（西安交通大学能源与动力工程学院，西安，710049）

 

 

关键词:  太阳能发电技术; 太阳能电池; 逆变器技术

 

太阳能发电技术主要包括：太阳电池和矩阵、蓄电池和充电器、逆变器等技术。它具有以下特点。

（1）利用太阳能。优点是太阳能总量巨大，是使用不会枯竭的能源；没有影响环境的排泄物，是最清洁的能源；不集中在某个地方，是在整个地球上都可以利用的能源。但是，不集中也是它的缺点。有时可采取聚焦等方法，来提高效率。另外，还受天气影响，一般在计算太阳电池的转换功率时，都是在规定的天气和辐射条件下来确定，采用单位叫峰瓦，符号为Wp。下面为了方便起见，在本文中仍用瓦（W）作为单位，但是实际意义是峰瓦（Wp）。

（2）太阳能发电使用的是静止装置，无可动部分，容易维护。太阳电池、蓄电池和逆变器都可以采用模块结构，自由组合，可大可小，可以大规模生产，降低成本。不需要运送燃料，可以放置在边远地区和海岛上。建设工期比水电站和火电站短，节省施工费用。

　（3）太阳能发电一般把设备安装在用户所在地，可以节省输配电设备。据日本有关统计资料，可节约供电成本25%左右。但是1MW（1 000kW）以上的太阳能发电系统，仍然要采用输配电设备，形成独立电网。

1.2 太阳能发电技术及其组成设备

光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能^[1]。不论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便(如图1所示)。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。目前，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。国产晶体硅电池效率在10至13％左右，国外同类产品效率约12至14％。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件。目前，光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场合提供电源，主要为广大无电地区居民生活生产提供电力，还有微波中继电源、通讯电源等，另外，还包括一些移动电源和备用电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草坪灯等；三是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施。

1.2.1 太阳电池

　　太阳电池技术是太阳能发电技术的主要组成部份。太阳电池的光电转换效率是代表材料性能、器件结构、制备技术、工艺设备和检测手段等综合性能水平的标志性指标^[2]。太阳电池的光电转换效率分为两种。一种是小尺寸（例如1cm2）的研究开发水平：单晶硅太阳电池24.7%，多晶硅太阳电池19.8%，非晶硅太阳电池15%，铜铟硒太阳电池18.8%，砷化镓太阳电池33%，有机纳米晶太阳电池5.48%。一种是大尺寸（例如1200cm2）的商品化生产水平：单晶硅太阳电池15%，多晶硅太阳电池12%，非晶硅太阳电池8%，铜铟硒太阳电池10%。以上数据都是从已经公开发表的文献资料中收集来的，现在可能已有所变化。

提高太阳电池的光电转换效率是降低太阳能发电设备成本的主要手段。转换效率高，可以在同样发电容量下，减少太阳电池矩阵面积，减少太阳电池模块用量。因此成为太阳能发电技术的主要发展方向。 　　 

1.2.2 逆变器技术

　　逆变器技术也是的主要组成部分^[3][4]。对逆变器的主要要求有以下三点。

(1) 可靠，能满足使用条件要求国大多数独立型太阳能发电设备用于边远地区和海岛，要求逆变器能承受恶劣的使用条件，能保证在少维护条件下长期工作。大多数并网型太阳能发电设备用于家庭，要求逆变器的电磁干扰少，不影响人的生活环境，也不妨碍其他家用电器工作。

　（2）效率高国由于现在常用的太阳电池矩阵的光电转换效率小于15%，如果逆变器效率低，将太阳电池好不容易转换来的电能损耗掉，十分可惜。这样势必要增加矩阵中太阳电池组件的数量，增大矩阵所占的面积，从而大大增加太阳能发电设备的投资和土建费用。所以，要求逆变器效率要大于90%。

　（3）波形畸变小，功率因数高国并网型太阳能发电设备要并网，逆变器输出波形必须与外电网一致，波形畸变小于5%，高次谐波含量小于3% ，功率因数接近于1。独立型太阳能发电设备中的逆变器波形畸变可以大一些，小于10%。

　太阳能发电用逆变器分为以下几种形式。

　（1）工频变压器绝缘方式国用于独立型太阳能发电设备，可靠性高，维护量少，开关频率低，电磁干扰小。

　（2）高频变压器绝缘方式国用于并网型太阳能发电设备，体积小，重量轻，成本低。要经两级变换，效率问题比较突出，采取措施后，仍可达到90%以上，高频电磁干扰严重，要采用滤波和屏蔽措施。

　（3）无变压器非绝缘方式国本来希望进一步降低成本，从两级变换变为单级变换，提高效率，使它成为并网型太阳能发电设备中更理想的逆变器，但是使用中出现一系列问题。无变压器非绝缘方式逆变器不能使输入的太阳电池与输出电网绝缘隔离，输入的太阳电池矩阵正、负极都不能直接接地。太阳电池矩阵面积大，对地有很大的等效电容存在，将在工作中产生等效电容充放电电流。其中低频部分，有可能使供电电路的漏电保护开关误动作。其中高频部分，将通过配电线对其他用电设备造成电磁干扰，而影响其他用电设备工作。这样，必须加滤波和保护，达不到降低成本的预期效果。

　（4）正激变压器绝缘方式国是在无变压器非绝缘方式使用效果不佳之后开发出来的，既保留了无变压器非绝缘方式单级变换的主要优点，又消除无绝缘隔离的主要缺点，是到目前为止并网型太阳能发电设备比较理想的逆变器。

　　图1.太阳能光伏发电技术及其组成设备

太阳能热发电技术,即把太阳辐射热转抵达成电能的发电技术^[5].它包括两大类:一类是利用太阳热能直接发电,如半导体或金属材料的温差发电、真空器件中的热电子和热离子发电以及碱金属热发电转换和磁流体发电等,这类发电的特点是发电装置本体没有活动部件,但此类发电量小,有的方法尚处于原理性试验阶段.另一类是将太阳热能通过热机带动发电机发电,其基本组成与常规发电设备类似,只不过其热能是从太阳能转换来，

太阳能转换成热能再转换成电能进行发电。通常，太阳能热发电站由集热、输热、储热、热交换系统和汽轮发电机组成。一些工业发达国家对太阳能热发电进行了开发研究，建立一批试验电站，其中容量最大的为10MW。太阳能热发电站投资，技术尚不成熟，目前还未投入商业运行。

 

  1．国外太阳能发电技术发展状况

　　目前全世界有136 个国家正在普及推广应用，其中95 个国家正在大规模研究开发和生产各种太阳能发电设备和太阳电池应用产品。世界各主要国家都在努力提高太阳能发电设备的生产规模和应用规模，因为太阳电池从生产量10MW 开始，每增加一倍，成本将降低20%。应用上建立MW级的大型太阳能发电站，不但可以降 低成本，还可以缓解荒漠和海岛地区的供电和环境问题，为荒漠地区打井抽水和海岛淡化海水提供动力，改善生态环境。现在世界上MW级太阳能发电站已超过10 座，其中最大的一个容量达到6.45MW。

太阳能发电技术位居世界前列的德国，在巴伐利亚州法兰哥尼亚地区的阿恩施泰因建成大型的太阳能发电场，其发电功率为12.4兆瓦，可以同时满足3500户家庭的用电需要。这座太阳能发电场占地77公顷，将拥有1500套太阳能发电装置。它由两家私人企业联合策划，建成后发电功率是目前世界上最大的5兆瓦风力发电站的两倍多。这两家企业计划完全通过私人购买的方式，筹集建场所需的7500万欧元。个人购买套太阳能发电装置的需要先投资1.44万欧元。据调查，这种集资建太阳能发电场的全新途径在德国有着广阔的发展前景。
　1973年第一次石油危机的爆发对日本产生了重大影响，石油危机终结了日本经济高速增长的时代。此后，日本政府提倡节省能源，加强新能源开发，放宽能源限制，大力开发新能源，采用太阳能、风能、燃料电池、氢能、超导能等。日本正在极力谋求多角度、全方位的能源安全措施，通过这些努力来保护环境，构筑新层次的可持续发展的社会。在替代能源和节能技术的研发上，日本舍得投入，力图确保未来能源科技的制高点，推出"新阳光计划"，每年拨款570多亿日元研究再生能源技术、能源输送与储存技术等。经过多年的苦心经营，日本成为世界上能源利用效率最高的国家之一（为美国的2.75倍）。日本的太阳能技术全球独领风骚，2002年日本的太阳能发电量占全球总量的46%。

  我国太阳能源丰富，从上世纪80 年代起就开始推广100~500W的农牧民户用太阳能发电设备。后来实施光明工程，解决边远地区无电的2 300 万人民的生活用电问题。从2001 年起，实施“全球环境基金/ 世界银行可再生能源发展项目”和联合国开发计划署支持的可再生能源村落发电项目计划，到现在为止，已安装50 万套以上100~500W的用户太阳能发电设备，在边远地区和海岛上建立了县级、乡级、村级、学校用1 kW、10 kW 至100 kW大大小小的太阳能发电站将近1000 座，累计总容量已达50MW，今后还会以超过30%的速度逐年迅速增加。从1985 年在甘肃省榆中县园子乡建成10 kW 太阳能发电站起，经过20 多年，我国独立型户用和100 kW 以下太阳能发电设备技术已基本成熟。今后，除了继续推广户用和中小型太阳能发电设备外，还要向大型1MW以上的太阳能发电站发展。2004 年9 月在广东深圳建成1MW太阳能发电站。2007 年以前上海准备建设总容量5MW的示范太阳能发电站，其中首先在崇明岛建设1MW太阳 能发电站。四川攀西地区准备建设2MW太阳能发电站。2005 年甘肃《敦煌8MW并网光伏发电系统建设预可行性报告》，已通过专家评审，列入国家“十一·五”规划，如果建成容量将超过现在世界上最大的6.45MW太阳能发电站。现在我国从事太阳能发电技术产业研究、开发、生产和应用的单位已超过100家，出现了类似无锡尚德太阳能电力公司（如图2）和保定英利新能源有限公司等知名的大企业，中电电气集团等其他行业的大企业纷纷进入，我国的太阳能发电技术产业迅速壮大，早已突破以前提出的2006 年年产太阳电池20MW，太阳能发电设备累计装机容量80MW的指标(如图3)。但是，也存在一些问题。其中主要产品太阳电池组件的上下游两头在外：90%以上的原依赖进口，90%以上的产品依赖出口。很可能将阻碍我国太阳能发电技术产业的发展。

　　　　　　

图2, 无锡尚德太阳能光伏发电设备公司 　　　　图3.太阳能发电测试装置图

 

较之发达国家，我国太阳能发电应用的落后除技术原因外，政府的措施也存在着很大差距。我国长期以来对科技自主创新的支持力度不够，科研投入太少。缺乏国家的相关政策支持，其实光伏发电产业并没有真正与市场接轨，而企业看不到利润空间也不会积极介入这个产业。因此，国家要加大对光伏发电的科研投入，出台相关的政策来支持其发展。我国相关部门在过去１０多年曾制定并出台了一些促进可再生能源发展的政策。但随着体制改革的推进，管理机构出现了变化，一些政策逐渐失去了作用，一些政策名存实亡。我国既无光伏发电的专用法律，又缺乏必要的促进政策。面对当前情况，我国政府首先应加强立法，促进全国光伏技术、产业和市场的整体发展，进行可行性研究，制订长远规划；其次加快可再生能源强制性市场份额政策的研究和试点示范，以便在条件成熟时建立适合于中国国情的政策。加快电网信息化的进程,优化电力结构,提高可再生能源的使用比例。针对技术上的差距，政府应加大投入，强化关键技术设计制造攻关，从技术创新和突破上加快降低成本的步伐；加强扶持：在安装补贴和购电保护价等方面采取措施，使光伏发电成本降到各方可以接受的程度内；加大宣传，推动公众的环保、能源意识。从表面看，是太阳能发的电成本太高影响推广，根源还在于我国没有及时出台对绿色电力的扶持政策，这才是导致太阳能发电只能小范围应用的重要原因。随着法律和政策的出台，能源长期性短缺的中国将有望成为世界上最大的光伏发电市场。

 

　　综上所述，我国发展独立型太阳能发电设备具有独特的优势，合理利用太阳能发电技术可以有效解决我国能源短缺的问题。目前，我国太阳能发电技术的光电转换效率与国外相关技术还有较大差距，根据国家发改委、国家科技部共同提出的可再生能源发展的总目标：“提高转换效率，降低生产成本，增大在能源结构中所占比例。”太阳能发电技术今后的发展方向主要是提高转换效率，降低生产成本。

 

[1]郁济敏.太阳电池技术的新突破[J].电源技术，2008.32（3）：141-142

[2]朱伟钢，林燕梅，周蕾.太阳能光伏发电在中国的应用[J].现代电力，2007，24（5）：19-23

[3]李蔚.太阳能光伏技术与建筑应用[J].建筑电气，2006，26（9）：16-20

[4]谢运祥.太阳能逆变器的消谐控制方法研究[J].太阳能学报，2004，25（4）：452-456

[5]杨敏林，杨晓西，林汝谋等.太阳能热发电技术与系统，2008，23（3）：221-228

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

作者姓名：刘俊峰

出生年月：1983年7月

学历：硕士研究生

所在单位：西安交通大学能源与动力工程学院

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