太阳能发电技术在我国的现状与应用前景

太阳能发电技术在我国的现状
与前景
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（河北工业大学电气工程学院，天津，300000）
摘要：太阳能发电作为新能源的一种正因其特殊的优势所在而被国际和国内相
关电力研究组织所钟爱，也正因为如此太阳能发电技术在全球范围内得到越来越广泛的利用，独立供电和并网发电是太阳能发电的两个应用领域，因此太阳能发电必将未来能源结构中占据越来越重要的地位。

本文就将从太阳能发电的原理，产生及传输利用等多个方面阐述太阳能发电，并讨论太阳能发电技术在我国的技术现状与应用前景。

关键字：太阳能发电，技术现状，前景
0.引言
世界能源结构正在发生着深刻的变化，随着石油，煤炭等不可再生能源的逐渐枯竭，全球范围内开始了一场寻找新能源的竞赛。

太阳能，核能，潮汐等新能源正受到越来越多人的关注。

作为新能源的一种，太阳能发电凭借永不枯竭，环保清洁以及不受地域分配影响而广受关注，并已经得到了较为广泛的应用。

照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费。

随着太阳能技术的发展及对太阳能认识水平的提高，太阳能发电已经不仅仅只作为偏远无电地区的能源供应，而正在向取代常规能源的方向发展。

在国际上，太阳能发电已经向并网发电领域开始发展。

很多国家出现并形成了太阳能光伏产业，并且出现了强劲的增长势头。

目前我国在太阳能发电领域发展迅速，但相比于国外仍有较大的差距，在我国，太阳能发电仍多限于独立发电，而在国外已经开始出现了并网发电，现在我国已经成为世界最大的光伏电池生产国，但绝大部分出口到了欧美，而我国现在所生产的绝大部分电力来自于非可再生能源，其中70%来自火电，这给我国未来能源的发展带来了巨大的隐忧，同时也带来了巨大的环境污染。

新能源的发展显得尤为迫切。

本文主要讨论了目前太阳能发电领域的最新发展，包括太阳能发电原理，太阳能光伏发电系统，交直流的转换以及太阳能发电未来的发展趋势，以太阳能的发展为例讲述了电气工程专业的现状以及未来和在太阳能发电领域电气工程学知识包括电力电子技术在内的新知识的发展前景。

1.太阳能发电的原理
1.1太阳能光发电
太阳能光发电是将太阳能直接转变成电能的一种发电方式。

它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电四种形式，在光化学发电中有电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池。

目前我国在太阳能电池领域发展迅速，在2006
年，我国已有三家光伏电池生产企业进入全球前十，这也意味着在该领域的研究，我国已经跻身世界前列。

太阳能光伏发电技术由于其具有大小随意，可独立发电，建设时间短，维护简单等优点在太阳能发电中发展迅速，已经成为了未来太阳能发展的重要方向之一。

我国第一座光伏示范电站于2006年在西藏羊八井建成，目前处于试运行阶段。

1.2太阳能热发电
太阳能热发电是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能，它有两种转化方式。

一种是将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的温差发电，真空器件中的热电子和热电离子发电，碱金属热电转换，以及磁流体发电等。

另一种方式是将太阳热能通过热机（如汽轮机）带动发电机发电，与常规热力发电方式类似，不过是其热能不是来自燃料，而是来自太阳能。

2005年我国首次在江苏江宁建成了首座70kw太阳能热发电示范系统，成功揭开了太阳能热发电技术崭新的一页，为未来进一步实现大规模太阳能的推广利用打下了良好基础。

2.太阳能发电系统
2.1独立发电系统
独立发电系统又叫离网发电系统，由于太阳能电池只能在白天光照条件下输出能量，根据负载需要，系统一般选用铅蓄酸电池作为储能环节来提供夜间所需电力。

主要包括太阳能电池组件，控制器，蓄电池和负载，一般情况下为交流负载供电时需配置交流逆变器。

目前我国的太阳能发电主要以独立发电系统为主，而且大部分分布于偏远的新疆，甘肃地区。

独立发电系统造价相对昂贵，且维护复杂，不适合大范围推广。

2.2并网发电系统
太阳能并网发电系统的含义是将太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转化成符合适合城市电网要求的交流电后接入公共电网，成为公共电网的一部分。

并网发电系统分为集中式大型并网电站和分散式小型并网发电系统。

集中式大型并网电站一般为国家级电站，主要特点是将由太阳能发电产生的电能直接输送到电网，由电网统一调配然后向用户供电，这种发电方式的缺点是电站建设投资大，建设周期长，占地面积大，在国际并不受重视。

分散式小型并网发电系统，尤其是光伏建筑一体化发电系统具有投资小，建设快，占地面积小等优点，故而受到各国的重视，美国，日本等发达国家竞相推出“屋顶计划”，加速分散式小型并网发电系统的发展。

我国目前在太阳能并网发电系统领域仍处于试验阶段，国家出台了相关扶植政策鼓励太阳能并网发电系统的发展，如山东力诺太阳能发电的并网成功就离不开国家政策与资金的支持。

3.太阳能光伏发电中交直流的转换
太阳能光伏发电中通过太阳能组件产生的直流电并不能直接用于使用，需通过转换为交流电使用，这时需要使用逆变器。

逆变器实现将直流电能转换交流电能的过程。

其特点是要求具有较高的效率，较高的可靠性和输入电压有较宽的使用范围。

逆变器是太阳能光伏发电中的重要一环，目前我国在小功率逆变器上已经处于国际领先水平，在大功率并网光伏逆变器上，技术水平也已接近国外先进
水平，部分指标甚至超过外国同类产品，并且已经实现了很好的运用。

逆变器按隔离方式逆变器可分为独立光伏系统逆变器和并网光伏系统逆变器。

3.1独立光伏系统逆变器
独立逆变器主要用于独立发电系统，用于边远地区的村庄供电系统，太阳能路灯等带有蓄电池的独立发电系统。

我国在2003年到2005年实施的“送电下乡”工程中，投资50忆，在西部地区建设了近千座独立光伏电站，不仅解决了西部偏远地区用电难题，而且很好的拉动了国内光伏产业的发展
3.2并网光伏系统逆变器
并网发电系统是指将太阳能发电系统与统一的电网相连接，并向电网输送电能的系统。

通过将光伏组件接受来的太阳能辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，再经过逆变器逆变后转换为向电网输出的与电网电压同频、同向的正弦交流电。

并网发电系统由于所产生的电能直接输入电网，不考虑负载供电的稳定性和供电质量等问题，发电效率较独立光伏系统高，同时由于电能直接输入电网，免去了蓄电池等的配置，减少了在蓄电池充放电中的能耗，同时免除了蓄电池的运行维护费用和所带来的污染等问题。

目前在德国，西班牙等国家广泛建设并网光伏发电系统，所产生的太阳能电力输送到公共电网，产生了良好的经济效益和环境效益。

大型太阳光伏并网电站的控制逆变技术是太阳能光伏并网发电领域的最核心技术之一。

必须对电网和太阳能电池的输出情况进行实时监测，对周围环境做出准确判断，完成相应动作，如对电网的投、切控制，系统的启动、运行、休眠、停止、故障等状态检测，以确保系统安全、可靠的工作。

目前德国ＳＭＡ公司已经研制成功了大型并网逆变器，而在这一领域的研究上，我国起步较晚，并网型太阳能发电设备还未形成规模生产。

跟踪式光伏发电系统能够保证太阳入射光线终与光伏电池阵列保持最佳的角度以接收最大的太阳光照幅射量，从而提高光电转化效率，降低光伏发电的成本。

单轴跟踪系统可以提高发电量２０％以上，而双轴跟踪系统则可以将发电量提高４０％之多。

在我国由于可靠性问题一直没有得到有效解决，目前尚未建成带有光伏阵列跟踪系统的并网光伏电站。

4.电力电子技术在太阳能发电中的运用
电力电子技术作为电气工程专业中一个热门的方向，它的发展在一定程度上的出现加快了智能电网的发展速度，也给太阳能发电带来新的活力。

采用电子电力技术优化电能，将太阳能通过电网输送，使电能利用实现高效低耗，已经包括我国在内的很多国家未来电力电子技术的发展方向。

应用太阳能进行发电，在转化为电能时，就要根据用户需求采用电子电力技术进行处理。

使能源利用尽量做到无污染、高效、资源耗费少等。

同时，太阳能转化为电能后。

由于其能量大多都是不稳定的，在输送入电网时，利用储能控制技术对其不稳定性进行调整，采用电子电力技术对其进行并网输送，避免其对电网的不良影响，并尽可能多地达到能源的最大利用率。

因此，在太阳能发电环节，无论电能转换、能量储存、并网等都需要借助电子电力技术来实现。

以太阳能光伏系统最大功率点跟踪技术为例，独立供电系统中，最大功率点跟踪在白天太阳能电池对蓄电池充电时实现。

通过调整BUCK充电电路的驱动脉宽，改变太阳能电池直流母线电容上的电压，达到跟踪最大功率点的目的。

并网
系统中，常用方法是设定逆变输出电流幅值，改变直流母线电容上的电压，达到跟踪最大功率点的目的。

这些控制方法都是电力电子在光伏发电技术中的应用。

电力电子技术作为太阳能发电中的关键技术，在一定程度上决定了太阳能发电未来的发展。

5.电气工程专业的现状与未来
5.1太阳能发电与电气工程的联系
1998年第二届世界太阳能光伏会议主席施密特教授曾大胆预言：“作为一种全球能源，光伏发电在21世纪前半期将超过核电．是2030年还是2050年的最后几年过，只是个时间问题”实际上．2004年全球光伏电池的生产首次超过了100万千瓦，专家们估计，到2005年以后全球光伏发电将成为世界能源支柱。

20世纪90年代以来，美国实施国家光伏发展计划、百万太阳能屋顶计划，日本、欧洲也推出自己的太阳能利用推广计划。

1997年美国政府在全世界率先宣布发起“百万太阳能屋顶计划”。

该计划的宗旨和目标包括有效减少CO2等温室气体的排放、实现太阳能的普及实用。

1998年9月，作为德国新能源计划的一部分，德国政府宣布从1999年1月起实施“十万太阳能屋顶计划”。

这项计划的目标是到2003年底安装10万套光伏屋顶系统，总容量在300～500 MWp，每个屋顶约3～5 kWp，实现太阳能的大规模普及利用。

太阳能发电有更加激动人心的计划。

一是日本提出的创世纪计划。

准备利用地面上沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全球供电。

据测算，到2050年、2100年，即使全用太阳能发电供给全球能源，占地也不过为 65.11万平方公里、 186.79万平方公里、829.19万平方公里。

829.19万平方公里才占全部海洋面积 2.3%或全部沙漠的 51.4%，甚至才是撒哈拉沙漠的 91.5% 。

因此这一方案是有可能实现的。

另一是天上发电方案。

早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满太阳电池，这样便可提供500万千瓦电力。

但这需要解决向地面无线输电问题。

现已提出用微波束、激光束等各种方案。

目前虽已用模型飞机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电，但离真正实用还有漫长的路程。

5.2太阳能发电看电气工程专业的现状
5.2．1太阳能发电在国内的应用
我国在太阳能发电领域起步较晚，所以无论是在研究和开发水平，还是在产业规模和商品话程度方面都落后于西方发达国家。

在太阳能光伏发电和太阳能热发电领域目前都处于试验阶段，离规模应用有较大差距。

在国家《可再生能源中长期发展规划》提出光伏发电的目标是到2020年达到200千瓦，这远远落后于同时期的西方发达国家水平，也落后于风能等其他新能源所占的比重。

在太阳能发电领域，我国的科技水平远落后于发达国家，一些关键技术为外国所垄断。

以目前世界上应用最广泛的太阳能电池晶体硅太阳能电池为例，生产晶体硅太阳能电池的原材料是高纯度多晶硅，而高纯度多晶硅销售和制造几乎全部被全球的七大公司控制，这些公司技术完全封闭；在太阳能光伏发电领域，全球88％的光伏组件和光伏电池的生产集中于12家国际大公司，这些大公司无一例外都在发达国家。

因此我国太阳能产业的高端技术亟待突破，才能带来太阳能发电的推广与实际运用。

目前，我国已经成功实施了多项太阳能发电项目，如“送电下乡”，以及山东力诺太阳能发电并网项目和西藏羊八井光伏示范电站，这些项目的实施，使我国在太阳能发电领域积累了丰富的产品经验和建设经验。

在光伏发电领域，薄膜电池技术的基础研究和产业化实验，也已经实现了与国际同步，而这一技术将在太阳能发电领域起到越来越大的作用。

5.2．2太阳能发电在国内的前景
我国太阳能资源丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤，太阳能资源开发利用的潜力非常大。

太阳能发电的独特优势势必将使其在未来我国能源的结构中占据重要地位，而从长远看，光伏发电在未来将会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且最终会成为世界能源供应的主体。

在我国由于特殊的人文地理环境，所以发展大型光伏并网发电，是改变和优化电力结构的理想选择，也是可持续电力供应的理想模式。

目前最具发展前景的光伏发电应用市场是大规模的荒漠电站，而我国108万平方公里的荒漠面积为建设大型的太阳能电站提供了广阔的土地资源，这些荒漠面积年总辐射在1600kwh/m以上，如果利用其1/10安装并网光伏发电系统，每年的发电量可以达到10万多亿千瓦时,这相当于目前全国用电量的６倍。

从资源的合理开发利用来说，开发荒漠也将带来巨大的经济和环境效益。

2009年3月26日，财政部颁布了《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》，并同时下发了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》这些政策的出台也促进了我国太阳能产业的快速合理发展，将进一步推动太阳能发电技术的实际运用。

6.结论
本文结合目前在太阳能发电领域最新的技术深入探讨了我国发展太阳能发电的最新成果和在这一领域我国和国际先进水平之间的差距，得出以下结论：1）太阳能发电必将在新能源发电中占据重要地位，而我国随着一系列政策的出台与促进，太阳能发电产业也将迎来一个发展的黄金时期；
2）在太阳能发电中，太阳能光伏发电由于其独特的优势所在将成为未来太阳能发电的主流，而太阳能光伏并网发电符合我国国情实际，将受到大力推广。

3）在太阳能发电领域，虽然我国的科技水平取得了很大的进步，但仍与西方发达国家有一定差距，这需要国家进一步的支持，加大对太阳能发电领域科研的投资。

4）电力电子技术作为未来智能电网的重要支撑，其在太阳能发电领域的作用也不应忽视，应加大对电力电子技术在该领域的研究力度，促进太阳能发电的更好发展。

太阳能作为新能源的一种，具有许多其他能源所不具有的优势，所以我国应加大在太阳能发电领域的投资，早日将这一清洁新能源普及推广。

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