太阳能光伏发电

关于太阳能光伏技术的调查研究

一：太阳能的发展二：国内外太阳能光伏技术的研究利用现状三：太阳能光伏技术应用的主要原理与关键技术四：太阳能光伏发电应用及工程实例五：国家政策与市场前景六：未来太阳能发展的展望一：太阳能的发展当前，全球化石能源资源日益短缺、气候变化等环境压力日渐增大。太阳能、风能、生物质能等新能源和可再生能源已被世界各国政府作为重要的战略替代能源。党中央、国务院高度重视太阳能、风能等新能源与可再生能源的发展，明确指出：太阳能、风能等新能源产业正孕育着新的经济增长点，也是新一轮国际竞争的战略制高点，当前国际能源问题和环境问题为新能源产业发展带来了机遇，要把发展太阳能、风能等新能源作为应对危机的重要举措。

太阳能发展的七个阶段开发阶段（1900-1920）冷落阶段（1920-1945）恢复阶段（1945-1965）停滞阶段（1965-1973）过渡阶段（1973-1980）低谷阶段（1980-1992）高潮阶段（1992-至今）总结：1.太阳能发展道路不平坦，高低交错；2.太阳能开发难度大，短时间内很难实现大规模利用；3.太阳能利用还受矿物能源供应、政治和战争等因素影响，发展道路比较曲折。

背景及意义

能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。自工业革命以来，能源安全问题就开始出现。1913年，英国海军开始用石油取代煤炭作为动力时，时任海军上将的丘吉尔就提出了“绝不能仅仅依赖一种石油、一种工艺、一个国家和一个油田”这一迄今仍未过时的能源多样化原则。随着人类社会对能源需求的增加，能源安全逐渐与政治、经济安全紧密联系在一起。但是，人类在享受能源带来的经济发展、科技进步等利益的同时，也遇到一系列无法避免的能源安全挑战，能源短缺、资源争夺以及过度使用能源造成的环境污染等问题直接威胁着人类的生存和发展。

然而地球上化石燃料的蕴藏量是有限的，根据已探明的储量，全球石油可开采约45年，天然气约61年，煤炭约230年，铀约71年。据世界卫生组织估计，到2060年全球人口将达到100―110亿，如果到时所有人的能源消费量都达到今天发达国家的人均水平，则地球上主要的35种矿物中，将有1∕3在40年内消耗殆尽，包括所有的石油、天然气、煤炭(假设为2万亿吨)和铀。所以，世界石化燃料的供应正面临严重短缺的危机局面。

太阳能是用之不尽，取之不竭的能源，如果从太阳能获得电力，将造福人类，人们通过光伏效应制造太阳能太阳电池进行光电变换来实现。它同以往其它电源发电原理完全不同，具有以下特点：①无枯竭危险；②绝对干净(无公害)；③不受资源分布的地域限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者在感情上容易接受；⑦获得能源花费的时间短。不足之处是：①照射的能量分布密度小，即要占用巨大的面积；②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。但总的说来，瑕不掩瑜，作为新能源，太阳能具有极大优点，因此受到世界各国青睐。

二：国内外太阳能光伏技术的研究利用现状

自1839年发现“光生伏特效应”和1954年第一块实用的光伏电池问世以来，太阳能光伏发电取得了长足的进步，但是它的发展仍然比计算机和光纤通讯要慢得多。1973年的石油危机和20世纪90年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电的发展。随着人们对能源和环境问题认识的不断提高，光伏发电越来越受到各国政府的重视，科研投入不断加大，鼓励和支持光伏产业发展的政策也不断出台。以1997年美国总统克林顿的“百万太阳能光伏屋顶计划”为标志，日本还有欧洲的德国、丹麦、意大利、英国、西班牙等国也纷纷开始制定本国的可再生能源法案，刺激了光伏产业的高速发展。

国内现状资源分布：中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。中国地处北半球，南北距离和东西距离都在5000公里以上。在中国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米7千瓦时。年日照时数大于2000小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。发展现状：中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。经过30多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。在"光明工程"先导项目和"送电到乡"工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展。到2007年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦(100MW)，从事太阳能电池生产的企业达到50余家，太阳能电池生产能力达到290万千瓦(2900MW)，太阳能电池年产量达到1188MW，超过日本和欧洲，并已初步建立起从原材料生产到光伏系统建设等多个环节组成的完整产业链，特别是多晶硅材料生产取得了重大进展，突破了年产千吨大关，冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约，为我国光伏发电的规模化发展奠定了基础。2007年是我国太阳能光伏产业快速发展的一年。受益于太阳能产业的长期利好，整个光伏产业出现了前所未有的投资热潮。

"十二五"时期我国新增太阳能光伏电站装机容量约1000万千瓦，太阳能光热发电装机容量100万千瓦，分布式光伏发电系统约1000万千瓦，光伏电站投资按平均每千瓦1万元测算，分布式光伏系统按每千瓦1.5万元测算，总投资需求约2500亿元。尽管我国是太阳能产品制造大国，不过我国太阳能产品只用于出口。在2009年时，全球太阳能光伏电池年产量1600万千瓦，其中我国年产量1000万千瓦。而到2010年，全球光伏发电总装机容量超过4000万千瓦，主要应用市场在德国、西班牙、日本、意大利，其中德国2010年新增装机容量700万千瓦。不过，我国太阳能资源十分丰富，适宜太阳能发电的国土面积和建筑物受光面积也很大，其中，青藏高原、黄土高原、冀北高原、内蒙古高原等太阳能资源丰富地区占到陆地国土面积的三分之二，具有大规模开发利用太阳能的资源潜力。太阳能资源丰富、分布广泛，是21世纪最具发展潜力的可再生能源。随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出，太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。在此背景下，全球光伏发电产业增长迅猛，产业规模不断扩大，产品成本持续下降。我国光伏发电产业也得到迅速发展，已成为我国为数不多的、可以同步参与国际竞争、并有望达到国际领先水平的行业。崛起了以尚德电力、英利绿色能源、江西赛维LDK、保利协鑫为代表的一批著名企业和以江苏、河北、四川、江西四大光伏强省为代表的一批产业基地。因此，企业以往以"年度"为单位进行战略以及策略调整的传统做法，在行业快速变化的今天显得有些力不从心甚至被动。所以，企业以"月度"为单位，根据行业最新发展动向适时进行策略乃至战略调整的经营手段，正日益受到许多大型企业管理者尤其是外资企业管理层的高度重视。中国光伏系统安装机容量发展路线图MW世界光伏发电的高速发展主要表现在以下几方面。（1）光伏电池产量持续增长多年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域之一，1999~~2005年间，光伏电池产量以年均增长率超过40%的速度高速发展，太阳电池的产量从1999年的202MW增加到2005年的1818MW，增长了9倍。（2）生产规模不断扩大光伏产业的领头企业电池产量早已突破100MW，且有越来越多的企业已经提出了建设年产1000MW电池生产线的目标。（3）光伏市场飞速膨胀不断有新的国家出台激励光伏发展的政策。2004年德国补贴法修订后，仅用了一年，即在2005年，德国市场年装机容量便达到了837MW，占全球市场的57%，政府政策对光伏的激励可想而知。而2006年，美国加州正式出台3000MW光伏安装计划，带动美国其它各州也纷纷仿效。美国将成为继日本、欧洲之后又一大的光伏市场。（4）新技术不断出现，电池效率不断提高随着自动化程度和生产技术水平的提高，电池效率将由现在的水平（单晶硅16%~~18%，多晶硅15%~~17%）向更高水平（单晶硅18%~~20%，多晶硅16%~~18）发展。

最新研制表示：成功利用宇宙光能发电，光能发电采用最先进的生产工艺，每天可利用光能发电17小时。（市场现有的单晶硅、多晶硅太阳能电池只可利用8小时，且对环境存有污染）。光能发电是当今世界的尖端科技，将为全人类彻底解决“能源危机”“环境污染”和“可持续发展”等三大世界难题，将做出历史性、跨世代的伟大贡献，将为人类利用新能源、新技术方面进入一个崭新的时代，引发一场世界科技革命，让全人类过着健康、幸福、和谐的生活......三：太阳能光伏技术应用的主要原理与关键技术

太阳能发电分为光热发电和光伏发电。通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电”。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电，理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源无处不在。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。其中，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。目前多晶硅电池效率在16至17%左右，单晶硅电池的效率约18至20%。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件。光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场合提供电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地各种灯具等；三是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施。光伏发电系统设备及其作用太阳能电池方阵：在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。蓄电池组：其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。充放电控制器：是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。逆变器：是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。太阳跟踪控制系统：由于相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，如果太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。目前世界上通用的太阳跟踪控制系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。采用的是电脑数据理论，需要地球经纬度地区的的数据和设定，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数；原理、电路、技术、设备复杂，非专业人士不能够随便操作。把加装了智能太阳跟踪仪的太阳能发电系统安装在高速行驶的汽车、火车，以及通讯应急车、特种军用汽车、军舰或轮船上，不论系统向何方行驶、如何调头、拐弯，智能太阳跟踪仪都能保证设备的要求跟踪部位正对太阳！光伏发电的一些关键技术

由上边的介绍的光伏发电系统的主要组成结构可以看出,光伏发电系统主要包括光伏组件光伏阵列,充电控制器,蓄电池组,逆变器等部件。这几个主要部件所涉及的技术都是光伏发电中较为关键的技术。光伏阵列的MPPT技术

光伏阵列作为整个光伏发电系统的供能者,通过光伏效应把太阳能直接转换为电能。由于光伏阵列本身具有显著的非线性特性,在外部因素光照强度,温度的变化条件下要确保其输出功率最大就必须进行最大功率跟踪。MPPT的原理：在线性电路中,电源内阻抗与外部负载的等效阻抗成共辆,这时外部负载就可以获得最大的输出功率。光伏发电系统中的光伏阵列和DC/DC（或DC/AC）变换电路虽然都为非线性,但在较短时间内,可以把两者看作线性电路。故而可把光伏阵列等效看成直流电源,DC/DC(或DC/AC)变换电路看成外部负载。通过调节DC/DC(或DC/AC)变换电路的等效电阻,使之在不同的外部环境下始终跟随光伏阵列的内阻变化,两者动态负载匹配时就可以获得DC/DC(或DC/AC)变换器的最大输出功率,实现光伏阵列的最大功率跟踪。实现光伏阵列的MPPT方法有很多种,最常用的有扰动观测法、恒定电压控制法、功率回授法等。光伏充电控制器的智能控制技术

光伏充电控制器的作用是控制整个系统的工作状态,并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在外部条件(温度和光照强度)不断变化的情况下,科学的对蓄电池进行充电管理可以延长蓄电池的工作寿命,并能有效提高系统效率,在控制器中的智能控制技术显得尤为重要。光伏充电控制器的智能控制技术一般通过DSP高能芯片实现。逆变技术

逆变器是光伏发电系统的核心器件之一。光伏阵列通过光伏效应原理,把太阳的光能转换为直流电能,转化后的直流电是变化的,不能直接并网或直接提供给用电设备使用,称之为“粗电”光伏逆变器将变化的直流电经过电力电子技术变换成频率、相位与幅值符合电力并网要求且自身具有保护功能的交流电,称之为“精电”,之后经过配电及保护装置便可并网或供交流负载使用。逆变器采用的是电力电子技术,并且由大量电子元器件组成,属于光伏系统中的薄弱环节。目前在逆变器的技术方案选择、电子线路设计以及新的应用方面,不同的技术流派主要有以下几种:1.Centralinverter集中式逆变器,这种是最传统也是目前做的厂家最多的。从其电路结构上说,对小功率逆变器一般采用两级结构,即第一级Boost升压电路加上第二级DC/AC逆变电路中大功率逆变器采用一级结构,即DC/AC逆变电路。无论何种电路结构,其功率部分都是放在一个逆变器箱体内.2.Modularinverter模块化逆变器,目前另一流行的技术,对应于一路直流输入。采用逆变器模块化并联,每个模块均有MPPT(功率点跟踪功能),多个并联逆变器模块装在一个机柜里,一般具有热插拔功能。3.Microinverter微逆变器,在北美近几年来流行的一种技术,主要应用在个人屋顶系统。其实现方法是将集中式逆变器的技术运用到较小的功率模块上,将大功率逆变器分割成若干个小功率逆变器。在每块太阳能电池板后面装一个微逆变器,功率在200~350W左右,直接将该块电池板输出的直流电转换成交流电输出或并网。4.DC-DCBooster或另有叫DC-DCOptimizer(直直变换优化部件),与微逆变器有相似之处,其原理是将第一级的DC/DCBoost部分从逆变器中拿出来,单独做在电池板后面的PowerBox里,每个Booster均带有MPPT功能,从而可以实现每块电池板的最大功率电跟踪;这些Booster输出的直流电汇总之后,集中输入到逆变器内。这是种介于集中式逆变器和微逆变器之间的一种解决方案。在前级分布式上像微逆变器,而在后级逆变上又像集中式逆变器。总的说来,以上的几种逆变技术都各具其优点和缺点。一般认为:Centralinverter适合于大型电站及商用屋顶;Modularinverter适合于商用屋顶及小型电站;Booster适合于小型商用屋顶和住宅屋顶;Microinverter适合于住宅屋顶。太阳能的优缺点与常用的火力发电系统相比，光伏发电的优点主要体现在：

①无枯竭危险；②安全可靠，无噪声，无污染排放外，绝对干净（无公害）；③不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；例如，无电地区，以及地形复杂地区；④无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦建设周期短，获取能源花费的时间短。

缺点：

①照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。③产生的电力接入电网需要增加无功补偿设备④储能困难光伏发电的工作原理光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以,光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器,下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源无处不在。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。目前，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。太阳能光伏发电分为：独立光伏发电、并网光伏发电、分布式光伏发电1.独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。2.并网光伏发电：并网光伏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。并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏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，发展难度相对较大。而分散式小型并网光伏系统，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，是并网光伏发电的主流。3.分布式光伏发电系统，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。四：太阳能光伏发电应用及工程实例1.太阳能发电厂2.太阳能光伏技术在照明领域的应用

太阳能路灯太阳能路灯太阳能信号灯3.太阳能光伏技术在交通领域的应用太阳能汽车太阳能汽车太阳能游船4.太阳能在与建筑领域的应用世博中国馆太阳能光伏建筑一体化发电工程5.太阳能光伏技术在农业领域中的应用太阳能温室大棚6.太阳能光伏技术在太空中领域中的应用人造卫星

美国的太空太阳能电站构想图7.太阳能光伏技术在其他领域的应用太阳能帽子太阳能充电器支持太阳能充电lggd510触控手机发布五：国家政策与市场前景国家政策《可再生能源法》自2006年1月1日起施行。

《国家中长期科技发展规划纲要（2006－2020年）》国发

《可再生能源中长期发展规划》（发改能源）

《可再生能源发展专项资金管理办法》财建

建设部、财政部《关于推进可再生能源在建筑中应用的实施意见》建科《关于实施金太阳示范工程的通知》

“十三五”规划纲要提出，推动能源结构优化升级，继续推进风电、光伏发电发展。完善风能、太阳能、生物质能发电扶持政策。主要国家推出的太阳能光伏产业政策国内太阳能光伏产业相关政策国内外太阳能光伏产业发展趋势（一）技术由于铜铟镓硒技术的效率提升，制造成本上也可能比多晶硅更便宜。加之我国铟、镓资源丰富，在原材料成本和可持续性方面具有相当强的竞争力，因此我国在这场光伏业市场争夺战中具有相当大的优势。（二）成本2008年全球光伏发电平均每度电成本约为38美分，2015则下降至7.3美分左右，预计未来5年内还会再度下降30%。成本的下降将会成为整个系统成本下降以及融资成本下降的标志，这将意味着产业高速发展时机来临。（三）市场2016年国内光伏装机仍有望表现强劲，预计2016年国内光伏装机将突破19GW，将再度成为最大的太阳能光伏市场。随着我国西北部地区地面电站的逐渐饱和，以及光伏平价上网的条件达成，未来国内分布式光伏将迎来发展高潮阶段，配合储能技术的成熟，东部及南部地区将兴起建分布式电站的热潮。太阳能光伏产业发展前景

我国西部地区是世界上最大、地势较高的自然地理单元。也是世界上最丰富的太阳能资源地区之一，尤其是西藏地区，空气稀薄，透明度高，年日照时间长达1600一3400小时之