太阳能光伏发电系统的原理及其发展1

摘沈国良赵旭升　（南京化工职业技术学院　江苏南京　２１　００４８）　要：太阳能光佚发电是一种零排放的清洁能源，也是一种能ｌ够规模应用的现实能源，可用来进行独立发电和并网发电。以其转换效　率高　无污染　不受地域限制、维护方便．使用寿命长等诸多优点，广泛应用于航天　通讯　军事．交通，城市建设．民用　设施等诸多领域１－Ｉ。本文对光佚发电系统的结构特点及其原理进行了详细的阐述。并针对独立光佚发电系统严重依赖于蓄电池的缺点，　阐述了太阳能制氢储能一燃料电池混合发电系统的结构及其原理，并对其在我国的应用前景进行了展望。　关键词：光佚发电系统　原理及组成　中图分类号：Ｉ＇Ｍ６Ｉ　５　文献标识码：Ａ　文章编号：Ｉ　６７４—０９８ｘ（２００８）０１（ａ）－－０００７—０２　１光伏发电系统的原理及组成　太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半　导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转　换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和　并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系　统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电　网的边远地区和人口分散地区，整个系统造价　很高，在有公共电网的地区，光伏发电系统与　电网连接并网运行，省去蓄电池，不仅可以大　幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更　好的环保性能。　我国的太阳能资源比较丰富，且分布范围　较广，太阳能光伏发电的发展潜力巨大。截止　２００４年，太阳能光伏发电的应用领域遍及我们　生活的各个方面，如交通、通讯，公共设施（如　照明），家庭生活用电等。尤其是在边远地区，　太阳能光伏发电更加显示它的优势。我国目　前尚有约３００００个村庄，７００万户，３０００万农村　人员还没有用上电，６０％的有电县严重缺电，　太阳能光伏发电市场潜力巨大　】。　光伏发电系统分为独立光伏发电系统和　并网光伏发电系统。为边远地区供电的系统，　太阳能户用电源系统、通讯信号电源、阴极保　护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独　立运行的光伏发电站是独立光伏系统。图１为　独立光伏发电系统的结构示意图，光伏发电　系统由太阳能电池，阻塞二极管、调节控制器　和蓄电池组成＿３＿　。　输出功率，平时将太阳能电池方阵有光时发的　电能储存起来，供晚上或雨天无光照时应用，　所以太阳能光伏发电系统要装备储能蓄电池。　太阳能光伏发电系统中的储能蓄电池，有几个　作用：一是储能；二是确定太阳能光伏发电方　阵的工作点和起到一定钳位和稳定作用，不管　方阵电压随光照如何变动，输出电压一定被钳　位在蓄电池电压上。国外也有专为太阳能光　伏发电储蓄所用的蓄电池，称为“太阳能蓄电　池”。具有耐低倍率充放电性能好，耐气候性　好，价格低，寿命长，可靠性高等优点。　１．４调节控制器　控制器的主要功能是防止方阵对蔷电池　过充电或防止蓄电池对负载过放电。对铅酸　蓄电池来说充电到单体电池平均电压２．３８～　２．４２Ｖ时起控停充或涓流充电，蓄电池放电　时，根据不同的放电率放电到单体电池平均电　压Ｕ＝１．８～２．ＯＶ控制停止放电，以保护蓄电　池，而太阳能光伏发电系统，电力是并入电网　使用，必须设置控制调节转换装置，并起到如　下的作用：（１）当蓄电池过充或过放时，可以报　警或自动切断电路，保护蓄电池。（２）接需要设　置高精度的恒压或恒流装置。（３）当蓄电池有故　障时，可以自动切换接通备用蓄电池，以保证　负载正常用电。（４）当负载发生短路时，可以自　动断开。（５）与交流电网同步以保证并网的可靠　性。　并网光伏发电系统是与电网相连，并向电　网馈送电能的光伏发电系统。利用蓄电池和　太阳能电池构成独立的供电系统来向负载提　供电能，当太阳能电池输出电能不能满足负载　要求时，由蓄电池来进行补充，而当其输出的　功率超出负载需求时，将电能储存在蓄电池　中；将太阳能电池控制系统和电网并联，当太　阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由电　网来进行补充；而当其输出的功率超出负载需　求时，将电能输送到电网中。图２是一个太阳　能光伏并网发电系统示意图，该系统由太阳　能、光伏阵列、双向直流变换器、蓄电池或超　级电容和并网逆变器构成。光伏阵列除保证　负载的正常供电外，将多余电能通过双向直流　变换器储存到蓄电池或超级电容中；当日光不　足时，光伏阵列不足以提供负载所需的电能，　双向直流变换器反向工作向负载提供电能。　双向直流变换器作为蓄电池的充放电管理器，　它的电气性能直接影响到发电系统蓄电池的　效率和使用寿命…。　，　２太阳能光伏制氢储能—燃料电池混合发　电系统ｆ　］　我国现有的太阳能光伏发电系统基本上　是独立方式运行，系统供电受季节与气象条件　的影响是其固有的弊端。目前，通过蓄电池　储能来调整光伏发电系统的发电与供电之间　的时问差，是减少自然条件影响的主要手段。　根据独立运行的光伏发电系统设计原则，用户　对供电质量、供电保证率提出的要求愈高，　系统对蓄电池的需要量也愈大。长期以来，　对蓄电池的依赖性是影响独立运行的光伏发　电系统大量推广应用的重要原因。鉴于我国　边远山区多，海岛多的特点，独立运行的光　伏发电系统仍然有着广大的市场。因此，研　制高密度、低成本　长寿命、无污染的储　能系统，减少发电系统对自然条件的依赖性，　提高光伏发电系统供电的稳定性，是深入普及　光伏发电技术，进一步开拓市场的重大课题。　近年来，氢能领域中制氢技术的进展和质子交　换膜燃料电池技术的突破，为独立运行的光伏　发电系统改变依赖蓄电池的储能方式，寻求新　的系统运行模式，提供了可能性。图３给出了　种“太阳能光伏制氢储能一燃料电池发电　系统”，它的运行方式是：在光伏发电系统中，　以制氢储能方式替代传统的蓄电池储能环节　图１　太阳能光伏发电系统结构示意图　１．１太阳能电池方阵　由单体太阳能电池封装成满足一定电压　和功率的小组合，根据需要可由小组合构成太　阳能电池光伏发电系统方阵，太阳能电池方阵　工作电压一般为负载工作电压的１．４倍。　１　２阻塞二极管　阻塞二极管的作用是避免太阳能方阵不　发电或出现短路故障时，蓄电池通过太阳能电　池放电。它串联在太阳能电池方阵电路中，起　单向导通的作用。　１．３储能蓄电池组　太阳能电池方阵只有在光照射工作，有功　率输出，到晚上或阴雨天由于没有光线而不能　当Ｅｌ照情况良好时，通过电解水制氢将多余的　电能储存起来；在阳光条件下不能使光伏发电　系统正常工作时，将储存的氢通过燃料电池转　换为电能，继续向负载送电，从而保证了系统　供电的连续性。“太阳能光伏制氢储能一燃料　电池发电系统”具有储能密度高、使用寿命　长、运行成本低、没有污染，可最大限度的发　挥光伏系统的发电能力的优点。“太阳能光伏　制氢储能燃料电池发电系统”由两种运行方　式：当日照充足时，光伏阵列将以满功率发电。　由丁白天用电负荷轻，甚至无负荷，此时，光电　图３太阳能光伏制氢储能一燃料电池发电系统　图２太阳能光伏并网发电系统　（下转９页）　科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ　７　维普资讯 http://www.cqvip.com

！　Ｑ：　！　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ＴｅｃｈｎＯＩＯｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｃ　高新枝术　成为原子团，只有当原子团达到一定数量形成　“核”后，才能不断吸收新加入的原子而稳　定地长大形成“岛”；　（２）随着外来原子的增加，岛不断长大，进　步发生岛的接合；　（３）很多岛接合起来形成通道网络结构；　（４）后续的原子将填补网络通道间的空洞，　成为连续薄膜。　’　在薄膜的生长过程中，基片的温度对沉积　Ｎ－Ｔ－在基片上的附着以及在其上移动等都有很　大影响，是决定薄膜结构的重要条件。一般　来说，基片温度越高，则吸附原子的动能也越　大，跨越表面势垒的几率增多，则需要形成核的　临界尺寸增大，越易ＢＩ起薄膜内部的凝聚，每个　小岛的形状就越接近球形，容易结晶化，高温沉　积的薄膜易形成粗大的岛状组织。而在低温　时，形成核的数目增加，这将有利于形成晶粒小　而连续的薄膜组织，而且还增强了薄膜的附着　力，所以寻求实现薄膜的低温成型一直是研究　的方向。　ＣＶＤ法由于生长温度低、反应条件易于　控制、成膜均匀等优点成为目前制备结晶态　Ｓｉ　Ｃ薄膜材料及器件的主要方法，通常采用含　Ｓｉ和Ｃ的气体作为反应源，Ｈ２或Ａｒ作为稀释　和输送气体，衬底用射频感应电炉加热，通常选　单晶硅片作为衬底，因为它成本低、纯度　高、生长重复性好。但是ＳｉＣ与Ｓｉ晶格失配　与热膨胀失配比较大，分别为２０％和８％左右，　因此在ＳｉＣ／Ｓｉ界面上会出现高密度的失配　位错和堆垛位错等，这些缺陷会引起杂质的重　新分配，杂质散射的增大，降低载流子迁移率。　近年来，为了获得高质量的ＳｉＣ膜，人们一方面　努力改进以ｓｉ为衬底的外延生长技术，另一方　面也发展了ＳｉＣ取代Ｓｉ作为衬底的外延生长技　ｔｕｓ　Ｏｆ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｃａｒｂｉｄｅ　ａｓ　ａ　ｗｉｄｅ－ｂａｎｄ　象已在３Ｃ－ＳｉＣ（１０　０）籽晶上生长出６Ｈ－ＳｉＣ　ｇａｐ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ－－ｔｅｍｐｅｒａ－　（Ｏ１　１４）单晶，同时还对４Ｈ－ＳｉＣ的变型生长进　行了研究。研究发现，在生长初期掺入某种　ｔｕｒｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ：ａ　ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ　１．Ｓｏｌｉｄ　杂质有利于４Ｈ—Ｓｉｅ单晶生长，当生长温度高　Ｓｔａｔｅ　Ｅ１ｅｃｔｒｏｎ，１９９６，３９（１０）：１４０９一一　１　４２２．　于通常６Ｈ－ＳｉＣ生长所需要的温度时，在６Ｈ—　ＳｉＣ（０００１）面上容易生长４Ｈ　ＳｉＣ单晶。　［２】张进城，郝跃，赵天绪，等，ＳｉＣ新型半导体　器件及其应用［Ｊ】，西安电子科技大学学报　（自然科学版），２００２，２９（２）；１５７—１６２．　４　ＳｉＣ半导体材料的应用　ＳｉＣ优越的半导体特性将为众多的器件所　［３】李晋闽，Ｓ　ｉ　Ｃ材料及器件研制的进展【Ｊ］，　采用。ｓｉ　ｃ作为高温结构材料已经广泛应用　物理，２０００，２９（８）：４８１－４８７．　于航空、航天、汽车、机械、石化等工业　Ｉ４】Ｙｕ　Ｍ　Ｂ，Ｍａ　Ｊ　Ｐ，Ｌｕｏ　Ｊ　Ｊ，Ｃｈｅｎ　Ｚ　Ｍ，　Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ＳｉＣ　Ｆｉｌｍｓ　Ｇｒｏｖｃｗｌ　Ｓｉ　ｂｙ　领域。利用其高热导、高绝缘性目前在电子　ＨＦＣＶＤ　Ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉ．－　工业中用作大规模集成电路的基片和封装材　料。在冶金工业中作为高温热交换材料和脱　ｎｅｓｃｅｎｃｅ【Ｊ】．Ｃｈｉｎｅｓｅ　ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　氧剂，同时作为一种理想的高温半导体材料。　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，２００２，２１（７）：６７３－６７６．　随着ＳｉＣ半导体技术的进一步发展，ＳｉＣ器件　［５】Ｗｕ　Ｘ　Ｌ，Ｓｕｉ　Ｇ　Ｇ，Ｓｔｏｋｅｓ　Ｍ　Ｊ，Ｆａｎ　的应用领域越来越广阔　Ｉ，如表２所示。　ｓｉ　ｃ材料以其宽禁带，高击穿临界电场、　饱和速度和热导率，ｌ／Ｊ、的介电常数和较高的电　Ｄ　Ｌ．Ｇｕ　Ｙ　ａｎｄ　Ｂａｏ　Ｘ　Ｍ，Ｂｌｕｅ－　ｅｍｉｔｔｉｎｇ？－ＳＩＣ　Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｂｙ　Ａｎｎｅａｌ，　ｉｎｇ　Ｃ６０　Ｃｏｕｐｌｅｄ　ｏｎ　Ｐｏｒｏｕｓ　Ｓｉ．Ａｐｐ１．　Ｐｈｙｓ　Ｌｅｔｔ．，２０００，７７，１２９２－１２９４．　子迁移率，以及抗辐射能力强，结实耐磨等特性　成为制作高频、大功率、耐高温、和抗辐　［６】Ｔａｎ　Ｃ，Ｗｕ　Ｘ　Ｌ，Ｄｅｎｇ　Ｓ　Ｓ，Ｈｕａｎｇ　Ｇ　Ｓ，Ｌｉｕ　Ｘ　Ｎ　ａｎｄ　Ｂａｏ　Ｘ　Ｍ，Ｂｌｕｅ　ｅｍｉｓ－　射器件的理想材料。在器件研制方面，ＳｉＣ蓝　ｓｉｏｎ　ｆｒｏｍ　ｓｉｌｉｃｏｎ－ｂａｓｅｄ－ＳｉＣ　ｆｉｌｍｓ．Ｐｈｙｓ　光ＬＥＤ已经商业化，高温高压二极管已经逐渐　Ｌｅｔｔ．Ａ．２００３．３１０，２３６—２４０．　走向成熟。在高温半导体器件方面，利用ＳｉＣ　材料制作的ＳｉＣＪＦＥＴ和ＳｉＣ器件可以在无任　【７】Ｃｏｏｐｅｒ　Ｊ　Ａ，Ａｇａｒｗａ１　Ａ　Ｋ，Ｈａｒａ　Ｋ，ｅｔ　何领却散热系统下的６００℃高温下正常工作，　ａ１．Ｆｏｒｅｗｏｒｄ［Ｊ】．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ，１９９９，４６（３）：４４２－４４５．　在航空航天、高温辐射环境、石油勘探等方　面发挥重要作用ｆ９ｌ。　［８】Ｒｙｕ　Ｓ，Ｋｏｍｅｇａｙ　Ｋ　Ｔ，Ｃｏｏｐｅｒ　Ｊ　Ａ　Ｊｒ　ｅｔ　ａ１．Ｄｉｇｉｔａｌ　ＣＭＯＳ　Ｉｃｓ　ｉｎ　６Ｈ．ＳｉＣ　５结语　Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｏｎ　ａ　５Ｖ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ［Ｊ］．　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ，１９９８，　目前Ｓｉ　Ｃ研究领域已经取得了很大的成　４５（１）：４５－５３．　绩，国际上掀起了对ＳｉＣ材料和器件研究的热　潮。但是仍旧存在一些技术上的难题有待于　［９】功能材料与器件学报［Ｊ】，２００３，９（３）：２９１—　２９４．　解决。其中改善晶体质量，降低成本，减少缺　术。　陷密度，获得大面积的晶片成为人们竞相研究　ＬＰＥ是一种比较早且比较成熟的生长ＳｉＣ　的热点。随着Ｓｉ　Ｃ器件加工和封装技术的不　薄膜的技术。因为ＳｉＣ不熔融于ｓｉ体中，故可　断发展，在不远的将来，ＳｉＣ器件和电路一定会　用ＬＰＥ工艺生长ＳｉＣ，这一工艺的生长温度较　大量的投放市场，满足国防和经济建设中众多　低，且生长状态几乎维持在平衡态。　领域在极端条件下对器件的要求。　以往的研究发现，在一定条件下，不同晶型　的ＳｉＣ之间可以转换。例如，在大于１６００Ｅ温　参考文献　度下燃烧，３Ｃ—ＳｉＣ可变为６Ｈ－ＳｉＣ；利用此现　［１】ＣＡＳＡＤＹ　Ｊ　Ｂ，ＪＯＨＮＳＯＮ　Ｒ　Ｗ．Ｓｔａ　（上接７页）　池发出的电能将全部或部分的通过功率分配　器流向制氢单元。制出的氢气储存于储氢单　元，待夜晚或无日照时，燃料电池利用存储的　氢气发电，供负荷使用；当日照不足时，光伏阵　列发出的电能不能满足负载需要，此时，起动　燃料电池发电装置与光伏电池方阵同时向负　载供电。此外，在紧急情况下，当光伏电池方　阵发生故障不能发电时，用户还可通过购买氢　气供燃料电池发电，以保证用电负载的急需。　随着我国经济的发展，特别是西部大开发　战略的实施，市场对光伏发电设备的需求必将　有较大幅度的增加。独立运行的光伏发电系　统非常适合边远地区和分散用户的需要。“太　阳能光伏制氢储能～燃料电池发电系统”不　仅省去了蓄电池，而且，燃料电池在发电的同　时还产生纯净水。因此，该系统特别适合我国　广大西北缺水的干旱地区及沿海缺乏淡水的　海岛。由于该系统避开了维护麻烦、笨重且有　污染的蓄电池，通过部件的合理集成，可开发　成移动电源、军用特种电源等　因此，可进　步扩大太阳能光伏发电的应用范围。此　外，以制氢储能技术，因地制宜改造国内已有　的独立运行光伏发电系统，不仅可节省大量的　蓄电池更新费，而且可减少蓄电池带来的污　染。随着电解水制氢效率的提高和金属储氢　材料及质子交换膜燃料电池成本的降低，该系　统的经济与社会效益将日益显著。太阳能发　电制氢技术的实用化，必将对太阳能光伏发电　的推广应用产生深远影响。　参考文献　［１】Ｓｃｈｅｉｂｌｅ．Ｇ，Ｓｏｌｍｅｃｋｅ．Ｈ，Ｈａｃｋｓｔｅｉｎ，　Ｄ，Ｌｏｗ　ｃｏｓｔ　ｓｏｆｔ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ＤＣ－ＤＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ａｕｔｏｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｆｏｒ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｓｙｓｔｅｍｉＣ］，ｉｎ　Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ　ＩＥＣＯＮ，ｌ９９７．：７８０－７８５．　【２】石定寰，中国新能源和可再生能源发展纲要　（１９９６—２０１０）［Ｊ】．太阳能，１９９５（３）：２＝４．　【３】周丽梅，薛钰芝等，小型太阳能光伏发电系　统的实现【Ｊ】．大连铁道学院学报，２Ｏｏ６（　）：　９４～９６．　３结语　４】张书元，赵秀田，太阳能光伏发电系统及其　随着当今世界能源危机的加剧，能源结构　【正在发生巨大的变革，使太阳能光伏发电等可　电池，ＵＰＳ应用．　５】Ｂｕｌ１．Ｓ．Ｒ，Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｔｏｄａｙ　再生能源发电技术得到了大力的发展。由于　【ａｎｄ　ｔｏｍｏｒｒｏｗ［Ｊ】．ｉｎ　Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ．２００ｌ，　太阳能光伏发电系统其独特的结构特点及我　国自身的地理特点　太阳能光伏发电系统、太　阳能光伏制氢储能一燃料电池发电系统在我　国具有广泛的应用前景。　８９（８）：ｌ２ｌ６一ｌ２２６．　科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ