太陽能光伏發(fā)電分析和探究

張弓劍

【摘要】隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，開發(fā)利用清潔的可再生能源勢在必行。太陽能是當(dāng)前最清潔、最現(xiàn)實(shí)、最有前景的可再生能源之一。在太陽能的利用中，光伏發(fā)電是其主要利用方式，受到各國的普遍關(guān)注。本文主要對太陽能光伏發(fā)電進(jìn)行分析和探究。

【關(guān)鍵詞】太陽能發(fā)電；光伏并網(wǎng)；發(fā)電原理

一、太陽能光伏發(fā)電的背景

能源是人類生產(chǎn)的動力來源。在世界能源結(jié)構(gòu)中，人類所利用的一次能源主要是煤炭、石油和天然氣等化石能源。經(jīng)過數(shù)千年，特別是近百年人類的消費(fèi)，這些化石能源已經(jīng)被消耗了很多。除此之外，使用大量化石燃料給人類生存環(huán)境帶來了十分嚴(yán)重的后果。針對以上情況，開發(fā)利用可再生綠色能源是人類必須要采取的措施。從能源供應(yīng)的諸多因素來考慮，太陽能無疑是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的可再生綠色能源。

全球能源專家們認(rèn)定，太陽能將會成為本世紀(jì)最重要的能源之一。而且太陽能光伏發(fā)電無任何污染和絕對零排放，可直接輸出高品位電能，不受地域限制，只是地區(qū)之間有豐富與欠豐富之別。機(jī)動靈活的發(fā)電系統(tǒng)可按需要以模塊化的方式集成，可大可小，擴(kuò)容方便，可以方便地通過輸電線路傳輸、使用和存儲電能，大大提高整個能源系統(tǒng)的安全性和可靠性。

太陽能的轉(zhuǎn)換利用方式通常有光-電轉(zhuǎn)換、光-熱轉(zhuǎn)換和光-化學(xué)轉(zhuǎn)換等三種方式。利用光生伏打效應(yīng)原理制成的光伏電池，可將太陽的光能直接轉(zhuǎn)換成電能加以利用，稱為光-電轉(zhuǎn)換，即光伏發(fā)電。

二、太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀

當(dāng)今世界各國特別是發(fā)達(dá)國家對于光伏發(fā)電技術(shù)都非常的重視，并制定規(guī)劃，增加投入，加以大力發(fā)展。近年來，全世界太陽能電池的生產(chǎn)量平均每年增長近40%左右。我國也積極的發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，1958年開始研究光伏電池，1972年首次成功地將光伏電池用于地面，1979年開始生產(chǎn)單晶硅太陽能電池。中國的光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有2次跳躍，第一次是在上世紀(jì)年80代末，我國的改革開放正處于蓬勃發(fā)展時期，國內(nèi)先后引進(jìn)了多條太陽能電池生產(chǎn)線；第二次光伏產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展在2000年以后，主要是受到國際大環(huán)境的影響、國際項(xiàng)目政府項(xiàng)目的啟動和市場的拉動。

近年來，我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已初具規(guī)模，但在總體水平上同國外相比還有很大差距，主要表現(xiàn)為：生產(chǎn)規(guī)模小、技術(shù)水平較低、部分材料仍采用進(jìn)口品、成本高、市場培育和發(fā)展遲緩缺、乏市場培育和開拓的支持政策、措施。

三、光伏發(fā)電的發(fā)展

太陽能發(fā)電有光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電兩種方式，其中光伏發(fā)電具有維護(hù)簡單、功率可大可小等突出優(yōu)點(diǎn)，作為中、小型并網(wǎng)電源得到較廣泛應(yīng)用。光伏發(fā)電又分為離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種。并網(wǎng)光伏發(fā)電技術(shù)是當(dāng)今世界光伏發(fā)電的趨勢，是光伏技術(shù)步入大規(guī)模發(fā)電階段，成為電力工業(yè)組成部分之一的重要技術(shù)支撐。同離網(wǎng)運(yùn)行的太陽能光伏電站相比，并網(wǎng)可以給太陽能光伏發(fā)電帶來很多好處。首先，不用考慮負(fù)載供電的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量問題；其次，光伏電池可以始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，由于大電網(wǎng)來接納所發(fā)出的全部電能，大大提高了太陽能發(fā)電的效率；然后，省略了蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)，同時降低了蓄電池充放電過程中的能量損失，免除了存在蓄電池而帶來的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，同時也避免了處理廢舊蓄電池帶來的間接污染。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏陣列模塊、逆變器和控制器三部分組成。逆變器將光伏電池所產(chǎn)生的電能逆變成正弦電流并入電網(wǎng)中控制器控制光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤、控制逆變器并網(wǎng)的功率和電流的波形，從而使向電網(wǎng)轉(zhuǎn)送的功率

與光伏陣列模塊所發(fā)的最大電能功率相平衡。控制器一般基于單片機(jī)或數(shù)字信號處理芯片。

太陽能光伏并網(wǎng)逆變器是連接光伏陣列模塊和電網(wǎng)的關(guān)鍵部件，它完成控制光伏陣列模塊運(yùn)行于最大功率點(diǎn)和向電網(wǎng)注入正弦電流兩大主要任務(wù)。通常光伏并網(wǎng)逆變器按照應(yīng)用的方式和領(lǐng)域可以分為三類：一是面向大型電站級的集中式逆變器，二是面向組件級的支路式逆變器，三是和光伏組件集成的交流模塊。

光伏發(fā)電系統(tǒng)最主要的缺點(diǎn)是初期投資大成本較高，因此一方面要努力探索高性能、低造價的新型光電轉(zhuǎn)換材料與器件；另一方面需要進(jìn)一步減少光伏發(fā)電系統(tǒng)的自身損耗和提高運(yùn)行效率。光伏并網(wǎng)逆變器效率的高低不僅影響其自身損耗，還影響光電轉(zhuǎn)換器件以及系統(tǒng)其它設(shè)備的容量選擇與合理配置。因此，逆變器已成為影響光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素，研究其結(jié)構(gòu)與控制方法對于提高系統(tǒng)發(fā)電效率、降低成本具有極其重要的意義。

四、太陽能光伏發(fā)電原理

光伏陣列模塊輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況影響。在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏陣列模塊可以工作在不同的輸出電壓，但只有在某一輸出電壓值時，光伏陣列模塊的輸出功率才能達(dá)到最大值，這時光伏陣列模塊的工作點(diǎn)就達(dá)到了出功率電壓曲線的最高點(diǎn)，稱之為最大功率點(diǎn)MPP。

光伏電池是以半導(dǎo)體P-N結(jié)上接受太陽光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)為基礎(chǔ)，是直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器。其工作原理是：當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體內(nèi)部N區(qū)和P區(qū)中原子的價電子受到太陽光子的沖擊，通過光輻射獲取到超過禁帶寬度Eg的能量，脫離共價健的約束從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，在半導(dǎo)體材料內(nèi)部產(chǎn)生出很多處于非平衡狀態(tài)的電子-空穴對。這些被光激發(fā)的電子和空穴，或自由碰撞，或在半導(dǎo)體中復(fù)合恢復(fù)到平衡狀態(tài)。其中復(fù)合過程對外不呈現(xiàn)導(dǎo)電作用，屬于光伏電池能量自動損耗部分。一般希望有更多的光激發(fā)載流子中的少數(shù)載流子能運(yùn)動到P-N結(jié)區(qū)，通過P-N結(jié)對少數(shù)載流子的牽引作用而漂移到對方區(qū)域，對外形成與P-N結(jié)勢壘電場方向相反的光生電場。一旦接通外電路，即可有電能輸出。當(dāng)把眾多這樣小的太陽能光伏電池單元通過串并聯(lián)的方式組合在一起，構(gòu)成光伏電池組件，便會在太陽能的作用下輸出功率足夠大的電能。正是由于靠P-N結(jié)的光生少數(shù)載流子，在P-N結(jié)的漂移作用下，N區(qū)的電子留在N區(qū)，空穴流向P區(qū)；P區(qū)的空穴留在P區(qū)，電子流向N區(qū)，構(gòu)成光生電場。

五、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用

現(xiàn)階段太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用，主要以小型戶光伏發(fā)電、屋頂型光伏發(fā)電和大型并網(wǎng)型光伏發(fā)電的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

小戶型家用型光伏系統(tǒng)作為非并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成部分之一，廣泛應(yīng)用于較為貧困的山區(qū)和農(nóng)村，以保證他們的用電所需。其性能優(yōu)良，可靠性高，得到了廣大用戶的好評。不但能夠滿足白天的電能供應(yīng)，還可把多余的電能儲存起來以滿足夜間和天氣不好時候的供應(yīng)。

屋頂型光伏發(fā)電在生活中也得到了廣泛的應(yīng)用。在應(yīng)用中，不但能夠滿足用戶用電的需求，還能夠充分利用屋頂資源，減少土地資源的占用降低屋頂?shù)纳郎兀徑庥秒姼叻宓葍?yōu)點(diǎn)。

大型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要以地面電站及屋面大型電站為標(biāo)志，大型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)作為光伏發(fā)電的未來，是技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志，若能夠?qū)⒋笮筒⒕W(wǎng)型光伏發(fā)電作為發(fā)電的主要方式，這對于緩解能源的損耗具有非常深遠(yuǎn)的影響，對降低化石能源的使用，保護(hù)環(huán)境也會有很大的幫助。

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