太阳能光伏发电分析和探究

张弓剑

【摘要】随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，开发利用清洁的可再生能源势在必行。太阳能是当前最清洁、最现实、最有前景的可再生能源之一。在太阳能的利用中，光伏发电是其主要利用方式，受到各国的普遍关注。本文主要对太阳能光伏发电进行分析和探究。

【关键词】太阳能发电；光伏并网；发电原理

一、太阳能光伏发电的背景

能源是人类生产的动力来源。在世界能源结构中，人类所利用的一次能源主要是煤炭、石油和天然气等化石能源。经过数千年，特别是近百年人类的消费，这些化石能源已经被消耗了很多。除此之外，使用大量化石燃料给人类生存环境带来了十分严重的后果。针对以上情况，开发利用可再生绿色能源是人类必须要采取的措施。从能源供应的诸多因素来考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略的可再生绿色能源。

全球能源专家们认定，太阳能将会成为本世纪最重要的能源之一。而且太阳能光伏发电无任何污染和绝对零排放，可直接输出高品位电能，不受地域限制，只是地区之间有丰富与欠丰富之别。机动灵活的发电系统可按需要以模块化的方式集成，可大可小，扩容方便，可以方便地通过输电线路传输、使用和存储电能，大大提高整个能源系统的安全性和可靠性。

太阳能的转换利用方式通常有光-电转换、光-热转换和光-化学转换等三种方式。利用光生伏打效应原理制成的光伏电池，可将太阳的光能直接转换成电能加以利用，称为光-电转换，即光伏发电。

二、太阳能光伏发电的现状

当今世界各国特别是发达国家对于光伏发电技术都非常的重视，并制定规划，增加投入，加以大力发展。近年来，全世界太阳能电池的生产量平均每年增长近40%左右。我国也积极的发展光伏产业，1958年开始研究光伏电池，1972年首次成功地将光伏电池用于地面，1979年开始生产单晶硅太阳能电池。中国的光伏产业的发展有2次跳跃，第一次是在上世纪年80代末，我国的改革开放正处于蓬勃发展时期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线；第二次光伏产业的大发展在2000年以后，主要是受到国际大环境的影响、国际项目政府项目的启动和市场的拉动。

近年来，我国光伏产业的发展已初具规模，但在总体水平上同国外相比还有很大差距，主要表现为：生产规模小、技术水平较低、部分材料仍采用进口品、成本高、市场培育和发展迟缓缺、乏市场培育和开拓的支持政策、措施。

三、光伏发电的发展

太阳能发电有光伏发电和太阳能热发电两种方式，其中光伏发电具有维护简单、功率可大可小等突出优点，作为中、小型并网电源得到较广泛应用。光伏发电又分为离网和并网两种。并网光伏发电技术是当今世界光伏发电的趋势，是光伏技术步入大规模发电阶段，成为电力工业组成部分之一的重要技术支撑。同离网运行的太阳能光伏电站相比，并网可以给太阳能光伏发电带来很多好处。首先，不用考虑负载供电的稳定性和供电质量问题；其次，光伏电池可以始终运行在最大功率点，由于大电网来接纳所发出的全部电能，大大提高了太阳能发电的效率；然后，省略了蓄电池作为储能环节，同时降低了蓄电池充放电过程中的能量损失，免除了存在蓄电池而带来的运行和维护费用，同时也避免了处理废旧蓄电池带来的间接污染。

并网光伏发电系统一般由光伏阵列模块、逆变器和控制器三部分组成。逆变器将光伏电池所产生的电能逆变成正弦电流并入电网中控制器控制光伏电池最大功率点跟踪、控制逆变器并网的功率和电流的波形，从而使向电网转送的功率

与光伏阵列模块所发的最大电能功率相平衡。控制器一般基于单片机或数字信号处理芯片。

太阳能光伏并网逆变器是连接光伏阵列模块和电网的关键部件，它完成控制光伏阵列模块运行于最大功率点和向电网注入正弦电流两大主要任务。通常光伏并网逆变器按照应用的方式和领域可以分为三类：一是面向大型电站级的集中式逆变器，二是面向组件级的支路式逆变器，三是和光伏组件集成的交流模块。

光伏发电系统最主要的缺点是初期投资大成本较高，因此一方面要努力探索高性能、低造价的新型光电转换材料与器件；另一方面需要进一步减少光伏发电系统的自身损耗和提高运行效率。光伏并网逆变器效率的高低不仅影响其自身损耗，还影响光电转换器件以及系统其它设备的容量选择与合理配置。因此，逆变器已成为影响光伏并网发电系统经济可靠运行的关键因素，研究其结构与控制方法对于提高系统发电效率、降低成本具有极其重要的意义。

四、太阳能光伏发电原理

光伏阵列模块输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏阵列模块可以工作在不同的输出电压，但只有在某一输出电压值时，光伏阵列模块的输出功率才能达到最大值，这时光伏阵列模块的工作点就达到了出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点MPP。

光伏电池是以半导体P-N结上接受太阳光照产生光生伏特效应为基础，是直接将光能转换成电能的能量转换器。其工作原理是：当太阳光照射到半导体表面，半导体内部N区和P区中原子的价电子受到太陽光子的冲击，通过光辐射获取到超过禁带宽度Eg的能量，脱离共价健的约束从价带激发到导带，在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子-空穴对。这些被光激发的电子和空穴，或自由碰撞，或在半导体中复合恢复到平衡状态。其中复合过程对外不呈现导电作用，属于光伏电池能量自动损耗部分。一般希望有更多的光激发载流子中的少数载流子能运动到P-N结区，通过P-N结对少数载流子的牵引作用而漂移到对方区域，对外形成与P-N结势垒电场方向相反的光生电场。一旦接通外电路，即可有电能输出。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。正是由于靠P-N结的光生少数载流子，在P-N结的漂移作用下，N区的电子留在N区，空穴流向P区；P区的空穴留在P区，电子流向N区，构成光生电场。

五、太阳能光伏发电系统的应用

现阶段太阳能光伏发电系统的应用，主要以小型户光伏发电、屋顶型光伏发电和大型并网型光伏发电的应用进行介绍。

小户型家用型光伏系统作为非并网光伏发电系统的组成部分之一，广泛应用于较为贫困的山区和农村，以保证他们的用电所需。其性能优良，可靠性高，得到了广大用户的好评。不但能够满足白天的电能供应，还可把多余的电能储存起来以满足夜间和天气不好时候的供应。

屋顶型光伏发电在生活中也得到了广泛的应用。在应用中，不但能够满足用户用电的需求，还能够充分利用屋顶资源，减少土地资源的占用降低屋顶的升温，缓解用电高峰等优点。

大型并网发电系统主要以地面电站及屋面大型电站为标志，大型并网光伏发电系统作为光伏发电的未来，是技术进步的标志，若能够将大型并网型光伏发电作为发电的主要方式，这对于缓解能源的损耗具有非常深远的影响，对降低化石能源的使用，保护环境也会有很大的帮助。

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