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太阳能发电技术

文档作者：关根志1 雷娟2 吴红霞2 蔡丽2 文档来源： 1．武汉大学电气工程学院 2．武汉东湖学院机电工程学院		点击数：	更新时间： 2025年12月30日
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2013年第1期
2013 Number l
水电与新能源
HYDROPOWER AND NEW ENERGY
总第106期
Total No．106
文章编号：1671—3354(2013)01—0006—04
太阳能发电技术
关根志1⋯，雷娟2，吴红霞2，蔡丽2
(1．武汉大学电气工程学院，湖北武汉430072；2．武汉东湖学院机电工程学院，湖北武汉430212)
摘要：阐述了太阳能发电技术的基本原理和重要意义，介绍了有关太阳能的基础知识和太阳能电站的发展现状，对普及
太阳能发电技术及从事太阳能电站设计、运行及维护的工程技术人员具有参考意义。
关键词：太阳能发电；太阳能光伏电池；太阳能热发电
中图分类号：TM615 文献标志码：A
The Solar Energy Generation Technology
GUAN Genzhil’2，LEI Juan2，WU Hongxia2，CAI Li2
(1．School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China；
2．School of Mechanical and Electronical Engineering，Wuhan Donghu University，Wuhan 430212，China) 一
Abstract：The basic principle and significance of solar power generation technology is described．The fundamental
knowledge of solar power and the current situation of solar power station are introduced．The content has a certain reference
value for the popularization of solar power generation technology and has enlightenment on the en百neem and techni—
cians engaged in solar power station design，operation and maintenance．
Key words：solar power generation；solar energy photovohaic cell；solar thermal power generation
太阳是地球永恒的能源。太阳的总辐射功率约为
3．8×1026 W，地球每年从太阳获取的能量约为6×
1017 kW·h。在中国960万km2的土地上，年平均获
得的太阳能约为1亿亿kW·h，相当于1．2万亿t标
准煤所具有的能量⋯。因此，可以说太阳能是一种永
不衰竭的能源，同时也是一种无污染、最清洁的能源。
在石油、煤及天然气等化石能源日益枯竭的今天，充分
开发和利用太阳能具有可持续发展和环保的双重意义。
利用太阳能的方式很多，主要有太阳能发电、太阳
能热利用、太阳能动力利用、太阳能光化利用、太阳能
生物利用及太阳能光一光利用等。其中，“太阳能发
电”在新能源发电技术中占有重要地位。
利用太阳的光能或热能来生产电能者均称为太阳
能发电。利用太阳的光能直接生产电能的太阳能光电
池是目前应用最为广泛的太阳能发电，也称为太阳能
光伏电池发电。
1 太阳能光伏电池发电技术
1．1太阳能光伏电池
太阳能光伏电池发电也简称为太阳能光伏发电，
被认为是未来世界上发展最快和最有前途的一种可再
生新能源技术。太阳能光伏电池的基本原理是利用半
导体的“光生伏打效应”(光伏效应)将太阳的光能直
接转换成电能。能利用光伏效应产生电能的物质，称
为光伏材料。利用光伏效应将太阳能直接转换成电能
的器件叫太阳能光伏电池或光伏电池。光伏电池是太
阳能光伏发电的核心组件。
1839年，法国物理学家贝克勒尔(Edmond Bec．
qurel)发现：将两片金属浸入电解液中所构成的伏打
电池，当接收到太阳光照射时电压升高，他在所发表的
论文中把这种现象称为“光生伏打效应(Photovohaic
Effect)”。“光生伏打效应”是不均匀半导体或半导体
与金属混合材料在光照作用下，其内部可以传导电流
收稿日期：2012—09—24
作者简介：关根志，男，教授，博士生导师，从事高电压技术专业的教学和科研工作。
6
万方数据
关根志，等：太阳能发电技术2013年1月
的载流子分布状态和浓度发生变化，因而在不同部位
之间产生电位差的现象。1941年，奥尔在硅材料上发
现了光伏效应，从而奠定了半导体硅在太阳能光伏发
电中广泛应用的基础。1954年，美国贝尔实验室的科
学家恰宾(Darryl Chapin)和皮尔松(Gerald Pearson)研
制成功世界上第一个实用的单晶硅光伏电池。同年，
韦克尔发现砷化镓具有光伏效应，并在玻璃上沉积硫
化镉薄膜，制成世界上第一块薄膜光伏电池心]。我国
2010年12月投入运行的大丰20 MW光伏电站，是目
前全国最大的薄膜光伏电站，年发电量2 300万kW·h。
太阳能光伏电池的工作原理如图1所示。
电电子子一二空穴／{l∞＼
图1太阳能电池的工作原理
在半导体中掺加杂质制成PN结，以形成在平衡
状态时具有的内建电场，在该内建电场的作用下分离
由外界激发而生成的过剩载流子，从而形成外部电压。
在光照条件下，半导体中的电子吸收光子能量从价带
跃入导带，形成电子——空穴对，成为载流子。生成载
流子所需要的最低能量是半导体的禁带宽度Eg，使用
禁带宽度较小的材料制作的太阳能电池可以形成较大
的电流。
基于单晶硅的第一代光伏电池是目前太阳能光伏
电池市场的主流，其光电转换率已达24．7％；基于薄
膜技术的第二代光伏电池的光电转换效率已达到
16．5％～18．8％。由于薄膜光伏电池大大减少了半导
体材料的消耗，因此具有很好的发展前景。应该指出，
光伏电池在光电转换过程中，光伏材料既不发生任何
化学变化，也不产生任何机械磨损，因此太阳能光伏电
池是一种无噪音、无气味、无污染的理想清洁能源。
2006年，我国太阳能电池生产总量首次达到
400 MW，从而超过美国成为全球第三大生产国，也是
世界上发展最快的国家。
1．2太阳能光伏电站
太阳能光伏电站是将若干个光伏转换器件即光伏
电池封装成光伏电池组件，再根据需要将若干个组件
组合成一定功率的光伏阵列，并与储能、测量、控制装
置相配套，构成太阳能光伏电站。
太阳能光伏电池具有很大的灵活性，不仅可以用
其建设零星规格的电站，而且可以组成应用于小型、分
散电力用户的太阳能光伏发电系统。这种独立运行的
太阳能光伏发电系统称之为离网型太阳能光伏发电
系统。
由于受昼夜日照变化及天气的影响，离网型光伏
发电系统通常需要和其他电源形式联合使甩，比如柴
油发电机组以及蓄电池组，从而增大了电站的投资和
维护费用。离网型光伏发电系统往往建在距离电网较
远的偏远山区及荒漠地带，向独立的区域用户供电。
西藏措勒20 kW光伏电站是我国建设较早的离网型
光伏电站，总投资290万元，1994年12月正式投产
发电。
离网型太阳能光伏电站系统如图2所示。
太
阳
能
电
池
方
阵
直
流
控
制
柜柜
图2离网型太阳能电站系统框图
电站的发电系统由太阳能光伏电池方阵、蓄电池
组、直流控制器、直流一交流逆变器、交流配电柜和备
用电源系统(包括柴油发电机组和整流充电柜)等组
成。其工作原理为太阳能光伏电池方阵经过直流控制
柜向蓄电池组供电，并根据需要整定蓄电池组的上限
和下限电压，由直流控制柜自动控制充电。蓄电池组
通过直流控制柜向直流一交流逆变器供电，经逆变器
将直流电变换成三相交流电，再通过交流配电柜以三
相四线制向用户供电。当蓄电池组的电压下降到下限
电压时，为不造成蓄电池组的过渡放电，直流控制柜将
自动切除其输出电路，使直流一交流逆变器停止工作。
柴油发电机组为电站的备用电源，必要时由备用电源
通过整流充电柜向蓄电池组充电，或在光伏发电系统
出现故障及停运时直接通过交流配电柜向用户供电。
直流一交流逆变器和柴油发电机组不能同时向用户供
电，为此必须在交流配电柜中设置互锁装置以保证供
电电源的唯一性。
当太阳能光伏电站的容量达到一定规模时，还可
与电网相联，即所谓的并网型光伏电站。这时，如果本
地负荷不足，则可将多余的电能输送给电网。当本地
太阳能发电量不足时，则由电网向用户提供电能。因
此，并网型光伏电站可以不需要使用蓄能装置，减少系
7
万方数据
水电与新能源2013年第1期
统投资和维护费用。同时由于与电网的互济，提高了
发电设备的利用率和供电用电的安全可靠性，是大规
模开发太阳能发电技术的必然趋势。
我国第一座并网型光伏电站是2006年建成投运
的西藏羊八井可再生能源基地100 kW高压并网光伏
电站。2010年底全国首个光伏并网发电项目敦煌2 X
10 MW光伏发电项目建成投产。
2太阳能热发电技术
太阳能热发电技术是指将太阳辐射热能转换成电
能的发电技术。它包括两大类型：一类是利用太阳热
能直接发电，如半导体或金属材料的温差发电，真空器
件中的热电子和热离子发电，以及碱金属热点转换和
磁流体发电等。这类发电的重要特点是发电装置本身
没有活动部件，但目前此类发电量比较小，不少方法还
处于原理性实验研究阶段。另一类是将太阳热能通过
热机带动发电机发电，其基本组成与常规发电设备相
类似，只不过其热能是来自于太阳能。
2．1 太阳能热发电系统的构成
典型的太阳能热发电系统如图3所示。
图3太阳能热发电系统原理图
与常规的热发电厂相比，最大的不同是利用一种
所谓的太阳锅炉取代常规的燃料锅炉，即利用太阳集
热器将来自太阳内部高温核聚变的辐射能——太阳能
收集起来，加热工质，产生过热蒸汽，驱动热动力装置，
带动发电机发电，从而将太阳能转换成电能。
太阳能为自然能，辐射到地球表面的能量密度较
低，且昼夜相间，四季有变，一天之中也因气象变化而
变化。为了使太阳能热电站稳定运行，一般在太阳能
热发电系统中，都设置有蓄热子系统或辅助能源子系
统，如图3中的蓄热器及锅炉。在晴好的白天及夏季，
太阳能不但可以供给机组满载运行，而且还有多余的
能量被储存到蓄热器中，留待晚间或阴雨时间与辅助
能源系统共同供给机组运行，维持太阳能热电站的正
常供电。
8
2．2聚光式太阳能热发电系统
聚光式太阳能热电站中的太阳锅炉实际上是一个
聚光集热子系统，是收集太阳能的主要设备，它包括聚
光器、接收器和跟踪装置。
聚光器用于收集太阳能，并将其聚集到一个有限
．平面上，以提高单位面积上的太阳辐照度，从而提高被
加热工质的工作温度。聚光方法有多种，但在太阳能
热发电系统中最常用的聚光方式有两种，即平面反射
镜和曲面反射镜。
平面反射镜聚光方式最具代表性的是采用多面平
面反射镜，将太阳光聚集到一个高塔的顶处，其聚光比
通常可达100—1 000，可将接收器内的工质加热到
500—2 000℃，构成高温塔式太阳能热发电系统，如图
4所示。美国太阳I号电站是目前世界上较为典型的
塔式太阳能热发电站，其额定容量为10 MW。2005年
10月，我国在南京江宁太阳能试验场成功建成投运国
内首座70 kW塔式太阳能热发电系统。
聚光装置集热装罟
图4塔式太阳能热发电系统原理图
曲面反射镜有一维抛物面反射镜、二维抛物面反
射镜和混合平面——抛物面反射镜。
一维抛物面反射镜也叫槽型抛物面反射镜，其整
个反射镜是一个抛物面槽，太阳光经抛物面槽反射聚
集在一条焦线上，其聚光比为10～30，集热温度可达
400℃，构成中温槽式太阳能发电系统。20世纪80年
代，LUZ公司在美国加州沙漠地区相继建成9座槽式
太阳能热发电站，总装机容量353．8 MW。其上网电
价为13—14美分／(kW·h)，已具有与常规能源热力
发电厂相竞争的潜能旧o。
二维抛物面反射镜也叫盘式抛物面反射镜，形状
上是由一条抛物线旋转360。所扫描出来的抛物球面，
故此也叫旋转抛物面反射镜。二维抛物面反射镜的聚
光比为50—1 000，焦点温度可达800～1 000℃，构成
高温盘式太阳能热发电系统。
数据分析表明，盘式太阳能热发电站与太阳能光
伏发电。站相比，其单位发电功率的装置重量更轻，空问
利用更好。特别是为解决边远荒漠地区的供电问题更
万方数据
关根志，等：太阳能发电技术2013年1月
具优势。
盘式太阳能热发电系统通常是以单个旋转抛物面
反射镜为基础，构成一个完整的聚光、集热和发电单
元。由于单个旋转抛物面反射镜不可能做得太大，因
此，这种太阳能热发电站的单个功率都比较小，一般为
5—50 kW，它可以分散地单独发电，也可以由多个电
站组成一个较大的发电系统。
接收器是通过接收经过聚焦的太阳光，将太阳辐
射能转变为热能，并传递给工质的装置。根据不同的
聚光方式，接收器的结构也会有较大的差别。接收器
的关键技术是其接收阳光的表面必须涂选择性吸收
膜，用以提高对太阳辐射的吸收率a。吸收率d越大，
接收器可能达到的集热温度就越高。
跟踪装置使光时刻都能通过反射镜面反射到固定
不动的接收器上。太阳聚光器的跟踪方式有两种，一
种是反射镜面绕1根轴转动的单轴跟踪；另一种是反
射镜面绕2根轴转动的双轴跟踪。槽型抛物面反射镜
都为单轴跟踪，而盘式抛物面反射镜和塔式聚光平面
反射镜都采用双轴跟踪。
对跟踪器的控制方式，可以采用程序控制方式，即
按计算得到的太阳运动规律来自动控制跟踪机构对太
阳进行跟踪；也可以采用传感器控制方式，即通过传感
器即时测出太阳光的入射方向，然后控制跟踪机构对
太阳进行跟踪。目前更多的是采用上述两种控制方式
的组合，即以程序控制为主，采用传感器即时测量作反
馈，不断对程序控制所造成的累积误差进行纠正，从而
保证在任何光照条件下都能对太阳聚光器进行准确可
靠的跟踪控制。
2．3非聚光式太阳能热发电
上述塔式、槽式和盘式太阳能发电由于都采用了
聚光，所以其集热温度较高，属于中高温太阳能热发电
系统。除此之外，还有非聚光方式的低温太阳能热发
电系统，如太阳池发电和太阳能热气流发电。
太阳池发电是利用不同比重的水，比如一定浓度
的盐水，组成所谓的太阳池，利用池中上下不同比重的
水的密度梯度不同，各层水对太阳光的能量吸收不同，
使太阳池底部的水产生低温热。太阳池一般都依托天
然盐湖或海边建造，利用盐水作为储能介质，但可达到
的工作温度较低，故其应用受到一定限制。1925年，
以色列建造了世界上第1座太阳池发电站。
太阳能热气流发电是在以大地为吸热材料的巨大
蓬式地面太阳空气集热器的中央，建造1座高大竖直
的烟囱，在烟囱的底部开一吸风口，并安装风轮。地面
空气集热器产生的热空气从吸风口进入烟囱，形成热
气流，从而驱动风轮带动发电机发电。1982年在西班
牙投运了l座50 kW太阳能热气流实验电站。
综上所述，可见太阳能发电技术正在引起世界各
国的关注，并以多元化的方式快速发展。我国“十二
五”规划太阳能发电装机总容量将达到5 GW。预计
2050年，世界太阳能发电将在全球总能耗中占有30％
以上的份额”o。
3太阳能发电系统接人电网带来的问
题及对电网运行的影响
由于太阳能发电受昼夜相间及天气变化、四季更
替等诸多自然因素的限制，其发电功率、输出电能常常
是不稳定的。如果有大量的太阳能发电系统接入常规
的电网会给电网的安全稳定运行带来一系列不利影响。
3．1 对电能质量及电网运行特性的影响
大量的太阳能发电系统接人电网的终端，会产生
反向的潮流，即太阳能电流通过馈线阻抗所产生的压
降会使负荷侧电压高于变电站侧，以致于负荷侧电压
越限∞J。同时，由于太阳能发电输出电流随光照变化
而变化也会引起电压的波动，由此可能引起无功调节
装置的频繁动作，从而波及电网的电压形态、短路电
流、网损、有功和无功潮流、谐波、暂态稳定、动态稳定
以及频率控制等一系列运行特性。
3．2对配电网规划及调度自动化的影响
太阳能发电系统接入电网向电网反送功率，改变
电网的潮流分布，使配电网可调度的发电容量发生变
化。由于太阳能发电系统本身一般不具备调度自动化
功能，不能有效参与电网频率及电压的调整，因此相对
减小了配电网可调度的发电容量，从而对现有配电网
的规划和调度运行方式产生影响。
3．3对继电保护的影响
目前，变电站继电保护主要是基于断路器的三段
式电流保护，主馈线装设自动重合闸，支线装设熔断
器。大量的太阳能发电系统接入电网会使电网从传统
的单电源辐射状网络变成双端网络，从而改变了故障
电流的大小、方向及持续时间，影响继电保护的正常工
作，可能使保护误动、拒动、自动重合闸失效等，降低供
电的可靠性。
4结语
(1)太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能
源。目前，太阳能发电技术可分为两大类：一类是太阳
(下转第15页)
9
万方数据
李文成，等：黄金坪水电站地下厂房岩壁梁开挖施工技术实践与研究2013年1月
前爆后声波测试的方法，爆前爆后结果见图5及表2。
图5 zcfsyCZO+1 15、zcfsyCZO+152、zcfxyCZO+145
子L深度一波速曲线
根据监测结果，上游岩台0+1 15和0+152桩号
处爆后0．4m和0．6m范围内平均波速相对爆前分别
下降8．0％和7．0％，该部位岩壁梁开挖导致局部爆破
破坏甚微或未破坏。下游岩台0+145桩号处爆后
0．6 m范围内平均波速相对爆前下降10．4％，该部位
岩壁梁开挖导致局部0．6 m深度的轻微爆破破坏(波
速变化率在10％～15％之间，略超过10％)。
表2爆破影响深度声波检测法判断标准
爆破后纵波波速变化率∥％ 破坏情况
田≤10
10≤竹≤15
钉≥15
爆破破坏甚微或未破坏
爆破破坏轻微
爆破破坏
根据图5中3个检测孔检测数据分析，黄金坪地
下厂房岩壁梁爆破开挖总体是爆破破坏甚微或未破
坏，局部0．6 m范围轻微破坏。
5 结语
岩壁吊车梁爆破开挖是地下洞室开挖中最为重要
和最为困难的部分，较好的岩台开挖成型质量标准，对
爆破开挖要求很高。尤其在节理裂隙发育的断层破碎
带开挖成型岩台尚不多见。在黄金坪水电站地下厂房
岩壁梁开挖施工过程中，采用岩壁梁岩台试验优化的
爆破参数，并通过对破碎带进行预固结灌浆，施工中控
制钻孑L精度、采取“个性化”装药等措施，岩台成型效
果良好，爆破影响深度检测显示对基础破坏的影响甚
微。从各项技术指标进行评价，开挖爆破效果优良，类
似工程有一定借鉴意义。
(上接第9页) 件，进行技术经济比较，IN地制宜，稳步发展。
能光伏发电，一类是太阳能热发电。(6)随着科学技术的进步，太阳能发电技术必将
(2)太阳能光伏发电具有结构简单、体积较轻、建为促进人类能源发展，推进人类文明作出巨大贡献。
设周期短、维护简单、可靠性高、寿命长、应用范围广等
参考文献：
一系列突出优点，其技术已比较成熟，发展迅速，具有
[1]张晓东，杜云贵，郑永刚．核能及新能源发电技术[M]．北
(3)太阳能热发电技术以其对太阳能的收集方式
京：中国电力出版社’2008
不同，可分为聚光式太阳能热发电和非聚光式太阳能
[2]尹忠东，朱永强·可再生能源发电技术[M]·北京：中国
热发电。前者由于集热温度较高，属于中高温太阳能
水利水电出版社，2叭。
热发电系统，后者则属于低温太阳能热发电系统。
E3]王长贵，崔容强，周簧·新能源发电技术[M]·北京：中国
(4)太阳能发电由于其自身的固有特点，大量的电力出版社，2003
太阳能发电系统接入电网后会对电网的运行产生一系[4]陈慈萱·电气工程基础[M]·北京：中国电力出版社，2003
列不利影响，这是需要注意和认真研究解决的问题。[5]吴威，韩愚拙，陈昆·光伏并网发电系统孤岛检测技术综
(5)太阳能发申．技术的应用。必须根据地域自然条述[J]．电工电气，2012(4)：1—6
15

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