太陽是地球永恒的能源。太陽的總輻射功率約為3.8×1026W，地球每年從太陽獲取的能量約為6×1017kW·h。在中國960萬km2的土地上，年平均獲得的太陽能約為1 億億kW·h，相當(dāng)于1.2 萬億t標(biāo)準煤所具有的能量。因此，可以說太陽能是一種衰竭的能源，同時也是一種無污染、zui清潔的能源。在石油、煤及天然氣等化石能源日益枯竭的今天，充分開發(fā)和利用太陽能具有可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保的雙重意義。

利用太陽能的方式很多，主要有太陽能發(fā)電、太陽能熱利用、太陽能動力利用、太陽能光化利用、太陽能生物利用及太陽能光－ 光利用等。其中，"太陽能發(fā)電"在新能源發(fā)電技術(shù)中占有重要地位。

利用太陽的光能或熱能來生產(chǎn)電能者均稱為太陽能發(fā)電。利用太陽的光能直接生產(chǎn)電能的太陽能光電池是目前應(yīng)用的太陽能發(fā)電，也稱為太陽能光伏電池發(fā)電。

1、太陽能光伏電池發(fā)電技術(shù)

1.1太陽能光伏電池

太陽能光伏電池發(fā)電也簡稱為太陽能光伏發(fā)電，被認為是未來世界上發(fā)展zui快和zui有前途的一種可再生新能源技術(shù)。太陽能光伏電池的基本原理是利用半導(dǎo)體的"光生伏打效應(yīng)"(光伏效應(yīng)) 將太陽的光能直接轉(zhuǎn)換成電能。能利用光伏效應(yīng)產(chǎn)生電能的物質(zhì)，稱為光伏材料。利用光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的器件叫太陽能光伏電池或光伏電池。光伏電池是太陽能光伏發(fā)電的核心組件。

1839 年，法國物理學(xué)家貝克勒爾( Edmond Becqurel)發(fā)現(xiàn): 將兩片金屬浸入電解液中所構(gòu)成的伏打電池，當(dāng)接收到太陽光照射時電壓升高，他在所發(fā)表的論文中把這種現(xiàn)象稱為"光生伏打效應(yīng)( PhotovohaicEffect) "。"光生伏打效應(yīng)"是不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬混合材料在光照作用下，其內(nèi)部可以傳導(dǎo)電流的載流子分布狀態(tài)和濃度發(fā)生變化，因而在不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。1941 年，奧爾在硅材料上發(fā)現(xiàn)了光伏效應(yīng)，從而奠定了半導(dǎo)體硅在太陽能光伏發(fā)電中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。1954 年，美國貝爾實驗室的科學(xué)家恰賓( Darryl Chapin) 和皮爾松( Gerald Pearson) 研制成功世界上*個實用的單晶硅光伏電池。同年，韋克爾發(fā)現(xiàn)砷化鎵具有光伏效應(yīng)，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成世界上*塊薄膜光伏電池。我國2010 年12 月投入運行的大豐20 MW 光伏電站，是目前全國zui大的薄膜光伏電站，年發(fā)電量2 300 萬kW·h。

太陽能光伏電池的工作原理如圖1 所示。

圖1 太陽能電池的工作原理

在半導(dǎo)體中摻加雜質(zhì)制成PN結(jié)，以形成在平衡狀態(tài)時具有的內(nèi)建電場，在該內(nèi)建電場的作用下分離由外界激發(fā)而生成的過剩載流子，從而形成外部電壓。在光照條件下，半導(dǎo)體中的電子吸收光子能量從價帶躍入導(dǎo)帶，形成電子---空穴對，成為載流子。生成載流子所需要的zui低能量是半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，使用禁帶寬度較小的材料制作的太陽能電池可以形成較大的電流。

基于單晶硅的*代光伏電池是目前太陽能光伏電池市場的主流，其光電轉(zhuǎn)換率已達24.7%; 基于薄膜技術(shù)的第二代光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率已達到16.5%～18.8%。由于薄膜光伏電池大大減少了半導(dǎo)體材料的消耗，因此具有很好的發(fā)展前景。應(yīng)該指出，光伏電池在光電轉(zhuǎn)換過程中，光伏材料既不發(fā)生任何化學(xué)變化，也不產(chǎn)生任何機械磨損，因此太陽能光伏電

池是一種無噪音、無氣味、無污染的理想清潔能源。

2006年，我國太陽能電池生產(chǎn)總量達到400MW，從而超過美國成為第三大生產(chǎn)國，也是世界上發(fā)展zui快的國家。

1.2 太陽能光伏電站

太陽能光伏電站是將若干個光伏轉(zhuǎn)換器件即光伏電池封裝成光伏電池組件，再根據(jù)需要將若干個組件組合成一定功率的光伏陣列，并與儲能、測量、控制裝置相配套，構(gòu)成太陽能光伏電站。

太陽能光伏電池具有很大的靈活性，不僅可以用其建設(shè)零星規(guī)格的電站，而且可以組成應(yīng)用于小型、分散電力用戶的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。這種獨立運行的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)稱之為離網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。

由于受晝夜日照變化及天氣的影響，離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)通常需要和其他電源形式聯(lián)合使用，比如柴油發(fā)電機組以及蓄電池組，從而增大了電站的投資和維護費用。離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)往往建在距離電網(wǎng)較遠的偏遠山區(qū)及荒漠地帶，向獨立的區(qū)域用戶供電。

西藏措勒20kW 光伏電站是我國建設(shè)較早的離網(wǎng)型光伏電站，總投資290萬元，1994年12月正式投產(chǎn)發(fā)電。

離網(wǎng)型太陽能光伏電站系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 離網(wǎng)型太陽能電站系統(tǒng)框圖

電站的發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光伏電池方陣、蓄電池組、直流控制器、直流－ 交流逆變器、交流配電柜和備用電源系統(tǒng)( 包括柴油發(fā)電機組和整流充電柜) 等組成。其工作原理為太陽能光伏電池方陣經(jīng)過直流控制柜向蓄電池組供電，并根據(jù)需要整定蓄電池組的上限和下限電壓，由直流控制柜自動控制充電。蓄電池組通過直流控制柜向直流－ 交流逆變器供電，經(jīng)逆變器將直流電變換成三相交流電，再通過交流配電柜以三相四線制向用戶供電。當(dāng)蓄電池組的電壓下降到下限電壓時，為不造成蓄電池組的過渡放電，直流控制柜將自動切除其輸出電路，使直流－ 交流逆變器停止工作。柴油發(fā)電機組為電站的備用電源，必要時由備用電源通過整流充電柜向蓄電池組充電，或在光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障及停運時直接通過交流配電柜向用戶供電。

直流－ 交流逆變器和柴油發(fā)電機組不能同時向用戶供電，為此必須在交流配電柜中設(shè)置互鎖裝置以保證供電電源的*性。

當(dāng)太陽能光伏電站的容量達到一定規(guī)模時，還可與電網(wǎng)相聯(lián)，即所謂的并網(wǎng)型光伏電站。這時，如果本地負荷不足，則可將多余的電能輸送給電網(wǎng)。當(dāng)本地太陽能發(fā)電量不足時，則由電網(wǎng)向用戶提供電能。因此，并網(wǎng)型光伏電站可以不需要使用蓄能裝置，減少系統(tǒng)投資和維護費用。同時由于與電網(wǎng)的互濟，提高了發(fā)電設(shè)備的利用率和供電用電的安全可靠性，是大規(guī)模開發(fā)太陽能發(fā)電技術(shù)的必然趨勢。

我國*座并網(wǎng)型光伏電站是2006年建成投運的西藏羊八井可再生能源基地100kW 高壓并網(wǎng)光伏電站。2010年底全國*光伏并網(wǎng)發(fā)電項目敦煌2×10MW 光伏發(fā)電項目建成投產(chǎn)。

2、太陽能熱發(fā)電技術(shù)

太陽能熱發(fā)電技術(shù)是指將太陽輻射熱能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電技術(shù)。它包括兩大類型: 一類是利用太陽熱能直接發(fā)電，如半導(dǎo)體或金屬材料的溫差發(fā)電，真空器件中的熱電子和熱離子發(fā)電，以及堿金屬熱點轉(zhuǎn)換和磁流體發(fā)電等。這類發(fā)電的重要特點是發(fā)電裝置本身沒有活動部件，但目前此類發(fā)電量比較小，不少方法還處于原理性實驗研究階段。另一類是將太陽熱能通過熱機帶動發(fā)電機發(fā)電，其基本組成與常規(guī)發(fā)電設(shè)備相類似，只不過其熱能是來自于太陽能。

2.1太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

典型的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理圖

與常規(guī)的熱發(fā)電廠相比，zui大的不同是利用一種所謂的太陽鍋爐取代常規(guī)的燃料鍋爐，即利用太陽集熱器將來自太陽內(nèi)部高溫核聚變的輻射能---太陽能收集起來，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動熱動力裝置，帶動發(fā)電機發(fā)電，從而將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。

太陽能為自然能，輻射到地球表面的能量密度較低，且晝夜相間，四季有變，一天之中也因氣象變化而變化。為了使太陽能熱電站穩(wěn)定運行，一般在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，都設(shè)置有蓄熱子系統(tǒng)或輔助能源子系統(tǒng)，如圖3中的蓄熱器及鍋爐。在晴好的白天及夏季，太陽能不但可以供給機組滿載運行，而且還有多余的能量被儲存到蓄熱器中，留待晚間或陰雨時間與輔助能源系統(tǒng)共同供給機組運行，維持太陽能熱電站的正常供電。

2.2聚光式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

聚光式太陽能熱電站中的太陽鍋爐實際上是一個聚光集熱子系統(tǒng)，是收集太陽能的主要設(shè)備，它包括聚光器、接收器和跟蹤裝置。

聚光器用于收集太陽能，并將其聚集到一個有限平面上，以提高單位面積上的太陽輻照度，從而提高被加熱工質(zhì)的工作溫度。聚光方法有多種，但在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中zui常用的聚光方式有兩種，即平面反射鏡和曲面反射鏡。

平面反射鏡聚光方式代表性的是采用多面平面反射鏡，將太陽光聚集到一個高塔的頂處，其聚光比通?？蛇_100～1000，可將接收器內(nèi)的工質(zhì)加熱到500～2000℃，構(gòu)成高溫塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，如圖4所示。美國太陽Ⅰ號電站是目前世界上較為典型的塔式太陽能熱發(fā)電站，其額定容量為10MW。2005年10月，我國在南京江寧太陽能試驗場成功建成投運*座70kW 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。

圖4 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理圖

曲面反射鏡有一維拋物面反射鏡、二維拋物面反射鏡和混合平面---拋物面反射鏡。一維拋物面反射鏡也叫槽型拋物面反射鏡，其整個反射鏡是一個拋物面槽，太陽光經(jīng)拋物面槽反射聚集在一條焦線上，其聚光比為10～30，集熱溫度可達400℃，構(gòu)成中溫槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)。20世紀80年代，LUZ公司在美國加州沙漠地區(qū)相繼建成9座槽式太陽能熱發(fā)電站，總裝機容量353.8MW。其上網(wǎng)電價為13～14 美分/( kW·h) ，已具有與常規(guī)能源熱力發(fā)電廠相競爭的潛能。

二維拋物面反射鏡也叫盤式拋物面反射鏡，形狀上是由一條拋物線旋轉(zhuǎn)360°所掃描出來的拋物球面，故此也叫旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡。二維拋物面反射鏡的聚光比為50～1000，焦點溫度可達800～1000℃，構(gòu)成高溫盤式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)分析表明，盤式太陽能熱發(fā)電站與太陽能光伏發(fā)電站相比，其單位發(fā)電功率的裝置重量更輕，空間利用更好。特別是為解決邊遠荒漠地區(qū)的供電問題更具優(yōu)勢。盤式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)通常是以單個旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡為基礎(chǔ)，構(gòu)成一個完整的聚光、集熱和發(fā)電單元。由于單個旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡不可能做得太大，因此，這種太陽能熱發(fā)電站的單個功率都比較小，一般為5～50 kW，它可以分散地單獨發(fā)電，也可以由多個電站組成一個較大的發(fā)電系統(tǒng)。

接收器是通過接收經(jīng)過聚焦的太陽光，將太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽鬟f給工質(zhì)的裝置。根據(jù)不同的聚光方式，接收器的結(jié)構(gòu)也會有較大的差別。接收器的關(guān)鍵技術(shù)是其接收陽光的表面必須涂選擇性吸收膜，用以提高對太陽輻射的吸收率α。吸收率α越大，接收器可能達到的集熱溫度就越高。

跟蹤裝置使光時刻都能通過反射鏡面反射到固定不動的接收器上。太陽聚光器的跟蹤方式有兩種，一種是反射鏡面繞1根軸轉(zhuǎn)動的單軸跟蹤; 另一種是反射鏡面繞2根軸轉(zhuǎn)動的雙軸跟蹤。槽型拋物面反射鏡都為單軸跟蹤，而盤式拋物面反射鏡和塔式聚光平面反射鏡都采用雙軸跟蹤。

對跟蹤器的控制方式，可以采用程序控制方式，即按計算得到的太陽運動規(guī)律來自動控制跟蹤機構(gòu)對太陽進行跟蹤; 也可以采用傳感器控制方式，即通過傳感器即時測出太陽光的入射方向，然后控制跟蹤機構(gòu)對太陽進行跟蹤。目前更多的是采用上述兩種控制方式的組合，即以程序控制為主，采用傳感器即時測量作反饋，不斷對程序控制所造成的累積誤差進行糾正，從而保證在任何光照條件下都能對太陽聚光器進行準確可靠的跟蹤控制。

2.3 非聚光式太陽能熱發(fā)電

上述塔式、槽式和盤式太陽能發(fā)電由于都采用了聚光，所以其集熱溫度較高，屬于中高溫太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。除此之外，還有非聚光方式的低溫太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，如太陽池發(fā)電和太陽能熱氣流發(fā)電。

太陽池發(fā)電是利用不同比重的水，比如一定濃度的鹽水，組成所謂的太陽池，利用池中上下不同比重的水的密度梯度不同，各層水對太陽光的能量吸收不同，使太陽池底部的水產(chǎn)生低溫?zé)?。太陽池一般都依托天然鹽湖或海邊建造，利用鹽水作為儲能介質(zhì)，但可達到的工作溫度較低，故其應(yīng)用受到一定限制。1925年，以色列建造了*1座太陽池發(fā)電站。

太陽能熱氣流發(fā)電是在以大地為吸熱材料的巨大蓬式地面太陽空氣集熱器的中央，建造1座高大豎直的煙囪，在煙囪的底部開一吸風(fēng)口，并安裝風(fēng)輪。地面空氣集熱器產(chǎn)生的熱空氣從吸風(fēng)口進入煙囪，形成熱氣流，從而驅(qū)動風(fēng)輪帶動發(fā)電機發(fā)電。1982年在西班牙投運了1座50kW 太陽能熱氣流實驗電站。

綜上所述，可見太陽能發(fā)電技術(shù)正在引起世界各國的關(guān)注，并以多元化的方式快速發(fā)展。我國"十二五"規(guī)劃太陽能發(fā)電裝機總?cè)萘繉⑦_到5GW。預(yù)計2050 年，世界太陽能發(fā)電將在總能耗中占有30%以上的份額。

3、太陽能發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)帶來的問題及對電網(wǎng)運行的影響

由于太陽能發(fā)電受晝夜相間及天氣變化、四季更替等諸多自然因素的限制，其發(fā)電功率、輸出電能常常是不穩(wěn)定的。如果有大量的太陽能發(fā)電系統(tǒng)接入常規(guī)的電網(wǎng)會給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來一系列不利影響。

3.1 對電能質(zhì)量及電網(wǎng)運行特性的影響

大量的太陽能發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的終端，會產(chǎn)生反向的潮流，即太陽能電流通過饋線阻抗所產(chǎn)生的壓降會使負荷側(cè)電壓高于變電站側(cè)，以致于負荷側(cè)電壓越限。同時，由于太陽能發(fā)電輸出電流隨光照變化而變化也會引起電壓的波動，由此可能引起無功調(diào)節(jié)裝置的頻繁動作，從而波及電網(wǎng)的電壓形態(tài)、短路電流、網(wǎng)損、有功和無功潮流、諧波、暫態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定以及頻率控制等一系列運行特性。

3.2 對配電網(wǎng)規(guī)劃及調(diào)度自動化的影響

太陽能發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)向電網(wǎng)反送功率，改變電網(wǎng)的潮流分布，使配電網(wǎng)可調(diào)度的發(fā)電容量發(fā)生變化。由于太陽能發(fā)電系統(tǒng)本身一般不具備調(diào)度自動化功能，不能有效參與電網(wǎng)頻率及電壓的調(diào)整，因此相對減小了配電網(wǎng)可調(diào)度的發(fā)電容量，從而對現(xiàn)有配電網(wǎng)的規(guī)劃和調(diào)度運行方式產(chǎn)生影響。

3.3對繼電保護的影響

目前，變電站繼電保護主要是基于斷路器的三段式電流保護，主饋線裝設(shè)自動重合閘，支線裝設(shè)熔斷器。大量的太陽能發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)會使電網(wǎng)從傳統(tǒng)的單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)變成雙端網(wǎng)絡(luò)，從而改變了故障電流的大小、方向及持續(xù)時間，影響繼電保護的正常工作，可能使保護誤動、拒動、自動重合閘失效等，降低供電的可靠性。