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1、技术讲座王宏华光伏发电原理及发展现状光伏发电技术系列讲座(1)光伏发电原理及发展现状王宏华(河海大学自动化工程系，江苏南京2 1 0 0 9 8)摘要：阐述了太阳能光伏发电系统的基本结构和工作原理，综述了国内外光伏发电技术的发展现状及发展趋势。关键词：太阳能；光伏电池；光伏阵列；光伏发电系统中图分类号：T K 5 1文献标志码：A文章编号：1 6 7 1-5 2 7 6(2 0 1 0)0 4-0 1 8 6-0 4T h eS e r i e so fL e c t u r e so nP h o t o v o h a i cP o w e rT e c h n o l o g y(P a
2、 r t1)P r i n c i p l ea n dD e v e l o p m e n to fP h o t o v o l t a i cP o w e rW A N GH o n g h u a(D e p a r t m e n to fA u t o m a t i o nE n g i n e e r i n g，H o h a iU n i v e r s i t y，N a n j i n g2 1 0 0 9 8，C h i n a)A b s t r a c t：T h i sp a p e rd e s c n b e st h ep r i n c i p l
3、ea n ds t r u c t u r eo fp h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e m，a n dp r e s e n t st h el a t e s td e v e l o p m e n tt r e n da n dr e s e a r c hp r o g r e s so fp h o t o v o l t a i cp o w e rt e c h n o l o g i e s K e yw o r d s：s o l a re n e r g y；s o l a rc e l l；p h o t o v o l t
4、 a i ca r r a y；p h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e m0引言众所周知，太阳能是一种用之不竭、储量巨大的清洁可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量J，太阳能开发与利用正逐步成为各荔晶I国政府重点发展的战略。热能和光能利用是太阳能应用建电的两种重要形式。“光伏发电”是利用光伏电池的光伏效切应将太阳光的光能直接转换为电能的一种可再生、无污染的发电方式，正在全球范围内迅猛发展，其不仅要替代部分化石能源，而且未来将成为世界能源供应的主体，是世界各国可再生能源发展的重点。本文阐述了太阳能光伏发电系统的基本结构和工作
5、原理，综述了国内外光伏发电技术的发展现状及发展趋势。1光伏电池的原理及发展现状1 8 3 9 年，法国的E d m o n dB e c q u e r e l 发现了“光伏效应”，即光照能使半导体材料内部的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流。光伏电池是基于半导体P N 结接受太阳光照产生光伏效应，直接将光能转换成电能的能量转换器。1 9 5 4 年，美国B e l l 实验室的G P e a r s o n 等发明了单晶硅光伏电池，其原理如图1 所示。图1 中，太阳光照射到光伏电池表面，其吸收具有一定能量的光子，在内部产生处于非平衡状态的电子一空穴对；在P N 结内建电场的作用下，电子、
6、空穴分别被驱向N，P 区，从而在P N 结附近形成与内建电场方向相反的光生电场；光生电场抵消P-N 结内建电场后的多余部分使一电流图1 单晶硅光伏电池发电原理P，N 区分别带正、负电，于是产生由N 区指向P 区的光生电动势；当外接负载后，则有电流从P 区流出，经负载从N 区流入光伏电池。图2 为光伏电池等效电路，其中，。为与光伏电池面积、人射光辐照度成正比的光生电流(1c m 2 硅光伏电池的，口h 值为1 6 3 0m A)；l o，h 分别为P N 结的正向电流、漏电流；串联电阻尺。主要由电池体电阻、电极导体电阻等组成(R。一般万方数据技术讲座王宏华光伏发电原理及发展现状，曲，l)s?毛口
7、铲l：图2 光伏电池等效电路I L=l p h 1 0 一k，p h2 L 志+c r(r 一)D=I D O(秒鲁(抖华笋-1 Uo+l l R|L 沪面-上式中，为R。=0 时的短路电流(A)；T 为环境温度(K)；为参考温度(一般取2 9 8K)；5 为实际太阳光辐照度(W m 2)；c r 为温度系数(A K)；口=1 6 1 0 功c；l|=1 3 8x 1 0 J K；n，I D o 分别为二极管排放系数、反向电流；E。为表征半导体禁带宽度的常量(V)。实用中，为了满足负载需要的电压、电流，需将多个容量较小的单体光伏电池串、并联成数瓦到数百瓦的光伏模块(其输出电压一般在十几一几十V
8、)，进一步可将多个光伏模块串、并联成光伏阵列。图3 为在环境温度2 5(T=2 9 8K)，太阳光辐照度S=l0 0 0W m 2 条件下某光伏模块(其解析模型参数参见文献 1 )的仿真输出特性。图3 表明，一定的温度、照度下，光伏电池对应存在一个可能的最大功率输出运行点(P 一=U k)，但实际工作点则是光伏电池伏安特性与负载伏安特性的交点。图3(a)中，给出了3 条不同阻值R R f，R 也的电阻负载伏安特性(R u R E R u)，其与光伏电池伏安特性的3个交点A，M，B 则为对应的3 个实际工作点，只有当负载电阻R。=R L 时光伏电池才运行在最大功率点M，输出最大功率P。(u。厶。
9、)。事实上，光伏电池的短路电流与辐照度成正比，开路电压与温度成反比，辐照度增加、温度降低将使其最大功率增加。1“，故随着天气(辐照度、温度)变化，应实时调整负载的伏安特性使其相交于光伏电池伏安特性的最大功率输出点处，以实现“最大功率点跟踪(M P P T)”。自1 9 5 4 年实用光伏电池问世至今，晶体硅光伏电池占了光伏电池总产量的8 0 以上，广泛应用的单晶硅光伏电池光电转换效率已接近2 5；多晶硅光伏电池的光电转换效率虽较低，但其材料成本较低，可望成为主导产品之一 1 _ 2 引。随着光伏产业的迅猛发展，具有半导体材料消耗少、易批量生产、低成本、对弱光转化率高、易实现光伏建筑一体化等优势
10、的薄膜光伏电池成为第二代光伏电池研发的重点，其中，1 9 7 6 年问世的非晶硅薄膜光伏电池实验室效率已达1 2 8 旧1；2 0 世纪8 0 年代兴起的铜铟硒(o s)多晶薄膜光伏电池实验室效率已接近2 0 L 5J。进入2 l 世纪，以提高光电转换效率、降低成本为目标的第三代光伏电池，如叠层、玻璃窗式、纳米光伏电池等研究方兴未艾1,5 。2光伏发电系统的结构和工作原理2 1离网型光伏发电系统k 或离网型光伏发电系统亦称为独立光伏发电系统，图4为其典型结构示意图。(b)功率特性图3 光伏电池输出特性M a c h i n eB u i l d i n g8A u t o m a t i o
11、n，A p r 2 0 1 0，3 9(4)：1 8 6 1 8 9图4 离网型光伏发电系统图4 中的蓄电池是离网型光伏发电系统中必不可少的储能器件，光伏阵列受太阳光照发出的电能通过控制器、D C D C 变换器对蓄电池进行高效、快速充电；而蓄电池储存的电能可通过放电器向直流负载馈电或经D C A C1 8 7 万方数据技术讲座王宏华光伏发电原理及发展现状变换向交流负载供电。控制器根据当前工况通过对D C D C 变换器控制调整光伏阵列等效负载的大小，实现M P P T；另一方面，控制器采用正弦波调制(S P W M)或空间矢量脉宽调制(S V P W M)技术对电压源型D C A C 逆变器
12、进行控制以输出总谐波畸变率低、稳定可靠的交流电。防反充二极管可防止蓄电池对光伏阵列放电，以避免反向电流损坏光伏阵列。离网型光伏发电系统主要应用于远离公共电网的无电地区旧。或容量较小(一般不超过几百瓦)的户用光伏系统。2 2 并网型光伏发电系统并网型光伏发电系统与公共电网相联接，其典型结构示意图如图5 所示。太阳光震D C D C控制器图5 并网型光伏发电系统(两级式)交流负载直流负载图5 中，实现M P P T 的前级D C D C 变换控制与实现逆变、并网控制的后级D C A CP W M 控制独立，降低了后级逆变器并网工作与光伏阵列输出功率的相互影响，在提高太阳能利用率的同时，提高并网电流
13、品质“。并网型光伏发电系统具有太阳能利用率高、可省略蓄电池储能环节、发电成本较独立型光伏发电显著降低等优点，其是光伏发电技术发展的趋势，主要有大型联网光伏电站和住宅联网型光伏系统两大类，其中，光伏系统与建筑相结合(B A P V)的住宅屋顶联网型光伏系统已成为光伏产业的一个热点B 4 1。并网型光伏发电系统的关键技术包括光伏阵列M P P T、逆变、并网控制、并网保护及孤岛效应检测等“2 1。3光伏发电技术的发展趋势光伏发电技术研究始于1 8 3 9 年“光伏效应”的发现。1 9 5 4 年，G P e a r s o n 等开发出光电转换效率为6 的单晶硅光伏电池，其为现代晶体硅光伏电池的雏
14、形。目前，高效晶体硅光伏电池和各类薄膜光伏电池是世界光伏产业的热点之一。在光伏发电技术开发之初的2 0 世纪7 0 年代，由于制造成本高，光伏发电仅用于人造卫星、海岛灯塔等场所，1 9 7 6 年全球光伏电池年产量仅几百千瓦旧1。2 0 世纪8 0年代以来，随着光伏电池技术的不断进步、成本不断降低(2 0 0 3 年，国际市场光伏模块的售价已降至2 5 3 美形瓦；2 0 0 8 年，美国F i r s tS o l a r 公司C d T e 薄膜光伏电池成本为1 美元瓦)，光伏产业迅猛发展，1 9 9 7 年全球光伏电池1 8 8 年产量为1 6 3 3M W，2 0 0 7 年则增至37
15、 3 3M W“1。近年来，世界光伏产业以每年超过3 0 的速度递增，成为发展速度最快的行业之一。到2 0 0 9 年底，全球光伏发电装机容量累计达23 0 0 万千瓦，当年新增装机约为7 0 0 万千瓦峥1。近年来，并网光伏发电的应用比例快速增长，已成为光伏发电的主导市场。1 9 9 6 年，并网光伏系统比例仅为7 9，而2 0 0 7 年则增加至8 0 左右。目前，光伏与建筑相结合的分布式并网系统市场份额远大于大型联网光伏电站；而大型联网光伏电站是可再生能源发电的重要发展方向，其容量可达M W 或G W 级，所发电能可直接并入高压电网川。据国际能源组织(I E A)预测“：2 0 2 0
16、年世界光伏发电的发电量占总发电量的l，2 0 4 0 年则占总发电量的2 0。我国对光伏电池的研究始于1 9 5 8 年。2 0 世纪8 0 年代以前，光伏电池年产量一直低于1 0k W。进入2 l 世纪以来，我国光伏产业的生产能力快速扩大，2 0 0 0 年光伏电池年产量猛增至3M W；2 0 0 7 年，成为世界最大的光伏电池生产国，占世界总产量的2 7 2；2 0 0 8 年产量达20 0 0M W P，仍居世界第一【t 5 。2 0 0 7 年，无锡尚德位居世界光伏电池生产厂产量第3。2 0 0 7 年，我国光伏发电装机容量累计达l O 万千瓦；2 0 0 8 年约为1 5 万千瓦；2
17、 0 0 9 年则增为3 1 万千瓦。目前，我国光伏发电系统主要为离网型，今后将逐步向并网型光伏发电系统方向发展。据可再生能源中长期规划，到2 0 2 0 年全国建成2 万个屋顶光伏发电项目，总容量1 0 0 万千瓦1。综观世界光伏发电技术几十年来的发展历程，呈现出如下发展趋势2”。引：晶体硅光伏电池光电转换效率和生产技术水平持续提高；随着晶体硅光伏电池的硅片厚度不断降低，硅材料消耗不断减小，光伏电池生产成本大幅降低；C d T e、非晶硅、C I S 等薄膜光伏电池已逐步进入市场，随着薄膜光伏电池技术不断进步，薄膜光伏电池的市场份额将快速增长；多晶硅薄膜光伏电池的光电转换效率不断接近晶体硅光
18、伏电池，成本远低于晶体硅光伏电池，发展前景广阔；叠层、量子点、多能带、热光伏、多载流子光伏电池等方兴未艾的新一代光伏电池将克服第一代硅光伏电池成本高、第二代非晶硅等薄膜光伏电池光电转换效率低的局限，且有原材料丰富、无毒等优点；光伏发电产业专用设备和仪器制造技术不断进步，光伏电池生产规模及生产能力快速增长，光伏模块价格大幅降低；并网型光伏发电的应用比例不断增加，逐步成为光伏发电的主流，光伏系统与建筑相结合的太阳能建筑逐步进入商品化生产时期。尽管与传统发电方式相比，目前光伏发电的成本仍偏高，尚不具备大规模商业开发的条件，但以太阳能为主体的新能源将成为2 l 世纪世界能源供应的主体，可以预测随着光伏
19、产业的快速发展，光伏发电的成本将不断下降并逐步逼近传统发电成本的水平，从而成为具备竞争能力的可再生能源“。参考文献：1 赵争鸣，刘建政，孙晓瑛。等太阳能光伏发电及其应用 M 1 版北京：科学出版社，2 0 0 5 h t t p：Z Z H D c h i n a j o u r n a l n e t c aE-m a i l：Z Z H D c h a i 眦j o u m a l n e t C l l 机械制造与自动化)万方数据技术讲座王宏华光伏发电原理及发展现状 2 王长贵，王斯成太阳能光伏发电实用技术 M 2 版北京：化学工业出版社，2 0 0 9 3 冯垛生，主编，宋金莲，赵慧，
20、林珊，等编著太阳能发电原理与应用 M 1 版北京-A 民邮电出版社，2 0 0 7 4 蔡宣三太阳能光伏发电发展现状与趋势 J 电力电子，2 0 0 7(2)：3-6 5 殷志刚太阳能光伏发电材料的发展现状 J 可再生能源，2 0 0 8(5)：1 7-2 0 6 王乾坤，方彤世界太阳能光伏发电发展剖析 N 国家电网报2 0 1 0-0 5-2 7 7 尹璐，赵争鸣光伏并网技术与市场现状与发展 J 变频器世界，2 0 0 8(1 0)：3 4-3 9 8 刘道春太阳能光伏发电技术及其发展前景 J 大众用电，2 0 0 9(3)：1 9-2 0 9 庾晋太阳能光伏发电存在的问题及促进措施 J 光
21、源与照明，2 0 1 0(1)：4 2 禾技术，2 0 0 9(3)：l-8 1 1 尹淞太阳能光伏发电主要技术与进展 J 电力技术，2 0 0 9(1 0)1 2 李畸勇基于模糊控制的最大功率点跟踪三相光伏发电系统研究 D 南京：河海大学博士学位论文，2 0 1 0 1 3 赵玉文，吴达成，王斯成，等中国光伏产业发展研究报告(2 0 0 6-2 0 0 7)(上)J 太阳能。2 0 0 8(6)：1 1 1 8 1 4 马胜红，李斌，陈东兵，等加速开拓国内光伏市场的可行性分析 J 太阳能，2 0 0 9(1 2)1 5 马胜红，李斌，陈东兵，等加速开拓中国国内光伏市场的必要性和紧迫性 J 太
22、阳能，2 0 0 9(1 0)1 6 杨萍薄膜太阳电池市场发展评析 J 太阳能，2 0 0 9(1 1)1 7 邓菊莲，崔海昱，王志刚，等第三代太阳电池技术 J 太阳能，2 0 0 8(3)1 0 尹淞，郝继红我国太阳能光伏发电技术应用综述 J 电力收稿日期：2 0 1 0 0 7 1 9由U B 五凶B 硒U 匹五出n 重h n 五n 正山蛆上山工溘l 置皿岛U n t U n 正啦点乱n 墨山n 置d 置a 缸U 氐固J U n 置a 重U B 五山n 置出B 置B 五U 置U n 重J 溘上d 山U n n 置山n 更正刊登在本刊2 0 1 0 年第3 期第6 1 页上的图4 应为：佳径一致的中径线佳(a)单一中径与中径一致(b)单一中径偏向牙顶公式如最佳径线佳瓣(c)单一中径偏向牙底图4 三针法测量同一种螺纹单一中径三种情况的单针局部图一巳2 c o s o v 2特此更正，并向作者表示歉意。应为：d o 最佳=丽勃(3)M a c h i n eB u i l d i n g8A u t o m a t i o n，A p t2 0 1 0，3 9(4)：1 8 6 1 8 9机械制造与自动化编辑部线1 8 9 万方数据