太阳能光伏发电综述

逆变器研发生产项目可行性研究报告1引言太阳能是太阳内部连续不断的核聚变产生的能量，太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍。目前传统意义上的资源由于人类的过度开采和使用已经面临日益枯竭的局面，所以许多国家都意识到开发新能源的迫切性。在可再生能源（风能、水能、太阳能等）中，太阳能由于它的取之不尽、用之不竭而受到人们的广泛关注。关于如何将太阳能转化成我们日常生活中所需要的能量形式也成为研究热点。目前将太阳能转化成电能的方式主要有两种：太阳能热发电和太阳能光伏发电。太阳能热发电是指将吸收的太阳辐射热能转换成电能。太阳能光发电是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能级半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电方式,是当今太阳光发电的主流。2太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V,还需要配置逆变器。各部分的作用为:（1）太阳能电池板:太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。（2）太阳能控制器:太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他如光控开关、时控开关都应当是控制器的附加功能。（3）蓄电池:一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来,到需要的时候再释放出来。在并网太阳能发电系统中，可不加蓄电池组。4）逆变器:太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。图1太阳能光伏发电系统的构成太阳能光伏系统中最重要的是电池，是收集阳光的基本单位。大量的电池合成在一起构成光伏组件，1/6有时还用逆变器对电流进行转换，以适合不同电器的使用要求或与电网相匹配。太阳能光伏电池主要划分为：晶体硅电池（包括单晶硅monoc-Si、多晶硅multi-Si、带状硅ribbon/sheetc-Si）、非晶硅电池（a-Si）、非硅光伏电池（包括硒化铜铟CIS、碲化镉CdTe）。近年来原材料多晶硅价格的不断上涨，致使晶体电池的成本大幅攀升，但也使得非晶硅电池成本优势更加明显。此外，薄膜电池可大大节约原材料使用，成为太阳能电池的发展方向，但是其技术要求非常高，而非晶硅薄膜电池作为目前技术最成熟的薄膜电池，成为目前薄膜电池中最富增长潜力的品种。单晶硅太阳电池的实验室最高转换效率可达24.7%，批量生产已超过17%，无锡尚德的冥王星技术则超过了18%。多晶硅太阳电池的实验室最高效率也超过了20%，平均效率达到16%以上。晶体硅电池中还有一种背接触高效电池，实验室最高效率已达26.8%。薄膜太阳电池中已商业化的主要是非晶硅薄膜电池，最高效率可稳定在12.8%左右。还有一种聚光太阳电池，转换的最高效率可达40.7%。太阳能光伏发电系统的主要优点（1）可以有效利用建筑物屋顶和幕墙，无需占用土地资源；（2）可原地发电，原地使用，减少电力输送的线路损耗；（3）在白天用电高峰期供电，从而舒缓高峰电力需求;（4）配备蓄电池后，还能满足安全用电设施的不断电要求；（5）太阳能发电板阵列直接吸收太阳能，降低墙面及屋顶的温升,减轻建筑空调负荷。3世界光伏产业现状与发展太阳能光伏发电产业是20世纪80年代以来世界上增长最快的高新技术产业之一。到2004年，世界太阳能光伏发电装机总容量达到964.9MW，到2005年底，估计达到4961.69MW。目前，光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其光伏发电量约占世界光伏发电量的80%。1990年德国首先开始实施“一千个太阳能屋顶”计划，在居民住宅屋顶上安装光伏系统，计划结束时完成了2500套，平均容量为3kW。1997年美国和欧盟先后宣布开展“百万太阳能屋顶”以后，户用光伏系统得到了迅速的发展。德国在1999年开始实施“十万太阳能屋顶”计划，单是在2003年就安装了120MW。2004年起实施新的激励政策,很快在全国掀起了安装应用光伏系统的热潮，安装的户用光伏系统比前一年增加了2倍，达到了360MW。日本很早就开始推广户用光伏系统，1994年开始实施“七万屋顶”计划，最初对安装的用户补贴总价的一半，市场发展起来后补贴逐渐减少，到2003年只有补助10%。尽管补助减少了，安装量却仍不断增加，到2003年已接近17万户，累计安装容量超过620MW。目前，美国和日本在世界光伏市场上占有最大的市场份额。美国拥有世界上最大的光伏发电厂，其功率为7MW；日本也建成了发电功率达1MW的光伏发电厂。全世界总共有23万座光伏发电设备，以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。美国计划在2020年以前安装3GW光伏发电容量（增加15%）累计达15GW（1GW=1000MW）。届时全世界光伏发电总装机容量将为70GW。国菌增1J2CJLCJ?EJ年Mi年II本53d7.2欧盅315类国■k715诧它国凉3Id总计15.77(1I5H表1世界光伏发电装机容量预测（GW）1999年以前，美国的太阳能光伏发电研究和开发一直处于世界领先地位，后来由于种种原因，太阳电2/6池组件的产量落到了日本和欧洲的后面。美国在2004年9月发表了“我们太阳电力的未来：2030年及更久远的美国光伏工业路线图”，对此进行了分析，提出要恢复美国在光伏市场的领导地位。并提出以下目标：在2025年新增加发电容量的一半由太阳能发电提供。由于德国实施了高价收购光伏上网电力的激励政策，近年来积极发展大型光伏电站，到2007年5月为止，全球已建成最大的10座容量超过5MW的光伏电站中，德国就占了6座;前50座容量在2MW以上的光伏电站中德国占了31座，其余是西班牙10座，美国3座，日本3座,意大利、荷兰和葡萄牙各有1座。4我国光伏产业现状与发展我国大部分地区具有较为丰富的太阳能资源，整体资源占有量在5000兆焦耳/（平方米•年）以上。尤其是在我国的西北地区，由于西北省份偏远地区尤其是荒漠地区人流稀少，其他资源贫乏，却拥有及其丰富的太阳能资源，在这些地区发展太阳能光伏产业、构建大规模的新能源基地具有重要的现实意义。我国于1958年开始研究太阳能电池，于1971年首次成功应用于自主发射的东方红二号卫星上，1973年太阳能电池开始用于地面工程。80年代以后，国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给予支持，特别是“十五”期间，国家通过科技攻关和863计划安排支持了一批增强现有装备生产能力的项目，大幅度提高了光伏发电技术和产业的水平，缩短了光伏发电制造业与国际水平的差距。在应用技术方面，国家“十五”期间安排了屋顶并网发电技术和高压并网发电的技术科技攻关，建成了一批10〜50kW的屋顶系统：在深圳建成了兆瓦级低压并网光伏发电站一座；在拉萨建成了100kW的高压并网发电站一座，为我国2010年和2020年屋顶光伏并网发电和沙漠电站技术的规模化发展积累了经验。在产业化方面，目前国内光伏发电的主要产品是晶硅电池及少量非晶硅电池。截止至2006年底，我国已建成10多个一定规模的光伏电池专业生产厂，光伏电池组件的年生产能力超过200MW。尤其是晶体硅光伏电池组件的封装能力大大加强，10MW规模及以上的光伏电池封装技术及其配套装备已经成为商业化的工业装备。据国际能源协会下属光伏电力系统项目研究小组（PhotovoltaicPowerSystemProgramme）在2006年发布的报告“光伏发电应用技术的趋势”一文中统计：2006年中国光伏发电设备的年销售量为15MW，光伏系统的总装机容量达到85MW光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色，预计到2010年中国的光伏发电累计装机容量将达到600MW，2020年累计装机容量将达到30GW，2050年将达到100GW。根据电力科学院的预测，到2050年中国可再生能源发电将占到全国总电力装机的25%，其中光伏发电将占5%。年份燃电水电核电缺口.如！40013512.55X4.54()%23.10%6.4腺知22036小二3恢3.M橱10.血表22010年和2020年我国发电容量预测（GW）（电力科学院）201()T2020；「市场分类累计装机容呈市湖份额累计装科容量市场份额理〔恸〔恸农村电气化凯20012.5通讯和工业4()161006.25太阳能光伏产业3U121006.25井网光伏建筑5U20100062.5地而并网光伏5(]2020012.5合计25()10()160()1〔用表32010年和2020年我国光伏发电市场预测在光伏发电系统中，太阳能电池板是其中的重要组成部分，在中国范围内，从事太阳能电池板生产的公司为数众多。以2007年的数据为例，无锡尚德公司的电池板产量为327.OMW/年，位居全国第一。同样在2007年，在世界范围内的产量排行中，该公司位居第三。但我们国家的光伏发电系统产业发展极不均衡，除了太阳能电池板产量位居前列外，光伏控制器的技术水平远远落后于欧洲、日本等发达国家，和世界大型控制器生产厂商相比，中国的太阳能控制系统生产厂商规模较小，同时技术水平相对落后，自主创新和研发能力有待提高。因此我国所生产的大量太阳能电池板主要针对出口，而太阳能电池板的生产是属于高能耗产业，在生产的过程中需要耗费大量的能源，并不利于节省能源。因此中国光伏发电系统的装机容量并非像光伏电池产业一样在世界范围内具有显著的优势。在2007年，中国的光伏发电系统装机容量仅为约20MW，占世界光伏总产量的1.84%，生产光伏电池总量的约98%都需要出口。当年的累计装机容量为100MW，不足世界累计安装量（约12GW）的1%。长此以往，并不利于我国太阳能光伏发电产业的发展。图22005-2010年中国光伏产业年装机容量及累计装机容量不过从图2中，我们仍然可以看到，随着国家对太阳能光伏产业的日益重视，并且逐渐增加在资金和技术人员方面的投入，我国光伏产业的装机容量尽管处于比较低的水平，在近几年仍然得到了迅速发展。我国第十届中国太阳能光伏会议的《常州宣言》提出了非常积极的目标，力争在2015年前使光伏发电成本下降到1.5元/kWh，在10年内使光伏发电量占到全国总发电量的1%，这意味着大约500亿kWh的年发电量和超过4000万kW的装机量。5太阳能光伏发电系统目前存在的问题及未来发展趋势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。在光-电转换的过程中，并不是所有的入射光谱都能被电池所吸收，并完全转成电流。有一半的光谱因能量小于半导体的能隙，对电池的输出没有贡献。而另一半被吸收的光子中，除了产生电子-空穴对所需要的能量外，大概有一半左右的能量以热量的形式浪费掉。所以，单一电池的最高效率约在25%左右，目前实验室所研发出来的电池的效率几乎可以达到理论的最高值。但是因为制造工艺过程复杂，产量太低,造成价格偏高，不符合经济效益，所以这成为光伏电池发展的最大瓶颈。以硅片为基础的第一代光伏电池，其技术虽已经发展成熟，但高昂的材料成本在全部生产成本中占据4/6主导地位，不仅消耗了过多硅材料，而且制作全过程中要消耗很多能源。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，并且易于形成批量自动化生产，从而大大降低了光伏电池的成本。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。光伏系统的研究开发课题包括:改进光伏模块性能，提高光伏器件的光/电转换效率，降低光伏器件的初投资费用，光伏器件的节能生产工艺流程，新型高效（超高效）光伏电池的创新研发，住宅光伏系统的联网运行，以及光伏系统设备的标准化等。逆变器是将直流电变换为交流电的电力电子变换装置。光伏阵列所发出的电能为直流电能，但最普遍的用电负载是交流负载。因此除特殊用电负荷外，均需要使用逆变器将直流电变换为交流电。独立光伏发电系统中逆变器的安全可靠运行是首要问题。此外，蓄电池端电压在充放电过程中波动很大，要求逆变器有较好的调压性能。并网型逆变器区别于独立型逆变器的一个重要特征是必须进行“孤岛效应”防护。孤岛效应指并网逆变器在向电网供电时，电网因电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电，并网逆变器却仍会继续向电网输送一定比例的电能。一方面，可能造成进行故障电网电力线路和设备检修的工作人员伤亡事故；另一方面，一旦电网恢复供电，电网和并网逆变器的输出电压和相位可能存在较大的差异，会在一瞬间产生很大的冲击电流而损坏设备。所以要求在电网停电后，必须立即中止光伏并网发电系统对电网的供电。目前国际上对于逆变器的研究一方面集中于针对“孤岛效应”的被动和主动防护检测方法；另一方面，综合了MPPT控制、电网电流控制及电压放大等多功能的多电平逆变器也逐渐浮出水面，成为提高光伏发电系统整体效率的重要途径之一。此外，光伏发电领域相关的技术标准仍在不断完善的过程中。特别地，对于并网系统，权威的电能质量、孤岛检测以及接地保护标准是厂商和用户都能安全操作测试的重要保障。IEEEP1547标准为光伏并网系统的过流保护、短路保护、电气隔离、通信和控制对整体电网性能的影响提出了一个规范的评估体系。未来十年的研究趋势是构建简单、经济、实用的小规模光伏发电系统网络。目前，一个包括光伏并网发电站在内的多类型发电测试专区已经在美国的北卡罗来纳州建成。除了在光伏发电的生产中存在上述问题外，如何在实用领域更好的应用太阳能光伏发电也需要关注。由于太阳能电池板的转换效率比较低，所以要用太阳能发电来给平常的生产和生活用电供电的话，需要太阳能电池板的占地面积较大，因此在应用中需要将太阳能电池板与实际应用有机的结合起来。目前，国际上主要的将太阳能电池板与实际应用相结合的途径主要有两个：一就是推广光伏与建筑相结合的屋顶并网光伏系统。近来提出的“零能耗建筑”观念在很大程度上也只有光伏与建筑相结合才能实现。光伏组件与建筑材料融为一体,采用特殊的材料和工艺手段，将光伏组件做成屋顶、外墙、窗户等形状，可以直接作为建筑材料使用，既能发电,又可作为建材，能够进一步降低发电成本。第二种同样兼具两种功能，而又不需占用土地,并且具有重大经济价值的光伏应用领域就是光伏声屏障，将光伏组件安装在高速道路两旁，既能降低噪声，又能发电,兼具两种功能，一举两得，可以进一步降低光伏系统的发电成本。总之，太阳能光伏发电虽然在目前仍不是发电的主流，在全世界范围内，生产和生活用电大部分仍然通过传统能源提供，但随着传统能源的日益枯竭，寻求新的可再生能源成为迫切需要解决的问题，而太阳能由于其自身的特点受到日益广泛的关注。虽然太阳能光伏发电目前还存在很多技术上亟待解决的难题，但随着成本下降、新技术的出现以及发展，太阳能光伏发电成为新能源的重要组成部分。基于上述分析