淺析太陽能光伏發電技術及應用
摘 要：太陽電池的基本原理是光生伏特效應。光伏發電具有資源可再生、潔凈環保等多項優勢。光伏發電系統由太陽電池方陣、蓄電池組、控制器、直流--交流逆變器等部分組成。分析了各組成部分的功能，介紹了光伏發電技術在通信、工業、邊遠地區、光伏建筑一體化、大型荒漠光伏電站等方面的應用情況以及未來發展前景。
關鍵詞：光伏發電、基本原理、系統組成、應用
1.太陽電池的基本原理和光伏發電的主要優勢
1.1 太陽電池的基本原理
太陽能光伏發電是太陽能利用的一種重要形式，是采用太陽電池將光能轉換為電能的發電方式，而且隨著技術不斷進步，光伏發電有可能成為最具發展前景的發電技術之一。太陽電池的基本原理為半導體的光伏效應。當太陽光(或其它光)照射到太陽電池上時，電池吸收光能，產生“光生電子—空穴”對。在電池內電場作用下，光生電子和空穴被分離，從而在電池兩端積累起異號電荷，即產生電壓。
1.2 光伏發電的主要優勢
(1)發電原理具有先進性：即直接從光子轉換到電子，沒有中間過程(如熱能—機械能、機械能—電磁能轉換等)和機械運動，發電形式極為簡捷。
(2)太陽能資源的無限和分布特性：太陽能輻射取之不盡，用之不竭，可再生并潔凈環保;陽光普照大地，無處不在，無需運輸，不受霸權控制。
(3)光伏發電與環境關系：光伏發電沒有機械旋轉部件，無噪聲;沒有燃燒過程，不排放溫室氣體和其它廢氣、廢水，環境友好，真正的綠色發電。
(4)建造、拆卸和維護特性：模塊化結構，規模大小隨意，易于建造安裝、拆卸遷移，而且易于隨時擴大發電容量。可實現無人值守，維護成本低。
2.光伏發電系統組成及各部分功能
光伏發電系統是采用太陽電池將太陽輻射能直按轉換成電能的完整的發電系統。一般來說，它由太陽電池方陣、控制器、蓄電池組、直流--交流逆變器等部分組成。
2.1 太陽電池組件及方陣
太陽電池是光伏發電系統的核心。太陽電池單體是光電轉換的最小單元，尺寸一般為4~200cm2不等。太陽電池單體的工作電壓約為0.5V，工作電流約為20~25mA，一般不能單獨作為電源使用。將太陽電池單體進行串并聯且封裝后，就成為太陽電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨作為電源使用的最小單元。太陽電池組件再經過串并聯并安裝在支架上，就構成了太陽電池方陣，可以滿足負載所要求的輸出功率。
2.2 儲能蓄電池
蓄電池是光伏電站的貯能裝置，它將太陽電池方陣從太陽輻射能轉換來的直流電轉換為化學能貯存起來，以供應用。在獨立運行的光伏發電系統中，必須配備儲能蓄電池，以儲存和調節電能。當日照充足而產生的電能過剩時，蓄電池將多余的電能儲存起來;反之，當系統發電量不足或負荷用電量大時，蓄電池向負載補充電能，并保持供電電壓的穩定。
蓄電池是通過充電將電能轉換為化學能貯存起來，使用時再將化學能轉換為電能釋放出來的化學電源裝置。它是用兩個分離的電極浸在電解質中而成。由還原物質構成的電極為負極，由氧化態物質構成的電極為正極。當外電路接通兩極時，氧化還原反應就在電極上進行，電極上的活性物質就分別被氧化還原了，從而釋放出電能，這一過程稱為放電過程。放電之后，若有反方向電流流入電池時，就可以使兩極活性物質回復到原來的化學狀態，這一過程稱為充電過程。光伏電站中與太陽電池方陣配用的蓄電池組通常是在半浮充電狀態下長期工作，考慮到連續陰雨天氣，蓄電池的設計容量一般是電負荷日耗電量的5~10倍。目前我國光伏發電系統配置的蓄電池多數為鉛酸蓄電池。
2.3 充放電控制器
蓄電池，尤其是鉛酸蓄電池，要求在充電和放電過程中加以控制，頻繁的過充電和過放電都會影響蓄電池的使用壽命。過充電會使蓄電池大量出氣(電解水)，造成水份散失和活性物質的脫落;過放電則容易加速柵板的腐蝕和不可逆硫酸化。為了保護蓄電池不受過充電和過放電的損害，則必須要有一套控制系統來防止蓄電池的過充電和過放電，稱為充放電控制器。控制器通過檢測蓄電池的電壓或荷電狀態判斷蓄電池是否已經達到過充點或過放點，并根據檢測結果發出繼續充、放電或終止充、放電的指令。
隨著光伏發電系統容量的不斷增加，用戶對系統運行狀態及運行方式的合理性的要求越來越高，系統的安全性也更加突出和重要。因此，近年來設計者又賦予控制器更多的保護和監測功能。此外，控制器在控制原理和元器件方面也有了很大發展和提高，目前先進的系統控制器已經使用了微處理器，實現了軟件編程和智能控制。
2.4 直流—交流逆變器
眾所周知，整流器的功能是將50Hz的交流電整流成為直流電。而逆變器與整流器恰好相反，它的功能是將直流電轉換為交流電。這種對應于整流的逆過程稱為“逆變”。太陽電池在陽光照射下產生直流電，然而以直流電形式供電的系統有很大的局限性。例如，熒光燈、電視機、電冰箱、電風扇等均不能直接用直流電源供電，絕大多數動力機械也是如此。此外，當供電系統需要升高電壓或降低電壓時，交流系統只需加一個變壓器即可，而在直流系統中升降壓技術與裝置則要復雜得多。因此，除特殊用戶外，在光伏發電系統中都需要配備逆變器。逆變器還具備自動調壓或手動調壓功能，可改善光伏發電系統的供電質量。另外，光伏發電系統若要實現并網運行，則輸出必須為交流。因此，逆變器已成為光伏發電系統中不可缺少的重要設備。
在光伏系統中，要求逆變器有較高的逆變效率和可靠性，對直流輸入電壓有較寬的適應范圍。
逆變器的輸出波形有方波、階梯波、正弦波等類型。在中、大容量的光伏發電系統中，逆變器的輸出應為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統中，若采用方波供電，則輸出將含有較多諧波分量，高次諧波將產生附加損耗，許多光伏發電系統的負載為通信或儀表設備，這些設備對供電品質有較高的要求。另外，當中、大容量的光伏發電系統并網運行時，為避免對公共電網的電力污染，也要求逆變器輸出失真度滿足要求的正弦波。
3.光伏發電系統的應用
中國是光伏產業大國，中國光伏企業生產的太陽電池占據全球市場份額50%以上。但國產太陽電池約98%出口，銷往國內市場僅占很小一部分。國內光伏系統的應用還處在初步階段，目前主要有通信和工
業應用、農村和邊遠地區應用、太陽能商品、光伏建筑一體化、大型荒漠光伏電站等。今后，按照可再生能源發展規劃，將逐步擴大光伏發電系統裝機容量。
3.1 通信和工業應用
主要有微波中繼站、光纜通信系統、衛星通信和衛星電視接收系統、農村程控電話系統、部隊通信系統、鐵路和公路信號系統、燈塔和航標燈電源、氣象和地震臺站、水文觀測系統、水閘陰極保護和石油管道陰極保護等。
3.2 農村和邊遠地區應用
主要有獨立光伏電站(村莊供電系統)、小型風光互補發電系統、太陽能照明燈、太陽能水泵、農村社團(學校、醫院、飯店、商店、卡拉OK廳等)。
3.3 太陽能商品
主要有太陽能路燈、太陽能庭院燈、太陽能草坪燈、太陽能噴泉、太陽能城市景觀、太陽能信號標識、太陽能廣告燈箱、太陽能電動汽車、太陽能游艇、太陽能鐘、太陽能帽、太陽能手表、太陽能玩具等。
3.4 光伏建筑一體化(BIPV)
BIPV即Building?Integrated?Photovoltaic，指的是光伏建筑一體化。BIPV模式這種新能源利用方式，能將太陽能光伏發電與建筑相結合，利用了建筑屋頂的閑置空間，組裝太陽能光伏發電模塊，滿足或者補充電力需求。科技成果顯示，這種BIPV模式日后將與建筑物幕墻相結合，以獲得更多的陽光和電力，但目前的BIPV主要以樓頂為主，應用技術較為成熟。BIPV在建設初期成本較高，隨著我國財政對BIPV項目的大力支持，我國將大幅擴大BIPV技術的應用。
光伏建筑一體化的優勢是：
(1)清潔能源，節能并減少環境污染;
(2)一旦市政發生特殊情況(如地震災難時)，太陽能光伏發電能夠滿足本建筑的需求，不會因為市政電網中斷而斷電。
3.5 大型荒漠光伏電站
氣象資料顯示，中國太陽能資源豐富，主要集中在西北地區。太陽能資源極豐富帶的地區包括西藏大部、新疆南部以及青海、甘肅和內蒙古的西部。這些地區的年太陽照量超過1750kWh/(m2.a)，而且月際最大與最小可利用日數的比值較小，年變化較穩定，是太陽能資源利用條件最佳的地區。這些地區大部分為荒漠，很適合利用起來建設大型荒漠光伏電站。大型荒漠光伏電站建設已經啟動，如青海省格爾木200MW大型荒漠光伏電站已經并網投運。
3.6光伏發電未來應用前景
2009年12月，中國政府在哥本哈根氣候變化領導人會議上承諾：至2020年我國單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%，非石化能源占一次能源消費的比重提高至15%左右。這是世界上最大的發展中國家應對氣候變化的莊重承諾，表明我國政府在應對氣候變化和降低二氧化碳排放問題上作為一個負責任大國的態度和決心。《可再生能源發展“十二五”規劃》確定的光伏發電裝機目標為：到2015年達1000萬kW，到2020年達5000萬kW。中國光伏發電技術的應用潛力巨大。
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