓｉｌｉｃｏｎ－ｂａｓｅｄ－ＳｉＣ ｆｉｌｍｓ． ＰｈｙｓＬｅｔｔ． Ａ，２００３， ３１０， ２３６－２４０．［７］ Ｃｏｏｐｅｒ Ｊ Ａ，Ａｇａｒｗａｌ Ａ Ｋ，Ｈａｒａ Ｋ，ｅｔａｌ．Ｆｏｒｅｗｏｒｄ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ，１９９９，４６（３）４４２－４４５．［８］ Ｒｙｕ Ｓ，Ｋｏｒｎｅｇａｙ Ｋ Ｔ，Ｃｏｏｐｅｒ Ｊ Ａ Ｊｒｅｔ ａｌ．Ｄｉｇｉｔａｌ ＣＭＯＳ Ｉｃｓ ｉｎ ６Ｈ－ＳｉＣＯｐｅｒａｔｉｎｇ ｏｎ ａ ５Ｖ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，１９９８，４５（１）４５－５３．［９］ 功能材料与器件学报［Ｊ］，２００３，９（３）２９１－２９４．池发出的电能将全部或部分的通过功率分配器流向制氢单元。制出的氢气储存于储氢单元，待夜晚或无日照时，燃料电池利用存储的氢气发电，供负荷使用；当日照不足时，光伏阵列发出的电能不能满足负载需要，此时，起动燃料电池发电装置与光伏电池方阵同时向负载供电。此外，在紧急情况下，当光伏电池方阵发生故障不能发电时，用户还可通过购买氢气供燃料电池发电，以保证用电负载的急需。随着我国经济的发展，特别是西部大开发战略的实施，市场对光伏发电设备的需求必将有较大幅度的增加。独立运行的光伏发电系统非常适合边远地区和分散用户的需要。 “太阳能光伏制氢储能燃料电池发电系统”不仅省去了蓄电池，而且，燃料电池在发电的同时还产生纯净水。因此，该系统特别适合我国广大西北缺水的干旱地区及沿海缺乏淡水的海岛。 由于该系统避开了维护麻烦、 笨重且有污染的蓄电池，通过部件的合理集成，可开发成移动电源、军用特种电源等。因此， 可进一步扩大太阳能光伏发电的应用范围。此外，以制氢储能技术，因地制宜改造国内已有的独立运行光伏发电系统，不仅可节省大量的蓄电池更新费， 而且可减少蓄电池带来的污染。随着电解水制氢效率的提高和金属储氢材料及质子交换膜燃料电池成本的降低，该系统的经济与社会效益将日益显著。太阳能发电制氢技术的实用化，必将对太阳能光伏发电的推广应用产生深远影响。３ 结语随着当今世界能源危机的加剧，能源结构正在发生巨大的变革，使太阳能光伏发电等可再生能源发电技术得到了大力的发展。由于太阳能光伏发电系统其独特的结构特点及我国自身的地理特点，太阳能光伏发电系统、太阳能光伏制氢储能 － 燃料电池发电系统在我国具有广泛的应用前景。参考文献［１］ Ｓｃｈｅｉｂｌｅ．Ｇ， Ｓｏｌｍｅｃｋｅ． Ｈ， Ｈａｃｋｓｔｅｉｎ，Ｄ， Ｌｏｗ ｃｏｓｔ ｓｏｆｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ＤＣ－ＤＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ａｕｔｏｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｆｏｒｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｃ］， ｉｎＰｒｏｃ． ＩＥＥＥ ＩＥＣＯＮ，１９９７７８０－７８５．［２］ 石定寰，中国新能源和可再生能源发展纲要（１９９６ ２０１０）［Ｊ］．太阳能，１９９５（３）２－４．［３］ 周丽梅，薛钰芝等，小型太阳能光伏发电系统的实现［Ｊ］．大连铁道学院学报，２００６（３）９４－９６．［４］ 张书元，赵秀田，太阳能光伏发电系统及其电池， Ｕ Ｐ Ｓ 应用．［５］ Ｂｕｌｌ． Ｓ． Ｒ， Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ｔｏｄａｙａｎｄ ｔｏｍｏｒｒｏｗ［Ｊ］．ｉｎ Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ．２００１，８９（８）１２１６－１２２６．（上接 ７ 页）