隨著煤、石油等化石燃料資源的逐漸枯竭,傳統(tǒng)發(fā)電方式需要新的綠色能源來(lái)代替。2011年3月日本大地震造成的核電危機(jī),迫使世界各有核電國(guó)家不得不重新審視其核電發(fā)展戰(zhàn)略;水力發(fā)電由于受到資源和季節(jié)性限制,一定程度上制約了進(jìn)一步發(fā)展;而風(fēng)力發(fā)電存在并網(wǎng)接入穩(wěn)定性差等問(wèn)題,短期內(nèi)也很難形成一定的規(guī)模。在這種情況下,太陽(yáng)能發(fā)電越來(lái)越受到重視。中國(guó)太陽(yáng)能資源非常豐富,理論儲(chǔ)量達(dá)年1.7×1012t標(biāo)準(zhǔn)煤,太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用的潛力非常廣闊。南北和東西距離均在5000km以上,大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在4(kW•h)/m2以上,西藏日輻射量最高達(dá)7(kW•h)/m2,年日照時(shí)間大于2000h。與同緯度的其他國(guó)家相比,與美國(guó)接近,比歐洲、日本優(yōu)越得多,擁有巨大的開(kāi)發(fā)潛能,具有得天獨(dú)厚的自然條件。太陽(yáng)能發(fā)電分為光伏發(fā)電和光熱發(fā)電。通常太陽(yáng)能發(fā)電多指太陽(yáng)能光伏發(fā)電。

1太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)

1.1光伏發(fā)電技術(shù)

1.1.1基本原理

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

1.1.2系統(tǒng)組成

光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)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(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)等構(gòu)成。光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。獨(dú)立光伏電站包括邊遠(yuǎn)地區(qū)的村莊供電系統(tǒng),太陽(yáng)能戶用電源系統(tǒng),通信信號(hào)電源、陰極保護(hù)、太陽(yáng)能路燈等各種帶有蓄電池的可以獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是與電網(wǎng)相連并向電網(wǎng)輸送電力的光伏發(fā)電系統(tǒng)。可以分為帶蓄電池和不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。帶有蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有可調(diào)度性,可以根據(jù)需要并入或退出電網(wǎng),還具有備用電源的功能,當(dāng)電網(wǎng)因故停電時(shí)可緊急供電。帶有蓄電池的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)常常安裝在居民建筑;不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不具備可調(diào)度性和備用電源的功能,一般安裝在較大型的系統(tǒng)上。目前,按光電的規(guī)模可分:大中型光伏電站、小型光伏發(fā)電系統(tǒng)、太陽(yáng)能建筑一體化和發(fā)電瓦等。

光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器按運(yùn)行方式,可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨(dú)立運(yùn)行逆變器用于獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng),為獨(dú)立負(fù)荷供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)。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(jiǎn)單,造價(jià)低,但諧波分量大,一般用于幾百瓦以下和對(duì)諧波要求不高的系統(tǒng)。正弦波逆變器成本高,但可以適用于各種負(fù)荷。接入電力系統(tǒng)的大中型光伏電站對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃、電網(wǎng)運(yùn)行、配電網(wǎng)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(wú)功的調(diào)節(jié)能力,并在電網(wǎng)異常狀態(tài)下起到支撐作用。光伏發(fā)電的隨機(jī)出力特性是對(duì)電網(wǎng)造成不良影響的關(guān)鍵,其較小的系統(tǒng)慣量直接影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定性和故障恢復(fù)能力,由于電力電子開(kāi)關(guān)器件構(gòu)建的逆變器既是電能質(zhì)量的干擾源,同時(shí)也可以依靠控制實(shí)現(xiàn)無(wú)功和諧波補(bǔ)償?shù)淖饔谩４笕萘抗夥l(fā)電并網(wǎng)的運(yùn)行需要借助于凈負(fù)荷的概念和準(zhǔn)確的發(fā)電預(yù)測(cè)模型,與常規(guī)機(jī)組協(xié)作以保證供電可靠性。

1.2光熱發(fā)電系統(tǒng)

1.2.1基本原理

太陽(yáng)能光熱發(fā)電是指利用大規(guī)模陣列拋物或蝶形鏡面收集太陽(yáng)熱能,通過(guò)換熱裝置提供蒸汽,結(jié)合傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)的工藝,從而達(dá)到發(fā)電的目的。采用太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù),避免了昂貴的硅晶光電轉(zhuǎn)換工藝,可以大大降低太陽(yáng)能發(fā)電的成本。而且,這種形式的太陽(yáng)能利用還有一個(gè)其他形式的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),即太陽(yáng)能所燒熱的水可以儲(chǔ)存在巨大的容器中,無(wú)日照后短時(shí)內(nèi)仍然能夠帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。

1.2.2系統(tǒng)組成

一般來(lái)說(shuō),太陽(yáng)能光熱發(fā)電形式有槽式、塔式,碟式(盤(pán)式)3種系統(tǒng)。3種系統(tǒng)目前只有槽式線聚焦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化,其他2種處在示范階段,有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的可能和前景。3種系統(tǒng)均可單獨(dú)使用太陽(yáng)能運(yùn)行,安裝成燃料混合(如與天然氣、生物質(zhì)氣等)互補(bǔ)系統(tǒng)是其突出的優(yōu)點(diǎn)。太陽(yáng)能光熱發(fā)電與現(xiàn)有電網(wǎng)匹配性好、連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電和調(diào)峰發(fā)電能力強(qiáng),受到業(yè)界專家的推崇,光熱的成本比較低。裝機(jī)容量越大,發(fā)電成本越低,可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化,適用于大型電站。利用500℃以上熔融鹽作為蓄熱介質(zhì),儲(chǔ)存的能量在1×106kW•h以上,成本比蓄電池低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

1.2.3國(guó)外光熱發(fā)電情況

國(guó)外太陽(yáng)能熱發(fā)電的蓄能裝置已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,1個(gè)50MW的太陽(yáng)能熱電站所使用的蓄熱熔融鹽達(dá)到3×104t的規(guī)模,這為儲(chǔ)能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)辟了重要戰(zhàn)略方向。美國(guó)早在上世紀(jì)80年代就已實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱發(fā)電的商業(yè)運(yùn)行。實(shí)際上,低成本、大容量的儲(chǔ)能技術(shù)正是全球新能源產(chǎn)業(yè)所面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn),不解決這個(gè)難題,可再生能源和智能電網(wǎng)的發(fā)展將面臨巨大的困難。

2國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代末,國(guó)內(nèi)先后引進(jìn)了多條太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線,年生產(chǎn)能力達(dá)4.5MW。投資主要來(lái)自中央和地方政府以及國(guó)有大型企業(yè),實(shí)現(xiàn)了光伏產(chǎn)業(yè)的第一次跳躍性發(fā)展。21世紀(jì)初,在國(guó)際大環(huán)境、政府項(xiàng)目的啟動(dòng)和市場(chǎng)拉動(dòng)等共同作用下,光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段。2002年由國(guó)家發(fā)改委實(shí)施的“光明工程”先導(dǎo)項(xiàng)目和“送電到鄉(xiāng)”工程以及2006年實(shí)施的送電到村工程均采用了太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)。在這些措施的引導(dǎo)下,中國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。2010年末,國(guó)內(nèi)光伏電力裝機(jī)容量達(dá)到893MW,同比增長(zhǎng)139.4%,占世界光伏電力裝機(jī)容量的2.2%。根據(jù)“十二五”規(guī)劃,2015年光伏發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)1×104MW,2020年將達(dá)5×104MW。值得注意的是,截至2010年,屋頂光伏電站的裝機(jī)規(guī)模約0.03×104MW,2015年,預(yù)計(jì)達(dá)0.3×104MW,到2020年則達(dá)2.5×104MW。分析指出,近年來(lái)國(guó)內(nèi)屋頂光伏市場(chǎng)已逐步打開(kāi),隨著政策支持力度的進(jìn)一步加大,建設(shè)屋頂光伏電站,推廣中小型光伏系統(tǒng)應(yīng)用將逐漸成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流。