太阳能光伏发电技术核心问题与前景展望

范成忠

（青海黄河水电公司格尔木太阳能发电分公司，青海西宁，816000）

太阳能光伏发电技术核心问题与前景展望

范成忠

（青海黄河水电公司格尔木太阳能发电分公司，青海西宁，816000）

太阳能光伏发电高清洁、无污染，有替代不可再生能源的趋势。介绍了太阳能光伏发电原理，为技术的核心问题提出了相应对策，并以青海省为例，展望了技术发展前景。相关部门应加大技术研发力度，从用电负荷、电压波动、谐波污染和孤岛效应四个方面开展重点研究。青海省整年平均光照辐射量为6 500 MJ·m-2，位居全国第2，亟待引进高端人才，着力于新能源开发。太阳能光伏发电将成为我国科技和经济健康、稳步向前发展的支撑。

太阳能电池；光伏发电；青海省；谐波污染；孤岛效应；人才引进

引言

煤炭和石油是目前全世界主要使用的不可再生能源。随其不断被开采和消耗，终有一天将枯竭，寻找新的可再生资源成为全球关注的重点。可再生资源包括太阳能、风能、水能、海洋能等，其中太阳能是在资源量、污染程度、安全和清洁等方面的最好选择，将成为本世纪应用规模最大的能源之一。

目前，太阳能发电主要以光伏发电为主，利用光伏电池将光能转变为电能，是一种不需要任何燃料、不产生任何污染的技术。中国的光伏产业在不断发展，光伏技术的研究一直在路上。

1 光伏发电技术原理

太阳能电池将光作用于半导体上，引起光电反应。当光子聚集到一定量时，作用到半导体上，光子与半导体反应形成电子与空穴，分别形成正电荷与负电荷，聚集在半导体的两端。将两端电极用导线连接后，就会产生流动的电荷，从而产生电能[1]。通过这个原理，便能够将光能转变为电能，并且储存到电池里，再利用相应的调节技术，将转化的电能转变成供人们使用的标准电能。相对于传统发电方式而言，这种形式既清洁无污染，又无噪声。

不同场合所使用的光伏发电系统也不同。一般情况下，光伏发电系统可分为混合型、并网型、独立光伏型。图1所示为独立光伏发电系统构造，主要包括太阳自动跟踪系统、单片机控制器、逆变器、直流升压系统、太阳能电池板、充电器、蓄电池等[2-3]。

图1 太阳能光伏发电系统

比较典型的光伏发电系统由光伏电池阵列、储能系统、逆变器、直流控制系统四大部分组成。当太阳光照比较强烈时，太阳能电池直接向直流升压电路提供低压直流电，利用充电器让蓄电池储存电能；当太阳光照弱时，太阳能电池难以达到发电要求，蓄电池就会提供低压直流电给直流升压电路。通过这种方式，可保证发电系统的稳定和连续。升压电路会将低压直流电提升为330 V的高压直流电，利用逆变器作用转变为50/220 V的交流电，再经过检测电路返还给控制器，利用其控制闭环。

2 技术核心问题及相应对策

太阳能光伏发电技术虽然有很多优势，但也存在着一些比较现实性的核心问题。例如，这种发电方式转化的是直流电，若要引入公众电网进行并网使用，必须通过转变器转化为交流电方能够利用。然而如图2所示，这个过程是非常复杂的，存在的问题也比较多，需要逐一解决[4-5]。

图2 光伏发电并网技术的核心问题

2.1 用电负荷

太阳能光伏发电主要采用分布式布局，也就是把太阳能电池板铺设到各种房屋建筑的屋顶上接受光照。屋顶的太阳能电池板将光能转变为电能后，可供家庭正常利用。若未用完，可以通过转变器转变为交流电，出售给国家电网公司，如果晚间供电不足，还可以再从国家电网购回。这种光伏发电模式的规模相对较小，但数量却较大，所以在进行并网时，会受到很多因素的影响，比如发电量不能有效定量，电网对电负荷不能有效控制，结果降低了转变器转化效率，也降低了效益。

利用电力方面的分析软件建立太阳能光伏发电并网的用电负荷变化模型，同时将模型的电荷预测信息与实际的用电负荷进行比较，进而建设电网用电的负荷控制模型，充分发挥计算机软件的分析计算能力，可改善转变器效率低下的问题，提高转变效益。

2.2 电压波动

利用太阳能光伏发电发出的是直流电，在发电过程中，电源输出不稳定。由于很多因素，如天气变化、温度升降以及突发状况，也会造成输出功率不稳定，还使得控制发电比较困难。如果电源容量与当地的运行负载不符合，由于周围环境的变化，其在功率输出上变化会较大，那么连接点的电压会变得非常不稳定。所以，光伏发电在转变并网时会产生诸如潮流大小变化、方向转变和电压分布变化等问题。

研究太阳能电池各个部分的特征，创建一个有效的动态数学模型来分析并网电压波动中可能存在的问题，同时研究典型的电压波动控制方法和控制策略，探究有效提升预知光伏发电功率正确性的方法，能够使得在未知的情况下保障太阳能光伏发电正常安全运行。

2.3 谐波污染

如前文所述，若要更好利用太阳能光伏发电产生的电能，就要利用转变器把太阳能电池发出的直流电能转变成与电网一致的交流电能。转变器要利用到一些高频的电子元件，很大概率会出现谐波现象。当谐波的产生量积累到一定程度时，会对电网造成谐波污染，其结果就是加大电网中一些机械件的损耗，使得输电效率大大降低，也会降低发电机和一些用电设备的效率，严重者甚至发热，造成火灾发生，或对周围的通信系统设施造成干扰。

所有的探究要在充分利用太阳能光伏发电的基础上，研究和开发新的配电系统；从光伏发电的电源出发，找出合理的电源优化方法（如电池的容量以及选址）；研究太阳能光伏发电并网的方式，以及有效控制发电输出和选择有效位置；深入探究谐波影响以及电压的不稳定情况，只有这样才能从根本上保证并网使用的经济性与环保性。

2.4 孤岛效应

在用电过程中，电网会因为检修或者一些故障的发生而断电。当断电发生时，太阳能光伏发电设备如果不能马上断开与电网的连接，就会产生孤岛效应，也就是光伏发电输出的电和周边用电负荷产生电网之外独立供电的现象。这种现象一旦发生，就很有可能对用户和电网检修人员产生危害，极有可能发生安全事故，而且电压频率不能稳定也会损害一些供电设施。所以，必须解决相关问题或者改变方式，才能充分有效地将光伏发电进行大众化推广。

出于用电安全的考虑，出现孤岛效应后要立刻检测孤岛的所在，并采取相应措施，直到故障消除为止。积极开发在突发情况下切断负荷与划离孤岛的技术，同时开发孤岛效应与并网之间的切换方式。探究发生短路时的电流大小、电流分布对太阳能光伏发电并网的影响，以及有效利用有关设备，对光伏发电电源和并网状态进行有效保护和控制的策略，以达到立刻划离故障并恢复用电的目的。

3 前景展望——以青海省为例

据有关资料，2001年我国光伏电池产量只有3 MW，而2008年达到2 600 MW，2009年达到4 000 MW，在短短的8年时间里上涨了上千倍，增速巨大；与全世界的光伏电池产量相比，占到了40%左右的比例；同时也成为了全球最大的光伏电池生产国。

据中商产业研究院大数据库显示：我国2015年的太阳能电池产量是58 000 MW。2015年1月到9月，中国的新增光伏装机量大约是10 500 MW，同比增长了170%左右。光地面电站新增的装机量大约为6 500 MW。

展望未来，光伏产业发展潜力巨大。以青海省为例，青海省在太阳能资源的利用上拥有得天独厚的条件。青海省的平均海拔较高，大约是4 000 m，所以空气相对比较稀薄，光照透明度比较大，又由于气候相对干燥、雨水少、光照时间多，所以光照资源非常充足。青海省光照比例高达50%，一年光照时间一般是在2 400 h左右，整年平均光照辐射量大概为6 500 MJ·m-2，仅次于西藏。特别是柴达木地区整年光照辐射量甚至可以达到7 400 MJ·m-2，是极有潜力应用太阳能光伏的区域，亟待引进高端人才，着力于新能源技术与装备的开发。

4 结语

伴随着科学技术的不断发展以及社会生产力的日益提高，用电领域会越来越多，用电量也会越来越大，发电资源以及发电源头需要不断地开发和创新。这也促使人们不断了解太阳能光伏发电技术及其应用领域，有效解决能源问题，减少用电不足的情况发生。加大太阳能光伏发电技术的研究力度、开发新的可再生资源，尤其是更加高效能和高清洁的能源，已迫在眉睫，且必将促进中国科技和经济健康、稳步地向前发展。

[1]杨静涛, 贾晖杰, 吕国东. 并网光伏电站发电量影响因素分析[J]. 太阳能, 2013(17): 40-42.

[2]赵争鸣, 雷一, 贺凡波, 等. 大容量并网光伏电站技术综述[J].电力系统自动化, 2011, 35(12): 101-107.

[3]刘丽红. 太阳能光伏发电逐日自动控制系统的设计[D]. 太原:山西大学, 2013.

[4]尹强民. 探讨太阳能光伏发电及其应用[M]. 北京: 科学出版社, 2005.

[5]王长贵. 并网光伏发电系统综述(上)[J]. 太阳能, 2008(2): 14-17.

Core Issues and Development Prospects on Photovoltaic Power Generation Technology

FAN Cheng-zhong
(Golmud Solar Power Branch Company, Qinghai Yellow River Hydropower Company, Xining, Qinghai,816000, China)

Photovoltaic power generation has characteristics such as high cleanliness and no pollution, and a trend to replace non-renewable energy. Principles of photovoltaic power generation are introduced, as to further put forward the corresponding countermeasures for the four core issues of such a technology. Also, Qinghai Province is taken as an example to prospect the development of photovoltaic power generation. Related departments should enhance technological research from the four core issues such as power load, voltage fluctuation, harmonic pollution and islanding effect. Qinghai Province has an average of 6 500 MJ·m-2per year of light radiation, ranked 2 in China, so the introduction of high-end talent focusing on new energy development is urgent. Technological revolution on photovoltaic power generation is bound to lead the healthy and steady development of science, technology and economy in China.

Solar Cell; Photovoltaic Power Generation; Qinghai Province; Harmonic Pollution; Islanding Effect; Talent Introduction

TK51

B

2095-8412 (2016) 06-1296-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.066

范成忠(1979-)，男，助理工程师。研究方向：新能源。