太阳能光伏发电技术应用中的相关问题探讨

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  摘要:太阳能光伏发电是一种绿色能源,要了解太阳能光伏发电系统的概念,对应用中的问题进行分析,并研究应用现状与前景。
  关键词:太阳能光伏发电技术;应用;问题
  中图分类号: TK551 文献标识码: A
  前言:
  随着人类对能源需求的不断提高,近年来,人类开采不可再生能源的脚步日益加快,使得这些化石能源的存量不断减少,由此可见,开发、利用并推广高效环保的绿色可再生能源是当务之急,太阳能作为一种可再生资源,对环境和能源的可持续发展具有重要的意义。
  一、太阳能光伏发电的原理
  太阳能光伏发电利用了太阳能电池的光生伏打效应,是一种直接将太阳辐射(直接辐射、散射辐射、反射辐射等)能转化成为电能的发电形式。所谓光生伏打效应就是当物体受光照时,物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的PN节时,就会在PN节的两边出现电压,叫做光生电压,这种现象就是著名的光生伏打效应。太阳能光伏系统由太阳能电池组件、充放电控制器、逆变器、监测仪表、蓄电池或其他蓄能和辅助发电设备组成。根据其应用场合的不同,太阳能光伏发电系统可以分为离网光伏发电系统、并网光伏发电系统和混合系统3类。离网光伏发电系统广泛建立于距离电网较远的偏远山区、无电区、海岛、荒漠地带等,向独立的区域用户供电。并网光伏发电系统是将用户光伏系统和电网相连的光伏发电系统,这种方式具有对电网调峰、减少建设投入、灵活性强等优点,逐渐成为太阳能光伏发电技术发展的主流趋势,但是存在“孤岛效应”,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。混合系统具有很强的适应性,可以综合利用各种发电方式的优点,避免各自的缺点,达到对太阳能的充分利用,有较高的系统实用性,但也有其自身的缺点,如控制比较复杂、比独立系统需要更多的维护等。
  二、太阳能光伏發电的特点
  太阳能光伏发电工程项目都具有费用投资大、技术复杂、实地考察难、建设周期长等特点,特别是在重大工程项目、特高压或大型变电站工程、长距离的输电工程等项目上。然而太阳能光伏发电又具有一般发电设施不具备的特征,它不同于一般的发电设施,比如建设程序多、建设的周期长、受各种影响因素多、计价复杂等。这些特征在电力工程造价管理方面表现为多动态性、多建设主体性、多阶段性等特征。太阳能光伏发电的特性太阳能光伏发电具有许多独有的优点:太阳能是取之不尽、用之不竭的洁净能源,而且太阳能光伏发电是安全可靠的,不会受到能源危机和燃料市场不稳定因素的影响;太阳光普照大地,太阳能是随处可得的,太阳能光伏发电对于偏远无电地区尤其适用,而且会降低长距离电网的建设和输电线路上的电能损失;太阳能的产生不需要燃料,使得运行成本大大降低;除了跟踪式外,太阳能光伏发电没有运动部件,因此不易损毁,安装相对容易,维护简单;太阳能光伏发电不会产生任何废弃物,并且不会产生噪音、温室及有毒气体,是很理想的洁净能源。安装1kW光伏发电系统,每年可少排放CO2600~2300kg,NOx16kg,SOx9kg及其他微粒0.6kg[1];6)可以有效利用建筑物的屋顶和墙壁,不需要占用大量土地,而且太阳能发电板可以直接吸收太阳能,进而降低墙壁和屋顶的温度,减少室内空调的负荷;太阳能光伏发电系统的建设周期短,而且发电组件的使用寿命长、发电方式比较灵活,发电系统的能量回收周期短。任何事物都有其两面性,太阳能光伏发电虽然具有上述的诸多优点,但是也有其缺点:首先,地理分布、季节变化、昼夜交替会严重影响其发电量,当没有太阳的时候就不能发电或者发电量很小,这就会影响用电设备的正常使用;其次,能量的密度低,当大规模使用的时候,占用的面积会比较大,而且会受到太阳辐射强度的影响;再次,建立太阳光伏发电系统的成本比较高,使得初始投资高,严重制约了其广泛应用。
  三、太阳能光伏发电技术应用中的相关问题
  1、无功补偿功能问题
  对光伏发电并网系统逆变器的功能进行一定程度的拓展,就能够实现其他一系列的功能,主要包含有并网功能、有功调节功能、无功补偿功能以及滤波功能等。一般情况下,即使不对硬件做出变更,也能够对光伏并网发电设备的功能应用进行有效的实现。在这种环境之下,并网光伏发电系统输出自动跟踪相关的实时参数,并在此基础之上对交流输出功率、交流输出电流、电压、谐波等进行灵活而有效的调节,这样一来,就能够对电网质量进行有效的改善。
  2、蓄电池问题
  影响蓄电池充电效率和寿命的主要因素是其充电电流的大小和对蓄电池的过充。为防止蓄电过充,前人提出了电压检测法和温度检测法等控制策略,但用在光伏发电系统中效果并不理想。常规电压控制法是对蓄电池的充电电压设一个上限值,当蓄电池的端电压达到设定值时,就停止对蓄电池充电。但是光伏电池输出的电流不是恒定的,当光照强度很大时,充电电流有可能超过蓄电池充电电流的上限值,蓄电池的端电压会很快上升而达到设定值,从而切除对蓄电池的充电,此时蓄电池充电还没有达到饱和,造成了对蓄电池充电的误切除。
  由于光伏发电系统中蓄电池的充放电不可能按照其理想充电曲线进行,造成蓄电池的使用寿命低下。本文提出了一种光伏发电系统蓄电池充放电模糊控制策略,通过对蓄电池端电压、端电压变化和温度变化进行3次采样,由采样数据经模糊推理综合评判得蓄电池的充放电状态符合动态仿真环境中的仿真结果,有效防止对蓄电池在在充放电状态的误判,在充分利用太阳能电池阵列输出能量的同时达到提高蓄电池使用寿命的目的。
  3、数据采集与处理遇到的困难
  光伏发电受自然因素影响极大,一片薄云可以使太阳辐照强度下降70%以上,环境温度的变化、最大功率点的漂移都会对发电效率产生极大的影响.市面上测量太阳辐照、电压、电流和温度的仪器仪表都非常成熟,但在这种需要忠实记录瞬间变化的应用中就显得力不从心.另外这些参数具有严格的时间相关性,必须同步记录这些参数的变化对后期的研究才有意义,目前在市面上还没有发现专门针对光伏发电研究的测试记录仪器图,因此研究初期提出了开发“太阳能光伏、光热综合利用计算机测控系统”子课题的研究。
  研究中需要获取众多的数据,而且需要同步记录这些数据.根据测试原理,试验期间必须保持5Hz的采样记录频率连续工作,采集的数据才有研究意义.为了实现这一目标,采用了基于S3C2410ARM芯片的嵌人式系统作为数据采集平台.
  通过S3C2410采集到的数据保存在SD卡中,这些原始数据都是以传感器信号的AD值形式存在,并不适合于研究.为此在PC上开发了一个数据预处理软件,将SD卡上的AD导入到数据库中,按照各测量原理将AD值转换成对应的物理量值,根据需要对一些数据做了一些必要的预处理,例如发电量的积分运算.
  4、光伏发电系统并网带来的整个电网的控制问题
  由于光伏发电系统具有不稳定性,其将使所接入的整个配电网短期的负荷预测不准确,这就导致传统的电网运行及计划难度的增加,致使配电网难以进行断面交换功率的控制。在光伏发电系统接入配电网后,配电网中电源点的数量多,但由于这种电源点的分布分散,使得电源难以进行协调控制,常规的电压及无功补偿方法都将难以适用。这就增加了配电网安全备用、频率稳定及网络调峰方便的影响,加大了电网控制的难度。因此,当光伏发电系统大规模地接入配电网后,将大大削弱常规电源对整个配电网的控制能力,为整个配电网的安全稳定带来巨大的隐患和新的安全问题。
  四、太阳能光伏发电技术应用现状
  1、大型并网型光伏发电
  系统作为光伏发电的未来,是技术进步的标志,若能够将大型并网型光伏发电作为发电的主要方式,这对于缓解能源的损耗具有非常深远的影响。对降低化石能源的使用,保护环境都有很大的帮助。
  2、光伏发电系统在轨道交通中的应用
  随着城市化进程的加速,轨道交通在城市交通中扮演重要角色,不但各省会城市在建设或者筹建轨道交通,许多二级城市也开始发展轨道交通。发展基于光伏系统轨道交通对缓解城市压力,提高轨道交通可靠性具有重要意义。
  3、荒漠并网光伏电站
  在沙漠地区建设超大规模并网光伏电站是很有必要的,在技术上也是可行的,未来它将成为能源结构中十分重要的部分,并带来巨大的社会经济效益,我国沙漠地区主要分布在内蒙古自治区以及新疆自治区,沙漠总面积为85万km2,面积较大的沙漠主要包括塔克拉玛干(33.76万km2),古尔班通古特(4.88万km2),巴丹吉林(4.43万km2),柴达木盆地(3.49万km2)、腾格里(4.27万km2)和库布齐(1.61万km2)等沙漠,另外,还有许多干旱、半干旱土地可供使用,开发超大规模并网光伏电站的沙漠土地资源非常丰富。数据统计,1km2沙漠土地最大能够安装功率为100MW的光伏电池阵列,建设一个规模为10GW的光伏电站只需占用土地100km2,仅占我国全部沙漠、荒漠总面积的0.012%,可以看出我国具有发展超大规模荒漠并网电站的巨大潜力。
  4、基于无源综合控制的独立光伏发电
  在独立光伏发电系统中,DC/DC电力变换器作为电力变换接口。关于电力电子变换的控制器设计方法分为两类:线性和非线性。线性方法依赖于局部线性化方法。当平衡点发生较大变化时,控制性能并不能保持一致。并且,电力电子变换器的动态方程具有本质的非线性特性。所以,电力电子变换器更适合用非线性方法进行控制器设计。针对独立光伏发电系统中作为电力变换接口的单向Boost变换器和双向Buck-Boost直流变换器具有本质的非线性,对其采用无源控制,结合PI控制,根据混合系统能量管理策略,分别运用两种模式的控制方式:对单向Boost变换器,基于无源电流,根据母线电压变化,对光伏阵列进行最大功率追踪和限制功率输出两种模式控制;对双向Buck-Boost直流变换器,由限流充电阶段确定双向Boost工作方式下的无源电流控制作为内环,PI电压控制作为外环的控制模式,由恒压充电阶段确定Buck工作方式下的无源电压控制模式。最后,通过MATLAB仿真验证在光照强度和负载发生变化时,该控制策略在满足蓄电池二阶段充电过程中,同时对直流母线电压进行了有效的控制,对于今后在独立光伏发电系统的能量管理模式上提供了一种新型的控制策略。
  五、有利于太阳能光伏发电技术应用的建议
  充分发挥政府作用,引导光伏产业走规范发展之路,政府出台政策时应着眼于解决制约光伏产业发展最关键的问题,比如在参考国外成熟经验并结合国内各地区实际情况的基础上制定符合国情的光伏发电的上网价格,从而真正推动国内光伏产业应用市场的快速启动。深化太阳能光伏发电技术是为了迎合市场发展的需要,在有效的时间内进行各类自制体系的改革。要运用更多的市场手段和机制,减少政府行政设定企业资质审批作法。随着和世界贸易组织市场的逐渐相容,应该在技术中用个人资格替代单位资质。要立即着手建立健全发电系统的智能化工程,实施技术监理制度,填补空白,以保障智能化工程质量。智能化系统技术监理工程师必须经过培训、考核取得资格证上岗。太阳能光伏发电系统的设计要和人们的需求相适应,符合发电设计理念。在发电设计界要建立有效的设计平台,支撑各种发电设计,包括太阳能光伏发电的设计。兴建智能化发电设备必须要将发电设计与智能化系统集成,紧密协同、整体规划、细致管理、精心实施。太阳能光伏发电同时要将未来的发展情况进行综合性的考虑,做出长远的打算进行规划设计。太阳能光伏发电的发展目标要有计划,根据相关的政策进行总计划的规划。“十五”计划注重结构的调整,这一条是整个过程的主线。调整优化行业的所有制结构、组织结构和产品结构。太阳能光伏发电能够在原有的传统产业的基础上进行产业结构的深化调整。
  六、结束语
  太阳能光伏发电是一种清洁能源,零排放、无污染,且其技术日趋成熟、成本不断下降,已经适合规模应用,今后,太阳能光伏发电必将在公共建筑或民用建筑中广泛应用,光伏发电也将成为我国的一种常规能源。
  参考文献:
  [1] 張兴然.太阳能光伏发电技术研究[J].天津工程师范学院学报,2013,(04).
  [2] 王维.分析太阳能光伏发电技术及应用[J].中国科技纵横,2013,(6)
  [3] 郑文英,周威,太阳能光伏发电技术在建筑中的应用[J],变频器世界,2011,37(5):1 78—180
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