隨著煤、石油等化石燃料資源的逐漸枯竭,傳統發電方式需要新的綠色能源來代替。2011年3月日本大地震造成的核電危機,迫使世界各有核電國家不得不重新審視其核電發展戰略;水力發電由于受到資源和季節性限制,一定程度上制約了進一步發展;而風力發電存在并網接入穩定性差等問題,短期內也很難形成一定的規模。在這種情況下,太陽能發電越來越受到重視。中國太陽能資源非常豐富,理論儲量達年1.7×1012t標準煤,太陽能資源開發利用的潛力非常廣闊。南北和東西距離均在5000km以上,大多數地區年平均日輻射量在4(kW•h)/m2以上,西藏日輻射量最高達7(kW•h)/m2,年日照時間大于2000h。與同緯度的其他國家相比,與美國接近,比歐洲、日本優越得多,擁有巨大的開發潛能,具有得天獨厚的自然條件。太陽能發電分為光伏發電和光熱發電。通常太陽能發電多指太陽能光伏發電。

1太陽能發電技術

1.1光伏發電技術

1.1.1基本原理

光伏電池由Si等半導體材料制成。當太陽光照射電池時,有一部分光會被半導體材料吸收,吸收的光能將傳給半導體導致電子逸出并自由流動。同時施加一個或多個電場,可以迫使由光吸收并釋放的電子以一定方向流動形成電流,通過在光伏電池的頂部和底部安放金屬觸點,可以將電流引出以供使用。

1.1.2系統組成

光伏發電系統由太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜和太陽跟蹤控制系統等構成。光伏發電系統分為獨立光伏系統和并網光伏系統。獨立光伏電站包括邊遠地區的村莊供電系統,太陽能戶用電源系統,通信信號電源、陰極保護、太陽能路燈等各種帶有蓄電池的可以獨立運行的光伏發電系統。并網光伏發電系統是與電網相連并向電網輸送電力的光伏發電系統。可以分為帶蓄電池和不帶蓄電池的并網發電系統。帶有蓄電池的并網發電系統具有可調度性,可以根據需要并入或退出電網,還具有備用電源的功能,當電網因故停電時可緊急供電。帶有蓄電池的光伏并網發電系統常常安裝在居民建筑;不帶蓄電池的并網發電系統不具備可調度性和備用電源的功能,一般安裝在較大型的系統上。目前,按光電的規模可分:大中型光伏電站、小型光伏發電系統、太陽能建筑一體化和發電瓦等。

光伏發電系統逆變器按運行方式,可分為獨立運行逆變器和并網逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的光伏發電系統,為獨立負荷供電。并網逆變器用于并網運行的光伏發電系統。逆變器按輸出波型可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器電路簡單,造價低,但諧波分量大,一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統。正弦波逆變器成本高,但可以適用于各種負荷。接入電力系統的大中型光伏電站對電網規劃、電網運行、配電網都有很大影響,因此要求大中型光伏電站具有輸出有功和無功的調節能力,并在電網異常狀態下起到支撐作用。光伏發電的隨機出力特性是對電網造成不良影響的關鍵,其較小的系統慣量直接影響到電網的穩定性和故障恢復能力,由于電力電子開關器件構建的逆變器既是電能質量的干擾源,同時也可以依靠控制實現無功和諧波補償的作用。大容量光伏發電并網的運行需要借助于凈負荷的概念和準確的發電預測模型,與常規機組協作以保證供電可靠性。

1.2光熱發電系統

1.2.1基本原理

太陽能光熱發電是指利用大規模陣列拋物或蝶形鏡面收集太陽熱能,通過換熱裝置提供蒸汽,結合傳統汽輪發電機的工藝,從而達到發電的目的。采用太陽能光熱發電技術,避免了昂貴的硅晶光電轉換工藝,可以大大降低太陽能發電的成本。而且,這種形式的太陽能利用還有一個其他形式的太陽能轉換所無法比擬的優勢,即太陽能所燒熱的水可以儲存在巨大的容器中,無日照后短時內仍然能夠帶動汽輪機發電。

1.2.2系統組成

一般來說,太陽能光熱發電形式有槽式、塔式,碟式(盤式)3種系統。3種系統目前只有槽式線聚焦系統實現了商業化,其他2種處在示范階段,有實現商業化的可能和前景。3種系統均可單獨使用太陽能運行,安裝成燃料混合(如與天然氣、生物質氣等)互補系統是其突出的優點。太陽能光熱發電與現有電網匹配性好、連續穩定發電和調峰發電能力強,受到業界專家的推崇,光熱的成本比較低。裝機容量越大,發電成本越低,可以實現規模化,適用于大型電站。利用500℃以上熔融鹽作為蓄熱介質,儲存的能量在1×106kW•h以上,成本比蓄電池低一個數量級。

1.2.3國外光熱發電情況

國外太陽能熱發電的蓄能裝置已實現產業化,1個50MW的太陽能熱電站所使用的蓄熱熔融鹽達到3×104t的規模,這為儲能技術的產業化開辟了重要戰略方向。美國早在上世紀80年代就已實現太陽能熱發電的商業運行。實際上,低成本、大容量的儲能技術正是全球新能源產業所面臨的最大技術挑戰,不解決這個難題,可再生能源和智能電網的發展將面臨巨大的困難。

2國內光伏發電現狀

20世紀80年代末,國內先后引進了多條太陽能電池生產線,年生產能力達4.5MW。投資主要來自中央和地方政府以及國有大型企業,實現了光伏產業的第一次跳躍性發展。21世紀初,在國際大環境、政府項目的啟動和市場拉動等共同作用下,光伏產業進入快速發展階段。2002年由國家發改委實施的“光明工程”先導項目和“送電到鄉”工程以及2006年實施的送電到村工程均采用了太陽能光伏發電技術。在這些措施的引導下,中國光伏發電產業快速發展。2010年末,國內光伏電力裝機容量達到893MW,同比增長139.4%,占世界光伏電力裝機容量的2.2%。根據“十二五”規劃,2015年光伏發電裝機容量將達1×104MW,2020年將達5×104MW。值得注意的是,截至2010年,屋頂光伏電站的裝機規模約0.03×104MW,2015年,預計達0.3×104MW,到2020年則達2.5×104MW。分析指出,近年來國內屋頂光伏市場已逐步打開,隨著政策支持力度的進一步加大,建設屋頂光伏電站,推廣中小型光伏系統應用將逐漸成為產業發展的主流。