太阳能光伏发电主要技术与进展(综述)

目前我国的太阳能光伏发电系统，绝大多数是为解决我国边远地区 人民生活用电和某些特殊生产用电而建立的独立系统。关于并网光伏发 电系统的研究还处于研究示范阶段，已建成的示范性并网光伏电站均为 低压用户端并网模式，发电容量相对较小，不参与电网调度，基本不影
响电网的正常运行。而大型和超大型并网光伏电站系统不仅建设规模可 以达到MW 甚至GW 级别，发出的电能直接并入高压输电网络，未来可参 与电力的输送和调配，是世界各国未来可再生能源发电的重要发展方 向。
表 1太阳能电池分类汇总表
电池类 商用效 实验室效
缺点
种类
优点
型
率
率
晶硅 电池
单晶硅 多晶硅
14%-17% 13%-15%
23% 20.3%
效率高、技术成 原料成本高 熟
效率较高、技术 原料成本较
成熟
高
弱光ห้องสมุดไป่ตู้应好、成 转化率相对
薄膜 电池
非晶硅 碲化镉
5%-8% 5%-8%
铜铟硒 5%-8%
13%
对于逆变器输出波形，为使光伏阵列所产生的直流电源逆变后向公 共电网并网供电，就必须对逆变器的输出电压波形、幅值及相位等与公 共电网一致，实现向电网无扰动平滑供电。输出电流波形良好，波形畸 变以及频率波动低于门槛值。
并网逆变器需要在不降低功率等级的前提下，紧密匹配电网的相位 和频率。在并网时，逆变器能够把负载用不了的电能回送至电网且无须 借助体积庞大、成本高昂的能量存储器件。
太阳能光伏发电主要技术与进展（综述）
（中国电力企业联合会科技服务中心 尹淞）
一、概述
太阳能作为一种可永续利用的清洁能源，是理想的可再生能源。太阳 能光伏发电是太阳能利用的一种重要形式，是利用太阳电池的光伏效应 原理将太阳辐射能直接转换为电能的一种发电形式。从能源与环境的角 度来看，太阳能光伏发电属于真正无污染的清洁可再生能源。
产生的DC电压转换成为电网兼容的AC输出。太阳能发电系统对逆变器的 主要要求可靠、效率高、波形畸变小，功率因数高。
在可靠性和可恢复性方面，要求逆变器应具有一定的抗干扰能力、 环境适应能力、瞬时过载能力及各种保护功能，如：故障情况下，逆变
器必须自动从主网解列。 在逆变器输出效率方面，由于现在常用的太阳电池矩阵的光电转换
基于安全考虑，并网的逆变器将在掉电时自动切断且一般没有用于 存储能量的电池组。同时，离网太阳能逆变器工作在独立模式，无需与 外部AC电网同步。所以，它不需要任何反孤岛保护措施。
大型太阳光伏并网电站的控制逆变技术是太阳能光伏并网发电领域 的最核心技术之一。光伏发电系统必须对电网和太阳能电池的输出情况 进行实时监测，对周围环境做出准确判断，完成相应动作，如对电网的 投、切控制，系统的启动、运行、休眠、停止、故障等状态检测，以确 保系统安全、可靠的工作。由于太阳能电池的输出曲线是非线性的，受 环境影响很大，为确保系统能最大输出电能，需采用最大功率跟踪控制 技术，通过自寻优方法使系统跟踪并稳定运行在太阳能光伏系统的最大 输出功率点，从而提高太阳能输出电能利用率；同时光伏发电系统作为 分散供电电源，当电网由于电气故障、误操作或自然因素等外部原因引 起中断供电时，为防止损坏用电设备以及确保电网维修人员的安全，系 统必须具有孤岛保护的能力。随着现代电力电子技术、微电子技术和控 制技术的进步，特别是电力电子器件和高性能微控制器技术的提高，使 高性能、高可靠性的能量变换装置成为可能，目前许多新能源领域的国 外公司都在致力于这方面的研发工作，而且已经取得卓著的成效，形成 了比较完善的针对并网逆变器的标准。例如：德国SMA 公司已经研制成 功大型并网逆变器，并开始系列化生产，其单台最大功率达到1000kW， 由两台500kW 逆变单元通过采用群控技术并联而成，具有完善的运行保 护功能，而且可以通过网络通信实现在中央控制室对逆变器的监控。
在我国, 风/光互补发电场也比较少, 主要集中在青藏高原、内蒙古 等偏远地区, 采用独立式发电。2004 年12 月, 华能南澳54 MW/100 kWp 风光互补发电场成功并入当地10 kV 电网, 是我国第一个正式投入商业 化运行的风/光互补发电系统。
当前, 国内外对风力/太阳能光伏互补发电的研究大多集中于互补发 电系统的静态体系结构的研究、底层发电、蓄能设备的配置及控制、系 统仿真等。为了促进风/光互补发电系统的发展, 使其成为一种具有竞 争力的清洁电源, 还需做很多研究工作。
非晶硅薄膜太阳能电池具有弱光效应好，成本相对于硅太阳能电池 较低的优点。而碲化镉、铜铟硒电池则由于原材料剧毒或原材料稀缺 性，其规模化生产受到限制。
我国从上世纪50年代起就开始对太阳能电池进行研究，上世纪80至 90年代先后从国外引进多条太阳能电池生产线。近几年，太阳能电池的 研究开发和生产飞跃地发展。整体上看，我国不但在太阳能电池生产能 力上进入国际先进行列，而且在薄膜太阳能电池的研究开发上达到国际 先进水平。同时还在新的有机纳米晶太阳能电池的研究中取得国际领先 的成果。
3、并网技术 国际上并网光伏发电有两种应用方式，一种是在城镇的建筑屋顶或
其它空地上建设，和低压配电网并联，光伏电站发出的电力直接被用户 消耗，多余部分输送到电网；另一种是在荒漠建设，和高压输电网并 联，通过输电网输送，降压后再供给用电负载。
光伏与建筑相结合的系统（BIPV）是一种先进、有潜力的高科技绿 色节能建筑发电系统。BIPV 系统也是目前世界上大规模利用光伏技术 发电的重要市场，一些发达国家都在作为重点项目积极推进。近年来， 国外推行在用电密集的城镇建筑物上安装光伏系统，并采用与公共电网 并网的形式，极大地推动了光伏并网系统的发展，光伏与建筑一体化已 经占整个世界太阳能发电最大比例。
针对我国目前的技术状况，应建立百千瓦级多种跟踪形式的光伏自 动跟踪示范系统，开展不同跟踪方式下光伏并网发电系统运行控制规律 及优化控制策略，包括：不同跟踪方式下光伏并网发电系统综合优化及 其综合性能评价,大规模跟踪式光伏发电系统布局等问题。
5、风光互补技术 风力与太阳能互补发电系统是科学利用自然现象的最新成果。其主
目前，薄膜电池的转换效率达到6%-8%，近两年内可达到10%-12%， 五年内有望达到18%，其功率衰退问题也已解决。薄膜电池对弱光的转 化率十分好，即使在阴天照样能够发电。薄膜太阳能电池技术正在成为 主流太阳能电池技术，与晶体硅太阳电池技术并驾齐驱。
2、逆变器及控制系统 逆变器是一种电源转换装置，太阳能逆变器的作用是将太阳能电池
Xantrex公司500kW 并网逆变器也已投入市场。 相比较而言，太阳能光伏发电用控制并网型逆变器的研究起步比较
晚，研究难度和研究范围大大增加，须涉及光伏阵列最大功率跟踪、逆 变、并网和防止孤岛效应（指供电电网断电时由于负载匹配等原因造成 发电装置未停机，仍然给局部电网供电的不安全情况）等技术难题。我 国对小型的与低压用户电网直接并网的光伏逆变器做过一些研究，但还 没有成熟产品；对直接和高压网并网的逆变器的研究还刚刚起步，由于 我国并网型太阳能发电设备还未形成规模生产，如何正确选定并网型太 阳能发电设备用逆变器，将是近期必须面对的一个重要课题。
随着智能电网的建设和发展，将有效地促进分布式可再生能源发电 的发展，为太阳能光伏发电并网带来美好前景。
4、跟踪式光伏发电技术 影响光伏系统发电效率的因素主要有太阳光照幅照度、太阳能电池
转化效率、光伏逆变器的工作效率等。当前开发的商业化电池效率最高 大约为14%-17%，在现有技术条件下，再提高光伏电池的转化效率仍然 需要一定的周期；光伏逆变器的工作效率已经达到90％以上，部分光伏 逆变器的工作效率已经能够达到98%，很难再有大的提高。而跟踪系统 能够保证太阳入射光线始终与光伏电池阵列保持最佳的角度以接收最大 的太阳光照幅射量，从而提高光电转化效率，降低光伏发电的成本。
本相对较低
较低
15.8% 15.3%
弱光效应好、成 有毒、污染
本相对较低
环境
弱光效应好、成 稀有金属 本相对较低
根据表1，晶硅类电池分为单晶硅电池组件和多晶硅电池组件，两 种组件最大的差别是单晶硅组件的光电转化效率略高于多晶硅组件，也 就是相同功率的电池组件，单晶硅组件的面积小于多晶硅组件的面积。 单晶硅、多晶硅太阳能电池具有制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿 命长、光电转化效率相对较高的特点。
BIPV是光伏并网一种重要的应用形式，主要在城镇安装光伏电站， 它是我国未来光伏发电的主要发展方向之一，我国目前已建成1MWp BIPV低压并网光伏电站，已经初步掌握了低压配电网并联的大型太阳光 伏电站系统集成技术，但在关键设备及大容量光伏电站接入低压电网后 对电网的影响等方面还有待深如研究。要重点研究城镇中和低压配电网 并联的大型太阳光伏电站系统集成技术，研制开发适合BIPV的多支路型 光伏并网逆变器，从规模化和产业化的角度，解决新产品研制过程中出 现的问题，按产业化要求进行产品设计，降低产品成本；多台逆变器的 并联群控技术；完成单台容量100kVA以上的和低压并网光伏电站配套的 控制逆变器；与建筑结合一体化多支路并网逆变器的最大功率跟踪以及 协调控制研究，用于实际示范系统；解决大规模光伏电站接入低压电网 后，谐波、孤岛，环流等问题。
二、主要技术进展
太阳能光伏发电技术主要涉及太阳能电池和矩阵、电源转换（逆变 器、充电器）、控制系统、储能系统、并网技术等领域，本文主要就太 阳能并网电站涉及的主要技术进行综述。
1、太阳能电池 太阳电池技术是太阳能发电技术的主要组成部份。太阳能电池主要
有以下几种类型：单晶硅太阳能电池、 多晶硅太阳能电池、非晶硅太 阳能电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等。各类型电池主要性能如表1所 示。
在现有技术条件下，采用跟踪式光伏发电系统是提高太阳辐射利用 率，降低成本的最佳方式，国外的研究显示单轴跟踪系统可以提高发电 量20％以上，而双轴跟踪系统则可以将发电量提高40％之多。太阳跟踪 控制技术作为跟踪系统的关键技术经历了简单的手动机械式跟踪、用模 拟电路进行相关逻辑控制的跟踪、以微处理器、PLC 或小型计算机为控 制核心的智能型跟踪三个阶段。跟踪控制技术现在已经非常成熟，20 世纪70 年代以后，美国就开始跟踪光伏发电的研究；2006 年德国建成 的当时世界上最大的光伏并网电站，总容量为12MWp，全部采用双轴 跟踪的安装方式；此外西班牙、葡萄牙等国也在建设上百兆瓦的跟踪光 伏电站。由于可靠性问题一直没有得到有效解决，我国目前尚未建成带 有光伏阵列跟踪系统的并网光伏电站，中科院电工所2006 年10 月底在 西藏羊八井建成我国第一座具有多种跟踪方式的光伏示范电站，总容量 为13.2KWp，目前处于试运行阶段。