太阳能光伏利用前景和MPPT策略分析

1 太阳能光伏利用前景和 MPPT 策略分析目 录引言 3摘要 4 1 国际太阳电池和光伏发电的进展 5 2 中国太阳电池和光伏发电的进展 8 2.1 太阳电池与材料的研究 9 2.2 太阳电池生产 10 2.3 光伏应用 10 2.4 国际合作 10 3 光伏发电的前景 11 4 我国光伏产业发展的障碍与对策 11 5、太阳能光伏阵列伏安特性分析 . 13 6、 MPPT 策略制定 15 7、独立式光伏系统设计 . 16 8 结论 . 17 9 参考文献 . 18 2 一、引言随着社会的发展，人类对能源的需求越来越大，而现阶段所使用的主要是化石能源。化石能源的使用对生态环境造成了严重的破坏。在过去的 100 年中，全球平均气温上升了 0． 3． 0． 6℃全球海平面平面平均上升了 10-25cm。人们预计：如果不对室气体采取减排措施，从 21 世纪初起，全球平均气温每 lo 年将升高 0． 2“C，到 2100 年全球平均气温升高 13． 5℃。同时，化石能源的储量有限，它的枯竭不可避免。 本世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示； 石油可开采量为 39， 9 年，天然气可开采量为 61 年，煤炭可开采最为 227 年。随着化石能源的逐步消耗， 能源危机已展现在人类眼前， 开发新能源是人类社会进步和发展的关键。太阳能光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分， 被认为是当前世界上最有发展前景的新能源技术， 各发达国家均投入巨额资金竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓市场应用。 2004 年全世界生产总量达 l199． 70MW ，相比 2003 年增长超过 60％。本世纪初，众多国家纷纷制定雄心勃勃的发展规划：日本通产省第二次新能源分委会提出。 2010 年光伏发电装机达到 5GW；欧盟可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动” 2010 年光伏发电装机达到 3Gw；美国能源部国家光伏规划的目标是装机达到 4． 7GW。如果再加上发展中国家近年一直保持占世界光伏组件总产量 10％左右的装机量，预计到 2010 年世界光伏产业将以按 28％的年平均速度发展．成为世界上发展最快的一个产业。虽然太阳能光伏发电具有无噪声、 无污染、 使用方便等优点， 并得到了广泛的应用； 但是光伏电池的价格昂贵， 光电转换效率太低， 这些都限制了它的进一步推广。 提高光伏系统转换效率的途径有四种： 改进生产工艺， 提高光伏电池的光电转换效率； 设置随动系统， 使光伏电池保持在最优的角度接收太阳光： 优化系统的转换环节， 提高系统转换效率： 采用最大功率跟踪策略， 使光伏电池的工作状态保持在最大功率点附近。由于光伏电池组件出厂后它的光电转换效率固定，没有办法优化调整；随动系统本身耗能较大，可能导致入不敷出，反而降低系统整体装换效率；现今光伏系统转换环节的效率在 90％左右，提升空间不大；而在独立系统中， 主要采用的是固定电压的方式控制光伏电池的输出， 采用最大3 功率跟踪策略能够有效的提高系统整体转换效率。太阳能光伏利用的前景摘要： 20 世纪太阳能科技发展和太阳能利用实践，为 21 世纪大规模利用太阳能奠定了坚实基础。近来，世界上一些著名分析预测研究机构、跨国公司、太阳能专家和一些国家政府纷纷预测， 认为 21 世纪中叶即 2050 年前后， 太阳能 （含风能、生物质能）在世界能源构成中将占 50％的份额，那时太阳能将成为世界可持续发展的基础能源。 对于这一预测， 有人支持， 也有人怀疑， 意见不完全一致。为了科学地看待这一问题， 我们可以从世界矿物能源生产和消费、 全球环境保护以及太阳能科技进步三个方面进行一些分析，以便得出比较客观的结论。世界能源消费量增长一倍，在本世纪初大约需要 50 年，到本世纪中期缩短到 30 年，进入 80 年代大约只要 15 年。全球矿物能源的消费量越来越大，而全球矿物能源贮量却十分有限。全球石油贮量约 1300 亿吨，目前全球石油的年消耗量约 35 亿吨，而亚洲石油的消耗量在激增之中。如果这种趋势不变，则在今后 25 年中将平均年消耗 50 亿吨石油， 足以把全部贮量耗尽。 即使在此期间有新油田发现，专家估计全球石油贮量也不会超过 2000 亿吨，全球石油资源在三、五十年内将枯竭。今后用什么来代替石油？ 70 年代“石油危机”以后，曾把主要希望寄托在煤的气化和液化， 30 年快过去了，而这方面的收效甚微，复杂的技术和巨大的投资，制约了气化煤和液化煤的广泛使用。社会进步和经济发展， 需要能源的支撑。 但是， 用增加煤炭消耗来弥补石油不足，是一条以环境为代价的能源发展道路，是完全行不通的。据测定，直接燃烧：吨煤，产生粉尘 3-11kg ，二氧化硫 60kg，二氧化氮 3-9kg ，还有大量二氧化碳。我国 1995 年排放的烟尘为 1744 万吨，二氧化硫为 2370 万吨，其中燃煤排放的分别占 70％和 85％。 目前， 我国每年燃煤排放的碳已达 10 亿吨。 煤炭的大量开发利用是造成全球环境恶化的主要原因。根据 1992 年联合国召开的世界环境与发展大会的要求，煤炭的消费不仅不能增加，而应予以限制并逐步减少。另外， 我们可以通过对太阳能利用中最重要的光伏发电进行一些分析， 以评估太阳能在下一世纪的发展前景。以 70 年代不变价计算， 近 30 年间， 太阳电池的价格下降了数十倍。 专家预测，通过扩大生产规模和技术进步， 2030 年以后，光伏发电对常规发电开始具有竞争力。 2050 年，太阳电池的价格将比现在下降 1Q倍，即每瓦 4． 5 元左右，每千瓦时的电价约 0； 2 元左右。 从现在起经过 50 年的发展， 那时光伏发电量将占全球总发电量的一半。以上分析表明， 21 世纪全球能源结构必将发生根本性变化。当今占主导地位的石油将逐渐减少直至枯竭， 完成其历史使命； 煤炭的利用将受到限制， 但考虑发展中国家发展经济的需要，在 2030 年前可能还会有所增长，此后将逐渐下降；核能利用，因核安全和核废料处理技术尚未完全解决，若无技术上突破，在今后 50 年内发达国家会逐渐关闭核电站，发展中国家还会新建一些核电站，二者相抵， 总数上不会有什么增加， 相反还会有所减少； 太阳能和其它可再生能源将替代石油和煤炭，逐渐成为世界能源的主角。4 对 2050 年各种一次能源在世界能源构成中所占的比例进行预测，可以得出如下结果：石油 0（或甚微），天然气 13％，煤 20％，核能 10％，水电 5％，太阳能（含风能、生物质能） 50％，其它 2％。21 世纪是人类大规模利用太阳能的世纪，这是不以任何人的意志为转移的历史发展必然结果。1 国际太阳电池和光伏发电的进展近几年国际上光伏发电快速发展， 美国、 欧洲及日本制定了庞大的光伏发电发展计划， 1997 年美国和欧洲相继宣布“百万屋顶光伏计划”，日本 1997 年补贴“屋顶光伏计划”的经费为 9200 万美元。美国计划到 2010 年安装 1000～3000MW太阳电池，日本的目标是 7600Mw。印度计划 1998 一 2002 年太阳电池总产量为 150MW，其中 2002 年为 50MW。国际光伏市场开始由边远农村和特殊应用向井网发电和与建筑结合供电的方向发展， 光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。 表： 和表 2 列出了近年来世界太阳电池组件的生产和发货量以及主要国家所占的比例。表 1 世界太阳电池组件发货量（ Mw）5 国际上许多发达国家的政府都重视光伏技术的研究与发展，其 1996 年的经费分配情况见表 3。实验室各种太阳电池的最高效率列于表 4，但这种高效电池往往是采用高成本的精密工艺来达到的，未必能简单地推广应用到生产上。国际上目前很难确定那一种太阳电池是最佳选择。虽然目前晶体硅电他销量最大，但大家公认今后薄膜电池最具有潜力；另外，不同电他的特性各不相同，在光伏市场中各有其不同的应用领域，例如非晶硅电池主要应用在商用电子方面，多晶硅电池主要用于光伏屋顶， 单晶硅电池主要在高功率应用上。 最近几年国际上对多晶硅薄膜电他的研究较活跃， 但采用哪种工艺方案较佳， 尚难断定。 近几年有机纳米太阳电他的效率有较大提高，受到一定的关注。在锗片上用 MOCVD法制作砷化铸空间太阳电池取得进展。6 美国国家光伏发电计划的总目标是使其在国家的经济中具有明显的作用。1997 年光伏计划指标是： 2000 年光伏发电的电费 （井网） 达到 12 一 m美分／ kWh，光伏发电系统价格为 3 一 7 美元／ w，组件效率为 10 一 20％。光伏产品在国际上的四个主要市场：消费性产品（ 14％）；离开电网的居民供电系统（ 35％）；离开电网的工业供电系统（ 33％），井网光伏系统（ 18％）。发达国家近几年来主要开拓的市场是屋顶式并网发电系统。其原因是发达国家的电网分布已很密集， 井网发电不用蓄电池， 电网峰值用电的电费高， 阳光好的地区采用光伏发电的电价已接近商品电价 （估计在 2000 年到 2005 年进入成本合算期），人们预测 10 年后屋顶井网发电系统将大规模推广应用。井网光伏发电系统应用始于 80 年代初，美国、日本、德国、意大利都为此作出了努力， 当时建造的都是较大型的光伏井网电站， 规模从 100kw到 IMW不等，而且都是政府投资建设的试验性电站。 但试验结果并不十分理想， 由于当时太阳电池很贵，很难让电力公司接受。自 90 年代以来，国外发达国家重新掀起了发展井网光伏系统的高潮，这次的努力不是建造大型井网光伏电站， 而是发展屋顶光伏井网系统， 屋顶井网光伏系统充分利用了阳光的分散性特点， 将太阳电池安装在现成的屋顶上， 其灵活性和经济性都大大优于大型并网光伏电站，受到了各国的重视。1993 年，德国首先开始实施由政府投资支持，被电力公司认可的 1000 屋顶计划，继而扩展为 2000 屋顶计划，现在实际建成的屋顶光伏并网系统已经超过5000。 这些屋顶井网系统均不带蓄电池， 属于不可派送的发电系统， 电力公司对光伏并网系统发出的电予以收购， 大大刺激了这一领域的商业性发展和技术上的完善。德国政府于 1999 年：月开始实施 10 万太阳能屋顶（每户约 3kW一 5kW）计划， 今后几年内需要 300MW一 500MW太阳电池。 1999年先推广 6000 套， 共 18Mw，政府给用户 37． 5％的补助及 10 年的无息货款。由此可以看出德国政府在推广光伏屋顶系统上的决心。日本在光伏发电与建筑结合方面已经有十几年的努力， 尤其在 1996 年以后更是突飞猛进， 每年新建的光伏屋顶达几万套。 日本光伏屋顶的发展有一个特点，他们将太阳电他组件制作成建筑材料的形式， 如瓦和玻璃等， 这样太阳电池就很容易安装在建筑物上，也很容易被建筑公司接受。80 年代初，美国就已经开始了井网光伏发电的努力，制定了 PVUSA计划，即光伏电力规模的应用计划，主要是建立 100kW以上的大型井网光伏发电系统，最大的系统计划达 10MW，但是由于成本高，电力不可调度，不受电力公司欢迎。1996 年， 在美国能源部的支持下， 又开始了一项称为“光伏建筑物计划 （ PV一 BONUS）”，计划投资 20 亿美元。美国目前电力的 2／ 3 用于包括为民用住宅在内的各类建筑物供电，该计划的目标是采用光伏发电缓解建筑物的峰值负荷，并探求未来清洁的建筑物供电途径。此项计划将有助于开发新型的光伏建筑材料，包括玻璃、天窗、墙体等，有助于开发光伏屋顶模块和可由电力部门很容易安装的光伏调峰电力模块等。 计划分为三步实施： 概念开发， 产品开发和市场开发。这项计划的内容很丰富，其中典型的开发项目包括：（ 1） DsM系统（按需求安排发电的系统），即带有蓄电他的电力可以调度的光伏发电系统。这种井网系统在今后囚年内仅在美国国内就会有 300MW的市场。 目前这种系统的发电成本为 40 美分／ kWh， 而美国某些地区的峰值电价已高达 20一 30美分／ kwh（ 一般冬季电价为 3 一 4 美分／ kWh， 夏季 7 一 8美分／ kwh） 。估计不久这类调峰系统即可进入市场。