电气工程新技术专题

上海电力学院课程：电气工程新技术专题报告题目：太阳能发电技术及工程介绍综述报告专业年级：电气工程150304班学生姓名：陈磊孙权清连海生学号：152030171520300815203028指导教师：范宏2016年3月17日目录引言 31太阳能发电的背景及发展概况 41.1太阳能发电的现状 41.2太阳能发电技术的难题 61.3太阳能发电的前景 72太阳能发电技术的原理 93太阳能光伏发电工程 103.1光伏发电系统的分类 103.2光伏发电系统的组成部分 123.2.1太阳能电池阵列 123.2.2蓄电池组 123.2.3控制器 133.2.4逆变器 133.2.5阻塞二极管 133.3光伏发电系统的装机容量和总发电量 143.4光伏方阵运行方式 143.5光伏系统的选型 163.6光伏系统的布置 173.7光伏发电技术问题 183.7.1太阳能电池技术 183.7.2光伏阵列的最大功率跟踪技术 193.7.3并网电流控制技术 203.7.4聚光光伏技术 203.7.5孤岛效应检测技术 214我国太阳能光伏发电的发展现状及展望 234.1我国光伏发电的现状 234.2中国太阳能光伏产业的挑战 264.3中国太阳能光伏产业的展望 29参考文献 39引言随着世界经济的不断发展，全球各国对能源的需求不断加大，国际石油价格的上升，化石能源的可采储量却日趋枯竭，导致能源问题成为世界各国需要面对的严峻挑战。同时，化石能源的不断消耗，对全球气候变暖的影响也日益突出，使得低碳能源称为可持续发展的必然选择。利用开发新能源及可再生能源，构筑可持续发展的能源体系，已成为近年来世界各国关注的重点和研究方向。由于太阳能具有取之不尽、用之不竭的特点，所以世界各国纷纷将太阳能光伏发电产业作为破解人类日益凸显的能源和环境问题的战略产业来予以大力支持，推动全球太阳能光伏发电产业迅猛发展。近五年来，全球太阳能光伏发电产业的年增长率高达50%。据研究机构Solarbuzz发布的统计数据显示，2008年，尽管受到全球金融危机的影响，但全球世界太阳能光伏发电装机容量达到创纪录的5.95GW，比2007年增长110%。同期，全球太阳能光伏电池产量从2007年的3.44GW增长到6.85GW，整体产能利用率达到67%。2008年全球光伏市场总收入则达到371亿美元。欧洲仍然全球光伏发电最重要的市场，占到新增装机容量的82%。西班牙市场实现了285%的惊人年增长率，以2.46GW的新增长装机超过德国，排名世界第一；德国以1.86GW的新增装机容量位居世界第二；美国上升到第三位。韩国意大利和日本则分列第四到第六位。据世界能源组织（IEA）、欧洲联合研究中心、欧洲光伏工业协会预测，2020年世界光伏发电将占总电力的1%，到2040年光伏发电将占全球发电量的20%，按此推算未来数十年，全球光伏产业的增长率将高达25%～30%。关键词：太阳能；光伏发电；工程介绍1太阳能发电的背景及发展概况1.1太阳能发电的现状随着世界经济的不断发展，全球各国对能源的需求不断加大，国际石油价格的上升，化石能源的可采储量却日趋枯竭，导致能源问题成为世界各国需要面对的严峻挑战。同时，化石能源的不断消耗，对全球气候变暖的影响也日益突出，使得低碳能源称为可持续发展的必然选择。利用开发新能源及可再生能源，构筑可持续发展的能源体系，已成为近年来世界各国关注的重点和研究方向。1954年美国贝尔研究所的PEARSON等3位科学家在美国首次研制成功了实用的单晶硅太阳能电池，从此诞生了将太阳能转换为电能的实用光伏发电技术。20世纪70年代，发达国家以国家级计划积极研究开发太阳能发电，其中日本于1974年开始的国家“Sunshine计划”尤为突出。20世纪80年代后期，太阳能电池的种类不断增多，应用范围不断扩大，20世纪90年代光伏发电迅速发展。1990年德国率先提出并实施“一千屋顶计划”，1997年美国宣布实施“百万太阳能屋顶计划”，1999年1月德国又开始实施“十万屋顶计划”，2000年安装光伏容量超过40MW。中国对太阳能光伏发电的研究和开发起步较晚，1980年以后,政府才对其加大支持力度，2002年政府启动了“光明工程”,重点发展太阳能光伏发电。2009年开始，又推出太阳能光电建筑应用示范项目和金太阳示范工程。根据中国有色金属工业协会硅业分会的统计,从2002年2010年，中国光伏装机容量从20.3MW增加到500MW，增长23.6倍，年均增长49.3%；光伏发电累计容量从45MW增加到797.5MW，增加16.7倍。根据半导体设备暨材料协会（SEMI）的统计，2011年中国国内新增光伏装机容量2.7GW,占到2011年全球新增光伏装机容量的10%左右。水利水电规划总院的数据显示，截至到2012年底,中国光伏发电容量已经达到了7982.68MW,超越美国占据第三,但是最重要的还是集中在西部地区。中国19个省（区）共核准了484个大型并网光伏发电项目，核准容量是11543.9MW；中国15个主要省（区）已累计建成233个大型并网光伏发电项目，总的建设容量为4193.6MW，2012年兴建98个。其中青海、宁夏甘肃3省（区）的建设容量和市场份额都占据了半壁江山。为了解决这种光伏发电集中的情况，从2012年12月开始了分布式光伏发电示范项目的一个技术评审，到2013年5月，中国26个省（区）市共上报了140个示范区，每一个示范区项目不是一个独立项目，可能涵盖了若干个市、县或者是镇，它的总容量是16529.6MW。根据OFweek行业研究中心的最新数据显示，2013年,上半年中国新增光伏装机2.8GW,其中1.3GW为大型光伏电站。截至2013年上半年，中国光伏发电累计建设容量已经达到10.77GW,其中大型光伏电站5.49GW,分布式光伏发电系统5.28GW。2013年，世界太阳能发电总装机容量为1.42亿千瓦，占总装机容量的2.5%；总发电量约1600亿千瓦·时，约占总发电量的0.7%。太阳能发电产业快速增长。从多晶硅产业看，2013年全球多晶硅产能约39.3万吨，产量达到22.7万吨，平均产能利用率为57.8%。从电池产业看，2013年全球太阳能电池产能约7800万千瓦，产量约3950万千瓦，产能利用率约50.6%。在组件产业方面，2013年全球太阳能组件产能达到7600万千瓦以上，产量达到4300万千瓦。图1反映了2006年至2014年美国太阳能的消费量（单位：万亿英热）的变化，从图中可以看出人类对太阳能的利用在不断加大。2015年2月有中国国家电网董事长刘振亚主编的《全球能源互联网》指出：太阳能发电经济性稳步提升。随着光伏电池及组件价格大幅下降，世界光伏电站造价已降到1500美元/千瓦。在中国，一些骨干企业已掌握万吨级多晶硅及晶硅电池全套工艺，光伏设备成本不断降低。在各国政策激励下，世界光伏发电已经从最初少数国家开发进入大规模发展阶段，而光热发电尚处于技术研发和试验示范阶段。从各国政策走势和规划来看，太阳能发电将继续保持快速发展，远期发展规模将超过风电。1.2太阳能发电技术的难题目前太阳能电池可以分为：有机太阳能电池和无机太阳能电池。有机太阳能电池的原理和无机太阳能电池一样也是光伏效应。然而就其转化效率来说，无机太阳能电池可达20%以上，而有机太阳能电池一般在10%左右。可见有机太阳能电池效率低,主要是由于使用的材料存在太阳光吸收效率低、吸收光谱与太阳光谱不匹配、吸收谱带较窄和载流子迁移率低的原因。但是未来有机太阳能电池研发和进步空间很大，将成为太阳能电池研究的热点。想要充分利用太阳能资源，还面临另一个不得不解决的问题：太阳能并网。随着光伏发电在电力系统中装机容量所占比例越来越大，它对电力系统规划、仿真、调度、控制的影响也引起人们极大关注：大规模光伏发电并网会对电网产生一系列的不良影响：光伏发电的间歇性出力直接造成电网的电压波动,无旋转惯量的电流源并网接入使得电网的稳定裕度减小。对于接入配电网的大型光伏电站，所造成的潮流变化使得馈线电压调节困难，保护整定更加复杂。电网从自身安全运行的角度出发，要求并网光伏电站具备一定的电源特性,而目前运行的示范工程均未达到这些要求,其差异情况如表所示。要真正实现大规模并网，电网和光伏电站都需要相互增强适应性，可概括成下表。电网需求光伏电站现状有功功率可调，具备调频特性最大功率点跟踪，出力随机波动性大一定的无功输出，具备调压特性无功补偿装置建设滞后或不具备无功补偿装置孤岛保护多台逆变器之间的孤岛检测相互影响，无统一策略低电压穿越一般不具备此功能，与孤岛保护存在矛盾光伏电站作为整体进行调节变换器之间相互影响高效变换，有较好的电能质量注入变换效率不够高，谐波超标等电能质量问题严重1.3太阳能发电的前景德国全球变化咨询委员会的研究表明，要实现全球能源的可持续发展，则要求可再生能源替代比例将要从2020年的20%升高到2050年的50%。日本太阳光发电协会的资料显示，到达地球的太阳光能大约是1KW/M2，如果100%转化成为可以消费的能源，1h的太阳光能就可以满足世界1年的能源需求。中国幅员辽阔，大部分地区太阳光资源丰富，储量巨大，理论上中国陆地上每年接受的太阳光能折合成标准煤的话，相当于1.7×104亿t，中国1/4的土地属于沙漠、沙漠化及潜在的沙漠化土地，如果利用其中的1%安装太阳能光伏发电装置，发电量就会满足全国的用电需求。在化石燃料日趋紧张的今天,太阳能资源开发利用的潜力还是非常大的。根据欧洲JRC的预测，到21世纪末可再生能源在能源结构中占到80%以上,太阳能发电占到60%以上。

2011年以来，受国际金融危机和贸易保护主义影响，中国太阳能光伏发电产业处在严重低迷期，但从各国的节能减排目标和联合国的《可再生能源特别报告》中看出，到2050年实现高比例的可再生能源替代是一个世界性的趋势，这将会促进中国太阳能光伏发电产业的发展。2012-09-22日国务院发布了《太阳能发电发展“十二五”规划》，提出到2015年中国太阳能发电装机容量达到21GW以上；2012-10-26日,国家电网公司发布《关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见》，大幅度降低光伏发电入网门槛；2013年国务院出台《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，提出2013年至2015年，年均新增光伏发电装机容量1000万KW左右，到2015年总装机容量达到3500万KW以上，并且要着力推进产业结构调整和技术进步。国家能源局明确指出，到2020年装机目标是1亿KW，今后几年都是超过10个GW的国内装机容量。到2030年整个能源需求达到50亿t标准煤，2050年达到52亿t，可再生能源在2050年的整个能源需求里占到40%，在电力需求里可再生能源达到60%的比例，光伏发电可能装机要达到10亿KW。国家政策的大力支持,将会推动中国太阳能光伏发电产业的快速健康发展。由于中国生产的99%的光伏产品用来出口，而且不掌握核心技术，使产品成本较高,一旦发达国家采取“双反”政策，中国的光伏产业就会受到冲击，这就促使人们在技术创新、设备升级、提高转化效率的基础上，扩大中国的消费市场，例如扩大光伏发电在城市轨道交通、农业、并网发电领域的应用，都将具有广阔的前景。2太阳能发电技术的原理太阳能电池是利用半导体材料的光伏效应,将太阳能转换成电能的装置。光伏效应：假设光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被接纳，具有足够能量的光子可以在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激起，致使发作电子－空穴对。界面层临近的电子和空穴在复合之前，将经由空间电荷的电场结果被相互分别。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。经由界面层的电荷分别，将在P区和N区之间发作一个向外的可测试的电压。对晶体硅太阳能电池来说，这个电压的典型数值为0.5～0.6V。如果此时连上导线，就有电流流过。如果经由光照在界面层发作的电子－空穴对越多，那么电流就会越大。我们可以结合图2-1来具体说明一下太阳能发电的原理。图2-1太阳能发电原理图太阳光照射在光伏电池上，当太阳电池吸收太阳光后，能透过p型半导体及n型半导体使其产生电子(负极)及空穴(正极)，同时分离电子与空穴而形成电压降，以形成电流。3太阳能光伏发电工程3.1光伏发电系统的分类光伏发电系统可以分为下面三大类：(1)独立运行光伏发电系统图3-1独立运行光伏发电系统结构独立运行系统中，电能唯一来源于太阳能电池阵列。为保证稳定性和运行效率，系统必须配备贮能蓄电池来储存和调节电能，当在夜晚或日光不强等外在条件影响下，太阳能电池不能为负载提供足够的能量时，蓄电池向负载提供能量以保证电能稳定。另一方面，当日光充足使得系统能提供多于负载所需要的能量时，蓄电池将贮存多余的电能。独立运行光伏发电系统总结构如图3-1所示，一般由光伏阵列、控制器、变换器、蓄电池和逆变器等组成。(2)并网光伏发电系统图3-2并网光伏发电系统结构并网光伏发电系统如图3-2所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能。目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池储能环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统具有不间断电源的作用。这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义。此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池阵列产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。当有日照，光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网；夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。(3)混合型光伏发电系统图3-3混合型光伏发电系统结构图3-3为混合型光伏发电系统，它区别于以上两个系统之处是增加了一台备用发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动备用发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充电，所以称为混合型光伏发电系统。混合型发电一般有风光互补发电、光柴混合发电和风光柴混合发电等。3.2光伏发电系统的组成部分3.2.1太阳能电池阵列太阳能电池阵列（如图3-4所示）一般由多块太阳能电池组件串并联而成，每个支路通过防反充二极管、充电控制器并联向蓄电池充电。太阳能电池阵列分为若干个子阵列，每个阵列由一个电子开关控制。当蓄电池的充电电压达到设定的最电高压时，自动依次切断一个或数个子阵列，以限制蓄电池的充电电压继续增长确保蓄电池的寿命，并最大限度地利用和储存太阳能电池发出的电能。图3-4太阳能光伏电池3.2.2蓄电池组蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。目前常用的是铅酸蓄电池，重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价格较高，相对来说应用没有前一种广泛。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，方阵除了供给负载用电外，还要给蓄电池充电；冬天日照量小，这部分储存的电能逐步放出。在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：白天方阵给蓄电池充电(同时方阵还要给负载供电)，晚上负载用电则全部由蓄电池供给。因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。当蓄电池端电压达到设定的最高值时，由电压检测电路得到信号电压，通过控制电路进行开关切换，使系统进入稳压闭环控制，既保持对蓄电池充电，又不致使蓄电池过充，造成电解液中水的大量分解和过热而导致极板损坏，从而使蓄电池得到合理的保护和利用。如果过充保护失灵导致蓄电池端电压过高时，系统发出报警指令。当蓄电池端电压下降至过放值时，系统也会发出报警指示，同时逆变器自动关闭，以保证蓄电池不再继续放电。3.2.3控制器在不同的光伏发电系统中控制器各不相同，其功能的多少和复杂程度差别很大，需要根据发电系统的要求及重要程度来确定。控制器一般由各种电子元器件、仪表、继电器、开关等组成。最简单的系统也可以不用控制器，有些要求有过充放、稳压等功能，而一些复杂的系统，如并网发电的光伏电站(并网发电不在本文的讨论范围内)，则要求有自动检测、控制、转换等多种功能。3.2.4逆变器逆变器将太阳能电池方阵输出和蓄电池放出的直流电转换成负载所需的交流电。逆变器主电路由大功率晶体管构成，采用正弦脉宽调制工作制，抗干扰能力强，还有很强的过载及限流保护功能。3.2.5阻塞二极管阻塞二极管也称防反充二极管或隔离二极管，其作用是利用二极管的单向导通特性防止无日照时蓄电池通过太阳能电池方阵放电。对于阻塞二极管的要求是工作电流必须大于方阵的最大输出电流，反向耐压要高于蓄电池组的电压，在方阵工作时，阻塞二极管两端有一定的电压降，对硅二极管通常为0．6～0．8V，对硝特基或锗管为0．3V左右。3.3光伏发电系统的装机容量和总发电量太阳发电系统装机容量＝电池板面积×日照强度×光电转换效率。其中：日照强度：指太阳光照射在单位面积的能量强度，单位：W/m2光电转换效率：指太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率。晶体硅目前的效率约为：13-16%。太阳发电系统发电量＝装机容量×有效日照时间×综合系数。其中：综合系数：指考虑到电池板的安装角度（水平、垂直方向）、逆变器的逆变损失、电力传输的线损、局部阳光遮挡等因素，最终的系统发电效率因数。3.4光伏方阵运行方式光伏方阵的运行方式有简单的固定式、倾角季度调节式和自动跟踪式三种类型。自动跟踪式又可分为“单轴跟踪”、“双轴跟踪”两种类型。（1）固定运行方式固定运行方式是指光伏方阵固定安装在支架上，一般朝正南方向放置，且有一定的倾角。倾角可根据当地辐射和地理位置进行优化选择。其中最佳倾角安装可以介绍如下不同纬度地区太阳入射角度是不同的，考虑一年当中各时段阳光照射强度因素，工程人员对电池板竖直方向的安装倾角进行优化计算，可以计算得到一个发电量最大的安装倾角。该安装方式适用于整个系统安装在开阔地和具有一定承重能力的屋面我国部分主要城市的斜面最佳辐射倾角如下表所示：城市纬度/最佳倾角城市纬度/最佳倾角哈尔滨45.68+3杭州30.23+3长春43.90+1南昌28.67+2沈阳41.77+1福州26.08+4北京39.80+4济南36.68+6天津39.10+5郑州34.72+7呼和浩特40.78+3武汉30.63+7太原37.78+5长沙28.20+6乌鲁木齐43.78+12广州23.13-7西宁36.75+1海口20.03+12兰州36.05+8南宁22.82+5银川38.48+2成都30.67+2西安34.30+14贵阳26.58+8上海31.17+3昆明25.02-8南京32.00+5拉萨29.70-8合肥31.85+9（2）倾角季度调节式与固定式类似。不同之处，其方阵倾角设计成约15°～65°，之间可以手动调节，一般设计成每10°一个档位。在夏季，正午太阳高度角较大，方阵倾角可适当减小；而在冬季时，正午太阳高角度较低，可通过提高倾角从而使得太阳光入射到方阵面上的入射角尽可能小。倾角季度调节式的光伏方阵如图3-5所示。图3-5倾角季度调节式的光伏方阵（3）自动跟踪式a、单轴跟踪式它通过围绕位于光伏方阵面上的一个轴旋转来跟踪太阳。该轴可以有任一方向，但通常取东西横向，南北横向，或平行于地轴的方向。最常见的是轴取为南北横向，且有一定的倾角。b、双轴跟踪式：它有两个可以旋转的轴，通过旋转这两个轴可使得方阵面始终和太阳光垂直，从而最大可能捕获太阳能。3.5光伏系统的选型截止到2007年底，全球大型光伏电站中约有27%采用了自动跟踪式，其余采用固定式。倾角季度调节式在大型光伏电站使用较少。倾角季度调节式与倾角设为最优的固定式相比，年总发电量提高5%左右，考虑其造价的增加以及人力成本的增加，该运行方式并不经济。不同跟踪方式在当地条件下对发电量（与固定式相比）的影响不同。根据有关研究表明，单轴跟踪比固定式发电量一般可提高15～25%，双轴跟踪比固定式发电量提高20～35%。目前，单轴跟踪式、双轴跟踪式的技术已经较为成熟，但是价格较贵，一般来说，发电量的提高比例低于成本的增加比例，性价比较差；而国内专业生产单轴跟踪、双轴跟踪支架的厂家虽然目前报价较低，但由于缺乏大规模商业化生产和运行经验，存在一定商业和技术风险。目前国内光伏发电系统大多采用固定式。3.6光伏系统的布置光伏系统的布置主要是光伏阵列前后排间距的设计。光伏阵列通常成排安装，一般要求在冬至影子最长时，两排光伏阵列之间的距离要保证上午9点到下午3点之间前排不对后排造成遮挡。在水平面垂直竖立的高为L的木杆的南北方向影子的长度为Ls，Ls/L的数值称为影子的倍率。影子的倍率主要与纬度有关，一般来说纬度越高，影子的倍率越大。在特定的纬度，由影子的倍率和光伏电池板的竖直高度，我们可以求出光伏电池板前后排的最小间距，如图3-6所示。光伏电池板前后排的最小间距计算公式：图3-6前后排阵列布置示意图3.7光伏发电技术问题太阳能光伏发电系统是由光伏电池板、控制器和电能储存及变换环节构成的发电与电能变换系统。随着全球光伏产业的迅速发展，从电池板的生产到电力电子变换器的设计，众多的光伏发电相关技术都得到了极大的发展，对于一个光伏发电系统,太阳能电池技术、光伏阵列的最大功率跟踪(MaximumPowerPointTracking,MPPT)技术、并网电流控制技术、聚光器技术、孤岛效应检测技术等都是系统运行所涉及到的重要技术。3.7.1太阳能电池技术光伏电池是太阳能光伏发电系统中基本核心部件，它的大规模应用需要解决两大难题：一是提高光电转换效率；二是降低生产成本。以硅片为基础的第一代光伏电池，其技术虽已经发展成熟，但成本一直高居不下。基于薄膜技术的第二代光伏电池中，很薄的光电材料被铺在非硅材料的衬底上，大大减少了半导体材料的消耗，且易于批量自动化生产，从而大大降低光伏电池的成本。国际上已经开发出电池效率在15%以上、组件效率10%以上和系统效率8%以上、使用寿命超过15年的薄膜电池工业化生产技术。继晶体硅和薄膜电池之后，一些新概念、新结构的电池，通过减少非光能耗，增加光子有效利用以及减少光伏电池内阻，使得光伏转换效率的上限有望获得新的提升。目前许多研究人员把目光投向了以先进薄膜制造技术为基础的，理论极限光电转换效率最高可达93%的第三代太阳能电池，主要有量子点、多层多结、染料敏化太阳能电池、有机聚合物电池、纳米结构电池等，这些新型太阳能电池目前正围绕提高光电转换光电效率和降低生产成本两大目标展开研发。3.7.2光伏阵列的最大功率跟踪技术经研究发现，光伏阵列功率输出特性具有非线性特征，并受太阳辐射照度、环境温度和负载情况的影响。光伏阵列电流、电压输出特性如图3-7所示。假定图中曲线1和曲线2为两个不同太阳辐照下的光伏阵列输出特性。A和B分别为相应的最大功率输出点，并假定某一时刻，系统运行在A点。当太阳辐照度发生变化，输出特性曲线由1上升为2，此时如果负载1保持不变,系统将运行于A′点，偏离了相应的功率最大点。为了继续跟踪最大功率点，应当将负载特性由负载1变化至负载2，以保持系统运行在新的最大功率点B。同样，如果太阳辐照度变化使得阵列输出特性由曲线2变至曲线l，则相应的工作点由B点变化至B′点。应当相应地减小负载2至负载1，以保证系统在太阳辐照度减小的情况下仍然运行在最大功率点A。图3-7MPPT技术示意图为了使太阳能电池在供电系统中充分发挥它的光电转换能力，就需要实时控制光伏电池阵列的工作点以获得最大的功率输出。最大功率跟踪的实现实质上是一个动态寻优的过程，通过对光伏电池阵列当前输出电压与电流的检测，得到当前光伏电池阵列输出功率，再与已被存储的前一时刻功率相比较，舍小取大，再检测，再比较，如此不停地周而复始，便可使光伏电池阵列动态的工作在最大功率点上。这一过程称之为最大功率点跟踪，相应技术称之为MPPT技术。目前采用的定电压跟踪法、扰动观察法、功率回授法、增量电导法以及模糊控制算法等可以较好的实现最大功率点跟踪功能。3.7.3并网电流控制技术并网逆变器需要将可再生能源产生的电能以电流的形式持续不断的注入到公共电网，入网电流的衡量标准主要包括：稳态跟踪误差、动态响应速度以及THD等等，其中以THD最为重要。IEEEStandard519-1992中规定并网系统入网电流的谐波限制如下表所示。谐波次数百分比4.02.01.5谐波次数百分比0.60.3作为并网逆变器入网电流控制技术的主要环节，电流控制器决定了入网电流的各项性能。电流控制器根据控制方法的不同，分为比例积分PI控制、比例谐振PR控制、无差拍DB控制、滑膜控制、模糊控制等等；根据结构的不同，又分为dq坐标系，αβ坐标系、abc坐标系三种。3.7.4聚光光伏技术直接到达地面的太阳能密度很低，其峰值不超过lkW/m2，为了提高太阳能利用效率，可采用聚光光伏技术。一方面将太阳光会聚到面积很小的高性能聚光电池上，提高太阳光辐照能量密度；另一方面用相对便宜的聚光器部分代替昂贵的太阳电池，从而达到降低光伏发电系统成本的目。聚光器是聚光光伏系统的主要组成部分，根据光学原理可分为：折射聚光器、反射聚光器、混合聚光器、热光伏聚光器、荧光聚光器、全息聚光器等。其中混合聚光器利用折射、反射和内部反射达到聚光。热光伏聚光器工作原理是：太阳把辐射器加热到高温，完成光热转换；辐射器再发出辐射到太阳电池上，完成光电转换。荧光聚光器和全息聚光器是两种尚未成熟的技术。虽然目前聚光光伏系统还存在一些关键的科学技术问题没有得到完全解决，但各国光伏工作者也在不断地以实验结果验证聚光技术。2005年5月，美国可再生能源实验室报道其三结太阳电池在10倍聚光条件下的效率为37.9%。2006年12月，该项世界纪录又被其刷新为40.7%。我国虽然聚光器技术起步比较晚，但是发展比较迅速，2009年6月的我国自主研发出的“4倍聚光+跟踪”的新型光伏发电技术，具有廉价、轻巧、效率高、抗风强等特点。3.7.5孤岛效应检测技术所谓孤岛效应是指：当电网由于电气故障、误操作或停电维修等原因造成中断供电时，各个光伏并网发电系统仍在运行，并向周围的负载供电，而构成一个电力公司无法控制的自给供电的孤岛。孤岛模型如图3-8所示。当光伏并网发电系统处于孤岛运行状态时会产生严重的后果，如孤岛中的电压和频率无法控制，可能会对用户的设备造成损坏；孤岛中的线路仍然带电会对维修人员造成人身危险等。图3-8孤岛模型图孤岛效应检查方法在并网逆变器侧可分为被动式和主动式。被动式检测方法是利用电网断电时逆变器输出端电压、频率、相位或谐波的变化进行孤岛检测，该方法适用于负载功率变化不大，且与逆变器的输出不匹配的场合。主动式检测方法是指通过控制逆变器，使其输出功率、频率或相位存在一定的扰动。电网正常运行时，由于电网锁相环的平衡作用，检测不到这些扰动，一旦电网出现故障，逆变器输出的扰动将快速累积并超出允许范围，便可触发孤岛效应检测电路。主动式检测方法目前主要有：阻抗测量法、输出功率扰动法、主动频率偏移法及滑动频率移相法等。其中频率偏移法及频率移相法具有易于实现、实用性强等特点，在应用中更为广泛。4我国太阳能光伏发电的发展现状及展望4.1我国光伏发电的现状我国光伏产业近几年来经历了缓慢-快速-爆炸式的发展过程，产业规模不断扩大，无论在核心技术、产品制造、设备，还是在市场开发、安装与服务等方面，都具有了一定自主知识产权的产业链，有些已达到国际领先水平，在国际市场上占有举足轻重的地位。截至2010年，在海外上市的光伏企业已有16家；全球光伏电池组件及多晶硅产量前10强中我国分别占了4家。此外，随着国际化步伐的加快，已有多家国内企业陆续在美国、加拿大等地建立工厂，质优价廉的光伏产品为全球光伏产业快速发展做出了巨大贡献。这是我们光伏产业对中国制造业的一个贡献，它给了世界一个重新认识中国制造业的机会。从2008年起，我国光伏组件制造量就占据了全球光伏组件的半壁江山，而且保持了快速增长。即便在2011年和2012年的两年间，在全球光伏市场低迷、欧债危机和欧美“双反”的不利国际环境下，中国光伏依然占据了近50%的份额，且取得了37%的年增幅。2012年，中国光伏企业的产量达到了26GW，而产能达到了35GW。我国光伏产业从2005年诞生以来，短短的8年间就从年产值不到一千万元成长为年产值超过5000亿元的产业，规模增长创下了有史以来所有产业的纪录，这是我国光伏产业辉煌的一面。在国内多项利好政策频出、部分过剩产能淘汰以及国际市场趋稳的带动下，2013年中国光伏产业运行状况逐渐走出过去两年的低谷期，光伏设备及其元器件制造业景气状况出现明显好转，2012年以来，光伏设备及其元器件制造业营收及利润增速持续回升，光伏企业亏损面也有小幅缩减。2013年全年，光伏设备及其元器件制造业主营收入及利润总额分别为3456.9亿元和89.7亿元，同比分别增长13.0%和279.9%，增速较2012年分别提升26.6个百分点和379.1个百分点。1、政策利于推动国内光伏发电应用市场发展2012年以来，国家电网出台《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》，国务院出台《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，国家发展改革委印发《分布式发电管理暂行办法》的通知，一系列总体规划和专项意见的出台，一批分布式太阳能项目迅速在国内落地，大幅度地推动了太阳能发电国内应用市场的发展。截至2013年末，全国发电装机总量达12.47亿千瓦，同比增长9.3%，其中并网太阳能发电装机容量1479万千瓦，同比增长3.4倍。同时，2013年全年太阳能发电主营业务收入规模达到67.4亿元，比去年同期增长64.7%，远远高于同期总体发电6.2%的增长速度。2、出口结构优化缓解了光伏产业外需过快下滑过去几年，我国光伏产业严重依赖欧美市场，在欧美经济增速增长乏力、主要欧美出口市场补贴力度下滑以及贸易保护主义政策等不利因素影响下，光伏产品出口需求出现了大幅下滑，国内光伏产业快速陷入困境。2013年，我国光伏产业严重依赖出口市场的局面并没有本质改变，但是出口结构的优化给产业发展带来了转机。2013年全年，我国太阳能光伏电池片及组件出口数量同比实现正增长，增速达17.7%，在出口价格同比下降30.4%的影响下，出口额为122.9亿美元，同比下降18.0%，其中，对欧洲出口额为37.2亿美元，同比大幅下降62.0%，市场份额大幅下降至30.3%，仅占我国出口市场的1/3左右，而对亚洲市场出口额为55.0亿美元，同比大幅增长124.3%，占我出口市场的44.8%，成为了我国光伏出口的最大市场，同时，对非洲国家出口额为5.7亿美元，同比增长387.1%，成为我太阳能光伏电池出口增长最快的新兴市场。可以看到，出口到亚太等新兴市场的光伏产品迅速增长，我国光伏产业摆脱了相对单一的外需格局，出口结构的优化大大降低了我国光伏企业面临的外部市场风险。3、淘汰过剩产能促进了光伏产业健康发展2013年，全球光伏市场产能过剩现象依然严重，供需失衡，行业整体利润继续下降，大量企业面临破产危险。我国光伏电池产量占世界总产量的一半以上，同时企业缺乏自主创新技术，产品同质化严重，2013年，经过市场的充分竞争，淘汰了一部分过剩产能，技术得到了不断进步，产业集中度越来越高，促进了我国光伏产业健康发展。在经历2011年和2012年的持续亏损之后，2013年以来，受政策引导和市场驱动等因素影响，我国光伏产业发展形势有所好转，骨干企业经营状况趋好，国内光伏市场稳步扩大，盲目扩张势头减缓，创新驱动效应明显。2013年，全国多晶硅产量8.4万吨，同比增长18.3%；电池组件产量约2700万千瓦，占全球份额超过60%，同比增长13%。但总体来看，目前光伏制造业亏损状况未有根本性改变，仍面临多方面的问题。2008年金融危机，国外光伏市场迅速萎缩，我国光伏产业遭遇“寒冬”，成为“重灾区”。调查数据显示，当时我国已有350家光伏产业组件企业倒闭歇业，幸存者只剩下约50家。2011年，受欧债危机和美国“双反”调查等影响，我国光伏产业再次陷入低迷的景象，这同样是过度依赖国外市场的结果。可以说，过度倚赖国外市场已经成为国内光伏产业的瓶颈和软肋。我国光伏产业要想健康、稳定发展就必须摆脱过度依赖国际市场的发展路子。4.2中国太阳能光伏产业的挑战我国光伏产业在高速发展的背后，实际上也隐藏着很大的问题。2011年以来，在全球光伏市场需求增速减缓、产品出口阻力增大、光伏产业发展不协调等多重因素作用下，我国光伏企业由于在2010年高峰期扩张过快，造成产能过剩较大，导致普遍经营困难。同时，我国光伏产业存在市场无序竞争、产品市场过度依赖外需、国内应用市场开发不足、技术创新能力不强、关键技术装备和材料发展缓慢，财政资金支持需要加强、补贴机制有待完善，行业管理比较薄弱、应用市场环境亟待改善等突出问题，光伏产业发展面临严峻形势。2011年上半年开始的全球经济萧条，以及国际多个国家和地区的主权债务危机的阴影，也给光伏产业带来重创。而贸易保护主义的抬头，也加剧了中国光伏产业的颓势。由于2010年的欧洲市场增速很快，提前透支的大安装量和当时的暴利，吸引了大量投资，造成中国的产能扩张的速度高达300%。这个过度的产能扩张与上面提到的价格下跌结合在一起，使得我国大部分光伏企业刚投产就不得不以低于成本价很多的价格清仓，从而造成了行业的恐慌。随着市场价格的不断下降，加上国际经济形势和欧美“双反”的影响，这种恐慌随着不少光伏上市企业的报表逐渐披露，逐步蔓延到了投资界和金融界，形成了谈光伏色变的局面。集中来看，我国光伏产业目前存在的问题体现在以下几个方面：1、由于成本过高，光伏产业对政府的补贴依赖严重2010年之前光伏产业的高速增长，实际上是建立在各国政府补贴的基础上的，光伏技术在从实验室到产业化过渡初期，由于生产成本比在实验室的预期大幅下降，因此形成了短时间的暴利。这种情形吸引了大批的投资者进入光伏产业，但光伏发电高于火力发电的基本事实并没有改变，这使得光伏产业的市场依然较大程度地依赖政府补贴政策，中国是这样，全球也是这样。因此，2011年以来，当金融海啸、欧债危机这些涉及到政府要动用资金救急解困的危机情形出现时，光伏产业所受的影响首当其冲。一时间，Q-Cell，Soventix，Bosch，Siemens等公司均破产或出售光伏业务，国内的江苏阳光、无锡尚德、青海亚洲硅业等不少昔日公司宣布破产，而江西赛维等一度风光无限的巨头也岌岌可危，更有大量的企业停产。由于这些公司都是上市公司，因此，其倒闭破产令人“草木皆兵”，使得许多地方政府和银行望光伏而生畏。这样，就形成了2011年以来长达三年的低迷。2、技术和设备更新快速，从而设备的生命周期短由于光伏产业是新兴产业，尚未有成熟定型的技术路线，目前所谓的主流技术大部分是根据实验室试验结果开发出来后很快即投向市场，往往一种设备上市两三年后，就有新的技术和新的设备，使之面临淘汰的命运，从而出现了设备才投产两三年就因效率低下或生产成本偏高而不能开工，变成虽然设备完好却变成无效产能的情形。光伏产业初期的暴利使得不少投资者利欲熏心，只顾大规模扩产，无暇进行自有技术的更新和研发。中国光伏产业的技术缺少创新，大部分为引进，这是导致中国的多晶硅尽管产能很大，但因竞争力低迷而不得不大量进口的原因。核心技术的缺乏使得中国的光伏产业缺乏自我更新能力，导致已经投入的大量设备的产能不仅形成了相对过剩，而且还很快面临淘汰的命运。3、欧美贸易保护主义抬头，导致中国产业的国际市场发展势头受到阻击中国光伏从2008年起就占据了全球光伏产业的半壁江山，而且，中国企业靠着自身的努力使光伏发电成本从2008年的4元/度降到了2013年的0.8元/度。现在德国的光伏发电已经占到了电力总装机量的20%，而其中，80%来自于中国制造的产品；中国光伏产品的出口也一直占据了国内总产量的90%以上。在中国产品的冲击下，欧美许多光伏企业无法竞争，纷纷破产。欧洲各国政府和美国政府都不愿看到光伏这个未来在他们国家的支柱能源由中国制造的产品来主导，因此先后试图采取“双反”等贸易保护手段来遏制中国光伏产业的发展，这使得市场大部分依赖外国的中国光伏产业大受打击。4、国内光伏产业扶持政策不明，国内市场发展缓慢中国政府从2008年发出了第一个光伏电价补贴文件，对国内三个项目给予了每度电4元的补贴；2009年6月，中国政府推出了“金屋顶”计划，同年，又推出了“金太阳”计划。这些装机补贴虽然给市场带来了表面的热闹，但实际上是鼓励了弄虚作假，打击了真正的光伏发电企业。2011年8月，国家发改委公布了光伏上网电价，由于未对全国不同日照条件的地区进行区别电价，也没有说明价格补贴的期限，价格的额度也不合理，多种原因导致根据上网电价倒推回来的组件价格降幅过快，这是我国光伏组件价格从13元/瓦降到4元/瓦以下的主要原因。因此，在2012年10月份以前，虽然中国政府给出了不少光伏补贴政策，但当时这些政策既不系统也不完善，导致已投资的资金回收困难，想投资的不敢再投资，客观上阻碍了国内光伏产业的长远发展。5、国内外宏观经济形势萧条导致产业资金短缺2010年，从2008年经济危机中恢复的光伏产业获得了高速发展，但同时，各国的主权债务危机导致了政府资金的紧缩，这对依赖政府补贴的光伏产业形成了信心危机。尤其是欧债危机对欧洲这个当时世界上最大的光伏市场带来了很大的阻力。同时，国内开始经济结构调整，在传统产业受到打击的同时，并没有给光伏等战略性新型产业以明确的政策，因此，光伏企业的不景气和一些大企业的倒闭破产，使得银行和投资机构对光伏望而生畏，导致企业面临市场和资金的双重不足，从而整个行业陷入低迷。6、光伏企业发展存在四大瓶颈一是消费观念及习惯还没有改变，如：普遍用电问题，家庭发电自用的模式，我国尚没有形成这个习惯，需要国家政策积极引导，需要商家进行市场培育。二是我国光伏产品总体造价成本高于国际水平，光伏产品硅片比较贵，这样总体价位较高，超越了普通消费水平，需要政府给与一定扶持政策及帮助，需要商家进行一定的让利，让百姓消费得起。三是整体配套服务还存在一定问题，如光伏与地方电网并存使用协调的问题，专业队伍安装及售后服务问题等，都在困扰着更多用户及市场拓展。四是产品质量稳定性，需要一个市场接受过程，这个时期需要光伏企业特别有耐心，耐得住规模化市场大势形成之前的短暂寂寞。综合起来，虽然中国光伏这些年获得了巨大的发展，也曾经涌现过江苏中能、无锡尚德、江西赛维、天威英利等一批国际知名企业，甚至还占据过各自环节世界第一的地位，但是，由于没有科学发展的长远性，没有对各种风险和问题的预见性，没有自主技术，加上国内外经济政治环境的影响，一旦行业波动较大，这些巨人倒下的速度，远远比他们发展起来的速度快得多。4.3中国太阳能光伏产业的展望(1)国家将在政策层面出台进一步促进太阳能发展的相关激励政策。进一步完善光伏发电上网电价和财政金融政策。我国已出台大型光伏电站上网电价，但是并未规定有效期限，具有一定不确定性。同时，该上网电价未考虑太阳能资源条件的地区差异，从现有光伏发电技术和成本来看，仅在青海、西藏和新疆等地区具有盈利空间。建议按太阳能资源条件分类制定光伏发电上网电价，并保持政策长期性和稳定性。现有光伏发电财政补贴政策手段略显单一，建议采取多种财政金融政策，多管齐下，鼓励支持光伏发电发展，具体政策措施可包括加大税收优惠力度，提供电站项目专项贷款或者贷款担保，鼓励投资多元化等。继续推动光热发电特许权项目招标，适时出台财政金融和上网电价政策。2011年1月，国家能源局启动了内蒙古．鄂尔多斯50兆瓦光热发电特许权项目招标，标志着光热发电技术在国内开始进入工程示范阶段，对启动国内光热发电市场具有非常重要的意义。建议国家继续推动特许权项目招标，扩大光热发电产业规模，促进技术进步，降低发电成本，在产业发展日趋成熟后，适时出台财政金融和上网电价政策，保证政策的普适性和公平性，推动光热发电的规模化发展。加大产业资助和投入，推动国内关键技术的研发和储备。太阳能发电属于新兴产业，尤其是光热发电尚处于商业化初期，部分关键技术成熟度还不高，仍处于技术研发和攻关阶段。建议加大产业资助和投入，可由技术研究基础较强的科研机构或设备厂商牵头，加强关键技术的研发和储备。对于光伏发电，针对光伏电池薄层化、柔性化和叠层化的发展趋势，加强电池材料和制造工艺的研究，降低材料成本，提高电池效率，降低能耗和污染。大力研发大容量逆变器和微型逆变器，并继续提高效率和降低成本。对于光热发电，加强对聚光镜、高温吸热器、耐高温真空吸热管等集热关键设备的技术创新，加快高温传热介质、高效储热材料以及换热装置的研发，创新二次聚光、透射聚光等聚光方法和换热方式，研究光热发电和常规机组联合运行以及综合利用技术。(2)西部地区以地面光伏电站的开发建设为主，在东部地区以投资建设建筑光伏电站为主；光热发电短期内以开发建设光热发电示范项目为主。对于光伏发电，随着近期光伏组件的快速下滑，我国西部地区建设地面光伏电站的盈利空间较大，考虑光伏发电并网对电网的要求，可选择电网规模相对较大，灵活电源比重相对较高地区投资建设大型光伏地面电站。发展分布式建筑光伏系统是启动国内光伏市场的重要方向，建议可在东部经济相对发达地区投资建设建筑光伏系统，积累运行和管理经验。对于光热发电，短期以开发建设光热发电示范项目为主。通过示范工程项目，探索降低光热电站造价的途径和相关标准，快速积累运营和管理经验，培养人才队伍。待有关支持政策进一步明确后，再考虑大规模商业开发。(3)在设备厂商层面，对于光伏发电设备，短期应谨慎进入；对于光热发电设备，根据风险承受能力开展关键技术研究、关键设备研制等工作。目前，受国际市场变化的影响，国内光伏市场出现投资过热、产能过剩的局面。光伏产业是目前我国投资的热点，银行、民间资本、风险投资、证券融资都将光伏产业纳入最有潜力的产业予以支持，很多地方政府也将光伏产业作为经济发展的新增长点，致力于打造光伏产业基地。虽然从长远看，光伏产业远未到达产业过剩的阶段，但是在近期的产能过剩需要一段时问消化，近期应谨慎进入。尽管光热发电具有巨大的市场潜力，但目前，全球光热发电技术尚处于商业化初期，有关设备和关键技术仍在完善中，研发光热发电技术和设备的战略意义远大于暂时的经济效益。对于风险承受能力较强的设备厂商，在光热发电发展的初期，可积极研究关键技术、研制关键设备，通过示范工程培养人才团队，形成EPC能力；对于风险承受能力相对较低的设备厂商，可在国家政策进一步明晰，光热发电商业化运营步入成熟再进入。参考文献[1]刘振亚.全球能源互联网[M].中国电力出版社，2015.[2]丁明等,大规模光伏发电对电力系统影响综述[J].中国电机工程学报,2014(1):第1-14页.[3] 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