太阳能光伏发电发展现状与趋势

太阳能光伏发电发展现状与趋势

Photo-Voltaic Power State of the Art & Future Trends

清华大学　　　蔡宣三

摘　　要：化石燃料（煤、油等）排放温室气体，是污染大气环境的主要原因。大量发展可再生能源可保护大气环境、并

在社会经济发展中起主要作用。清洁的可再生能源包括：水力和风力、太阳光伏和燃料电池、生物质能、海洋能等。太阳能光伏（Ｐｈｏｔｏ　Ｖｏｌｔａｉｃ）系统，将太阳光能转换为电能，技术上已较成熟。主要优点是：不排放有害气体、无温室效应、无噪音、可靠、寿命长等，是一种清洁的可再生能源。主要应用于为城乡住宅、荒漠地区供电，也可联网为工业供电。在无电或缺电地区，光伏和风力、微型透平发电可组成离网混合分布式电力系统。　本文简要介绍光伏发电系统的发展进程、国内外发展概况、电力电子技术在光伏系统中的应用等。关键词：　太阳能　　光伏发电　　光伏器件　　光伏屋顶　　　联网

Abstract: Fossil fuels are major cause of environmental destruction in pollutions. It has created much needed momentum for

renewable energies, such as hydro, wind, solar, geothermal, biomass, fuel cell (hydrogen), ocean, etc. Photo Voltaic (PV)turns energy produced from the sun light into electricity as so called solar power source, which is a sustainable sourceof energy, enabling 100% renewable, zero emission£¬reliable and quiet electricity production.

The historical evolution, the state of the art and developing trends, and classification of the Photo Voltaic (PV) powertechnologies are presented in this paper. Power electronics playing an important role in the utilization of the solar PVlight energies are also introduced.

Key words: Solar energy Photo Voltaic(PV) power PV device PV roof On qrid (grid conneotod)

１　　光伏器件

太阳能发电有热发电和光伏发电两种。将太阳光辐射能通过光伏效应－直接转换为电能，称为太阳能光伏发电技术，是一种可再生的无污染的发电方式。光伏发电成为一种改善人们生活条件、不破坏环境、受到人们欢迎的可再生能源。

光伏器件是太阳能光伏发电的基础，１８３９年ＥｄｍｏｎｄＢｅｃｑｕｅｒｅｌ　发现了光伏效应。１９５４年美国Ｂｅｌｌ　实验室Ｇ．Ｐｅａｒｓｏｎ，　Ｄ．　Ｃｈａｐｉｎ　和　Ｃ．　Ｆｕｌｌｅｒ　合作发明了ＰＮ　结光伏电池（ＰＶ　Ｃｅｌｌ），是一种输出低电压的直流光电半导体器件，光伏

电池的典型参数为：电压　０．５Ｖ，短路电流２０－４０　ｍＡ　／ｃｍ２

若干光伏电池串并联，可以形成光伏模块（ＰＶ　ｍｏｄｕｌｅ）或称组件，若干光伏模块串并联，可以组成光伏板（ＰＶｐａｎｅｌ），输出较高的、满足用户需要的电压、电流。若干光伏板按负载需要联结，排列成光伏阵列（ＰＶ　ａｒｒａｙ）。它是无需维护的大功率直流电源，电压从７５Ｖ　到　６００Ｖ（功率从１到　５　ｋＷ），或电压从３００Ｖ到８００Ｖ　（功率从　１０　ｋＷ到　３００　ｋＷ以上）。

制造光伏电池的商品化实用半导体材料主要是硅（产量占光伏电池的９４％），包括：

（１）　单晶硅（Ｍｏｎｏ－Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　Ｓｉ）

　　　［注］　本文根据作者在ＩＥＥＥ北京分会Ｆｅｌｌｏｗ　学术论坛

（２００６，８）讲演稿整理修改而成。

现在０．２￣０．３ｍｍ单晶硅光伏电池的光能／电能（Ｌｉｇｈｔ　ｔｏ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ）转换效率，实验室可做到２４．７％，商

品电池可达１５－１８％［１］。模块售价３－４美元／ｐＷ（峰瓦）。

（２）　多晶硅（Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　Ｓｉ）；

多晶硅商品电池的光／电转换效率为１０－１５％；（３）　非晶硅（Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ　Ｓｉ或α－Ｓｉ）；

非晶硅光伏电池的光／电转换效率较低（５－８％），成本也低［２］；

（４）薄膜光伏电池（１０μｍ），半导体材料为ＣｄＴｅ（镉－碲）　或ＣＩＳ　（Ｃｕ－Ｉｎ－Ｓｅ）。

薄膜光伏电池由于生产高度自动化，使成本大为降低，光／电转换效率约为１２－１５％，其优点是可以与建筑结构紧密结合。有报道，在２０３０年前，薄膜光伏电池价格有望降到１．８０美元／ｐＷ［３］。日本Ｈｏｎｄａ公司开发新型薄膜光伏电池　（Ｃｕ－Ｚｎ－Ｇａ－Ｓｅ），２００７年将应用于光伏屋顶，生产量　２７．５　ＭＷ／年（可供８０００户使用，　平均每户３．５ｋＷ）。

近５年来，世界光伏电池年产量增长率为４３％，２００４年世界光伏电池总产量为１２００ＭＷ，全世界累计光伏发电装机容量达４３３０　ＭＷ［１］。

图１（ｂ）给出光伏电池的输出功率（随电压而变）特性，图１（ｂ）的纵坐标是功率，即光伏电池输出电压与电流的乘积。由图１（ｂ）可见，输出功率特性也与温度、光辐照强度有关。而且功率有一个最大点（Ｍａｘ．ｐｏｗｅｒ　ｐｏｉｎｔ—简称ＭＰＰ）。当温度或辐照强度变化时，最大功率点ＭＰＰ也随着改变。换句话说，要使光伏电池始终工作于最大功率点，必须调整输出功率特性与负载特性的交点。因而光伏系统需要设置最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）控制。

２　　光伏发电系统的应用

（１）　城市住宅用小型并网系统

光伏电池与居民住宅建筑结合，利用屋顶或墙面安装光伏阵列，一般每户配备１￣５ｋＷ单相逆变器。图２为一个典型的联网式住宅用光伏系统。

图２　　联网式住宅用光伏系统

图２中，屋顶光伏阵列输出的直流电压，经ＤＣ－ＤＣ升压变换器、单相逆变器变换为工频２２０Ｖ，接到配电盘，经过电度表联网。系统设置２个电度表，一个测量光伏系统输出给电网的电能，另一个测量光伏系统接受电网输入的电能。（图２来源：日本欧姆龙公司产品介绍）

（２）　工业与市电

一般用２５ｋＷ以上三相三电平大功率逆变器（也可发展为１００ＭＷ大规模光伏电站），可分三类：

（ａ）　独立运行、离网、储能式

图１　　光伏电池的典型伏安特性（ａ）　与输出功率特性（ｂ）

独立运行的光伏系统为完全离网式，有储能设备，阴雨天也可供电。可在荒漠地区建设大规模离网式、独立光伏电站。

（ｂ）　联网、无储能式

联网式光伏系统是当今发展方向　（全世界联网式光伏系统年增长率约为２５～３０％）。

（ｃ）　混合式光伏系统

太阳能光伏与风力或燃料电池等发电系统，组成混合式分布电力系统，应用于无电或缺点地区。

图１（ａ）给出光伏电池的典型伏安特性。它与温度、光辐照强度有关。光辐照强度越大，光伏电池的输出电流越大。当输出电压为零时的电流称为短路电流；当电流为零时的输出电压称为开路电压。伏安特性可以分成两段：电压＜０．５Ｖ时为恒流段（保持为短路电流）；电压＞０．５Ｖ时，随着电压升高，电流下降，直到电流为零（开路），这一段特性接近恒压。温度变化时，恒流段特性基本不变，但温度越高，开路电压越小；从恒流段过渡到恒压段的转折电压也越小。

３　　国际光伏系统的进展

６０年代，国际关于光伏发电的开发研究大部分集中于卫星电源和空间实验研究。７０年代出现辽第一批商用 …… 此处隐藏：4202字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……