光伏发电原理及发展现状

1、木文由汪恒新贡献pdf文档可能在wap端浏览体验不佳。建议您优先选择txt,或下载源文件到木机杳看。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朋(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：1671the series of lectures on photovoltaic power technology ( part

2、 1)principle and development of photovoltaic powerwang ilonghua ( departmentofautomation engineering, hohai university, nanjing 210098, china) abstract： this paper describes the principle and structure of photovoltaic power system, and presents the latest developmont trendand research progress of ph

3、otovoltaic power technologies.key words： solar energy； solar cell ； photovol taic array； photovol taic power system0引言众所周知，太阳能是一种用z不竭、储量巨大的清洁可再牛能源，每天到达地球表血的辐射能量相当于数亿万1桶石油燃烧的能量， 太阳能开发与利用止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肓接转换为电能 的一种可再牛、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

4、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(1 cm硅光伏电池1 i n的i ph值 为1630 ma )； i d , sh分别为p-结的正向电1839年，国的edmond becquerel发现了 "光 伏

5、 效 法，应”即光照能使半导 体材料内部的电荷分布状态发牛变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屮，太阳 光照射到光伏电池农而，其吸收具有-在内部产生处于非平衡状态的电子一空穴定能量 的光子，n对；在p-结内建电场的作用下，电子、空穴分別被驱向n,区，p n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

6、极导体电阻等组成（rs -般v 1 q）;旁漏电阻rsh山硅片边缘不清 洁或体内缺陷所致（rsh 一般为儿kq） ； rl 为外接负载电iu电流；当负载开路阻，l , 0分别为光伏电池输出电压、（rl= 8 ） 时，u 0即为开路电压u oc ,其与环境温度成反2比、与电池面积无关（在loomw/cm的光谱辐照度下，硅2光伏电池的u oc 般为 450 600 mv ）。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. on emai 1 : zzhd

7、chainajournal. net. cn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 p max = u pmax t pmax ）,个可能的最人功率输出运彳亍点（但实际丁作点则是 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rli , 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i l = i p

8、h -id- i sh i ph = i sc s + c t （ t t ref ）1 000 大功率 p max （ u pmax i pmax ）。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“最人功率点电池伏安特性的最人功率输岀点处，以实现。跟踪（mppt） ” 6 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，广泛应用的单品硅光伏电池光电转换效率已接近25% :多品硅光 伏电池的光电转换效率虽较低，但其材

9、料成木较低，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-料消耗少、易批量牛产、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年代兴起的铜鋼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、降低成本为目标的笫如叠层、玻璃窗式、纳米光伏电池等研究方三代光伏电池，5 1, o兴未艾2 *i d = i d0 (qe t 3 nkg ( t1 - 1 ) q ( u o + i l r s ) e e 1

10、 ref t t refnkt1 sh =uo + ii1t ref2rs r 上式中,sc 为参考温度 一 29照度sh为 r l = 0(一般取298 (w / m ):的k)c短路电流（a）；;s为实际太阳光辎t为温度系数（a / k）t为环境温度（k）；q = 1.6 x 10 c； k=1.38 x 10 - 23 j /k； n, do分别为二极管排放系数、1反向电流；eg为表征半导体禁带宽度的常a（ v）o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 儿儿十v）,进一步可将多个并联成光伏阵列。图3为在环

11、境温度25 °c光伏模块 串、2 （ t二298 k）,太阳光辐照度s = 1 000 w / 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屮的蓄电池是离网型光伏发电系统屮必不可少图3光伏电池输出特性的储能器 件，光伏阵列受a阳光照发出的电能通过控制dc器、/dc变换器对蓄电池进行髙效、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 / ac187machine buildinga utomation

12、, a pr 2010,4）:186 189 39 （技术讲座王宏华光伏发电原理及发展现状1 2007年则增至3 733 mw - 2。近年年产量为163.3 mw,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対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）技术对电圧源型dc / ac逆变器进行控制以输岀总谐波 畸变率低、稳定可靠的交流电。防反充二极管可防i上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

13、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。虽累计达2 300万千瓦，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，而光伏与建筑和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；而人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 o据国际能源组织（iea）预测:2020年世2040年则占总发 界光伏发电 的发电量占总发电最的1% ,

14、o2. 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% o我国对光伏电池的研究始于1958年。20世纪80年代以前，光伏电池年产呈:一直低于10 kwo进入21世纪2000年光伏电以来，我国光伏产业的生产能力 快速扩人，3 mw； 2007年，成为世界最人的光伏电池年产最猛增至池生产国，片|比界 总产量的27.2% ；2008年产量达2 000 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3o2007年，我国光伏发电装机容量累计达10万 千乩；2008年约为15万t乩；2009年则增为31万千瓦。目前，我国光伏发

15、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。据可再牛能，源中长期规 划到2020年全国建成2万个屋顶光伏发电项r,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屮，实现mppt的前级dc/dc变换控制与实现 并网控制的后级dc / ac pwm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儿十年來的发展历程，呈现出2,17 1- 13：品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鬲；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

16、生产成木人幅降断降低，cis非晶硅、等薄膜光 伏电池已逐步进入市场，随低；cdtc、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；多品硅薄膜光伏电池的光电转换效率不断接成本远低于品体硅光伏 电池，发展前景近品体硅光伏电池，广阔；叠层、量子点、多能带、热光伏、多载 流子光伏电池等 方兴耒艾的新一代光伏电池将克服第一代硅光伏电池成本笫二代非晶硅等 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牛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

17、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，n 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木的水平，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：科学岀版社，2005. email： zzhd chainajournal, net. cn机械制造与自动化 并网型光伏发电系统具有人阳能利用率高、可省略蓄电池储能环节、发电成木较独立 型光伏发电

18、显著降低等优点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,o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, 123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. pearson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 体硅光伏电池的雏形。目前，高效品体硅光伏电池和各类薄膜光伏电池是世界光伏产业的 执占之一3 1-o在光伏发电技术开发z初的20世纪70年

19、代，由于制 光伏发电仅用于人造卫星、海 岛灯塔等场所，造成本高，2 1976年全球光伏电池年产量仅几百千瓦。20世纪80年代以來，随着光伏电池技术的不断进步、成本不断降低(2003年，国际市场光 伏模块的售价已降至2.53美元/瓦；2008年，美国first solar公司cdtc薄膜光伏电池成本为1美元/瓦),光伏产业迅猛发展，1997年全球光伏电池188http： zzhd. china journal. n et. cn技术讲座王宏华光伏发电原理及发展现状2009( 3) : 18.技术，11尹淞.太阳能光伏发电主要技术与进展电 力技术，j 2009 ( 10)12李畸勇.基于模糊控制的最大功率点跟踪三相光伏 发电系d 2010.统研究南京：河海大学博士学位论文，13赵玉文，吴达 成，王斯成，中国光伏产业发展研究报告等.(20062007)(上).太阳能， j 2008 ( 6) :1118. 14马胜红，李斌，陈东兵，加速开拓国内光伏市场的可行性等.j 2009 ( 12)分析太阳能，15马胜红，李斌，陈东兵，加 速开拓中国国内光伏市场的必等.j 2009 ( 10).要性和紧迫性太阳能，16 杨萍.薄膜太阳电池市场发展评析.太阳能，j 2009 ( 11) . 17邓菊莲，j 崔海