第２ｌ卷
华中电力
２００８年第５期
太阳能光伏发电是理想的可再生能源
狄丹
（华中电网有限公司技术中心，湖北武汉４３００７７）
摘要：阐述了研究和利用太阳能的优越『生、必要｝生和紧迫｝生，并对太阳能光伏发电的原理、技术观肤与发展前景做了介绍。近年来。我国加快了对光ｌ佚发电技术的研究步伐。我国幅员广大、太阳能资源丰富、基础技术良好，在国家政策的支持下太阳能光伏
发电产业将近来一个大发展的春天。
关键词：太阳能，光伏发电系统。独立光伏发电系统，并网光伏发电系统
中图分类号：ＴＭ６１５
文献标识码：Ｂ
文章编号：１００６—６５１９（２００８）０５—００５９—０４
Ｐｈｏｔｏ－ＶｏｌｔａｉｃＰｏｗｅｒｉｓＯｎｅｏｆｔｈｅＢｅｓｔＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｉｅｓ
ＤＩＤａｎ
０引言
国人民面前非常重要的紧迫任务。为此，我国颁布了从２００６年起实施的《可再生能源法》；２００７年８无论从世界还是从中国现实来看，传统能源存月３１日。国家发改委印发了《可再生能源中长期发量都是很有限的了。我国传统能源储量大大低于世展规划》，提出了２０２０年前可再生能源发展的指导界平均水平，大概只有世界总储量的１０％左右。表思想、基本原则、发展目标、重点领域和保障措施；１给出了世界和中国未来主要传统能源储量可开
２００８年３月１８日，国家又出台了《可再生能源发采时间预测。
展“十一五”规划》，进一步明确了到２０２０年年底，表１世界和中国未来主要传统能源储量
我国可再生能源发展的目标与方向。
可开采时间预测（年）
从《可再生能源中长期发展规划》到《可再生能源发展“十一五”规划》，我国可再生能源发展的方向越来越明确．伴随着可再生能源的大发展，可再生能源发电已步人了快车道。按照规划目标，到２０１０
从表１可知，按剩余可采储量和目前的能源消年底。水电总装机容量将达到１．９亿ｋＷ，风电总装
费速度来粗略估算，我国的煤炭、石油和天然气存机容量达到１００００ＭＷ（此项可望提前两年在２００８
量的可供开采时间分别为约１００、４０和４０年。这就年底完成），生物质发电总装机容量达到５
５００ＭＷ，太
是说．传统化石能源日趋枯竭，并且在利用过程中阳能光伏发电总装机容量达到３００ＭＷ。除水电外，到严重污染环境，制约了社会经济的可持续发展。“京“十一五”末期．这些可再生能源都将比“十五”末期都议定书”规定了工业化国家减少温室气体排放量翻倍。为了实现以上目标将涉及很大的投资，说明的指标。（我国目前虽不在其中，但２０１２年以后就我们国家对可再生能源的研究与开发，认识是何等很难预料了。）目前我国能源消费以燃煤为主，二氧的深刻．决心是何等的坚决。
化硫（ＳＯ：）排放量占世界的１５．１％，为世界第一；二当前国际油价的激烈波动和环境日益恶化，让氧化碳（ＣＯ：）排放量占世界的１３．６％，居美国之后，可再生能源研发受到空前重视。太阳能光伏发电作世界第二。按测算，全球每年排放的二氧化碳超过为可再生能源领域的“当家花旦”，更应受到重视，５００亿ｔ，改变这一严峻的现实，已成为刻不容缓的本文特此作一介绍。
大事。全世界都在关注“节能减排”。
１太阳能光伏发电是最有发展前景的一种
很明显，研究开发和利用清洁的可再生能源，如水能、风能和太阳能等是摆在世界各国特别是我
可再生能源
收稿日期：２００８—０７—３１
作者简介：狄丹（１９７１一），女，工程师
一５９—
万
方数据
２００８年第５期
华中电力
第２１卷
１．１。太阳能光伏发电的优越性
由于太阳能光伏发电具有许多传统能源无法比拟的优越性，已被公认是人类理想的能源。首先。太阳能储量十分丰富。太阳每年辐射到地球表面的能量约相当为１３０万亿吨标准煤，即约为目前全世界所消费的各种能量总和的１０４倍。换言之，大约
４０
ｍｉｎ照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类
一年的能量消费；其次，太阳能持续长久供应。据天文学的研究结果，太阳系已存在大约５０亿年左右。太阳能的来源是在太阳内部的高温和高压条件下进行的由四个氢原子核聚变成一个氦原子核的热核反应。太阳巨大的热核能量可以认为太阳能是一种取之不尽、用之不竭的理想替代长寿能源：“公平、公正、友好服务”太阳能对地球上的每一位开发者均“一视同仁、按需供应”．这是太阳能的第三个优越性。阳光普照大地，分布广泛，受地域影响小。辐射能“送货上门。童叟无欺”。既不需要开采和挖掘，也不需要运输。普天之下，无论是居住在哪里，都无“专利”买卖，也无产品垄断可言，因此对每一位开发者提供的方便性是等同的。最后。太阳能是一种清洁能源，光伏发电系统无污染、不产生温室气体，安静、安全可靠，无需特别维护，运行寿命长，模块化安装，易于扩展。在光伏器件的运行寿命期内，发电运行费用是固定不变的。总之，加速开发和充分利用太阳能光伏发电有百利而无一害，是一种最有发展前途的新能源．也是我国贯彻科学发展观
的一种有力措施。
１．２太阳能光伏发电技术概述
光伏发电是太阳能直接应用的一种形式。作为一种环境友好并能有效提高生活标准的新型发电方式，光伏发电技术正在全球范围内快速推广。光伏发电技术分独立运行和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无公共电网的边远地区和人口特别分散的山区。光伏发电系统对这些地区更能显出它的优势，但整个系统造价较高；在有公共电网的地区，光伏发电系统与公共电网连接并网运行。省去蓄电池，不仅可以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。作为公共电网的一种补充备用，并网型光伏发电系统可缓解现有电力系统在峰荷时的容量和安全压力。根据权威统计，光伏并网系统已经占据了目前光伏发电设备销量的４０％．成为该领域的发展潮流。
１．２．１
太阳能光伏发电原理
一６０一
万
方数据太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池半导体材料光伏效应．将太阳能直接转换为电能的一种新型发电系统。１８３９年，法国科学家Ａ．Ｅ．Ｂｅｃｑｕｒｅｌ首先发现了“光生伏打效应”（Ｐｈｏｔｏ—ＶｏｌｔａｉｃＥｆｆｅｃｔ）。然而．第一个实用单晶硅光伏电池（ＳｏｌａｒＣｅｌｌ）直到一个多世纪后的１９５４年才在美国贝尔实验室研制成功。从２０世纪７０年代中后期开始。光伏电池技术不断完善。成本不断降低，带动了光伏产业的蓬勃发展。
太阳能电池内部存在Ｐ－Ｎ结．当Ｐ—Ｎ结处于平衡状态时。在Ｐ—Ｎ结处形成耗尽层？存在由Ｎ区到Ｐ区的势垒电场。当太阳光人射的能量大于硅禁带宽度的时候．射人电池内部的太阳光子把电子从价带激发到导带．产生一个电子一空穴对。电子一空穴对随即被势垒电场分离，电子和空穴被分别推向Ｎ区和Ｐ区．并向Ｐ—Ｎ结交接面处扩散。当到达势垒电场边界时。受势垒电场的作用。电子留在Ｎ区，空穴留在Ｐ区，形成内建电场。又由于内建电场的作用，Ｎ区中的空穴和Ｐ区中的电子被分别推向对方区域．使Ｎ区积累了过剩的电子。Ｐ区积累了过剩的空穴．即在Ｐ—Ｎ结处两侧形成了与势垒电场方向相反的光生电动势。当接通外部电路（负载）时，就会产生电流，输出电能。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起．构成光伏电池组件（方阵），就会在太阳能的作用下输出足够大的电能。
１．２．２光伏发电系统构成
光伏发电系统是由光伏电池组件（方阵）、太阳能控制器、蓄电池（组）等组成。当输出电源为ＡＣ２２０Ｖ或１１０Ｖ，还需要配置逆变器。图ｌ是一个典型的光伏发电系统构成示意图。
图１太阳能光伏发电系统构成示意图
光伏发电系统按与电力系统关系分类．通常分为独立光伏发电系统（Ｓｔａｎｄ—ＡｌｏｎｅＰＶＳｙｓｔｅｍ）和并网光伏发电系统（Ｇｒｉｄ—Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ
ＰＶＳｙｓｔｅｍ）。
独立光伏发电系统，顾名思义。它不与公共电网相连接而孤立运行．通常建设在边远地区或作为
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太阳能光伏发电是理想的可再生能源
２００８－ｑ－ｇ５期
野外移动方式便携电源，其建设目的主要是解决无电问题。由于太阳能发电的特点是白天发电，而负荷用电特性往往是全天候的．因此独立系统将太阳能转化为电能，通过充电器和蓄电池将电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里面的电能释放出来使用。尽管其供电可靠性受气象环境、负荷等因素的影响较大，但对远离公共电网的边远地区居民而言，独立光伏发电系统还是一种安全、可靠的供电方式。
并网光伏发电系统是与公共电网连接在一起的光伏发电系统。同其他类型发电站一样，可为电力系统提供有功和无功电能。不过．光伏电池所提供的直流电能需经逆变器变换成与电网相同频率的交流电能，以电压源或电流源的方式送人公共电网。控制器是光伏发电系统中一个重要元件，一般由单片机或数字信号处理芯片作为核心器件而构成，其功能是用来实现光伏发电池最大功率点跟踪及控制逆变器并网电流的频率、波形及功率，使向电网输送的功率与光伏电池方阵所发的最大功率平衡。容量可以视为无穷大的公共电网在这里还扮演着储能环节的角色。由于并网光伏发电系统不需要额外的蓄电池。这就降低了造价与运行成本，提高了发电系统的运行和供电可靠性与稳定性。光伏并网发电系统的电能转换率要大大高于独立光伏发电系统，成为光伏发电的最合理发展方向。
１．２．３
光伏发电系统运行方式的优化
要使光伏发电系统运行方式得到优化，就要实
施光伏电池方阵最大功率点跟踪。经研究发现，光伏电池方阵功率输出特性具有非线性特征，受太阳辐射照度、环境温度和负载情况影响。在一定的太阳辐射度和环境温度下．光伏电池方阵可以工作在不同的输出电压下．但是只有在某一输出电压值时，光伏电池方阵的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池方阵的运行点就达到了输出功率一电压曲线的最高点，称之为最大功率点（Ｍａｘｉｍｕｍ
Ｐｏｗｅｒ
Ｐｏｉｎｔ，ＭＰＰ）。因此，在光伏发电系统中，要提
高系统的整体效率，一个重要途径就是实时检测它的输出功率，通过一定的控制算法预测当前工况下方阵可能的最大功率输出，从而改变当前的阻抗情况．调整光伏电池方阵的工作点，使之始终工作在最大功率点附近。这一过程称之为最大功率点跟踪
（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ，ＭＰＰＴ），相应的
技术称之为最大功率点跟踪技术。
万
方数据圈２
ＭＰ阳方法示薏图
光伏电池方阵电流、电压输出特性如图２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电池方阵输出特性。Ａ和Ｂ分别为相应的最大功率输出点，并假定在某一时刻，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，此时如果负载保持不变，系统将运行于Ａ７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１变化至负载特性２，以保持系统运行在新的最大功率点曰。同样，如果太阳辐照度变化使得方阵输出特性由曲线２变至曲线ｌ，则相应的工作点由曰点变化至日７点。应当相应地减小负载２至负载ｌ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。
２国外光伏发电技术的进展
随着技术的进步和应用规模的扩大，太阳能光伏发电除了作为航天器的电源以外，在地面的应用范围也逐渐由偏远山区和特殊用电场合发展到城镇地区。特别是２０世纪末美国、德国、日本和欧盟等实施“太阳能屋顶计划”的推动下，１９９７年以后全球太阳能电池产量年增长率超过了３０％．２００４‘年增长率达到了６０％，２００６年全世界太阳能电池的产量达到了２２０４兆峰瓦，当年安装的太阳能电池组件（方阵）为ｌ７４４兆峰瓦，应用的领域也在迅速不断扩大。最近１０年来，据统计，太阳能光伏发电产业在可再生能源产业中发展速度最快。按世界各主要国家可再生能源发展计划推算，２０１０年以前光伏发电产业将持续以３０％以上的速度增长，并且可预见的高速增长率将持续４０年以上。国外光伏发电产业发展最快的三个国家，分别是德国、日本和美国，其原因是国家优惠政策驱动所至。以德国为例：德国实施了高价收购光伏发电上网电力政策。到２００７年５月为止。全球已建成最大的１０座容量超过５兆峰瓦的光伏发电站中，德国就占了
一６】一
２００８年第５期
华中电力
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６座：前５０座容量在２兆峰瓦以上的光伏发电站中德国占３１座。
目前世界最大的光伏发电系统容量为１２兆峰瓦．安装在德国Ｅｒｌａｓｅｅ／Ａｒｍｓｔｅｉｎ地区，应用了２８０００块太阳能电池组件和１５００个逆变器，每年可发电
１４０００
ＭＷ・ｈ，可减少ＣＯ：排放量７
７００
ｔ。此外，
２００７年２月德国还宣布投资１．３亿欧元兴建世界上规模最大的光伏发电站，总容量为４０兆峰瓦．年
发电量４００００ＭＷ・ｈ，可供超过１万户家庭使用。
每年可减少Ｃ０２排放量２
５００ｔ。
众所周知，光伏发电技术的进展决定于光伏电池的研发。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；二是降低电池的生产成本。以硅片为基础的第一代太阳能光伏电池，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太阳能光伏电池中，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生产成本。国际上已经开发出电池效率在１５％以上、组件效率１０ｏ／ｏ以上和发电系统效率８％以上、使用寿命超过１５年的薄膜电池工业化生产技术。
第三代高转换效率的薄膜光伏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。另外．多晶硅光伏电池比单晶硅光伏电池的材料成本低，是世界各国竞相开发的重点。非晶硅太阳能电池仍处在发展之中，化合物太阳能电池正以其转换效率高、成本低、弱光性好及寿命长等优点成为新一代太阳能光伏电池的发展方向。
为了解决交流负载的供电问题，在太阳能光伏发电系统中还必须装设逆变器。它的作用是将太阳能光伏电池所提供的直流电能变换成用户所需规格的交流电能。独立光伏发电系统中逆变器的安全可靠运行特别重要。此外，蓄电池端电压在充放电过程中波动很大，要求逆变器具有较好的调压性能。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。孤岛效应是指并网逆变器在向公共电网供电时。电网因电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，并网逆变器却仍会继续向电网供电。此时，如
一６２一
万
方数据不采取措施，一方面可能造成检修故障电网工作人员的伤亡事故，另一方面，一旦公共电网恢复供电．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，这会在一瞬间产生很大的冲击电流而损坏设备。所以要求电网故障而停电后，必须立即中断光伏并网发电系统对公共电网的供电。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研制取得了积极进展，成为提高光伏发电系统整体效率的重要措施。此外．光伏发电领域相关的技术标准也在不断的完善过程中。
３我国光伏发电技术的进展
１９５８年，我国开始研发太阳能电池。１９７１年，首次将光伏太阳能电池成功应用于东方红２号卫星上。１９７３年开始太阳能电池地面应用（天津港航标灯）。从上世纪７０年代初到８０年代末，由于成本高。太阳能电池在地面的应用非常有限。９０年代以后。随着成本的降低。太阳能电池向工业领域和边远无电地区农村电气化应用方向发展。市场逐步扩大。中央和地方政府开始制订和实施光伏发电计划。并且已经取得了不小的成效。
２００２年，国家发改委启动了“送电到乡”项目，使得我国的光伏发电产业市场迅速发展起来。总装机容量从２００１年的２３．５兆峰瓦迅速增长到２００２年的４５兆峰瓦。至２００３年达到５５兆峰瓦；２００３—２００５年。受国际大环境的影响，国际项目／政府项目的启动和市场的拉动，国内光伏企业产能迅速扩大．太阳能电池产量２００５年达到１５０兆峰瓦以上。２００６年更是达到３００兆峰瓦，其光伏组件效率达１６％，接近世界先进水平。
目前，我国光伏发电产业的发展虽已初具规模，但在总体水平上同国外相比还有较大差距。这主要表现在以下几个方面：
（１）生产规模小，我国太阳能电池制造厂的生产能力比国外生产规模要低一个多数量级。
（２）技术水平较低，电池效率、封装水平同国外相比，还存在不小的差距。
（３）专用原材料国产化程度不高，且其性能不及国外产品。硅原料绝大部分仍需依赖进１２１。
（４）成本高。目前我国太阳能电池组件的成本（下转第６５页）
第２１卷
湘潭电厂二期接地电阻的测量及降阻方案的实施
做防腐处理。
２００８年第５期
（３１沿出水管道进行主厂房与水下地网的连接铜导线施工。连接水下地网后。对主厂房的接地电阻进行重复测量。
（４）深井的施ｔ，施工时对深井电阻进行跟踪
测量。
（２）采用水平联铸铜包钢替代部分铜材，该材料通过水平联铸方式，在钢芯上形成单边厚度大于
ｌ
ｍｍ的铜，陔材料与同直径的纯铜相比，其交流阻
抗在纯铜的８０％以上．可以满足降阻和大电流散流作用：材料抗抟强度和抗剪强度优于纯铜，在施工中不会出现十蕾伸变细的现象，适用于机械作业；铜层不可剥离，剪断难度高，零星材料不具备回收价值，因此与纯铜比较，具有较好的防盗性能，适合于厂外敷设。
（３）水下地网采用沉降固定，防洪性能良好，与河床结合紧密，船只和水面作业对地网的破坏较小。４结束语
在地网改造施工完成后，对地网的接地电阻进行了大电流接地电阻测量，实测结果为０．１６３Ｑ，满足了地网接地电阻的设计要求。
湘潭电厂二期工程接地网降阻改造工程取得了圆满成功。其成功经验值得推广。在设计或改造发电厂和变电站地网时．充分利用周围环境敷设水下接地网．可以很好地降低发电厂和变电站接地网的接地电阻，而且水下接地网与土壤埋设接地网相比。具有施工简便经济、接地电阻阻值相对稳定、接地网受腐蚀因素少、使用寿命长、运行安全可靠等
优点。
ｆ５）主体工程施工完成后，对主厂房接地电阻进行最后测量。
在对湘江水进行导电率分析后表明。在不同的季节，湘江水的电导率维持在５０Ｑ・ＩＴＩ的水平。通过计算。要达到降阻效果，水下地网的最小面积为
８０００
ｍ：，但是考虑到地网之间存在连接电阻、河床
ｍ２。由于连接
的散流能力低于江水、地网之间的屏蔽效应等因素，水下地网面积定为２０
０００—３００００
江边泵房与主网之间的连接为铁质材料。本身的电阻率高．因此水下地网与主网之间采用纯铜连接．保证较低的连接电阻。现场施工中．厂内采用２×
１２０
ｍｍ２的纯铜绞线敷设，厂外采用３ｘ１２０ｍｍ２的
水平联铸铜包钢线敷设。
３．２工程特点
为确保工程质量。本改造工程采用了多项先进技术．主要技术和特点有：
（１）焊接采用铝热焊剂高温熔接技术。采用该技术的焊接面材料达到了分子级的融合。使两种材料之间连接电阻降至最小。同时焊接可靠，不存在传统焊接中经常出现的虚焊现象。焊接面也不需要
（上接第６２页）
优惠政策推动下，国内一批光伏发电器件生产厂家无论是技术水平。还是生产规模迅速得到了提高与扩展。
光伏发电工程的应用效果，也同步得到了社会与国人的认同。所以，上述各项与国外的差距在迅速缩小中。北京２００８奥运主场馆屋顶１００ｋＷ光伏并网发电系统的投入运行就是明显的一例。此外。它也为我国城市建筑与新能源应用的结合提供了成功的范例。目前，我国光伏发电市场主流正由独立光伏发电系统转向并网光伏发电系统．其中包括沙漠太阳能光伏发电站和城市屋顶太阳能光伏发电系统。据光明日报报道，已批准在云南石林建设我国最大、亚洲第一的太阳能光伏并网发电系统，装机容量６６兆峰瓦。由于我国幅员广大．太阳能资源丰富，认识到位，国家政策支持且基础技术良好，我国太阳能光伏发电产业将迎来一个大发展的春天。尽快赶上世界先进水平。
一６５—
和售价远高于国外产品。制约着应用面的扩展。
（５）市场培育和发展迟缓，缺乏市场培育和开拓的支持政策和措施。当前主要为边远地区和特殊典型工程（例如北京奥运场馆）的应用。
近年来．我国加快了对光伏发电技术的研发步伐。其中包括对晶体硅高效电池、非晶硅薄膜电池、碲化镉和铜铟硒薄膜电池、多晶硅薄膜电池及应用系统关键技术等，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，缩短了与国外的差距。但是，我国商品化生产的单晶硅、多晶硅和非晶硅电池的效率、与发达国家相比仍有差距。此外．我国用于光伏发电系统的专用蓄电池研制和生产几乎还是一个空白．生产逆变器功率规模过小．大功率逆变器的研制水平与国外差距较大。好在近两年来在国家一系列可再生能源法律、法规和
万方数据
太阳能光伏发电是理想的可再生能源
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
狄丹， DI Dan
华中电网有限公司技术中心,湖北,武汉,430077华中电力
CENTRAL CHINA ELECTRIC POWER2008,21(5)3次
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４０
ｍｉｎ照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类
一年的能量消费；其次，太阳能持续长久供应。据天文学的研究结果，太阳系已存在大约５０亿年左右。太阳能的来源是在太阳内部的高温和高压条件下进行的由四个氢原子核聚变成一个氦原子核的热核反应。太阳巨大的热核能量可以认为太阳能是一种取之不尽、用之不竭的理想替代长寿能源：“公平、公正、友好服务”太阳能对地球上的每一位开发者均“一视同仁、按需供应”．这是太阳能的第三个优越性。阳光普照大地，分布广泛，受地域影响小。辐射能“送货上门。童叟无欺”。既不需要开采和挖掘，也不需要运输。普天之下，无论是居住在哪里，都无“专利”买卖，也无产品垄断可言，因此对每一位开发者提供的方便性是等同的。最后。太阳能是一种清洁能源，光伏发电系统无污染、不产生温室气体，安静、安全可靠，无需特别维护，运行寿命长，模块化安装，易于扩展。在光伏器件的运行寿命期内，发电运行费用是固定不变的。总之，加速开发和充分利用太阳能光伏发电有百利而无一害，是一种最有发展前途的新能源．也是我国贯彻科学发展观
的一种有力措施。
１．２太阳能光伏发电技术概述
光伏发电是太阳能直接应用的一种形式。作为一种环境友好并能有效提高生活标准的新型发电方式，光伏发电技术正在全球范围内快速推广。光伏发电技术分独立运行和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无公共电网的边远地区和人口特别分散的山区。光伏发电系统对这些地区更能显出它的优势，但整个系统造价较高；在有公共电网的地区，光伏发电系统与公共电网连接并网运行。省去蓄电池，不仅可以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。作为公共电网的一种补充备用，并网型光伏发电系统可缓解现有电力系统在峰荷时的容量和安全压力。根据权威统计，光伏并网系统已经占据了目前光伏发电设备销量的４０％．成为该领域的发展潮流。
１．２．１
太阳能光伏发电原理
一６０一
万
方数据太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池半导体材料光伏效应．将太阳能直接转换为电能的一种新型发电系统。１８３９年，法国科学家Ａ．Ｅ．Ｂｅｃｑｕｒｅｌ首先发现了“光生伏打效应”（Ｐｈｏｔｏ—ＶｏｌｔａｉｃＥｆｆｅｃｔ）。然而．第一个实用单晶硅光伏电池（ＳｏｌａｒＣｅｌｌ）直到一个多世纪后的１９５４年才在美国贝尔实验室研制成功。从２０世纪７０年代中后期开始。光伏电池技术不断完善。成本不断降低，带动了光伏产业的蓬勃发展。
太阳能电池内部存在Ｐ－Ｎ结．当Ｐ—Ｎ结处于平衡状态时。在Ｐ—Ｎ结处形成耗尽层？存在由Ｎ区到Ｐ区的势垒电场。当太阳光人射的能量大于硅禁带宽度的时候．射人电池内部的太阳光子把电子从价带激发到导带．产生一个电子一空穴对。电子一空穴对随即被势垒电场分离，电子和空穴被分别推向Ｎ区和Ｐ区．并向Ｐ—Ｎ结交接面处扩散。当到达势垒电场边界时。受势垒电场的作用。电子留在Ｎ区，空穴留在Ｐ区，形成内建电场。又由于内建电场的作用，Ｎ区中的空穴和Ｐ区中的电子被分别推向对方区域．使Ｎ区积累了过剩的电子。Ｐ区积累了过剩的空穴．即在Ｐ—Ｎ结处两侧形成了与势垒电场方向相反的光生电动势。当接通外部电路（负载）时，就会产生电流，输出电能。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起．构成光伏电池组件（方阵），就会在太阳能的作用下输出足够大的电能。
１．２．２光伏发电系统构成
光伏发电系统是由光伏电池组件（方阵）、太阳能控制器、蓄电池（组）等组成。当输出电源为ＡＣ２２０Ｖ或１１０Ｖ，还需要配置逆变器。图ｌ是一个典型的光伏发电系统构成示意图。
图１太阳能光伏发电系统构成示意图
光伏发电系统按与电力系统关系分类．通常分为独立光伏发电系统（Ｓｔａｎｄ—ＡｌｏｎｅＰＶＳｙｓｔｅｍ）和并网光伏发电系统（Ｇｒｉｄ—Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ
ＰＶＳｙｓｔｅｍ）。
独立光伏发电系统，顾名思义。它不与公共电网相连接而孤立运行．通常建设在边远地区或作为
第２１卷
太阳能光伏发电是理想的可再生能源
２００８－ｑ－ｇ５期
野外移动方式便携电源，其建设目的主要是解决无电问题。由于太阳能发电的特点是白天发电，而负荷用电特性往往是全天候的．因此独立系统将太阳能转化为电能，通过充电器和蓄电池将电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里面的电能释放出来使用。尽管其供电可靠性受气象环境、负荷等因素的影响较大，但对远离公共电网的边远地区居民而言，独立光伏发电系统还是一种安全、可靠的供电方式。
并网光伏发电系统是与公共电网连接在一起的光伏发电系统。同其他类型发电站一样，可为电力系统提供有功和无功电能。不过．光伏电池所提供的直流电能需经逆变器变换成与电网相同频率的交流电能，以电压源或电流源的方式送人公共电网。控制器是光伏发电系统中一个重要元件，一般由单片机或数字信号处理芯片作为核心器件而构成，其功能是用来实现光伏发电池最大功率点跟踪及控制逆变器并网电流的频率、波形及功率，使向电网输送的功率与光伏电池方阵所发的最大功率平衡。容量可以视为无穷大的公共电网在这里还扮演着储能环节的角色。由于并网光伏发电系统不需要额外的蓄电池。这就降低了造价与运行成本，提高了发电系统的运行和供电可靠性与稳定性。光伏并网发电系统的电能转换率要大大高于独立光伏发电系统，成为光伏发电的最合理发展方向。
１．２．３
光伏发电系统运行方式的优化
要使光伏发电系统运行方式得到优化，就要实
施光伏电池方阵最大功率点跟踪。经研究发现，光伏电池方阵功率输出特性具有非线性特征，受太阳辐射照度、环境温度和负载情况影响。在一定的太阳辐射度和环境温度下．光伏电池方阵可以工作在不同的输出电压下．但是只有在某一输出电压值时，光伏电池方阵的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池方阵的运行点就达到了输出功率一电压曲线的最高点，称之为最大功率点（Ｍａｘｉｍｕｍ
Ｐｏｗｅｒ
Ｐｏｉｎｔ，ＭＰＰ）。因此，在光伏发电系统中，要提
高系统的整体效率，一个重要途径就是实时检测它的输出功率，通过一定的控制算法预测当前工况下方阵可能的最大功率输出，从而改变当前的阻抗情况．调整光伏电池方阵的工作点，使之始终工作在最大功率点附近。这一过程称之为最大功率点跟踪
（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ，ＭＰＰＴ），相应的
技术称之为最大功率点跟踪技术。
万
方数据圈２
ＭＰ阳方法示薏图
光伏电池方阵电流、电压输出特性如图２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电池方阵输出特性。Ａ和Ｂ分别为相应的最大功率输出点，并假定在某一时刻，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，此时如果负载保持不变，系统将运行于Ａ７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１变化至负载特性２，以保持系统运行在新的最大功率点曰。同样，如果太阳辐照度变化使得方阵输出特性由曲线２变至曲线ｌ，则相应的工作点由曰点变化至日７点。应当相应地减小负载２至负载ｌ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。
２国外光伏发电技术的进展
随着技术的进步和应用规模的扩大，太阳能光伏发电除了作为航天器的电源以外，在地面的应用范围也逐渐由偏远山区和特殊用电场合发展到城镇地区。特别是２０世纪末美国、德国、日本和欧盟等实施“太阳能屋顶计划”的推动下，１９９７年以后全球太阳能电池产量年增长率超过了３０％．２００４‘年增长率达到了６０％，２００６年全世界太阳能电池的产量达到了２２０４兆峰瓦，当年安装的太阳能电池组件（方阵）为ｌ７４４兆峰瓦，应用的领域也在迅速不断扩大。最近１０年来，据统计，太阳能光伏发电产业在可再生能源产业中发展速度最快。按世界各主要国家可再生能源发展计划推算，２０１０年以前光伏发电产业将持续以３０％以上的速度增长，并且可预见的高速增长率将持续４０年以上。国外光伏发电产业发展最快的三个国家，分别是德国、日本和美国，其原因是国家优惠政策驱动所至。以德国为例：德国实施了高价收购光伏发电上网电力政策。到２００７年５月为止。全球已建成最大的１０座容量超过５兆峰瓦的光伏发电站中，德国就占了
一６】一
２００８年第５期
华中电力
第２１卷
６座：前５０座容量在２兆峰瓦以上的光伏发电站中德国占３１座。
目前世界最大的光伏发电系统容量为１２兆峰瓦．安装在德国Ｅｒｌａｓｅｅ／Ａｒｍｓｔｅｉｎ地区，应用了２８０００块太阳能电池组件和１５００个逆变器，每年可发电
１４０００
ＭＷ・ｈ，可减少ＣＯ：排放量７
７００
ｔ。此外，
２００７年２月德国还宣布投资１．３亿欧元兴建世界上规模最大的光伏发电站，总容量为４０兆峰瓦．年
发电量４００００ＭＷ・ｈ，可供超过１万户家庭使用。
每年可减少Ｃ０２排放量２
５００ｔ。
众所周知，光伏发电技术的进展决定于光伏电池的研发。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；二是降低电池的生产成本。以硅片为基础的第一代太阳能光伏电池，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太阳能光伏电池中，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生产成本。国际上已经开发出电池效率在１５％以上、组件效率１０ｏ／ｏ以上和发电系统效率８％以上、使用寿命超过１５年的薄膜电池工业化生产技术。
第三代高转换效率的薄膜光伏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。另外．多晶硅光伏电池比单晶硅光伏电池的材料成本低，是世界各国竞相开发的重点。非晶硅太阳能电池仍处在发展之中，化合物太阳能电池正以其转换效率高、成本低、弱光性好及寿命长等优点成为新一代太阳能光伏电池的发展方向。
为了解决交流负载的供电问题，在太阳能光伏发电系统中还必须装设逆变器。它的作用是将太阳能光伏电池所提供的直流电能变换成用户所需规格的交流电能。独立光伏发电系统中逆变器的安全可靠运行特别重要。此外，蓄电池端电压在充放电过程中波动很大，要求逆变器具有较好的调压性能。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。孤岛效应是指并网逆变器在向公共电网供电时。电网因电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，并网逆变器却仍会继续向电网供电。此时，如
一６２一
万
方数据不采取措施，一方面可能造成检修故障电网工作人员的伤亡事故，另一方面，一旦公共电网恢复供电．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，这会在一瞬间产生很大的冲击电流而损坏设备。所以要求电网故障而停电后，必须立即中断光伏并网发电系统对公共电网的供电。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研制取得了积极进展，成为提高光伏发电系统整体效率的重要措施。此外．光伏发电领域相关的技术标准也在不断的完善过程中。
３我国光伏发电技术的进展
１９５８年，我国开始研发太阳能电池。１９７１年，首次将光伏太阳能电池成功应用于东方红２号卫星上。１９７３年开始太阳能电池地面应用（天津港航标灯）。从上世纪７０年代初到８０年代末，由于成本高。太阳能电池在地面的应用非常有限。９０年代以后。随着成本的降低。太阳能电池向工业领域和边远无电地区农村电气化应用方向发展。市场逐步扩大。中央和地方政府开始制订和实施光伏发电计划。并且已经取得了不小的成效。
２００２年，国家发改委启动了“送电到乡”项目，使得我国的光伏发电产业市场迅速发展起来。总装机容量从２００１年的２３．５兆峰瓦迅速增长到２００２年的４５兆峰瓦。至２００３年达到５５兆峰瓦；２００３—２００５年。受国际大环境的影响，国际项目／政府项目的启动和市场的拉动，国内光伏企业产能迅速扩大．太阳能电池产量２００５年达到１５０兆峰瓦以上。２００６年更是达到３００兆峰瓦，其光伏组件效率达１６％，接近世界先进水平。
目前，我国光伏发电产业的发展虽已初具规模，但在总体水平上同国外相比还有较大差距。这主要表现在以下几个方面：
（１）生产规模小，我国太阳能电池制造厂的生产能力比国外生产规模要低一个多数量级。
（２）技术水平较低，电池效率、封装水平同国外相比，还存在不小的差距。
（３）专用原材料国产化程度不高，且其性能不及国外产品。硅原料绝大部分仍需依赖进１２１。
（４）成本高。目前我国太阳能电池组件的成本（下转第６５页）
第２１卷
湘潭电厂二期接地电阻的测量及降阻方案的实施
做防腐处理。
２００８年第５期
（３１沿出水管道进行主厂房与水下地网的连接铜导线施工。连接水下地网后。对主厂房的接地电阻进行重复测量。
（４）深井的施ｔ，施工时对深井电阻进行跟踪
测量。
（２）采用水平联铸铜包钢替代部分铜材，该材料通过水平联铸方式，在钢芯上形成单边厚度大于
ｌ
ｍｍ的铜，陔材料与同直径的纯铜相比，其交流阻
抗在纯铜的８０％以上．可以满足降阻和大电流散流作用：材料抗抟强度和抗剪强度优于纯铜，在施工中不会出现十蕾伸变细的现象，适用于机械作业；铜层不可剥离，剪断难度高，零星材料不具备回收价值，因此与纯铜比较，具有较好的防盗性能，适合于厂外敷设。
（３）水下地网采用沉降固定，防洪性能良好，与河床结合紧密，船只和水面作业对地网的破坏较小。４结束语
在地网改造施工完成后，对地网的接地电阻进行了大电流接地电阻测量，实测结果为０．１６３Ｑ，满足了地网接地电阻的设计要求。
湘潭电厂二期工程接地网降阻改造工程取得了圆满成功。其成功经验值得推广。在设计或改造发电厂和变电站地网时．充分利用周围环境敷设水下接地网．可以很好地降低发电厂和变电站接地网的接地电阻，而且水下接地网与土壤埋设接地网相比。具有施工简便经济、接地电阻阻值相对稳定、接地网受腐蚀因素少、使用寿命长、运行安全可靠等
优点。
ｆ５）主体工程施工完成后，对主厂房接地电阻进行最后测量。
在对湘江水进行导电率分析后表明。在不同的季节，湘江水的电导率维持在５０Ｑ・ＩＴＩ的水平。通过计算。要达到降阻效果，水下地网的最小面积为
８０００
ｍ：，但是考虑到地网之间存在连接电阻、河床
ｍ２。由于连接
的散流能力低于江水、地网之间的屏蔽效应等因素，水下地网面积定为２０
０００—３００００
江边泵房与主网之间的连接为铁质材料。本身的电阻率高．因此水下地网与主网之间采用纯铜连接．保证较低的连接电阻。现场施工中．厂内采用２×
１２０
ｍｍ２的纯铜绞线敷设，厂外采用３ｘ１２０ｍｍ２的
水平联铸铜包钢线敷设。
３．２工程特点
为确保工程质量。本改造工程采用了多项先进技术．主要技术和特点有：
（１）焊接采用铝热焊剂高温熔接技术。采用该技术的焊接面材料达到了分子级的融合。使两种材料之间连接电阻降至最小。同时焊接可靠，不存在传统焊接中经常出现的虚焊现象。焊接面也不需要
（上接第６２页）
优惠政策推动下，国内一批光伏发电器件生产厂家无论是技术水平。还是生产规模迅速得到了提高与扩展。
光伏发电工程的应用效果，也同步得到了社会与国人的认同。所以，上述各项与国外的差距在迅速缩小中。北京２００８奥运主场馆屋顶１００ｋＷ光伏并网发电系统的投入运行就是明显的一例。此外。它也为我国城市建筑与新能源应用的结合提供了成功的范例。目前，我国光伏发电市场主流正由独立光伏发电系统转向并网光伏发电系统．其中包括沙漠太阳能光伏发电站和城市屋顶太阳能光伏发电系统。据光明日报报道，已批准在云南石林建设我国最大、亚洲第一的太阳能光伏并网发电系统，装机容量６６兆峰瓦。由于我国幅员广大．太阳能资源丰富，认识到位，国家政策支持且基础技术良好，我国太阳能光伏发电产业将迎来一个大发展的春天。尽快赶上世界先进水平。
一６５—
和售价远高于国外产品。制约着应用面的扩展。
（５）市场培育和发展迟缓，缺乏市场培育和开拓的支持政策和措施。当前主要为边远地区和特殊典型工程（例如北京奥运场馆）的应用。
近年来．我国加快了对光伏发电技术的研发步伐。其中包括对晶体硅高效电池、非晶硅薄膜电池、碲化镉和铜铟硒薄膜电池、多晶硅薄膜电池及应用系统关键技术等，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，缩短了与国外的差距。但是，我国商品化生产的单晶硅、多晶硅和非晶硅电池的效率、与发达国家相比仍有差距。此外．我国用于光伏发电系统的专用蓄电池研制和生产几乎还是一个空白．生产逆变器功率规模过小．大功率逆变器的研制水平与国外差距较大。好在近两年来在国家一系列可再生能源法律、法规和
万方数据
太阳能光伏发电是理想的可再生能源
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
狄丹， DI Dan
华中电网有限公司技术中心,湖北,武汉,430077华中电力
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