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光伏发电产品。

美国在１９９８年启动“百万光伏屋顶计划（ＭｉｌｌｉｏｎＰＶ　Ｒｏｏｆ　Ｐｒｏｇｒａｍ’）”，总容量３０００　ＭＷ，计划２０１０年完成。启动１年后，就已在１０，０００户住宅屋顶上铺设了光伏器件，每户由太阳能供电５￣１０ｋＷ。同时期，日本每年投资１１０亿日元于光伏发电，其中半数投入于５００ＭＷ‘光伏屋顶计划’。德国已实施“１０万光伏屋顶计划”，总容量３００ＭＷ［１］。荷兰则建立１ＭＷ　光伏发电系统，提供５０００住宅用电。欧盟计划实施“百万光伏屋顶”项目，一半建在欧州［１２］。国际上已建成２－－６．５ＭＷ的荒漠光伏电站１５个，提出“百万ｋＷ光伏发电系统规

［１］划”。

示范工程”，在新疆和田皮山县的巴西兰干（贫困）乡、奥依吐格拉克（无电）村开发建设３０ｋＷ光伏扬水与照明综合应用系统（包括５座光伏电站）。该系统可以提供３５５户村民用电需要、提供５００亩灌溉和１３５０村民和４３００只羊群饮用水［４］。该项成果获２０００年中国高校科技进步一等奖，并在我国西部地区得到推广应用。

５　　光伏系统的变换器拓扑与控制

图３是小型光伏系统中所用的变换器拓扑，适合于联网住宅用光伏系统。光伏阵列输出的直流电压，经Ｂｏｏｓｔ变换器升压，接ＰＷＭ全桥式逆变器，经过滤波器滤波后，并联于电网。图３中，光伏阵列输出的直流电压低，而逆变器的输出电压为交流工频２２０　Ｖ，拓扑没有绝缘隔离。如果需要，也可以采用有隔离的ＤＣ／ＤＣ变换器或逆变器拓扑方案。对于大功率的光伏系统，应该选用三相三电平逆变器。

２００２年光伏发电增长最快的三个国家是德国、日本和美国，增长率依次为３０％、２９％和２１％。日本人均占有额５Ｗ高于德国人均３．４Ｗ。２００４年，德国建设５ＭＷ光伏发电，可为１８００户供电。

美国计划在２０２０年以前安装３ＧＷ光伏发电容量（增加１５％）累计达１５ＧＷ（１ＧＷ＝１０００ＭＷ）。届时全世界光伏发电总装机容量将为７０ＧＷ［３］。

图３　　小型光伏系统的变换器拓扑

光伏系统中光伏阵列与逆变器有三种组合形式，如

４　　中国光伏技术的发展

中国１９９０年以前光伏电池的生产能力还只有４．５ＭＷ／年。２００４年达１００ＭＷ，实际产量为４２ＭＷ，光伏模块售价现已降为３０－４０元（ＲＭＢ）／ｐＷ［１］。

１９９５年，２５ｋＷ离网式光伏电站在我国西藏双湖县建成。地处海拔５１００ｍ［５］，是世界上海拔最高的一个光伏电站。同年在山东一个海岛上建成３０ｋＷ混合式光伏与风力发电系统，年发电量约５６ＭＷ－ｈ。

据报道，在我国边疆、沙漠、草原（即荒漠地区）建设光伏电站的计划早已启动。此项计划若完成，可在２０１０年前，提供我国西北地区人均１００Ｗ的电能，满足２３００万人口对电的需求［４］。

２００４年，我国深圳园林花卉博览园建成１ＭＷ并网光伏电站。２００４年全国光伏发电装机容量累计为６５ＭＷ［１］。

预计我国１５年内光伏发电装机容量的发展为：２００４年：６５ＭＷ；２０１０年：５００ＭＷ；２０２０年：１０００ＭＷ。

２００１年，清华大学电机系实施西部开发专项研究课题，以及与新疆计委合作的“太阳能绿洲生态经济系统

图４。

图４　　　光伏阵列与逆变器的组合形式

（ａ）　　集中式逆变器

光伏阵列由若干‘串’（Ｓｔｒｉｎｇ）光伏组件并联，每串由若干ＰＶ模块串联组成，用一台集中式电压源逆变器（ＶＳＩ，开关频率１０－２０ｋＨｚ）将光伏阵列输出的直流电变换为５０Ｈｚ交流电。一般适用于１０ｋＷ以上的三相系统。其特点是效率高，费用低。对于兆瓦级光伏电站，可用若干台１００－２５０ｋＷ集中式逆变器并联。

（ｂ）　串式逆变器（Ｓｔｒｉｎｇ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ）

适用于住宅光伏系统。每串光伏组件接１．５－５ｋＷ单相逆变器，称为串式逆变器，若干串式逆变器并联联结。每串光伏组件和串式逆变器分别有最大功率点追踪（ＭＰＰＴ）控制。

（ｃ）　模块集成（Ｍｏｄｕｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）逆变器

每个模块有一台５０－４００　Ｗ单相逆变器，称为模块逆变器。若干模块逆变器再并联集成。缺点是效率低。而且每个模块需要自己的ＭＰＰＴ。

状况有关。温度每增加１℃，光伏模块的开路电压　下降０．２￣０．５％。光伏系统所处的位置、气候，对光伏系统的额定功率影响甚大。低温时光伏器件可产生更大功率，所以在冬天，光伏系统的运行性能可以更好。但由于冬季日照时间短，太阳角度（ｓｕｎ　ａｎｇｌｅｓ）低，光伏系统发电量冬季比夏季要少。

７　　光伏系统待研究课题

光伏系统的研究开发课题包括：改进光伏模块性能，提高光伏器件的光／电转换效率，降低光伏器件的初投资费用，光伏器件的节能生产工艺流程，新型高效（超高效）光伏电池的创新研发，住宅光伏系统的联网运行，以及光伏系统设备的标准化等。

参考文献

［１］严陆光等，我国大规模可再生能源基地与技术的发展研究，电工电能新技术，ｖｏｌ．２６，，ＮＯ．１，２００７

［２］Ｘ．Ｓ．Ｃａｉ，Ｐｈｏｔｏ－ｖｏｌｔａｉｃ　Ｐｏｗｅｒ，　Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｒｔ＆　Ｆｕｔｕｒｅ　Ｔｒｅｎｄｓ，ＩＥＥＥ北京分会Ｆｅｌｌｏｗ学术讲演会，

图５　　小型光伏系统的控制框图

２００６，８，北京。

［３］Ｍ．　Ｓｈａｓｈｉｄｅｈｐｏｕｒ，　Ｆｒｅｄ　Ｓｃｈｉｗａｒｚ，　Ｄｏｎ’ｔ　ｌｅｔｔｈｅ　ｓｕｎ　ｄｏｗｎ　ｏｎ　ＰＶ，　Ｐｏｗｅｒ　＆　Ｅｎｅｒｇｙ，　ＩＥＥＥ，　Ｎｏ．３，Ｖｏｌ．２，　２００４，４１－４８

［４］赵争鸣等，太阳能发电综合应用系统，电力电子（北京），　Ｎｏ．２，　２００３，　７—１０

［５］孙广生，西藏双湖２５ｋＷ　光伏电站交流配电系统

小型光伏系统的控制框图如图５，适用于住宅光伏发电。控制系统中包括ＰＷＭ控制、锁相环ＰＬＬ控制、电流控制、电压控制、ｄｖ／ｄｔ控制、温度控制、ＭＰＰＴ控制、ＤＳＰ控制、与其它光伏系统的同步控制，以及保护、故障检测、电能量测计算等。

６　　光伏发电的优缺点与经济分析

太阳光是一种清洁能源，光伏系统无污染，不产生温室气体；安静，可靠，无需特别维护，寿命长；模块化安装、有发展余地；在光伏器件的寿命期内，发电费用是固定不变的。

光伏器件生产过程中耗能大，需要开发现代节能的生产工艺过程。光伏电站投资高，例如生产１００Ｗ或１００Ｗ以上电能，需投资５￣３０美元／瓦。

每瓦光伏发电装机容量平均生产电能每天２￣６瓦时，随季节和位置而变。光伏电能的生命周期费用（ｌｉｆｅ－ｃｙｃｌｅ　ｃｏｓｔ）约为０．２￣１美元／ｋＷｈ［３］。光伏模块在光伏发电系统中所占费用一般为１／２￣２／３。逆变器的费用为０．２５￣１．５美元／瓦，在屋顶光伏系统、与建筑物集成的光伏系统中，这两项设备在总费用中占有很大比例。

住宅光伏系统的投资回收时间约为１５年，准确的投资回收时间与光辐照强度、可利用率以及光伏系统的运行

的设计与实施，电工电能新技术，Ｖｏｌ．１５，　Ｎｏ．３，　１９９６，２６－３１

［６］可再生能源发展战略研讨会论文集，　清华大学，２００５，１０

［７］Ｒｅｍｕｓ　Ｔｅｏｄｏｒｅｓｃｕ　＆　Ｆｒｅｄｅ　Ｂｌａａｂｊｅｒｇ，　Ｐｈｏｔｏ－ｖｏｌｔａｉｃ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｒｅ　ｗｉｔｈ　ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，　ＩＥＥＥＰｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　Ｎｅｗｓｌｅｔｔｅｒ，　Ｆｏｕｒｔｈ　Ｑｕａｒｔｅｒ，２００５，１０－１３

作者简介

蔡宣三　清华大学教授，ＩＥＥＥ　（国际电气、电子工程师学会）　Ｆｅｌｌｏｗ。现为中国电源学会名誉理事长、北京电力电子学会顾问，《电力电子》期刊编委会主任等。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/18aj.html