浅谈太阳能光伏发电系统

俞昌盛　迟耀丹，2　周立永　李　田

（1.吉林建筑大学 电气与电子信息工程学院，长春 130021；2.吉林省建筑电气综合节能重点实验室，长春 130021；3.吉林省气象服务中心，长春 130061）

浅谈太阳能光伏发电系统

俞昌盛1迟耀丹1，2周立永1李田3

（1.吉林建筑大学 电气与电子信息工程学院，长春 130021；2.吉林省建筑电气综合节能重点实验室，长春 130021；3.吉林省气象服务中心，长春 130061）

本文首先分析当前能源存在的问题，阐明太阳能开发的前景和必要性，概述国内外太阳能光伏发电的历史和现状及太阳能电池的分类；其次，对太阳能光伏发电系统的组成、分类及应用进行简要介绍；最后，通过罗列一些国家出台的相关政策，阐明我国对于开发可再生能源太阳能的大力支持和鼓励。

太阳能 光伏发电 光伏电池

引言

21世纪，能源对人类社会具有非常重要的作用和意义，维持着整个人类社会的发展，并为社会的发展和良好运营提供强大的动力。据调查显示：根据现在人类能源的消耗速率及世界化石能源的储量剩余情况来看，天然气还可以开采61年，石油的开采年限约为40年，而煤炭仅能开采22年。由此可见，我们的后代面临着严重的能源危机。

然而，人类并没有意识到问题的严重性，仍肆无忌惮地对化石能源进行开采，对生态环境造成严重破坏。例如，由于化石能源燃烧产生的二氧化硫等有害气体，导致人类和其他生物的身体健康受到严重威胁，同时二氧化硫还会对建筑材料等产生腐蚀的效果，对人类的生产、生活都造成了不可估量的损失；由于人们肆意排放生活污水和工业废水，导致原本就匮乏的淡水资源水质恶化，同时对水中生物的生存构成严重威胁，给生态系统平衡带来恶劣的影响；另外，由于各种污染物不断增加、累积、转变，导致多种衍生的环境效应，间接对人类社会造成伤害。

如何才能做到开采与保护相结合，已成为一项世界公认急需解决的问题。解决该问题的关键和主要研究方向在于如何改善现阶段的能源结构，实现大规模开发和利用更多清洁的可再生能源。

面对当前严峻的能源危机形势，开发新一代的能源产业体系至关重要。而太阳能光伏发电系统以它的经济性和环保性成为现代能源产业体系的先驱。在我国大部分偏远的山区，电力资源贫乏，但太阳能资源充裕。因此，在这些地区大力推广户用小型的光伏发电系统，将太阳能转化为电能，供给人们日常生产生活的用电，能有效解决农村用电难的问题。综上所述，太阳能光伏发电技术已成为全球普遍关注的重点研究对象。

1　光伏发电的历史

在漫漫的历史长河中，太阳能光伏发电技术在人们生活中发展的时间并不久远，距今仅有100多年的历史。1839年，法国物理学家安东尼·亨利·贝克勒尔（Antoine Henri Becquerel）在实验中首次发现“光生伏打效应”（photovoltaic effect），简称“光伏效应”。1873年，英国科学家威廉·史密斯（Wilough B.Smith）发现了硒，此材料对光非常敏感，并且威廉对这一发现作出了推测：硒材料的导电能力会随着阳光照射的光通量的变化而变化。美国科学家查尔斯·弗里茨（Charles Fritts）于1980年研发出一种太阳能电池，这也是全球首块以硒材料为基底的太阳能电池。人们之所以将“光伏器件”定义为能产生“光伏效应”的器件，原因是太阳能电池利用光伏效应的原理进行工作。

1961-1971年期间，光伏电池在技术上并没有明显的进步和改变，其研究重点主要是如何减少开发电池的成本和如何提高电池的抗辐射能力；1972-1976年，科学家成功研发出光伏电池，并初步应用到生产与生活中。此后，光伏发电逐步降低了开发成本，技术上也不断得到改善和提高。目前，光伏发电技术正一步步走向产业化、规范化，并且已成为现在地球上主要的绿色环保可再生能源之一。

2　国内发展现状

从太阳能光伏发电第一次被发现至今，其仍然还存在着许多难以改善的缺点。比如，电池板成本太高、占地面积较大、光伏发电的转换效率较低及最大功率的跟踪技术还不够完善等。

如今，晶体硅太阳能电池已占据了太阳能电池市场的85%，但由于晶体硅价格昂贵，极大程度上限制了光伏产业的发展。单晶硅、多晶硅和非晶硅光伏电池成为我国光伏电池的主要产品种类。商品单晶硅电池组件的转换效率为11%～15%。商品多晶硅光伏电池组件的转换效率为10%～14%。商品非晶硅光伏电池组件的转换效率为4%～6%。单晶硅和多晶硅光伏电池组件的售价为35～40元/Wp[1]。

为解决光伏发电系统中存在的问题，国内专家学者们开展了一系列相关技术的研究工作，主要包括以下几方面。

第一，在对太阳能电池输出特性的研究中，邹学毅通过分析光伏电池电压功率的变化曲线，提出在整个太阳能发电系统的MPPT控制中加入变结构参数模糊控制，以提高整个发电系统对环境变化的敏感性，消除最大功率点震荡的情况。研究表明，这种控制方式能使发电系统准确跟踪到太阳能发电的最大功率点。

第二，为解决常规模糊控制器在光伏发电系统中MPPT（最大功率点跟踪）控制存在的自适应能力较差与控制精度低等问题，汪义旺研究出一种控制方法，即基于变论域自适应模糊控制器的光伏发电MPPT控制。这种控制方法可使控制器通过感应光伏发电输出功率的微小变化来自动调整变量的论域，从而增强整个发电系统的稳定性。

第三，在照度较低的情况下，导纳增量法很难跟踪到太阳能发电的最大功率。为了改善此问题，白慧杰将线性比例电流法应用到导纳增量法中，再通过Simulink仿真软件构建了新的导纳增量法和光伏电池板的最大功率跟踪控制仿真模型。

第四，赵立永通过分析现有控制方法，研究出了一种新型的MPPT跟踪方法——改进的电压增量法，提高了整个发电系统的跟踪速率和并网的稳定性。

第五，孙环阳提出了一种设计方案，方案关于环形轨道式光伏发电双轴跟踪系统，利用空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术，通过Simulink进行速度环仿真，他提高了聚光光伏发电的太阳能利用率。

第六，针对传统MPPT控制算法的不足，陈进美提出将电导增量法与固定参数法结合、扰动观察法和固定参数法结合、扰动观察法和高斯法结合的复合MPPT控制算法，并全面分析了这些算法的优缺点及现实的合理方案。

第七，中国科学院重点实验室在无空穴传输材料的钙钛矿型薄膜太阳能电池研究方面取得了重要进展，制备的电池光电转换效率率先突破10%，达到了10.47%，是现有国内外公开报道的最高值[2]。

3　国外发展现状

相较国内的研究，国外研究开展的较早，同时也取得了较大的成绩。主要表现在以下几方面。

1930年，为将太阳能转化为电能，朗格成为第一位提出可以利用“光伏效应”做成“太阳能电池”的科学家。

1932年，斯托拉与奥杜博特首次成功研制出“硫化镉”太阳能电池。

1941年，奥尔提出硅可以产生光伏效应。

1954年，美国贝尔实验室研制出单晶硅电池，转换效率可以达到6%，有很大的实用价值。科学家韦克尔也在同年发现了砷化镓的光伏效应，通过实验成功制造出世界上首块薄膜太阳能电池，实验利用沉积硫化镉薄膜进行光伏发电。

1954年，以色列科学家Tabor制造出选择性太阳能吸收涂层，这一发现也是成功利用选择性吸收理论的实例。接着，科学家罗非斯基联合科学家吉尼优化设计了材料的光电转换效率，并据此制造出世界上第一个光电航标灯。

同时，硅太阳能电池技术也不断飞速发展。1957年，它的效率为8%，并于1958年装备在美国先锋1号卫星上，这是人类历史上第一次在空间设备上使用太阳能技术。1960年，首块单晶硅太阳能电池被研发出来。

1969年，科学家又研发出薄膜硫化镉太阳能电池，转化效率可达到8%。

中东战争爆发，导致能源危机，故1970年初，太阳能发电系统逐步发展为地面应用。至1973年，科学家们已将砷化镓太阳能电池效率成功提升到15%。

1974年，在无反射绒面电池被研制出来后，硅电池的效率提升到18%。

1976年，首块非晶硅薄膜太阳电池问世，制作者为Carlson。

1980年，经过多年的发展，太阳能电池的效率大幅度提高，单晶硅电池效率提高到20%，砷化镓电池由15%提高到22.5%，早期的多晶硅电池效率提高到14.5%，而硫化镉电池也达到9.15%，消费性薄膜太阳能电池得到广泛应用。

美国于1983年建成1MWp的光伏电站；同年，冶金硅太阳能电池的效率也达到11.8%。1986年，在光伏电站领域，美国又有了新的突破，建成6.5MWp的光伏电站。太阳能电池进入稳步发展阶段，直至1995年，科学家又将高效聚光砷化镓太阳能电池的效率提高到32%；1997，单晶硅光伏电池的效率也提高到25%。

2000年，随着建筑行业的发展，人们已从重视装修的豪华程度逐渐转变为重视节约能源，故建材一体型的太阳电池应运而生。

2006年，砷化镓太阳能电池的转化率被波音子公司（Spectrolab）提高到41%。

2013年，麻省理工的学者在衬底表面溅射了一层氧化锌材料，然后再镀一层光感材料，利用聚合物的涂层改变性能，制作出新型的石墨烯薄片太阳能电池。

4　太阳能电池的分类

绝大多数太阳能电池使用半导体材料制造，经过多年的变化，衍生出大量的新产品和新的技术应用形式。下面按照材料的不同将太阳能电池进行分类，同时对其加以介绍。

4.1硅太阳能电池

硅太阳能电池是指以硅材料作为基体的太阳能电池。它的种类很多，可以分为单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳能电池等。它有自身的优、缺点。例如，单晶硅电池的使用效率较高，可以使用的时间较长，其性能与同类型产品相比也是首屈一指。但它的价格相对偏高，受限于现有的技术条件，无法生产大尺寸产品。多晶硅电池虽然克服了单晶硅电池在价格和尺寸方面上的问题，但效率较低，远低于同面积的单晶硅产品。非晶硅电池得益于材料对太阳光吸收系数大。同面积情况下，它要比镜柜太阳能电池薄很多，其厚度通常是晶硅电池的1/500，消耗的资源较少，但光电转换效率低下，目前仅达6%。

4.2化合物半导体太阳能电池

这一类太阳能电池主要指自身为半导体材料且拥有半导体特性，并由两种或大于两种化学元素组成的化合物。例如：砷化镓和硫化氟太阳能电池等。

4.3 有机半导体太阳能电池

有机半导体太阳能电池是一种使用新型材料制作的电池，由含碳-碳键的新型半导体材料制造而成。此外这种材料的导电能力良好，仅次于金属。

4.4薄膜太阳能电池

得益于材料科学的进步，通过使用单质原素及其他的无机、有机材料，能制造出新型的薄膜太阳能电池。

4.5钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池是一种基于无机、有机参杂化合物的钙钛矿半导体材料。例如，三碘离子化合物(CH3NH3PbI3)较为常见，作为光伏领域的新希望，它的转换效率可以达到15%，甚至更高。

5　太阳能光伏发电系统

我们通常把利用太阳能板将太阳能转化为电能的过程叫做光伏发电，把由控制器、太阳能电池阵列、电能的储存和变换装置等组成的系统叫做光伏发电系统。光伏发电系统分为独立型系统、并网型系统和混合型系统[3]。

如图1所示，独立型光伏发电系统的特点是不与国家电网连接，但需要用蓄电池来储存能量。在有太阳光照的情况下，该系统可以用于国家电网无法到达的用电设备。当蓄电池中的存储量小于光伏阵列的发电量时，光伏列阵产生的电能小于负载消耗的电能，这样蓄电池组和光伏列阵一起给负载供电。若无太阳光照，就由蓄电池独立为其提供电源。

图1　独立型光伏发电系统的结构框图

如图2所示，并网型光伏发电系统的特点是系统的输出端要和国家的电网相连。按照接入点的不同，并网型光伏发电系统可分成配电侧并网型光伏发电系统和输电侧并网型光伏发电系统。并网型光伏发电系统大多应用于楼房外侧，并网点多数在配电侧。输电侧并网光伏发电系统与之最大的不同是安装地点不同，其大多数安在沙漠。

它的工作流程是：先利用光伏阵列把太阳能变成电能，然后利用逆变器将产生的直流变为符合电网要求的交流电，最终将符合条件的电能并入电网。

图2　并网型光伏发电系统的结构框图

如图3所示，混合型光伏发电系统最大的优点是系统中不仅有光伏发电系统，还有多种模式的发电系统。当光伏发电系统产生的电能小于负载需要的电能时，可以通过其他发电方式来弥补缺少的电能。

目前，风光互补发电系统的应用比较广泛，提高了整个混合型光伏发电系统的可靠性和稳定性。

图3　混合型光伏发电系统的结构框图

6　太阳能光伏发电系统的应用

光伏发电系统在国内的应用主要表现为以下几方面：（1）为了解决偏远山区电网无法覆盖的问题，可以建设小型的户用型光伏发电系统或光伏电站进行对居民生活的基本供电；（2）在我国经济水平较高的中高端城市中，光伏电源被广泛使用在公共设施的照明系统中及屋顶的光伏发电系统；（3）建立大型的并网光伏系统，当光伏发电的成本下降到一定水平时，可以大规模应用大型并网光伏系统，为大型并网光伏系统做好充分准备。

7　我国的鼓励政策

我国政府部门也对太阳能产业提供了大力支持。2006年1月，正式实施《中华人民共和国可再生能源法》。这项法律在经济激励和监督措施、价格管理和费用分摊、产业指导和技术支持、资源调查和发展规划、推广和应用及法律责任等方面做出了严格定义。随后，国家又陆续出台了《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》《可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法》等实施细则，支持可再生能源的发展。由此可以看出，国家为可再生能源的发展已铺平了道路。这一系列的法律、政策对我国太阳能发电产业的发展给予了重要保障。

8　结语

太阳能属于可再生能源，已成为人类使用能源的重要组成部分。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染，具有普遍性、无害性、广泛性、资源充足性及经济性等优点。

本文阐述了太阳能的发展历程及太阳能应用的发展前景，并且针对太阳能光伏发电系统的原理及应用进行研究。发展利用可再生能源不仅可以降低环境污染，符合我国可持续发展的战略要求，也是当今世界必须要走的能源之路。由于中国是能耗大国，且人口密度分布不合理，因此要想让国家保持能源供给的安全性和独立性，坚持可持续发展的战略方针及分散人口地区居民用电，就必需大力发展太阳能光伏发电系统。

[1]杜慧.太阳能光伏发电控制系统的研究[D].保定：华北电力大学，2009.

[2]中国科学院物理研究所.钙钛矿型薄膜太阳能

电池取得突破性进展[J].电子元件与材料，2014，（4）：21.

[3]林杰，袁成清，孙玉伟，等.太阳能电池板在不同类型船舶上的布置优化[J].船海工程，2010，（6）：116-120.

Discussion on Solar Photovoltaic System

YU Changsheng1，CHI Yaodan1，2，ZHOU Liyong1，LI Tian3
(1.Jilin Ji anzhu University,Changchun 130021;2.Jil in Province Comprehensive Building Electrical Energy Saving Key Laboratory, Changchun 130021;3.Ji lin Province Meteorological Service Center,Changchun 130062）

This paper first expounds the prospects and necessity of solar energy development through the analysis of the energy issues.It also summarizes the history and current situation of solar photovoltaic power generation, and the classification of solar cells; Secondly, the composition, clas sification and application of the s olar photovoltaic power generation system are briefly introduced; Finally, this paper set out a number of countries proclaim relevant policies, the development of renewable energy such as solar energy get the strong support and encouragement in our country,

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吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目吉教科合字【2015】第280号《嵌入式电磁辐射信号处理系统》。