第1章　緒論

1.1　光伏發電技術研究的意義

1.1.1　光伏發電的發展前景

能源是國民經濟發展和人民生活所必需的重要物質基礎，也是推動社會經濟發展和提高人們生活水平的動力。從原始社會的鉆木取火到近代的化石能源以及核能、地熱能、潮汐能、風能、太陽能等各種新能源的應用無不閃現著人類的智慧之光。能源的變革往往由社會生產發展的需求所驅動，能源生產和消費的革命又反過來推動社會生產力的飛躍。隨著全球工業化的全面發展，各個國家各個行業對能源的需求急劇擴大，能源需求的質與量已經成為衡量一個國家或地區經濟發展狀況的標準。

然而，隨著人類對能源需求的日益增加，化石能源的儲量正日趨枯竭。瑞士銀行近期發布報告指出，世界已證實石油儲量有1.8萬億桶，按現有的石油消費水平，世界石油還可開采46年，半個世紀以后，地球上的石油、天然氣將開采殆盡，200年后將無煤可采。在中國，這一情況也不容樂觀，據統計，2014年石油消費量達5.19億噸，其中進口原油3.08億噸，對外依存度達到60％。根據專家預測，到2020年，中國石油消費量將突破7億噸，69％以上將依賴進口。我國煤炭消費量在2014年出現本世紀以來的首次下降，降幅約為2.8％，但消費量仍然達到35.1億噸，超過全球總消費量的50％。根據中國能源研究會等業界機構的相關研究預測，中國煤炭消費量的峰值將在2020年左右到來，天然氣的需求量將達到4000億立方米，而全世界的需求量將達到4萬億立方米。化石能源在開采、運輸和使用過程中都會對空氣和人類生存環境造成嚴重的污染，同時大規模溫室氣體的排放使得地球表面氣溫逐年升高。如果全球不控制CO2排放量，溫室效應將使南、北兩極的冰山融化，這可能會使海平面上升幾米，四分之一的人類生活空間將由此受到極大威脅。

針對以上情況，開發利用可再生能源和各種綠色能源以實現可持續發展已經成為人類社會必須采取的措施。環境保護早已經提到聯合國和各級政府的議事日程上來，并規定每年的6月5日成為世界環境保護日，“世界只有一個地球”“地球是你我共同的家”“讓地球充滿生機”等環保口號充分反映了全人類的共同心聲。

可再生能源主要有水能、太陽能、風能、地熱能、生物質能等能源形式，它們最大的特點是具有自我恢復能力。人們在使用過程中，可再生能源可以從自然界中源源不斷地得到補充，它們是取之不盡，用之不竭的能源。水能是目前應用最廣泛的可再生能源，但是它受地理條件、天氣氣候的影響很大，利用范圍有限。

根據世界各國的可再生能源發展目標和目前的實際進展情況，專家們預測，到2050年，可再生能源占總一次能源的比例約為54％，其中太陽能在一次能源中的比例約為13％～15％，到2100年，可再生能源將占86％，太陽能占67％，其中太陽能發電占64％。

經過學者的研究與論證，人們普遍認為太陽能和風能是解決能源危機和環境污染的最有效和可行的能源類型，是新世紀最重要的能源類型。尤其是太陽能及其光伏發電的應用，它以其獨特的優點越來越受到人們的關注：

①太陽能取之不盡、用之不竭，足以供給地球人類使用幾十億年；

②太陽能應用地域廣闊，農村、海島及偏遠地區利用價值更高；

③太陽能清潔，開發利用過程中無污染；

④太陽能光伏電站勘察設計簡單，建設安裝周期短；

⑤太陽能光伏發電沒有運動部件，沒有噪聲，不易損壞，維護簡單。

1.1.2　國外光伏發電的研究現狀及發展

化石能源的有限性和環境保護壓力的增加，使世界上許多國家加強了對綠色能源和可再生能源技術研究的支持。光伏發電產業發展的初期主要是依靠各國政府在政策及資金方面的大力扶持，現在它已逐步商業化，進入了一個新的發展階段。許多大公司的介入，使產業化進程大大加快。自20世紀90年代以來，國外發達國家掀起了發展“屋頂光伏發電系統”的研發高潮，屋頂光伏發電系統不單獨占地，將太陽電池安裝在現成的屋頂上，非常適合太陽能能量密度較低的特點，而且其靈活性和經濟性都大大優于大型光伏并網發電，有利于普及，有利于戰備和能源安全，所以受到了各國的重視。1997年6月，美國前總統克林頓宣布實施“百萬個太陽能屋頂計劃”，計劃到2010年安裝100萬套太陽能屋頂。其他一些發達國家也都有類似的光伏屋頂發電項目或計劃，如荷蘭、瑞士、芬蘭、奧地利、英國、加拿大等。屬于發展中國家的印度也在1997年12月宣布到2020年將建成50萬套太陽能屋頂發電系統。

2006年，美國提出“太陽能先導計劃”意在降低太陽能光伏發電的成本，使其2015年達到商業化競爭的水平；日本也提出了在2020年達到28GW的光伏發電總量；歐洲光伏協會提出了“setfor2020”規劃，規劃在2020年讓光伏發電做到商業化競爭。

日本在光伏發電與建筑相結合的市場方面已經做了十幾年的努力。由于國土面積狹小，日本主要采用光伏屋頂發電系統，即太陽能電池組件和房屋建筑材料形成一體，如“太陽電池瓦”和“太陽電池玻璃幕墻”等，這樣太陽能電池就可以很容易地被安裝在建筑物上，也很容易被建筑公司所接受。2011年“311大地震”以后核電站相繼關停，政府對清潔能源高額補貼的推出使得光伏發電得到進一步的迅速發展，發電規模從1000萬千瓦猛增到6800萬千瓦。

近幾年，隨著光伏組件價格的下降和建設需求的增加，世界光伏發電產業發展非常迅猛。2014年，全球新增太陽能光伏發電38.7GW，累計安裝量達到177GW。2014年累計光伏裝機容量約為2008年光伏累計裝機容量的10倍，光伏年發電量占全球電力消費總量的1％。其中19個國家的光伏發電量占該國電力消費總量比例超過1％。光伏發電量占比最高的3個國家分別是，意大利占比7.9％，希臘占比7.6％，德國占比7.0％。各國光伏發電占總發電量的百分比如圖1-1所示。預計今后10年光伏組件的生產將以每年增長20％～30％甚至更高的遞增速度發展，預計到2050年左右，太陽能光伏發電將達到世界總發電量10％～20％，成為人類的基本能源之一。

對于光伏發電技術，當前國際上最新的研發熱點主要集中在低成本、高效率的光伏電池板與高效率、高穩定性的逆變設備以及光伏建筑集成應用系統等方面。光伏電池板與逆變設備以及監控管理系統間的最佳配置也是光伏系統研究的關鍵，它涉及多項技術。美國、德國、荷蘭、日本、澳大利亞等國家在光伏屋頂計劃的激勵下，許多企業和研究機構成功地推出了多種不同的高性能逆變器。

太陽能電池的發電效率在不斷提高。圖1-2是各種材質和類型的光伏電池板發電效率的研發進展，聚光型多結光伏電池的實驗室效率達到了44.7％（四結聚光電池），普通單晶硅光伏電池的發電效率也達到了25％。

隨著技術進步和產量的擴大，光伏發電系統的成本也在不斷下降。過去8年，光伏組件價格下降89％，系統價格下降87％，光伏電價下降80％。如圖1-3所示。

光伏逆變裝置是光伏發電系統的另一個關鍵設備，國際上著名的光伏逆變器公司主要有德國的SMA，美國的Power-ONE，Emerson，德國的KACO，REFUsol，奧地利的Fronius，德國的Siemens，丹麥的Danfoss等，他們在市場份額、逆變效率、可靠性等方面仍然占據一定優勢。

1.1.3　我國光伏發電的現狀及發展

我國的太陽能資源非常豐富，據統計，太陽能年輻照總量大于502萬千焦/平方米，年日照時數在2200小時以上的地區約占國土面積的2/3以上，具體分布見表1-1。因此，我國具備開發利用太陽能資源的天然有利條件。

近年來，我國的光伏發電產業發展非常迅速。在政策方面，2009年國家相繼推出了《太陽能光電建筑應用財政補助資金管理暫行辦法》、金太陽示范工程等鼓勵光伏發電產業發展的政策；2010年國務院頒布的《關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》明確提出要“開拓多元化的太陽能光伏光熱發電市場”；2011年國家發改委、國家能源局、國家財政部相繼出臺一系列支持、鼓勵太陽能光伏發電的政策，鼓勵屋頂光伏發電，自發自用，余量上網。這些優惠政策對太陽能光伏發電企業補貼力度較大，例如，家庭屋頂太陽能光伏發電站每生產一度電就可以獲得國家0.42元的補貼，使得普通家庭建設太陽能光伏發電站的投資在短期內得到回收。2012年工業和信息化部制定了《太陽能光伏產業“十二五”發展規劃》，并制定了分布式光伏并網便利化措施。當年底，中國首個居民用戶分布式光伏電源在青島實現并網發電，從申請安裝到并網發電，整個過程用了18天就全部完成。2013年7月2日，攀枝花學院2.1MW太陽能屋頂光伏發電項目建成投運，該項目是國家示范工程第一批項目，裝機容量為2.1MW，年發電量達261.01×104kW·h，每年可節約標煤886t，減少二氧化碳排放量1933.12t，減少二氧化硫排放量13.10t。這些范例表明，公共服務領域建設分布式光伏電站具有很強的節能減排效應。

我國分布式光伏發電的滲透率與歐洲日本相比還比較低，尚處于起步狀態，但發展速度非常快。截至2014年底，我國光伏發電累計裝機達到2805×104kW，當年新增裝機1060×104kW，位居世界第一，如圖1-4所示。

技術方面，經過十多年的努力，我國光伏發電技術有了很大的發展，與發達國家相比有差距，但差距在不斷縮小。

光伏產業方面，2000年以后，我國光伏產業進入快速發展期，但整體發展水平仍然落后于國際先進水平，參與國際競爭有一定的難度。2002年，光明工程項目使市場年銷售量猛增到20MW，光伏系統保有量達到40MW左右。當時的光伏發電市場主要是為無電地區供電為主。2003年，在全球市場的拉動下，我國光伏電池產業開始了跨越式的發展進程。當年，我國太陽能電池產量是12MW，2004年為50MW。而到2005年，產量猛增到139MW，2006年達到400MW。2007年，中國太陽能電池產量達到1088MW，超過日本（920MW）和歐洲（1062.8MW），一躍成為世界太陽能電池的第一大生產國。同年，我國光伏組件產量也達到世界第一。2014年，多晶硅、硅片、電池片與組件產量分別達到13.2萬噸、38GW、33GW與35GW，均保持25％以上的增長率，占全球比重均超過40％，硅片在全球市場占有率達到73％，我國光伏產業規模全球首位的地位進一步鞏固。

1.1.4　光伏并網逆變技術的發展

并網逆變器作為光伏電池與電網的接口裝置，將光伏電池的電能轉換成交流電能并傳輸到電網上，在光伏并網發電系統中起著至關重要的作用。現代逆變技術為光伏并網發電的發展提供了強有力的技術和理論支持。并網逆變器性能的改進對于提高系統的效率、可靠性，延長壽命、降低成本至關重要。

逆變器技術的發展始終與功率器件及其控制技術的發展緊密結合，從開始發展至今經歷了五個階段。第一階段：20世紀50～60年代，晶閘管SCR的誕生為正弦波逆變器的發展創造了條件；第二階段：20世紀70年代，可關斷晶閘管GTO及雙極型晶體管BJT的問世，使得逆變技術得到發展和應用；第三階段：20世紀80年代，功率場效應管、絕緣柵型晶體管、MOS控制晶閘管等功率器件的誕生為逆變器向大容量方向發展奠定了基礎；第四階段：20世紀90年代，微電子技術的發展使新近的控制技術如矢量控制技術、多電平變換技術、重復控制、模糊控制等技術在逆變領域得到了較好的應用，極大地促進了逆變器技術的發展；第五階段：21世紀初，隨著電力電子技術、微電子技術和現代控制理論的進步不斷改進，逆變技術正朝著高頻化、高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向發展。

包括光伏并網逆變器在內，我國光伏電池發電產業鏈也比較完善。但與發達國家相比，我國光伏產業在技術上還相差太遠。從20世紀80年代起開始對光伏逆變器進行研究和開發，有專門的公司研究和開發生產并網逆變器。由于終端市場啟動時間比較晚，國內光伏逆變器廠商普遍規模較小，結構、工藝、做工、轉換效率、智能化程度、穩定性等指標與國外一流企業有一定的差距。近年來，在國外光伏市場和國內金太陽示范工程的帶動下，以一度占據國內市場超過60％的龍頭企業合肥陽光電源公司為代表的一批光伏并網逆變器企業迅速發展起來，并已進入到歐洲市場及國外其他大功率市場。除合肥陽光外，在大功率電站型逆變器市場，主要還有北京科諾科技有限公司、特變電工股份有限公司等企業，這些企業的光伏逆變器技術和產量已經呈現逐年上升趨勢。在中小功率組串型逆變器市場，華為公司憑借優勢的技術資源和實力后來居上。成本高、交貨周期長成為國外廠商進入國內市場的主要障礙，相反成本低，交貨期短是國內企業搶占國際市場的優勢。未來光伏市場的巨大空間將會給國內企業帶來歷史機遇。表1-2是國內主要的光伏并網逆變器企業排名情況。

1.1.5　分布式發電

光伏并網發電系統按其發電方式可分為：

①集中式并網光伏系統，系統所發電力直接進入電網，但這種方式顯然不能發揮太陽能分布廣泛、地域廣闊等特點。

②分布式并網光伏系統，即戶用型光伏并網系統，它可與建筑物結合形成屋頂光伏系統，通過設計可以降低建筑造價和光伏發電系統的造價。在分布式并網光伏系統中，白天不用的電量可以通過逆變器將這些電能出售給當地的公用電力網，夜晚需要用電時，再從電力網中購回。典型的戶用型光伏并網發電系統如圖1-5所示。

分布式發電（Distributed Generation，DG），又稱分散式發電或分布式供能，至今對分布式發電沒有統一的定義。一般是指將相對小型的發電裝置（一般50MW以下）分散布置在用戶負荷現場或用戶附近的發電/供能方式。現代分布式發電系統除分散與小型化的特征以外，還具有實施熱（冷）電聯供、環境友好、燃料多元化以及網絡化、智能化控制和信息化管理等特點。

不同的專家對分布式發電有不同的描述，但有兩點是一致的，即小型與就地布置。按此“定義”，顯然我國的“小機組”、“小火電”、“小熱電”也可以屬于分布式發電的范疇，但與現代分布式發電技術不在同一層面上，由于技術經濟性能與環境性能不好，將逐漸被淘汰。由此可見，如果分布式光伏并網發電系統能夠普遍地應用到用戶家中，不但充分利用了太陽能資源分布廣泛的特點，還可以達到改善電網質量、加強電網的調峰能力、抗災害能力和延伸能力等目的。目前，對于分布式光伏并網發電系統的研究一方面是太陽能電池的研究，使電池每發出一瓦電的造價降低至可以實用的階段；另一方面就是針對并網發電的逆變系統的研究，如提高系統的效率和穩定性，太陽能電池最大功率點的控制，系統對電網調峰作用等，最后組成分布式電站系統。

通過分布式發電和集中供電系統的配合應用有以下優點：

①分布式發電系統中各電站相互獨立，用戶由于可以自行控制，不會發生大規模停電事故，所以安全可靠性比較高；

②分布式發電可以彌補大電網安全穩定性的不足，在意外災害發生時繼續供電，已成為集中供電方式不可缺少的重要補充；

③可對區域電力的質量和性能進行實時監控，非常適合向農村、牧區、山區，發展中的中、小城市或商業區的居民供電，可大大減小環保壓力；

④分布式發電的輸配電損耗很低，甚至沒有，無需建配電站，可降低或避免附加的輸配電成本，同時土建和安裝成本低；

⑤可以滿足特殊場合的需求，如用于重要集會或慶典的（處于熱備用狀態的）移動分散式發電車；

⑥調峰性能好，操作簡單，由于參與運行的系統少，啟停快速，便于實現全自動。

太陽能光伏發電技術是基于可再生能源的分布式發電技術，它是利用半導體材料的光電效應直接將太陽能轉換為電能。光伏發電具有不消耗燃料、不受地域限制、規模靈活、無污染、安全可靠、維護簡單等優點。但是此種分布式發電技術的成本非常高，所以現階段太陽能發電技術還需要進行技術改進，以降低成本而適合于用戶的廣泛應用。

分布式光伏并網發電系統裝置除太陽能電池外，主要有以下幾個研究重點及方向：

①太陽能電池最大功率點跟蹤問題，理論方法，控制實現；

②DC/DC裝置的研究，電路拓撲，控制方案；

③DC/AC逆變裝置的研究，它包括逆變器電路拓撲的選擇，相關的控制方式，控制方法的研究，是整個系統研究的核心；

④孤島效應的檢測方法和防治策略；

⑤雙向電能測量裝置的研制。