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摘 要：太阳能光伏发电是利用光伏效应把太阳能直接转换成电能的技术，它对于人类解决能源危机和环境污染问题具有重大意义。本文首先概述了光伏发电技术，同时比较光伏发电的优缺点；然后介绍了国内外太阳能光伏发电的发展现状，接着阐述了光伏发电的技术现状，指出了三个主要的研究方向。最后就我国的情况，探讨了光伏发电的发展前景和亟需解决的问题。
关键词：光伏发电；太阳能电池；逆变器；MPPT；孤岛效应
中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：1009-0118（2012）-01-0-02
一、引言
随着当今世界能源危机和环境污染的日益严重，太阳能以其资源充足、分布广泛、清洁安全等优点必将成为未来全球最主要的能源之一。现在太阳能的利用主要有光热利用、光化学利用和光伏利用三种形式，其中光伏发电由于其自身的优势，近期在世界范围内得到了高速的发展。
早在20世纪80年代初，受石油危机影响，美国、日本以及欧洲一些国家已经意识到发展新能源的重要性，投入了大量的人力物力对光伏发电进行研究，由此光伏发电得到了很大程度的发展和应用。随着我国对新能源产业的政策扶持，光伏发电必将成为我国能源结构中重要的组成元素。因此，积极研究和发展光伏发电技术成为了目前国内外的研究热点。
二、太阳能光伏发电技术概述
太阳能光伏发电是利用半导体界面的光生伏打效应将光能转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池，太阳能电池经过串联后进行封装便构成了大面积的太阳能电池组件。电池组件所产生的直流电能再经逆变器变换成与电网相同频率的交流电能，以电压源或者电流源的方式送入电力系统（并网光伏发电系统），或者直接供给负荷使用（独立光伏发电系统）。
（一）光伏发电系统的基本组成
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。太阳光辐射能量经由光伏电池板直接转换为电能，并通过电缆、控制器、储能等环节予以储存和转换，提供给负荷使用。图1所示为典型太阳能光伏发电系统的构成。
各个组成部分具体介绍如下：
1、太阳能电池
太阳能电池是太阳能光伏发电的核心组件，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转变为电能。目前对太阳能电池的研究主要集中在提高光电转换效率和降低成本上[1]。
目前应用较广的太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅3种。近年来出现了硅以外的化合物材料，如磷化铟、砷化镓、铟硒铜等[2]。
2、控制器
太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近，从而获得最大的功率转换效率的目的。控制器还对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用，在温差大的地区，控制器还有具有温度补偿的功能。
3、蓄电池组
太阳能电池一般为铅酸电池，小型太阳能发电系统中也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。太阳能电池产生的直流电需要进入太阳能蓄电池储存，在使用的时候再释放出来。蓄电池的性能直接影响着太阳能光伏发电系统的工作效率和稳定性，目前蓄电池在技术上已经十分成熟。
4、逆变器
太阳能并网逆变器比普通逆变器要复杂很多，主要有两个技术要点：MPPT（最大功率跟踪）和并网功能。MPPT对于太阳能逆变器来说，非常重要，由于日照条件在不断变化，太阳能电池组件特殊的V-I特性，逆变器必须具备MPPT功能，才能充分利用宝贵的电池板发电量。另外一个并网功能，关注就是功率因数和谐波电流，逆变器在额定工况下，谐波电流小于3%，功率因数为1。
（二）光伏发电的优缺点
光伏发电的优点主要有以下六点[3]：
1、无污染：零排放，没有任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等“排放”。
2、可再生：资源无限，可直接输出高质量电能，可满足可持续发展的要求。
3、资源的普遍性：基本上不受地域限制，只是地区之间是否丰富之分。
4、分布式电力系统：将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战备的角度看，它更具有明显的意义。
5、资源、发电、用电同一地域：可望大幅度节省远程输变电设备的投资费用。
6、灵活、简单化：发电系统可按需要以模块化集成，容量可大可小，扩容方便。
保持系统运转仅需要很少的维护，系统为组件，安装快速化，没有磨损、损坏的活动部件；
目前光伏发电也存在一些难以攻克的缺点，主要有以下两个方面：
（1）光电转化率很低。
（2）光伏发电成本太高，在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的，但其成本仍居高不下，远不能满足大规模推广应用的要求。
三、国内外光伏发电的发展现状
（一）国外光伏产业的发展
美国是世界上太阳能发电技术开发较早的国家，太阳能槽式发电系统已经积累了10多年联网营运的经验，1.0×104kW塔式和5～25kW盘式太阳能发电系统正处于示范阶段。法国、西班牙、日本、意大利等国太阳能发电的应用也有一定发展。太阳能光伏发电最早用于缺电地区，从20世纪80年代开始，联网问题得到很大重视。目前，在世界范围内已建成多个兆瓦级的联网光伏电站，光伏发电总装机容量约1.0×103MW[4]。
（二）我国光伏发电产业的现状
我国的太阳能电池制造水平比较先进，实验室效率已经达到21%，一般商业电池效率是10%～13%。已建成15座光伏电站，容量约40MW。其中容量最大的是1998年投运的西藏安多100kW电站。太阳能发电项目正在启动，计划在拉萨建立一座35MW的鲁兹型太阳能电站。
2008年，北京奥运会鸟巢体育馆太阳能光伏系统实现并网发电，该光伏发电系统总装机容量为100kW，使用单晶硅组件，采用了不可逆流、无储能的太阳能光伏发电技术，具有灵活方便、维护简单、成本低廉等优点[5]。除此之外，我国已在深圳国际园林花卉博览园内建成了亚洲最大的兆瓦级并网光伏电站[6]，是我国光伏并网发电一个里程碑。
四、光伏发电的技术现状
（一）最大功率跟踪（MPPT）
由于光伏阵列的最大功率点是一个时变量，因此可以采用搜索算法进行最大功率点跟踪。例如可以通过直接测量得到的电信号，判断最大功率点的位置，从而进行追踪。典型的MPPT方法有扰动观测法（P&O）、增量导纳法（IncCond）、恒定电压法（CV）等[7]。由于天气情况的变化，现在还需要综合考察各种MPPT算法的可靠性、稳定性、快速性、精度等多方面因素，以便找到一种更智能更优的算法。
（二）并网控制技术
并网的光伏逆变器目前采用两种并网方式：电压源型并网方式和电流源型的并网方式。电压源型并网方式并网电流间接控制，控制策略比较复杂，其次并网电流的质量取决于电网电压谐波检测，对电网电压的参数变化比较敏感，再者动态响应慢。而采用电流源型并网方式，其一控制策略比较简单；其二并网电流的质量主要取决于电流控制器的性能；其三动态响应快，对电网电压的参数变化能够快速调节，因此逆变器控制为正弦电流源并网控制方式被广泛采用[3]。
（三）孤岛效应检测技术
孤岛效应就是当正常供电因故障或停电维修而中断时，各个用户端的太阳能并网发电系统未能及时检测出停电状态而将自身切离城市供电网络，而形成由太阳能并网发电系统和周围的负载形成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响。
孤岛检测方法一般分为被动法和主动法。被动法是通过不断检测系统的输出状态（如电压、频率）来判断是否产生孤岛，主要包括电压频率检测法、电压谐波检测法、相位跳变检测法；主动法是通过控制逆变器输出或者外加阻抗等方式主动扰动系统，当发生孤岛时，主动干扰将造成系统的不稳定，造成系统的电压、频率发生明显的变化，由此来检测电网响应来判断是否发生孤岛，主要包括PQ扰动法、更改阻抗法[8]。
五、光伏发电的前景
经过20多年的发展，我国光伏发电产业的发展已初具规模，但是总体水平上我国同国外相比还有很大的差距，主要表现为生产规模较小，技术水平较低，电池效率、封装水平同国外存在一定差距，部分材料仍需进口[1]。另外，我国电池组件的成本和售价偏高。
太阳能电池造价太高制约着太阳能光伏发电的大规模应用，它已经成为光伏发电的“瓶颈”。我国必须要加大这方面的投入，突破这个技术瓶颈，促进太阳能光伏发电的普及[5]。2005年2月28日第十届全国人民代表大会常务委员会通过了《中华人民共和国可再生能源法》，把促进可再生能源的开发利用提高到了法律的高度。近些年来，国家在“973”和“863”等重大项目中也将太阳能电池的发展放到了重要的位置。
积极发展太阳能光伏发电对于解决我国的能源紧缺和环境污染具有重要的战略意义。相信在政府政策的扶持和学界的大力研究下，光伏发电在我国的前景很光明，会得到广泛应用和发展。
参考文献：
[1]黄亚平.太阳能光伏发电研究现状与发展前景探讨[J].广西白云学院学报,2007,14(2):113-117.
[2]肖慧杰,王凯,刘欣颖.浅析太阳能发电技术[J].内蒙古石油化工,2010,(3):93-94.
[3]刘飞.三相并网光伏发电系统的运行控制策略[D].武汉:华中科技大学博士学位论文,2008.
[4]赵异波,何湘宁,周永忠.新能源发电技术的最新进展[J].电工技术杂志,2002,(2):1-4.
[5]邵翠平.我国太阳能光伏发电现状及发展趋势[J].科技信息,2008,(23):40-42.
[6]贾铭.太阳能照亮过去、现在和未来[N].科技日报,2005-11-20.
[7]李晶,窦伟,徐正国.光伏发电系统中最大功率点跟踪算法的研究[J].太阳能学报,2007,28(3):268-273.
[8]戴靖.光伏发电并网控制技术[D].南京:南京航空航天大学硕士学位论文,2007.
关键词：光伏发电；太阳能电池；逆变器；MPPT；孤岛效应
中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：1009-0118（2012）-01-0-02
一、引言
随着当今世界能源危机和环境污染的日益严重，太阳能以其资源充足、分布广泛、清洁安全等优点必将成为未来全球最主要的能源之一。现在太阳能的利用主要有光热利用、光化学利用和光伏利用三种形式，其中光伏发电由于其自身的优势，近期在世界范围内得到了高速的发展。
早在20世纪80年代初，受石油危机影响，美国、日本以及欧洲一些国家已经意识到发展新能源的重要性，投入了大量的人力物力对光伏发电进行研究，由此光伏发电得到了很大程度的发展和应用。随着我国对新能源产业的政策扶持，光伏发电必将成为我国能源结构中重要的组成元素。因此，积极研究和发展光伏发电技术成为了目前国内外的研究热点。
二、太阳能光伏发电技术概述
太阳能光伏发电是利用半导体界面的光生伏打效应将光能转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池，太阳能电池经过串联后进行封装便构成了大面积的太阳能电池组件。电池组件所产生的直流电能再经逆变器变换成与电网相同频率的交流电能，以电压源或者电流源的方式送入电力系统（并网光伏发电系统），或者直接供给负荷使用（独立光伏发电系统）。
（一）光伏发电系统的基本组成
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。太阳光辐射能量经由光伏电池板直接转换为电能，并通过电缆、控制器、储能等环节予以储存和转换，提供给负荷使用。图1所示为典型太阳能光伏发电系统的构成。
各个组成部分具体介绍如下：
1、太阳能电池
太阳能电池是太阳能光伏发电的核心组件，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转变为电能。目前对太阳能电池的研究主要集中在提高光电转换效率和降低成本上[1]。
目前应用较广的太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅3种。近年来出现了硅以外的化合物材料，如磷化铟、砷化镓、铟硒铜等[2]。
2、控制器
太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近，从而获得最大的功率转换效率的目的。控制器还对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用，在温差大的地区，控制器还有具有温度补偿的功能。
3、蓄电池组
太阳能电池一般为铅酸电池，小型太阳能发电系统中也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。太阳能电池产生的直流电需要进入太阳能蓄电池储存，在使用的时候再释放出来。蓄电池的性能直接影响着太阳能光伏发电系统的工作效率和稳定性，目前蓄电池在技术上已经十分成熟。
4、逆变器
太阳能并网逆变器比普通逆变器要复杂很多，主要有两个技术要点：MPPT（最大功率跟踪）和并网功能。MPPT对于太阳能逆变器来说，非常重要，由于日照条件在不断变化，太阳能电池组件特殊的V-I特性，逆变器必须具备MPPT功能，才能充分利用宝贵的电池板发电量。另外一个并网功能，关注就是功率因数和谐波电流，逆变器在额定工况下，谐波电流小于3%，功率因数为1。
（二）光伏发电的优缺点
光伏发电的优点主要有以下六点[3]：
1、无污染：零排放，没有任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等“排放”。
2、可再生：资源无限，可直接输出高质量电能，可满足可持续发展的要求。
3、资源的普遍性：基本上不受地域限制，只是地区之间是否丰富之分。
4、分布式电力系统：将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战备的角度看，它更具有明显的意义。
5、资源、发电、用电同一地域：可望大幅度节省远程输变电设备的投资费用。
6、灵活、简单化：发电系统可按需要以模块化集成，容量可大可小，扩容方便。
保持系统运转仅需要很少的维护，系统为组件，安装快速化，没有磨损、损坏的活动部件；
目前光伏发电也存在一些难以攻克的缺点，主要有以下两个方面：
（1）光电转化率很低。
（2）光伏发电成本太高，在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的，但其成本仍居高不下，远不能满足大规模推广应用的要求。
三、国内外光伏发电的发展现状
（一）国外光伏产业的发展
美国是世界上太阳能发电技术开发较早的国家，太阳能槽式发电系统已经积累了10多年联网营运的经验，1.0×104kW塔式和5～25kW盘式太阳能发电系统正处于示范阶段。法国、西班牙、日本、意大利等国太阳能发电的应用也有一定发展。太阳能光伏发电最早用于缺电地区，从20世纪80年代开始，联网问题得到很大重视。目前，在世界范围内已建成多个兆瓦级的联网光伏电站，光伏发电总装机容量约1.0×103MW[4]。
（二）我国光伏发电产业的现状
我国的太阳能电池制造水平比较先进，实验室效率已经达到21%，一般商业电池效率是10%～13%。已建成15座光伏电站，容量约40MW。其中容量最大的是1998年投运的西藏安多100kW电站。太阳能发电项目正在启动，计划在拉萨建立一座35MW的鲁兹型太阳能电站。
2008年，北京奥运会鸟巢体育馆太阳能光伏系统实现并网发电，该光伏发电系统总装机容量为100kW，使用单晶硅组件，采用了不可逆流、无储能的太阳能光伏发电技术，具有灵活方便、维护简单、成本低廉等优点[5]。除此之外，我国已在深圳国际园林花卉博览园内建成了亚洲最大的兆瓦级并网光伏电站[6]，是我国光伏并网发电一个里程碑。
四、光伏发电的技术现状
（一）最大功率跟踪（MPPT）
由于光伏阵列的最大功率点是一个时变量，因此可以采用搜索算法进行最大功率点跟踪。例如可以通过直接测量得到的电信号，判断最大功率点的位置，从而进行追踪。典型的MPPT方法有扰动观测法（P&O）、增量导纳法（IncCond）、恒定电压法（CV）等[7]。由于天气情况的变化，现在还需要综合考察各种MPPT算法的可靠性、稳定性、快速性、精度等多方面因素，以便找到一种更智能更优的算法。
（二）并网控制技术
并网的光伏逆变器目前采用两种并网方式：电压源型并网方式和电流源型的并网方式。电压源型并网方式并网电流间接控制，控制策略比较复杂，其次并网电流的质量取决于电网电压谐波检测，对电网电压的参数变化比较敏感，再者动态响应慢。而采用电流源型并网方式，其一控制策略比较简单；其二并网电流的质量主要取决于电流控制器的性能；其三动态响应快，对电网电压的参数变化能够快速调节，因此逆变器控制为正弦电流源并网控制方式被广泛采用[3]。
（三）孤岛效应检测技术
孤岛效应就是当正常供电因故障或停电维修而中断时，各个用户端的太阳能并网发电系统未能及时检测出停电状态而将自身切离城市供电网络，而形成由太阳能并网发电系统和周围的负载形成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响。
孤岛检测方法一般分为被动法和主动法。被动法是通过不断检测系统的输出状态（如电压、频率）来判断是否产生孤岛，主要包括电压频率检测法、电压谐波检测法、相位跳变检测法；主动法是通过控制逆变器输出或者外加阻抗等方式主动扰动系统，当发生孤岛时，主动干扰将造成系统的不稳定，造成系统的电压、频率发生明显的变化，由此来检测电网响应来判断是否发生孤岛，主要包括PQ扰动法、更改阻抗法[8]。
五、光伏发电的前景
经过20多年的发展，我国光伏发电产业的发展已初具规模，但是总体水平上我国同国外相比还有很大的差距，主要表现为生产规模较小，技术水平较低，电池效率、封装水平同国外存在一定差距，部分材料仍需进口[1]。另外，我国电池组件的成本和售价偏高。
太阳能电池造价太高制约着太阳能光伏发电的大规模应用，它已经成为光伏发电的“瓶颈”。我国必须要加大这方面的投入，突破这个技术瓶颈，促进太阳能光伏发电的普及[5]。2005年2月28日第十届全国人民代表大会常务委员会通过了《中华人民共和国可再生能源法》，把促进可再生能源的开发利用提高到了法律的高度。近些年来，国家在“973”和“863”等重大项目中也将太阳能电池的发展放到了重要的位置。
积极发展太阳能光伏发电对于解决我国的能源紧缺和环境污染具有重要的战略意义。相信在政府政策的扶持和学界的大力研究下，光伏发电在我国的前景很光明，会得到广泛应用和发展。
参考文献：
[1]黄亚平.太阳能光伏发电研究现状与发展前景探讨[J].广西白云学院学报,2007,14(2):113-117.
[2]肖慧杰,王凯,刘欣颖.浅析太阳能发电技术[J].内蒙古石油化工,2010,(3):93-94.
[3]刘飞.三相并网光伏发电系统的运行控制策略[D].武汉:华中科技大学博士学位论文,2008.
[4]赵异波,何湘宁,周永忠.新能源发电技术的最新进展[J].电工技术杂志,2002,(2):1-4.
[5]邵翠平.我国太阳能光伏发电现状及发展趋势[J].科技信息,2008,(23):40-42.
[6]贾铭.太阳能照亮过去、现在和未来[N].科技日报,2005-11-20.
[7]李晶,窦伟,徐正国.光伏发电系统中最大功率点跟踪算法的研究[J].太阳能学报,2007,28(3):268-273.
[8]戴靖.光伏发电并网控制技术[D].南京:南京航空航天大学硕士学位论文,2007.