并网光伏发电系统是指将电能输送至电网的光
伏系统。这种方式是未来发展的趋势,目前的研究
热点是调峰光伏电站和并网型城市屋顶发电站[ 4,5]
。
带有蓄能装置的并网发电系统通常称为可调度式并
网系统, 能够进行能量储存和分配,特别适用于经常
停电的地区, 但成本较高;不带蓄电池的叫不可调度
式并网系统, 它节省了投资,系统比较简单, 易于维
护,但由于没有蓄电池对太阳阵列的工作电压进行
箝位, 因而必须采用Zui大功率跟踪,保证系统工作在
工作点附近。
并网系统逆变器不同于独立系统逆变器。并网
系统在向电网供电时,电网可能会中断供电, 此时若
再向电网输送电能会带来安全隐患,危害人员和设
备安全,这种现象称为“孤岛效应”。为防止“孤岛效
应”的发生,并网系统的逆变器必须对电网进行监
控, 一旦发生停电,能迅速停止向电网供电。
( 3) 光伏发电的难点及对策
太阳能光伏发电不消耗燃料,清洁无污染, 在实
际应用中解决了世界上许多特殊地区和边远地区的
用电问题。随着政府的政策扶植和投资者增加,目
前光伏发电进入了一个快速发展期,但总体来看, 光
伏发电产业尚处于起步阶段,主要是由于太阳能发
电初期投资大, 控制成本高,而太阳能转化效率比较
低, 且容易受天气等多种因素影响。
根据目前光伏发电发展状况和其技术难点, 未
来的光伏发电研究需要重视以下几个方面:一是加
快太阳能原材料晶体硅生产技术的研究和新型替代
材料的开发,降低材料成本并提高其转化效率;二是
提高系统控制技术,如达到光伏电池阵列的Zui优化
排列组合、实现太阳光Zui大功率跟踪等;三是研究光
伏发电的并网技术,减少光伏电能对电网的冲击; 四
是研究光伏发电与其他可再生能源发电技术的结合
应用, 保证供电持续性[6]
2 光伏发电与光热发电技术结合
以上分别介绍了光伏发电和太阳热发电技术的
工作原理及系统结构、目前的发展状况和技术上的
优势以及缺陷。容易看出,太阳能光伏发电原理简
单, 使用灵活方便,但是容易受到影响, 尤其在缺乏
太阳光时就不能够发电。而在实际应用中,太阳能
电池转换效率比较低, 大约 20% ,80% 照射到电池
表面上的太阳能未能转换为有用能量,相当一部分
能量转化成为热能, 使电池温度升高,导致电池效率
下降。
为提高太阳能利用效率, 充分利用太阳热能并
尽可能保持光伏电池的转换效率,可以在电池背面
敷设流体通道带走热量以降低电池温度,再附设储
能装置储存热能,在夜晚或天气不好时用来发电。由
此可以大胆构造出一个太阳能光伏发电和太阳能热
发电相结合的联合系统。这种系统既提高了光伏发
电的利用效率又有效利用了吸收的热能,整体效率
要比单一的光伏或太阳能热发电要高,同时又可以
解决太阳能发电不连续的弱点。依据上述构想,可
以设计这样一种联合的发电系统,其原理结构图如
图 3 所示。
光伏发电和太阳热发电联合系统由太阳能电池
板和集热器组合阵列、蓄能装置、低温涡轮发电机、
蓄电池、控制器、逆变器以及负载组成。该系统采用
了集光和集热相结合的方式,收集模块上层为光伏
电池板,下部分敷设一种国外新型的吸热管,它Zui大
的特点是在温度达到一定程度时直接产生高温高压
的水蒸汽, 不再需要传热介质回路,节约了系统成
本。低温涡轮发电机是一种特殊的涡轮电机,它在
低温 35 ℃左右时仍能够发电。
在白天阳光充足时, 光伏电池将照射在表面的
太阳光能转化为电能,经逆变器将电能送给用户, 对
大型系统或可调度系统可加设蓄电池,储蓄电能。同
时吸热管将吸收太阳热能,将产生的水蒸汽经传输
设备送到蓄能装置储存起来。蓄能装置内部装设调
节装置, 自动或手动调节能量输出,控制低温涡轮
发电机发电,在白天无光照时间或者夜间维持系统
持续供电。在理想的条件下,若系统的配置足够合
理, 可以保证向负载 24 h供电, 解决太阳能发电不
连续的弱点。
同时该系统也可以设计为并网系统, 不再装设
蓄能装置,Zui大限度地将太阳能转化为电能,直接
输送给电网。
3 与其他可再生能源发电的互补利用
由于单一的太阳能发电系统容易受季节、时
间、天气等因素的影响,存在着系统发电量不稳定、
供电可靠性较低等缺点,研究人员一直希望通过
太 阳能和其他可再生能源发电相结合的方式,弥
补太阳能发电的不足,向用户或电网提供更加稳定
的电能。
风能作为一种新型能源与太阳能在季节和时
间上互补性很强, 夏季日照足风速低,冬季日照弱
风速强; 同样白天日照强时风小,夜晚无光照时风
大。风光资源极强的互补性使得风光互补发电系统
在发电时能达到的能源匹配,而不必配备较大
鲁华永 等:太阳能发电技术探讨
图 3太阳能光伏发电与太阳能热发电联合系统
日光 光伏电池
控制器 逆变器
蓄电池
蓄能
装置
低温涡轮
发电机
用
户
电
网
新型吸热管
传输设备
高
温
压
水
蒸
汽
容量的蓄电池,与单一的光伏发电或风力发电系统
相比, 提高了系统供电可靠性,又降低了系统成本。
加上风光资源的综合利用可以实现地表与空间的
合理利用, 而且互补系统统一管理,降低了系统的
运行成本,所以与单一的太阳能发电或风能发电相
比, 风光互补发电系统是更好的选择。
作为一种可以四季平稳发电且成本较低的新
能源发电系统,风光互补发电系统是本世纪的能源
领域的研究热点。欧盟等发达地区对风光互补发电
技术的研究起步较早,目前在系统结构的优化配置、
能量管理控制以及系统仿真等方面已经取得一定
的研究成果。国内许多高校和科研单位也正在加紧
这方面的研究。
风光互补发电系统一般由光伏系统、风力发电
机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组
成, 如图 4所示。
实现风光能源、蓄能、发电量以及负荷的
配置是目前太阳能和风能发电研究的热点,随着这
一技术的深入研究,系统的成本会进一步降低, 由于
其较高的发电和供电可靠性,风光互补发电将会有
很好的发展前景。
4 结论
目前太阳能发电的基本技术已经比较成熟, 太
阳能发电产业也已初步形成。但太阳能的利用效率
还很低,在一些关键技术的实现上代价也太高,致使
太阳能发电的投入高而收益低,无法大规模产业化
发展。太阳能发电容易受天气影响也是其需要解决
的主要问题之一。
本文通过对问题的分析, Zui终设计出了一种联
合系统, 该系统提高了利用效率,改善了系统的稳
定性,具有可行性。这种将太阳能发电技术相互结
合以及与其他技术的互补利用将是未来太阳能发
电的发展方向。