专题3光伏发电

专题 3 光伏发电3.1 背景全球范围内的能源危机日趋严重，而与能源危机孪生的气候危机的表现则更为直观，气候变暖已威胁到了人类赖以生存的地球的生态环境和人类安全。早在上个世纪 90 年代， 各国的经济学家和科学家就已通过种种数据揭示了能源危机这一人类面临的严重问题， 并提出了 “新能源” 的理念。 随后美国、 加拿大、日本、 欧盟等也都十分重视可再生能源的开发利用， 制定并实施了一系列鼓励政策， 积极开发如太阳能、 风能、 海洋能 ( 包括潮汐能和波浪能 ) 等可再生新能源。进入 21 世纪，如何发展新能源产业、实现可再生能源的高效、清洁利用已成为世界各国新能源发展的共同目标之一。 作为新能源之一的太阳能， 利用太阳能发电即光伏发电技术的应用是目前发展最为迅速、 并且前景最为看好的可再生能源产业之一。各国政府对光伏发电都十分重视，美国提出“太阳能先导计划” ，意在降低太阳能光伏发电的成本，使其 2015 年达到商业化竞争的水平 ；日本也提 出 了 在 2020 年 达 到 28GW 的 光 伏 发 电 总 量 ； 欧 洲 光 伏 协 会 提 出 了“ setfor2020 ”规划，规划在 2020 年让光伏发电做到商业化竞争。通过各国政府对光伏发电的各种政策性支持，截止到 2010 年，全球光伏发电累计装机容量达到了 40GW，国际能源署预计 2020 年光伏发电在许多地区能够实现电网平价，到 2050 年能够提供全球发电量的 11%。当然作为能源大国之一，中国也不甘落后， 2009 年相继提出了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》 、金太阳示范工程等鼓励光伏发电产业发展的政策 ； 2010 年国务院颁布的 《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》 明确提出要 “开拓多元化的太阳能光伏光热发电市场” ； 2011 年国务院制定的 “十二五” 规划纲要再次明确了要重点发展包括太阳能热利用和光伏光热发电在内的新能源产业 ；国家发改委 2011 年 8 月 1 日宣布了新的太阳能光伏发电标杆上网电价，按项目核准期限分别定为1.15 元 /kWh（含税）和 1 元 /kWh，以刺激太阳能光伏发电的普及。该通知明确了全国光伏上网的基准电价， 在此基础上， 地方政府可出台地方性的光伏上网电价补贴， 补贴部分由地方政府负担。 这一系列的政策支持让中国光伏发电发展之路更加宽广。3.2 光伏发电的原理和光伏电池的分类3.21 光伏发电系统原理光光伏电池发电的原理是光生伏特效应，即光子能量转换成电能的过程。当太阳光 ( 或其他光 ) 照射到太阳能电池上时， 电池吸收光能， 产生光生电子—空穴对。在电池内建电场作用下， 光生电子和空穴被分离， 电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压” ，这就是“光生伏特效应” 。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以付诸实用的电能。3.22 光伏电池及其常见种类光伏电池 (solar cell) 是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件，又称光伏电池。能产生光伏效应的材料有多种，如 ：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同。1. 硅太阳电池（ 1）硅电池A. 单晶硅太阳能电池：是以单晶硅为基体材料的太阳电池。据数据显示其光电转换效率实验室测得数据最高为 24.7%，商业化后转换效率为 17%。B. 多晶硅太阳电池：是以多晶硅为基体材料的太阳电池。据数据显示其光电转换效率实验室测得数据最高为 20.3%，商业化后转换效率为 16%。（ 2）非晶硅太阳电池非晶硅太阳电池： 是薄膜光伏电池的一种， 一般采用高频辉光放电技术使分解硅烷气体，沉积在玻璃、陶瓷、不锈钢等非半导体衬底上而形成，亦称无定形硅太阳电池。据数据显示其光电转换效率实验室测得数据最高为 12%，商业化后转换效率为 6%~8%。2. 化合物电池多元化合物（ 1）薄膜太阳能电池：系指用辉光发放电法、化学气相淀积法、溅射法、真空蒸镀法等制得的较大面积的薄膜（硅、硫化镉、砷化镓等）为基体材料的太阳电池称为薄膜太阳电池。（ 2） CdTe（碲化镉）太阳电池 ：据数据显示其光电转换效率实验室测得数据最高为 12%，商业化后转换效率为 6%~8%。（ 3） CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳电池 ：据数据显示其光电转换效率实验室测得数据最高为 19.9%，商业化后转换效率为 17%。3.3 光伏发电系统3.31 光伏发电系统构成太阳能发电有两种方式， 一种是光—热—电转换方式， 另一种是光—电直接转换方式。1）光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸汽， 再驱动汽轮机发电。 前一个过程是光—热转换过程 ；后一个过程与普通的火力发电一样，是热—电转换过程。太阳能热发电主要有 3 种形式 ：槽式、塔式及碟式。目前可商业化的主要是槽式。2 ）光—电直接转换方式。该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转化为电能， 光—电转换的基本装置就是太阳能电池。 它是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件， 是一个半导体光电二极管。 当太阳光照到光电二极管上时， 光电二极管就会把太阳的光能变成电能， 产生电流。 当许多个电池串联或并联起来时，就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。3.32 光伏发电系统分类表 3.1 光伏发电系统分类序号 光伏系统分类原则 系统型式1 光伏系统按是否接入公共电网1、独立光伏系统2、并网光伏系统2 光伏系统按是否具有储能装置1、带有储能装置系统2、不带储能装置系统3 光伏系统按装机容量的大小 1、小型系统 ：装机容量≤ 20kW 2、中型系统： 20kW ＜装机容量≤400kW 3、大型系统 ：装机容量＞ 400kW4 光伏系统按负荷形式 1、直流系统2、交流系统3、交直流混合系统1. 独立光伏发电系统 ：一般由光伏组件、太阳能控制器、蓄电池等组成。独立光伏发电系统是相对于并网发电系统而言的， 属于独立的发电系统。 独立系统主要应用于偏远无电地区， 其建设的主要目的是解决无电问题。 其供电可靠性受气象环境、 负荷等因素影响很大， 供电稳定性也相对较差， 很多时候需要加装能量储存和能量管理环节。2. 并网光伏发电系统 ： 是太阳能电池板发出的直流电经过逆变器后， 将直流电转变为交流电， 最后并入电网中。 并网光伏系统由光伏阵列、 变换器和控制器组成，变换器将光伏电池所发的电能逆变成正弦电流并入电网中 ；控制器控制光伏电池最大功率点跟踪、 控制逆变器并网电流的波形和功率， 使向电网转送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡。 控制器一般由单片机或数字信号处理芯片作为核心器件构成 ；电压型变换器主要是由电力电子开关器件连接电感构成，以脉宽调制形式向电网送电。典型的光伏并网系统结构包括 ：光伏阵列、直流—直流变换器、逆变器和集成的继电保护装置（见图 3） 。通过直流—直流升压斩波变换器， 可以在变换器和逆变器之间建立直流环。 升压斩波器根据电网电压的大小用来提升光伏阵列的电压以达到一个合适的水平， 同时直流—直流变换器也作为最大功率点跟踪器， 增大光伏系统的经济性能。 逆变器用来向交流系统提供功率 ；继电保护系统可以保证光伏系统和电力网络的安全性。3. 光伏并网发电系统的形式 ：（ 1）小型住户的并网系统 ；（ 2）光伏与建筑相结合的并网系统，包括安装型光伏建筑 BAPV 和构建型光伏建筑 BIPV ； （ 3）大型光伏并网电站。4. 光伏并网系统应用原则 ： 光伏系统与公用电网并网时， 应先征得当地供电部门同意，且应符合并网技术条件。（ 1）并网光伏系统应具有自动检测功能及并网切断保护功能，并应符合下列要求 ：A. 光伏系统应安装电网保护装置， 并应符合 GB／ T20046-2006《光伏 (PV) 系统电网接口特性》的相关要求 ；B. 光伏系统与公共电网之间的隔离开关和断路器均应具有断中性线功能，隔离开关和断路器的相线和中性线应同时分断和合闸 ；C. 当公用电网电能质量超限时，光伏系统应自动与公用电网解列，在公用电网质量恢复正常后的 5min 之内，光伏系统不得向电网供电。（ 2）接入公用电网的光伏系统，其总容量控制在上级变电站单台主变压器额定容量的 30% 以内。（ 3）逆流光伏系统应按照无功就地平衡的原则配置相应的无功补偿装置，其功率因数应符合现行的《供电营业规则》的相关规定。5. 计量装置在城市中，并网太阳能光伏发电系统的并网点一般在电网的配电侧 (400V，230V)，也称作分布式发电系统。其特点为 ：（ 1）并网点在配电侧 ；（ 2）电流是双向的，可以从电网取电，也可以向电网送电 ；（ 3）大部分光伏电量直接被负载消耗，自发自用 ；（ 4） 分 “上网电价” 并网方式 ( 双价制 ) 和 “净电表计量” 方式 ( 平价制 ) 。它不同于在输电侧 (10kV， 35kV， 110kV) 并网的大型太阳能光伏电站。并网光伏发电可以采用发电、 用电分开计价的接线方式， 也可以来用 “净电表” 计价的接线方式。 德国和欧洲大部分国家都采用双价制， 电力公司高价收购太阳能光伏发电的电量 ( 平均 0.55 欧元／ kWh)， 用户用电则仅支付常规的低廉电价 (0.06~0.1 欧元／ kWh)， 这种政策称为 “上网电价” 政策。 在这样的情况下，光伏发电系统应当在用户电表之前并入电网。3.33 光伏发电系统应用类型分析及确定1. 并网光伏系统和独立光伏系统比较，见表 3.2 。表 3.2 系统类型 电流类型 是否逆流 有无储能装置 适 用 范 围并网光伏系统交流系统 是 有 发电量大于用电量，且当地电力供应不可靠无 发电量大于用电量，且当地电力供应比较可靠否 有 发电量小于用电量，且当地电力供应不可靠无 发电量小于用电量，且当地电力供应比较可靠独立光伏系统直流系统 否 有 偏远无电网地区， 电力负荷为直流设备， 且供电连续性要求较高无 偏远无电网地区， 电力负荷为直流设备， 且供电无连续性要求交流系统 有 偏远无电网地区， 电力负荷为交流设备， 且供电连续性要求较高无 偏远无电网地区， 电力负荷为交流设备， 且供电无连续性要求2. 并网光伏系统和独立光伏的应用分类如图 3.1 所示。图 3.13.4 光伏建筑一体化“太阳能光伏建筑一体化”的概念，据查最早是世界能源组织于 1986 年提出的。那么光伏为什么要与建筑相结合呢 ? 1. 建筑能耗占到 50％，光伏发电与建筑结合可以有效地削减建筑用电 ；2. 发电上网最为方便，不需要架设输电线路 ；3. 发电无需额外占地 ；4. 光伏发电可以安装在任何地方而能够被人们接受（风力发电则不同） ；5. 建筑是最能表现拥有者生活态度和生活方式的事物。这种与建筑相结合的光伏发电技术， 由于其自身特点将成为 21 世纪利用光农村电气化（村落电站、户用电源、光伏水泵）通信和工业应用（通信、铁路、气象、阴极保护、航标等）光伏产品（太阳能路灯、草坪灯、交通信号灯、电筒等）与建筑结合的光伏发电系统大型光伏电站光伏发电系统独立光伏发电系统并网光伏发电系统伏技术的热点之一，该利用形式目前约占全球并网光伏发电系统的 90%。很多发达国家均制定了“太阳能屋顶计划“，如 ：英国的“绿色住宅”建筑计划，美国的“百万太阳能屋顶计划”及欧洲的“百万屋顶计划”及其框架下的德国“十万太阳能屋顶计划”等。我国现有房屋建筑中，可利用的光伏发电系统面积约186 亿 m2，这也为光伏建筑一体化提供了优越条件。3.41 光伏建筑一体化形式1. BAPV附着在建筑物上的太阳能光伏发电系统，也称为“安装型”太阳能光伏建筑。 它的主要功能是发电， 与建筑物功能不发生冲突， 不破坏或削弱原有建筑物的功能。2. BIPV 与建筑物同时设计、同时施工和安装并与建筑物形成完美结合的太阳能光伏发电系统，也称为“构件型”和“建材型”太阳能光伏建筑。它作为建筑物外部结构的一部分，与建筑物同时设计、同时施工和安装，既具有发电功能，又具有建筑构件和建筑材料的功能， 甚至还可以提升建筑物的美感， 与建筑物形成完美的统一体。（ 1）建材型 ：指将太阳能电池与瓦、砖、卷材、玻璃等建筑材料复合在一起成为不可分割的建筑构件或建筑材料，如光伏瓦、光伏砖、光伏屋面卷材、玻璃光伏幕墙、光伏采光顶等 ；（ 2）构建型 ：指与建筑构件组合在一起或独立成为建筑构件的光伏构件，如以标准普通光伏组件或根据建筑要求定制的光伏组件构成雨蓬构件、遮阳构件、栏板构件等。3.5 小结面对现在的全球变暖、 能源危机等情况， 而我国也是主要以煤电为主的国家，由于现在又在提倡节能减排，走绿色经济道路，所以，我认为，发展光伏发电非常有必要，尤其是将光伏发电与建筑相结的发展模式。对于已经建好的建筑物，为了不破坏建筑的结构，我们可以采用安装型的光伏发电，直接在建筑上安装，它的主要功能是发电， 与建筑物功能不发生冲突， 不破坏或削弱原有建筑物的功能。 而对于即将规划建设的建筑物， 我们则可以采用构建型和建材型， 将太阳能电池与瓦、 砖、 卷材、 玻璃等建筑材料复合在一起成为不可分割的建筑构件或建筑材料， 或独立建设光伏构建等。 这样， 把大多数的建筑物变成可发电的光伏建筑群，将会节约很大一部分电能，并减轻环境的污染。同时，对于这些光伏建筑过剩的电能，我们还可以进行并网，向需要供电地区供电。