光伏发电系统最大输出功率研究

光伏发电系统最大输出功率研究

齐芸芸

齐芸芸

（国网山西省电力公司030032）

在20世纪的世界能源结构中，人类所利用的能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，世界上的化石能源可利用总量总有一天将达到极限。随着化石能源的逐步消耗，能源危机已展现在人类面前。在21世纪初进行的关于世界能源探明储量数据的调查显示化石能源的可开采量已经屈指可数；中国的能源资源储量情况更是危机逼人。按2000年底的统计，我国探明的可开发能源总储量约占世界总量10.1%，其组成结构为：原煤占58.8%，原油占3.4%，天然气占1.3%，水资源占36.5%。除太阳能以外，中国各种一次能源资源均低于世界平均水平，中国的能源需求面临着更严重的挑战。

发展可再生能源己成为全球课题。《中华人民共和国可再生能源法》将可再生能源的范围界定为风能、太阳能、水能、生物质能、地热能和海洋能等，这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转换为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1210千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍。所以，从长远来看，太阳能的利用前景最好，潜力最大。近30年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。而其中的太阳能光伏发电是世界上节约能源、倡导绿色电力的一种主要的高新技术产业。发展光伏产业已经成为全球各国解决能源与经济发展、环境保护之间矛盾的最佳途径之一。

人类在开发利用能源的历史长河中，以石油、天然气和煤炭等化石能源为主的时期，仅是一个不太长的阶段，它们终将走向枯竭而被新的能源所取代。人类必须及早寻求新的替代能源。研究和实践表明，直接由太阳辐射到地球的能量丰富，分布广泛，可以再生，不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。据国际权威机构的预测，到2050年，全球直接利用太阳能的比例将会发展到世界能源构成的13~15%之间，而整个可再生能源在能源结构中的比例将大于50％。

总之，随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，能源和环境成为二十一世纪人类所面临的重大基本问题，清洁的可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广泛关注。近二、三十年来，太阳能光伏（Photovoltaic，PV）发电技术得到了持续的发展，光伏发电已经成为利用太阳能的主要方式之一。开展太阳能光伏发电系统的研究，对于缓解能源和环境问题，开拓广阔的光伏发电市场和掌握相关领域的先进技术，具有重大的理论和现实意义[1]。

1.国外光伏发电现状和发展趋势

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2006底达到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%。今后光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。专家们预测，到2050年，太阳能光伏发电在发电总量中将占13%-15%，到2100年将约占64%。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。到2010年，美国计划安装1000～3000M太阳电池，日本的目标是7600MW。印度计划1998-2002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并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。

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。德国政府于1999年开始实施10万太阳能屋顶（每户约3kW-5kW）计划，今后几年内需要300MW-500MW太阳电池。1999年首先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，他们将太阳电池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。

2.国内光伏发电现状和发展趋势

20世纪90年代以来是我国光伏发电快速发展的时期。在这一时期，我国光伏组件生产能力逐年增强，成本不断降低，市场不断扩大，装机容量逐年增加，2006年累计装机容量达35MW，约占世界份额的3%。10多年来，我国光伏产业长期平均维持了全球市场1%左右的份额。

随着2008年北京绿色奥运和2010年上海世博会的举办，到2020年前，我国光伏产业将会不断的完善和发展，成本将不断下降，光伏市场会发生巨大的变化：预计2005-2010年，我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，发电成本到2010年将约为1.20元/kWh；2010-2020年，光伏发电将会由独立系统转向并网发电系统，发电成本到2020年将约为0.60元/kWh。到2020年我国光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列。

但是与国外发达国家相比，我国光伏产业市场化进程较为缓慢，我国的太阳能发电技术及其产业还有很大差距，其中有以下几个较为突出的制约因素：

1.价格过高是光伏产业市场化的绊脚石，当前制约大规模利用光伏发电的关键因素是电价过高。

2.硅原料紧缺是阻碍市场化的核心环节。

3.光伏产业链整体竞争力较为脆弱：第一，整个产业链上游小下游大，呈“金字塔”格局，“塔尖”高纯硅生产几乎空白。除中游链有一定竞争力外，从下到上依次薄弱，每一环节的产品原料都需要从国外引进。第二，一些重要环节技术期待突破。第三，产业链中有优势的部分处于价值链的低端。

4.我国在相关的核心技术方面还十分不成熟，大容量的并网发电装置绝大部分依赖于进口，所以研究开发具有自主知识产权的并网发电技术对我们国家来说已经是刻不容缓。

5.激励政策的启动力度远远不够。中国尚属传统能源型国家，能源消费构简单，过分依赖煤炭。促进可再生能源发展的法规政策体系不够完善，从去年开始，国内一些省市（区）纷纷出台相关政策，上海市出台了《2005年-2007年上海市开发利用太阳能行动计划》，提出到2007年光伏产业总产值达到100亿元，建设若干个兆瓦级光伏发电示范工程。江苏省出台了《江苏能源产业科技示范工程2005-2007年实施方案》，并在筹划太阳能发电“一千个屋顶计划”。尽管如此，对于迅猛发展的光伏产业来说我国启动国内光伏市场力度还是远远不够的[2]。

3.光伏发电产业发展需要解决的问题

目前世界太阳能光伏发电产业还处于初级阶段，为了保证太阳能光伏发电产业的健康发展，需要做好以下工作：

1.研制太阳能电池新材料，提高电池的光电转化效率；

2.研究太阳能光电电池最大功率跟踪算法，包括局部遮阴情况下的MPPT寻优，以及把智能算法运用到MPPT控制当中；

3.研究太阳能光电池阵列的优化组合算法，实现太阳能光电电池阵列的优化组合；

4.探索并实现太阳能光伏发电与建筑物建设相结合，实现建筑物绿色发电与自我供电；

5.研究太阳能光伏发电的软并网技术，减少光伏电能对电网的冲击；

6.探索并出台保护太阳能光伏发电发展的政策与法律、法规，对太阳能发电电价实行保护政策，促进太阳能发电产业的发展。

参考文献：

[1]张博，唐巍，蔡永翔，王越，陈璐.面向高比例户用光伏消纳的储能系统与通信网络协同规划[J].电网技术.2018（10）

[2]王晓港.提高光伏消纳能力的配电网联络开关优化配置[J].电力系统及其自动化学报.2018（09）

[3]阮启运，胡强，连婧显，燕子飞，赵凯，徐大清.负荷差值特性曲线法在分布式光伏消纳方案中的应用[J].电力学报.2018（01）