太阳能光伏发电的探讨

太阳能光伏发电的探讨

李德强

（神雾科技集团股份有限公司北京100071）

摘要：环境问题、经济问题、资源问题等是我国发展急需调整的问题，同时随着环境污染情况的加重以及燃料资源的日益缺乏，使人们逐渐认识到再生能源发电的重要性，如风力发电、潮汐发电、太阳能发电等。本文就太阳能光伏发电原理及发展进行探讨。

关键词：太阳能光伏发电；系统设计；发展现状

一、光伏发电系统

太阳能发电系统分为离网发电系统、并网发电系统及分布式发电系统：

1、离网发电系统主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。

2、并网发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电这后直接接入公共电网。并网发电系统有集中式大型并网电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，还没有太大发展。而分散式小型并网发电系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网发电的主流。

3、分布式发电系统，又称分散式发电或分布式供能，是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另外还有供电系统监控装置和环境监测装置。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节。

二、系统主要设备组成

1.1.1太阳能电池板

分类晶体硅电池板：多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池。非晶硅电池板：薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。化学染料电池板：染料敏化太阳能电池。

（1）单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。

（2）多晶硅太阳能电池

多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12%左右(2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。

（3）非晶硅太阳能电池

非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。

（4）多元化合物太阳电池

多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产，主要有以下几种：a)硫化镉太阳能电池b)砷化镓太阳能电池c)铜铟硒太阳能电池(新型多元带隙梯度Cu(In,Ga)Se2薄膜太阳能电池)

Cu(In,Ga)Se2是一种性能优良太阳光吸收材料，具有梯度能带间隙（导带与价带之间的能级差）多元的半导体材料，可以扩大太阳能吸收光谱范围，进而提高光电转化效率。以它为基础可以设计出光电转换效率比硅薄膜太阳能电池明显提高的薄膜太阳能电池。可以达到的光电转化率为18%，而且，此类薄膜太阳能电池到目前为止，未发现有光辐射引致性能衰退效应（SWE），其光电转化效率比商用的薄膜太阳能电池板提高约50~75%，在薄膜太阳能电池中属于世界的最高水平的光电转化效率。

1.1.2逆变器光伏发电系统对逆变器要求较高

1.要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率.

2.要求具有较高的可靠性。

3.要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定

4.在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。

这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载对电网品质有较高的要求，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免与公共电网的电力污染，也要求逆变器输出正弦波电流。逆变器将直流电转化为交流电，若直流电压较低，则通过交流变压器升压，即得到标准交流电压和频率。对大容量的逆变器，由于直流母线电压较高，交流输出一般不需要变压器升压即能达到２２０Ｖ，在中、小容量的逆变器中，由于直流电压较低，如１２Ｖ、２４Ｖ，就必须设计升压电路。

三、我国太阳能光伏发电现状及发展前景

我国太阳能光伏发电发的开发和研究起步于20世纪70年代，90年代进入稳定发展时期，太阳能光伏发电主要应用在通信和工业方面。进入21世纪开始注重发展太阳能光伏发电研究，2000年，我国的光伏技术已经步入大规模的并网发电阶段。2002年我国政府启动了“光明工程”，“送电到乡工程”等项目，重点开发和利用太阳能光伏发电。2004年，我国又提出建设阳光三峡的设想。2006年~2010年共建立8座荒漠电站，总容量为80MWp。2011年中国国内新增光伏装机容量2.7GWp，占到2011年全球新增光伏装机容量的10%左右。2012年中国光伏发电容量已经达到了7982.68MW，主要分布在我国的西北部地区，19个省共核准了484个大型并网光伏发电项目，总容量为11543.9MW[3]，2012年共计98个并网发电站。主要集中在宁夏、青海、甘肃3个省。根据OFweek行业研究的最新数据显示，2013年上半年，中国光伏发电累计容量已经到达10.77GWp，中大型光伏电站占5.49GWp，分布式光伏发电系统为5.28GWp[3]。2015年我国太阳能光伏发电容量达到20GWp。

四、发展我国太阳能光伏的建议

发展我国光伏产业，必须制定有关近期、中、长期发展目标。目前，我国光伏发电站分布不均，还是主要集中在西北部地区。虽然说我国生产冶金级硅，但光伏板所用的硅片还依靠其他国家。所以，我国光伏产业首要任务是发展高纯度硅材料。光伏发电最为关键的问题还是提高转换效率和降低和成本，通过改进目前有的制造工艺、设计新的电池结构、开发新型电池材料等方式，降低制造成本，提高光电转换效率。还要发展其他新型太阳能电池。

为了解决我国能源和环境严峻的问题，加快我国的光伏产业的发展，本位提出以下几点建议：建立具有国际水准的太阳能光伏研发中心；国家设立太阳能光伏领导机构；构建太阳能光伏发电与建筑一体化的结合；采用风光互补来完善我国光伏市场；制定太阳能光伏屋顶计划，实施在房屋；加大光伏发电的并网应用工程，从发展户用系统逐步过渡到发展并网应用系统。

通过太阳能光伏发电与建筑一体化的结合，实现建筑本身就是一个太阳能转换中心的目标。笔者相信，随着太阳能光伏发电技术的不断提高，其成本也会快速降低，从而会更好的促进我国太阳能光伏产业的稳步发展。

五、结束语

随着社会的快速发展，光伏发电技术不断的进步，光伏发电成本的不断下降，我国太阳能光伏发电产业将会迅速的发展。大力的开发和使用太阳能光伏起到“节能减排”的号召。太阳能光伏发电的广泛应用，大大的缓解中国能源紧张，改善生态环境。所以我们要高效的利用这个生命之源-太阳能。

参考文献

[1]苏佳凯.中国新能源发展概述[J].北京农业，2011（12）：56-58.

[2]李芬，陈正洪，何明琼等。太阳能光伏发电的现状及前景[J].水电能源科学，2011，29（12）：188-192.

[3]胡云岩，张瑞英，王军.中国太阳能光伏发电的发展现状及前景[J].河北科技大学学报，2014，01（11）：34-38.

[4]张兴，曹仁贤，等.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京：机械工业出版社，2010：291—292．

作者简介

李德强（1981.4），男，天津人，河北工业大学双学士，电力专家，单位：北京神雾科技集团股份有限公司。