光伏发电技术系列讲座光伏发电原理及发展现状

本文由lmj2003126贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。·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，江苏南京210098）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5276（2010）04018604中图分类号：TK51文献标志码：A文章编号：1671TheSeriesofLecturesonPhotovoltaicPowerTechnology（Part1）PrincipleandDevelopmentofPhotovoltaicPowerWANGHonghua（DepartmentofAutomationEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China）Abstract：Thispaperdescribestheprincipleandstructureofphotovoltaicpowersystem，andpresentsthelatestdevelopmenttrendandresearchprogressofphotovoltaicpowertechnologies．Keywords：solarenergy；solarcell；photovoltaicarray；photovoltaicpowersystem0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［1］桶石油燃烧的能量，太阳能开发与利用正逐步成为各国政府重点发展的战略。热能和光能利用是太阳能应用。“光伏发电”的两种重要形式是利用光伏电池的光伏效应将太阳光的光能直接转换为电能的一种可再生、无污染正在全球范围内迅猛发展，其不仅要替代部的发电方式，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原理，综述了国内外光伏发电技术的发展现状及发展趋势。图1单晶硅光伏电池发电原理1光伏电池的原理及发展现状P，区分别带正、N负电，于是产生由N区指向P区的光生则有电流从P区流出，经负载从电动势；当外接负载后，N区流入光伏电池。I图2为光伏电池等效电路，其中，ph为与光伏电池面2积、入射光辐照度成正比的光生电流（1cm硅光伏电池［1］IN的Iph值为16～30mA）；ID，sh分别为P-结的正向电1839年，国的EdmondBecquerel发现了“光伏效法，应”即光照能使半导体材料内部的电荷分布状态发生变N化而产生电动势和电流。光伏电池是基于半导体P-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。1954年，美国Bell实验室的G．Pearson等发其原理如图1所示。明了单晶硅光伏电池，图1中，太阳光照射到光伏电池表面，其吸收具有一在内部产生处于非平衡状态的电子－空穴定能量的光子，N对；在P-结内建电场的作用下，电子、空穴分别被驱向N，区，PN从而在P-结附近形成与内建电场方向相反的光N生电场；光生电场抵消P-结内建电场后的多余部分使作者简介：王宏华（1963—流、漏电流；串联电阻RS主要由电池体电阻、电极导体电阻等组成（RS一般＜1Ω）；旁漏电阻Rsh由硅片边缘不清洁或体内缺陷所致（Rsh一般为几kΩ）；RL为外接负载电IU电流；当负载开路阻，L，O分别为光伏电池输出电压、（RL=∞）时，UO即为开路电压Uoc，其与环境温度成反2比、与电池面积无关（在100mW/cm的光谱辐照度下，硅［2］光伏电池的Uoc一般为450～600mV）。与图2对应的光伏电池解析模型为［1］：），江苏泰州人，男，博士，现为河海大学教授、博士生导师。研究方向为新型交直流电力传动等。http：∥ZZHD．chinajournal．net．cnEmail：[e-mail]《机械制造与自动化》·186··技术讲座·王宏华·光伏发电原理及发展现状图3表明，一定的温度、照度下，光伏电池对应存在一Pmax=UpmaxIpmax），个可能的最大功率输出运行点（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。R*R图3（a）中，给出了3条不同阻值RL1，L，L2的电阻负载其与光伏电池伏安特性的3伏安特性（RL1＜RL＜RL2），M，个交点A，B则为对应的3个实际工作点，只有当负载*电阻RL=RL时光伏电池才运行在最大功率点M，输出最图2光伏电池等效电路IL=Iph－ID－IshIph=IscS+CT（T－Tref）1000大功率Pmax（UpmaxIpmax）。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［3，1-12］，度降低将使其最大功率增加故随着天气（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“最大功率点电池伏安特性的最大功率输出点处，以实现。跟踪（MPPT）”自1954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80%以上，广泛应用的单晶硅光伏电池光电转换效率已接近25%；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［2，1-5］。随着光伏产业的迅猛发展，具有半导体材品之一料消耗少、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的薄膜光伏电池成为第二代光伏1976年问世的非晶硅薄膜光伏电电池研发的重点，其中，池实验室效率已达12．8%；20世纪80年代兴起的铜铟［5］。硒（CIS）多晶薄膜光伏电池实验室效率已接近20%进入21世纪，以提高光电转换效率、降低成本为目标的第如叠层、玻璃窗式、纳米光伏电池等研究方三代光伏电池，［5］1，。兴未艾［2］*ID=ID0（qET3［nkg（T1－1）］q（Uo+ILRS））e［e－1］refTTrefnkTIsh=Uo+IIRsRshI上式中，sc为RL=0时的短路电流（A）；T为环境温度（K）；Tref为参考温度（一般取298K）；S为实际太阳光辐2－29照度（W/m）；CT为温度系数（A/K）；q=1．6×10C；k=1．38×10－23J/K；n，D0分别为二极管排放系数、I反向电流；Eg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，需将多个容并联成数瓦到数百瓦的光伏模量较小的单体光伏电池串、块（其输出电压一般在十几～几十V），进一步可将多个并联成光伏阵列。图3为在环境温度25℃光伏模块串、2（T=298K），太阳光辐照度S=1000W/m条件下某光1］伏模块（其解析模型参数参见文献［）的仿真输出特性。22．1光伏发电系统的结构和工作原理离网型光伏发电系统离网型光伏发电系统亦称为独立光伏发电系统，4图为其典型结构示意图。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图3光伏电池输出特性的储能器件，光伏阵列受太阳光照发出的电能通过控制DC器、/DC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DC/AC·187·MachineBuildingAutomation，Apr2010，4）：186～18939（·技术讲座·王宏华·光伏发电原理及发展现状12007年则增至3733MW［－2］。近年年产量为163．3MW，来，世界光伏产业以每年超过30%的速度递增，成为发展变换向交流负载供电。控制器根据当前工况通过对DC/DC变换器控制调整光伏阵列等效负载的大小，现实MPPT；另一方面，控制器采用正弦波调制（SPWM）或空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术对电压源型DC/AC逆变器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。电地区系统离网型光伏发电系统主要应用于远离公共电网的无［2］或容量较小（一般不超过几百瓦）的户用光伏［1］速度最快的行业之一。到2009年底，全球光伏发电装机容［6］当年新增装机约为700万千瓦。量累计达2300万千瓦，近年来，并网光伏发电的应用比例快速增长，已成为并网光伏系统比例仅为光伏发电的主导市场。1996年，7．9%，2007年则增加至80%左右。目前，而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MW或GW级，所发电能可直接并入高13］。据国际能源组织（IEA）预测［：2020年世2040年则占总发界光伏发电的发电量占总发电量的1%，。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，其典型结构压电网［11］7，电量的20%。我国对光伏电池的研究始于1958年。20世纪80年代以前，光伏电池年产量一直低于10kW。进入21世纪2000年光伏电以来，我国光伏产业的生产能力快速扩大，3MW；2007年，成为世界最大的光伏电池年产量猛增至池生产国，占世界总产量的27．2%；2008年产量达2000［15］MWP，仍居世界第一。2007年，无锡尚德位居世界光伏电池生产厂产量第3。2007年，我国光伏发电装机容量累计达10万千瓦；2008年约为15万千瓦；2009年则增为31万千瓦。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2020年全国建成2万个屋顶光伏发电项目，总容量100万千瓦［2］示意图如图5所示。图5并网型光伏发电系统（两级式）图5中，实现MPPT的前级DC/DC变换控制与实现并网控制的后级DC/ACPWM控制独立，降低了后逆变、在提级逆变器并网工作与光伏阵列输出功率的相互影响，高太阳能利用率的同时，提高并网电流品质［12］。。综观世界光伏发电技术几十年来的发展历程，呈现出［2，17］1-13：晶体硅光伏电池光电转换效率和生如下发展趋势产技术水平持续提高；随着晶体硅光伏电池的硅片厚度不硅材料消耗不断减小，光伏电池生产成本大幅降断降低，CIS非晶硅、等薄膜光伏电池已逐步进入市场，随低；CdTe、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成本远低于晶体硅光伏电池，发展前景近晶体硅光伏电池，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第二代非晶硅等薄膜光伏电池光电转换效率低的局限，高、且有原材料丰富、无毒等优点；光伏发电产业专用设备和仪光伏电池生产规模及生产能力快速器制造技术不断进步，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，但以太阳能为主体可以预测的新能源将成为21世纪世界能源供应的主体，随着光伏产业的快速发展，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［13］可再生能源。参考文献：［1］赵争鸣，M］刘建政，孙晓瑛，太阳能光伏发电及其应用［．等．1版．北京：科学出版社，2005．Email：[e-mail]《机械制造与自动化》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着降低等优点［10］，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（BAPV）的住宅屋顶联网型光伏系统已成为光伏产业的一个热点［4］2，。并网型光伏发电系统的关键技术包括光伏阵列MPPT、变、并网控制、并网保护及孤岛效应检逆测等［111，12］。3光伏发电技术的发展趋势“光伏效应”光伏发电技术研究始于1839年的发现。1954年，G．Pears