太阳能光伏发电技术及其应用探讨

2019-01-25方刚剑

智能城市 2019年11期

方刚剑

（浙江华业电力工程股份有限公司，浙江宁波 315000）

在煤炭、石油等能源危机日益严峻的形势下，人们越来越渴望新的清洁、可再生能源，目前，新型可再生能源包含太阳能、水能、风能、地热等，其中太阳能储量大，使用安全、清洁，具有非常广阔的应用和发展前景。当前在太阳能发电方面的研究包含热发电和光伏发电等形式，其中，太阳能光伏发电能够实现太阳能与电能之间的直接转换，不需要消耗燃料，清洁、无污染，使用过程中不会受到地域等因素限制，能够较为容易的结合建筑物使用。针对太阳能的利用，光伏发电属于一种新的技术类型，我国光伏发电产业发展迅猛，文章就此展开了研究分析。

1 太阳能光伏发电技术

光伏发电指的是太阳能直接转化为电能形式，其原理是半导体材料的光伏效应，早在1839年，国外科学家在研究中发现光照情况下半导体材料在不同部位会有电位差出现，将这一现象称之为“光生伏打效应”，也就是“光伏效应”。直到1954年，第一个实用单晶硅光伏电池研制成功。目前所使用的太阳能光伏发电系统包含电池板、控制器和电能存储转换结构等组成，在世界光伏产业迅猛发展过程中，光伏发电技术水平有明显提升，太阳能电池技术、聚光器技术、孤岛效应检测技术等都属于光伏发电关键技术。

1.1 太阳能电池技术

在太阳能光伏发电系统中，光伏电池属于最为核心部件，当前光伏电池的大范围使用还存在有两个方面问题：第一，生产成本问题；第二，光电转换效率问题。第一代光伏电池以硅片为基础，虽然其技术发展成熟，但是存在有非常高成本。第二代光伏电池以薄膜技术为基础，光电材料薄，半导体材料消耗有明显减少，能够满足自动化和批量化生产需要。当前还出现一些新结构、新概念电池，研究人员工作重点向着薄膜制造技术为基础的太阳能电池方面发展，理论光电转换效率高达93%，比如纳米结构电池等，正在积极向着降低生产成本以及提高光电转换效率方面发展。

1.2 光伏阵列最大功率跟踪技术

有专家研究光伏阵列输出功率，发现其存在非线性特点，会因为太阳辐射以及温度等因素影响。为了确保供电系统中太阳能电池的光电转换能力得到充分全面发挥，必须要注意对光伏电池阵列工作点的控制，实现功率输出最大化。最大功率跟踪是一个动态性过程，通过检测光伏电池阵列的输出电压和电流，能够明确光伏电池阵列输出功率，与之前存储的功率对比，将光伏电池阵列动态控制在最大功率点。

1.3 聚光光伏技术

地表太阳能密度低，为了提高太阳能利用有效性，聚光光伏技术可发挥重要价值，该技术的使用不仅可实现对太阳光的聚集，集中在较小面积的聚光电池上，确保太阳光有足够的辐射能量密度，同时，还能够使用低廉聚光器取代太阳电池，实现对整个光伏发电系统成本的有效控制。在聚光光伏系统中，聚光器属于主要组成结构，根据光学原理的不同，可以将其分为折射、反射、热光伏、全息等不同类型聚光器。热光伏聚光器主要是利用太阳对辐射器加热，完成光电转换。

1.4 孤岛效应检测技术

孤岛效应指的是电网出现异常造成供电中断时，光伏并网发电系统仍能够很长使用，同时向周围供电，形成供电孤岛。光伏并网发电系统在孤岛状态下运行会造成严重影响，比如无法控制电压和频率，损坏用户设备，同时给维修人员人身健康造成威胁。

在孤岛效应检查方面有被动式检查方法和主动式检查方法，其中，被动式检查方法主要是利用电网断电时逆变器输出端在相位、电压等方面变化检测，主要应用在一些负载功率变化较小场景。主动式检测主要是通过对逆变器额度控制给功率、相位等带来扰动。电网正常运行过程中，电网锁相环处于平衡状态，无法进行扰动的检测，一旦有故障出现，逆变器输出扰动会迅速超过阈值，进而形成孤岛效应。常见主动检测方法包含频率偏移法、频率移相法等。

2 太阳能光伏发电技术的应用

太阳能光伏发电在实际应用中有较多类型，应用领域广泛，涉及建筑、偏远农村、军事等方面，当前其应用范围还在不断发展和延伸。

2.1 独立光伏发电系统

独立光伏发电系统指的是孤立运行发电系统，未与公共电网并网，多建设在偏远地区等，或作为移动式便携电源使用，比如边防哨所、通信基站、边远农村。与太阳能的发电特点相结合，发电集中在白天，整个发电系统中还需要有储能元件，虽然供电可靠性容易受到气象环境等因素影响，稳定性差，当前仍属于边远地区居民主要用电方式。

2.2 并网光伏发电系统

并网光伏发电系统在实际应用中连接至公共电网，协调发挥作用，在逆变器作用下对直流电转化处理，变为交流电，有相同频率，送入电力系统。公共电网在这一过程中发挥储能环节作用，在并网系统中不需要专门设置蓄电池，整个系统运行成本低，供电稳定性有明显提升，同时，相比于独立光伏发电系统，并网光伏发电系统的电能转换效率明显更高，属于当前太阳能光伏发电的一个主要发展方向。

2.3 混合光伏发电系统

混合光伏发电系统指的是在光伏发电系统中引入几种不同发电方式，以此为负载提供稳定电力供应。混合光伏发电系统在实际应用中能够综合利用不同发电技术优势，比如光伏系统不需要较多维护，但是在天气方面有非常大依赖性，稳定性差。冬天日照差同时存在较大风力地区，可选择光伏发电系统与风力发电系统组成混合发电系统，不需要过多依赖天气，能够使负载缺电率得到有效控制。

2.4 光伏建筑一体化

早在20世纪90年代，就提出光伏发电与建筑物集成化概念，当前在世界范围光伏发电方面研究重视度越来越高。将光伏发电与建筑物相结合具体有两种不同形式，一种是对光伏器件和建筑物集成化发展，利用光伏电池板替代普通玻璃幕墙，直接吸收太阳能，通过这一方式，不仅可以作为建材使用，同时还能够有效供电，控制光伏发电成本；另一种是在建筑屋顶按照平板光伏器件，将光伏与电网并联提供电力供应，形成联网光伏系统。当前市场上出现有彩色光伏模块，以此代替墙体外饰材料，能够在发挥发电作用的同时提高建筑外观美观性。

2.5 光伏发电与LED照明相结合

LED由半导体材料组成，能够实现电能向光能的有效转化，依托LED技术，提高半导体照明效果的同时兼具节能和环保，同时使用寿命长，便于维护。光伏发电与LED照明相结合主要是在照明方面应用光生伏特效应理念，通过太阳能电池板将太阳能转化为电能后经LED照明设备将光能转化为电能。不需要电能由直流向交流的转化，照明系统效率高。