风电和光伏发电中的关键技术分析

李 明

中石化燕星新能源（北京）有限公司 北京 102400

随着经济的不断发展，城市化的建设水平提高，人类生活及生产的电力需求量明显增加，传统电力供应使用的能源属于不可再生能源，且能源的使用会加重对生态环境的污染与破坏，不符合我国可持续性发展理念。为此，针对于新型清洁能源的开发与利用备受关注。风能以及光能是常见的两种清洁能源，二者属于自然现象，具有可再生特点。为了能够提高风能及光能的利用率，充分发挥风能及光能在电力供应方面的价值，加强对风能发电以及光伏发电关键技术的研究十分重要。

1 风电和光伏发电应用现状

1.1 风电发电现状

风能属于新型清洁能源，其在电力行业中具有一定的价格优势，且风能发电技术应用较为成熟。近几年，风能发电总量逐年增加，预估2026年风能将会成为可再生能源中电力供应主力，其全球发电量可占37%左右。我国风能储备较为丰富，风能发电未来发展前景良好，且风能发电系统的使用寿命较长。根据我国能源局的数据统计显示，我国风能发电各方面的发展均有较大进步，且风能发电水平逐渐向国际化水平靠近。2019年，我国累计并网容量为21005万kW，同比增长14%，后因国家制定出台的补贴退坡政策，各地区陆上风电场的建设速度明显加快[1]。2020年，国内风能发电新增装机容量为7167万kW，占电源新增装机容量的37.5%，而风能发电量为4665万kW，同比增长15%。现如今，2023年前三季度，风能发电新增装机容量为3348万kW，而截止至2023年9月底，风能发电装机容量高达4亿kW。由此可知，风能发电在我国的发展前景良好。

1.2 光伏发电现状

根据国家能源局统计的数据可知，自2015年起，光伏发电在我国的发展存在一定变化。2015年，光伏发电新增装机容量为1513万kW；在2018年，因光伏531新政的出台，光伏发电新增装机容量下降，相关项目数量明显减少；2019年，我国又出台了光伏发电项目补贴政策，其目的在于鼓励相关企业通过竞争的方式确定光伏发电的市场规模；2020年，受竞价项目、新增竞价项目以及特高压项目落实的影响，光伏发电的市场经济逐渐出现增长趋势，加之近几年光伏发电技术的不断发展，光伏发电市场的发展逐渐多样化，致使光伏发电新增装机容量逐渐上升[2]。与此同时，受“隔墙售电”以及电力市场化交易的影响，我国每年光伏发电新增装机容量的上升趋势较为稳定。现如今，2023年前三季度光伏发电新增装机容量为12894万kW，截止至2023年9月底，光伏发电新增装机容量为5.21亿kW。由此可知，光伏发电发展现状良好[3]。

2 风电发电关键技术的分析

2.1 调峰技术

调峰技术主要分为两种，具体介绍如下：其一，定桨距失速控制技术。该技术的刚性固定主要是以螺旋形风扇的叶轮叶片为主（见下图1所示），技术应用较为简单，且实际应用的稳定性较强。虽然定桨距失速控制技术的应用优点较为明显，但是实际应用存在一定缺点，例如螺旋形风扇叶片角度的调整存在一定难度，工作人员无法在实际情况下进行调整 。因定桨距失速控制技术应用的基本依据是空气动力，所以该技术的应用可以调节风力发电机的出力情况。通过技术应用的结果显示，该技术的应用无法保证风能电力的充分利用，具有一定的风能资源浪费缺点，严重影响风能发电效益[4]。其二，变桨距控制技术。该技术的应用可以依据实际情况调节螺距角度，进而可以改变涡轮的输出功率。如果风力发电机实际输出功率小于额定功率，无需调节桨距角，保证桨距角为零即可；如果风力发电机实际输出功率大于额定功率，可以适当调节桨距角，合理控制输出功率。此外，变桨距控制技术属于一种主动式调节技术，技术应用可以让风力发电机启动后的正俯角保持不变。

图1 螺旋形风扇叶片

2.2 海上风电送出技术

2.2.1 高压直流送出技术

海上风电柔性高压直流输电系统较为复杂，其主要是由变压器、海上升压站、风电机组、陆上电网、风电机组箱变以及海上换流站等组合而成。不同于传统的晶闸管相控变换器高压直流输电方式，英文简称LCCHVDC，高压直流送出技术属于是一种电压源型并网输电技术，直流输电为柔性，技术应用灵活，可以与无源系统进行连接，同时还可以进行有功或无功独立解耦控制，实际应用不会出现换相失败的问题。近几年，受模块化多电平换流器技术的发展，英文简称MMC，高压直流送出技术常被应用于深远海大功率的送出[5]。但是，因高压直流输电（VSC-HVDC）并网式的应用存在投资成本偏高、日常养护与维修困难以及海上施工难度较大等问题，该技术的实际应用尚且还处于初期阶段。

2.2.2 高压交流送出技术

海上风电高压交流输电系统同柔性高压直流输电系统在组成方面相类似，交流输电系统主要是由海上升压站（见下图2所示）、风电机组、无功补偿装置、变压器、风电机组箱变、陆上电网以及交流海底电缆（见下图3所示）等组合而成。不同于柔性高压直流送出技术，高压交流送出技术的应用较为成熟，相关设备制造发展良好，且系统构造较为简单。但是，因该技术应用过程中的电缆充电电流以及充电功率有限，不太适合被应用于远距离输电的海上风电场，又或者是装机容量较大的海上风电场等，技术应用的经济性价值明显不高。当前，依据我国海上风电以及高压交流送出技术的发展，如果海上风电场的输电距离小于70km，可以考虑使用高压交流送出技术；如果海上风电场的输电距离大于100km，需要使用柔性高压直流送出技术；如果海上风电场的输电距离在70-100km之间，通过对可靠性以及经济性的考量，可以进行交直流技术对比，合理选用两种技术[6]。

图2 海上升压站

图3 交流海底电缆

2.2.3 分频输电送出技术

分频输电送出技术，英文简称FFTS，其属于是一种新型输电方式，较为适用于远距离水电的开发工作。分频输电系统与高压交直流系统的组成相类似，技术高压交流输电的大功率输送需要使用高压等级提升的方式进行，而高压等级的提升需要使用降低分频输电频率的方式[7]。不同于高压交直流输电系统，分频输电无需建设在海上换流站，所以其日常的建设及维修成本相对偏低，且该技术的交流电网明显比海上组网更为优秀。

2.3 风功率预测技术

因风电机组的动力具有不稳定性的特点，所以风能的变化易受风能强度的影响，风速大，风力亦大，但风电功率降低。风能发电的电力资源最终都会纳入电力系统当中，如果风能不稳定，则会影响电力系统电力供应的稳定性。为保证风能稳定，需要对风力进行预报，风功率预测技术具有风力预报的功能。因风能的预报模式以及预报周期要求各异，所以需要使用多种技术进行风力预报。依据预报时间，大致可以分为三种预防形式，分别是短期预报、中期预报以及长期预报，其中短期预报较为常见，工作人员需要对风电机组进行规划与调度。常见的风力预报模式包括统计法以及物理法，统计法主要是通过数据分析了解风速的变化情况，具有深度挖掘风力资料的作用，其使用算法直接影响着预报准度；物理法主要是在气象原理的基础上对风速、风向、空气浓度以及气压等进行仿真，以此获取风力预报值，该模式具有随机性特点，所以预报值存在一定偏差[8]。

3 光伏发电关键技术的探究

3.1 酸碱法

酸碱法主要是对物料进行浸出处理，处理过程需要使用试剂，将金属从物料中提出的同时，提高硅的纯度。为了能够让硅晶片作为太阳能电池制作的原材料，工作人员需要优先将硅晶片表面诸多物质及元素等进行剔除，例如导线、AI背电极、银、扩散层PN结以及抗反射层等。常见的电池刻蚀提纯方法有两种：一种是60%HNO3与40%HF的混合酸，仅需60s便可以完成硅晶片表面诸多物质及元素的剔除操作，剩余的AI背电极可以在80℃下使用30%KOH溶液刻蚀6min进行剔除；另一种方法是在160℃下使用90%H3PO4溶液刻蚀60s，即可将硅晶片中的抗反射层以及铝背电极剔除，针对于银以及扩散层PN结的剔除，可以使用60%HNO3与40%HF的混合酸。两种方法的提纯效果都较为理想，但是相比于第二种方法，第一种方法存在一定缺陷，因银在HNO3溶液中的刻蚀速率不同于HF刻蚀硅晶片的速率，所以硅晶片的含银表层可能会出现凹槽，致使硅晶片不能作为太阳能电池制作的原材料[9]。一般情况下，凹槽的深度在36mm左右，虽然凹槽可以通过研磨的方式磨平，但是会导致硅晶片变薄，无法回收再利用。所以，使用第二种方法处理的硅晶片适合做太阳能电池制作的原材料。

3.2 热处理法

热处理法的使用需要借助热塑型胶膜（EVA）的相关特性，例如受热后变性分解，利用高温可以将热塑型胶膜软化与分解，从而完成分离操作。如果加热温度不符合EVA的分解温度，EVA软化后会失去部分黏性，致使面板逐渐剥离。当加热板处于加热状态时，工作人员可以设计一种加热刀片，其能够将EVA进行切割，以此将电池片与玻璃进行分离。该方式在实际应用中存在一定缺陷，例如日本设计出一台利用热切刀分离光伏组件玻璃的设备，该设备通过对热切刀位置的调整将光伏组件与其玻璃进行剥离，设备的使用仅能够回收完整性较好的玻璃，又或者是未破损的光伏组件。此外，因设备的剥离方式较为简单，所以光伏玻璃上会残留一定的EVA，需要工作人员后期进行处理。如果加热温度符合EVA的分解温度，EVA会自动发生分解，且光伏玻璃上不易残留EVA[10]。

4 结束语

当前，社会经济的发展面临诸多问题，例如生态环境污染严重以及不可再生能源资源紧缺等，如果不加以改善与调整，便可能会阻碍经济发展，增加人类生存困难。受科学技术不断发展的影响，我国对于风能以及光能应用的研究进步明显，诸多地区的电力供应已经开始使用风能及光能，为进一步发挥风能及光能的应用价值，电力企业应该加强对调峰技术、海上风电送出技术以及风功率预测技术等风电发电关键技术的研究，同时还需要加强对酸碱法以及热处理法等光能发电关键技术的研究。