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摘要：我国长期以煤为主的能源生产结构和消费结构决定了以煤电为主导的能源结构，这种结构虽然对我国经济发展起到了重要的支撑作用，但因其造成的环境污染问题日益严重以及煤炭不可再生性不利于我国能源的可持续发展。因此，积极发展低碳清洁的可再生能源将是我国能源发展的重要目标。而太阳能光伏发电作为太阳能利用的一种有效方式，已经成为可再生能源领域中继风力发电之后产业化发展最快、最大的能源产业。本文介绍了能源发展现状以及太阳能发电的基本知识及优缺点，着重阐述了目前光伏发电系统的各个分类和对应工作原理等内容。

关键词：太阳能发电；离网光伏发电系统；并网光伏发电系统；分布式光伏；集中式光伏

Abstract： China’s long-term coal-based energy production and consumption structure has determined the dominant energy structure of coal-fired power. Although this structure has played an important supporting role in China’s economic development， it has increasingly serious environmental pollution problems due to its reliance on coal， which is not renewable， and is not conducive to the sustainable development of China’s energy. Therefore， actively developing low-carbon and clean renewable energy will be an important goal for China’s energy development. Solar photovoltaic power generation， as an effective way of utilizing solar energy， has become the fastest and largest energy industry in the field of renewable energy after wind power generation. This article introduces the current state of energy development and the basic knowledge and advantages and disadvantages of solar power generation. The article focuses on expounding the various types of photovoltaic power generation systems and their corresponding working principles.

Key words： Solar power generation， off-grid photovoltaic power generation system， grid-connected photovoltaic power generation system， distributed photovoltaics， centralized photovoltaics.

1 太阳能光伏发电基本知识

目前，人类可利用的可再生能源包括：太阳能、水能、风能、海洋能、生物质能等，其中太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能。光伏发电作为目前太阳能发电最成熟的一种方式，自上世纪90年代以来在全球得到了迅速发展，而我国太阳能资源十分丰富，适宜光伏发电的国土面积大，根据世界银行发布的全球光伏潜力分布图显示，我国总面积 2/3以上地区拥有良好的太阳能资源，年日照时数大于2000小时，年辐射量在 5000MJ/m2 以上，光伏可发展潜力巨大。相比火力发电和核能发电，光伏发电不会造成环境污染，而且可以大中小并举，大到万千瓦级的大型地面光伏电站，小到只供一个家庭用户的户用分布式光伏发电系统都可以建设应用。

1.1 太阳能光伏发电原理

太阳能光伏发电是利用太阳电池的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。

光生伏特效应：当太阳光照射到太阳电池（由N型半导体材料和P型半导体材料两种不同导电类型的同质半导体材料构成）上时，其中一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过电池片。被吸收的光能激发被束缚的电子，以产生电子空穴对，在PN结的内建电场作用下，电子、空穴相互运动，N区的空穴向P区运动，P区的电子向N区运动，使太阳能电池的受光面有大量的负电荷（电子）积累，而在背光面有大量的正电荷（空穴）积累。此时，如果在电池极板两端接上负载，负载上就有电流通过，当光线一直照射时，电流就会源源不断。电池面积越大可吸收光能越多，产生的电子-空穴对越多，继而在太阳能电池中形成的电流越大。单片太阳能电池其实就是一个薄片状的半导体PN结。原理如下图所示：

1.2 光伏发电优缺点

太阳能光伏发电作为最具有可持续发展特征的可再生能源发电技术，其主要优点如下：

（一）太阳能资源取之不尽、用之不竭，据统计人类目前通过各种形式消耗的能量不足太阳照射到地球的太阳能的1/6000，而且太阳能的利用不受地域、海拔因素的限制，只要有光照的地方就可以使用光伏发电系统。

（二）光伏发电是直接将光能转换为电能，中间没有经过热能转换的消耗以及机械运动的机械磨损。根据热力学分析，光伏发电具有很高的理论发电效率，可达80%以上，技术开发潜力大。

（三）由于光伏发电过程中不会像火力发电一样产生高温热量所以不需要冷却水，发电装置可以安装在没有水的荒漠、戈壁等地区。

（四）当前流行的屋顶分布式或光伏建筑一体化发电系统不需要单独占有土地，合理的与屋顶、墙面结合可节省宝贵的土地资源。

（五）光伏发电本身不需要其他燃料提供发电助力，CO2和其他废气物质排放几乎为零，且不会出现噪音和水污染情况，对环境极为友好。

（六）光伏发电系统工作性能稳定可靠，使用寿命长（30年以上）。只要设计合理、维护得当，晶体硅太阳电池寿命可长达25～35年。

2 光伏发电系统分类

太阳能光伏发电系统根据是否与公共电网联络，可以分为离网（独立）型光伏发电系统和并网型光伏发电系统两大类。

2.1 离网（独立）型光伏发电系统

离网型光伏发电系统是不和公共电网发生联系，独立于大电网系统之外为负荷提供电力供应的自成一体的光伏发电系统。离网型光伏发电系统适用于下列情况及场合：需要移动携带的设备电源；远离电网的边远地区、农林牧区、山区、岛屿；不需要并网的场合；不需要备用电源的场合等。

离网型光伏发电系统按有无储能组件和接入负载特点分为以下几种形式。

（一）无蓄电池的直流光伏发电系统

该系统特点是用电负载为直流负载，对负载使用时间没有要求且负载主要在白天使用。系统不需要蓄电池和光伏控制器。光伏电池组件直接和负载直连，有阳光就发电供负载工作，阴天或夜晚无阳光时就停止工作。此情况优点是减少了电能通过光伏控制器及在蓄电池的充电和放电过程中造成的损耗，提高了太阳能利用率。典型应用是直流光伏水泵，阳光充足时除了可以抽水灌溉还可以利用光伏水泵把水抽到蓄水池内存储起来，即把光能转化为势能，以便于阴天和夜晚使用。

（二）有蓄电池的直流光伏发电系统

有蓄电池的直流光伏发电系统如图2所示。该系统由太阳能电池板、蓄电池、光伏控制器、直流负载等组成。有阳光时，太阳能电池组可以将光能转换为电能供负载使用，并同时向蓄电池中充电存储电能。夜间或阴雨天时，蓄电池则可以放电向负载供电。该系统应用广泛，小到公园太阳能草坪灯、交通标志灯、高速路监控，大到移动通信基站、微波中继站等。

（三）市电互补型光伏发电系统

市电互补型光伏发电系统如图3所示。该系统其实就是独立光伏发电系统中以光伏发电为主，以常用220V交流电补充电能为辅的形式联合供能。这样设计的好处是光伏电池组件和蓄电池组件的容量都可以控制在比较小的范围，有阳光即可使用光伏发的电，遇到连续无阳光天气蓄电池储存的电能不足以支撑负载时就采用市电能量作为补充。由于我国大部分地区全年2/3的时间有阳光照射，系统就有2/3的时间可以进行光伏发电，剩余时间采用市电补充能量。这种形式即减少了太阳能光伏发电系统的一次性投资，又有显著的节能减排效果，是在推广和普及光伏发电过程中的一个友好过度方案。

（四）交、直流混合光伏发电系统

交、直流混合光伏发电系统如图4所示。系统主要由光伏组件阵列、控制器、蓄电池组、逆变器、负载等构成，相比上面提到的直流发电系统，此系统多了一个光伏逆变器（用于将直流电转换为交流电），为交流负载提供电能。有阳光时，光伏电池组件将光能转换为直流电能，一部分直接给直流负载供能，一部分为蓄电池充电，剩余部分通过光伏逆变器转换成交流电为交流负载供能。当阴雨天或者晚上时，会释放储存在蓄电池中的直流电能通过光伏逆变器转换为交流电能为交流负载供能或直接为直流负载供能。

2.2 并网型光伏发电系统

并网型发电系统通过太阳能电池组将接收来的太阳辐射能量转换为电能，再经过直流汇流箱汇流，由并网逆变器逆变后输送与电网电压同频、同相的正弦交流电流。并网型光伏发电系统和独立型光伏发电系统相比具有更多好处：首先，以公共电网作为并网系统的容量备份，极大提高了并网系统供电可靠性;其次，并网系统由于接入公共电网可省略或减少储能装置容量，降低了系统建设和维护成本，减少了储能装置充、放电过程中的电能损耗，提高了系统电能利用率。

并网型光伏发电系统根据容量和接入方式的不同，可分为分布式光伏电站系统和集中式大型光伏电站系统。

（一）分布式光伏电站系统

分布式光伏发电系统即户用型光伏发电系统，是指在用户所在场地或附近建设和并网运行的，以用户侧自发自用为主、富余电量上网且在配电网系统平衡调节为特征的光伏发电设施。

分布式光伏发电系统分为不带储能装置和带储能装置两种模式，现有部分居民分布式光伏以不带储能装置的模式运行，但是此模式受自然环境条件影响输出电压不稳，可能对电网造成冲击，优化此问题可以在系统基础上增加储能装置缓解光伏并网发电系统启停运行对公共电网的冲击。增加储能装置后每个分布式光伏电站/光伏并网用户都可以形成一个系统单元，利用各自系统单元的储能电量和用电量不同以及时间差异，可以使用户在不同的时间并入电网，进一步减少对电网的冲击。如图5所示：

（二）集中式大型光伏电站系统

集中式光伏电站一般建在远离负荷中心的荒漠、戈壁、山坡等无电力消费设施的区域，且单个电站容量较大、占地面积较大。所发大部分电力直接在并网点并入公共电网，由电网统一调配向用户供电。这种电站投资大，建设周期长，需要复杂的控制设备和远距离高压输配电系统，其发电成本要比传统能源发电成本贵1倍以上，目前在我国西部地区得到广泛的开发与建设。

集中式光伏发电系统主要由光伏组件阵列、逆变器、配电柜、升压站、输电线路、公共电网等部分构成，如下图6所示：

3 光伏发电的发展前景

自20世纪90年代以来，在可持续发展战略的推动下，可再生能源技术进入快速发展的阶段。在此期间，中国光伏行业的发展历经了几个关键年，2013年，中国光伏组件产量首次超过德国，成为全球最大的光伏组件生产国。2015年，中国光伏产业规模全球第一。2018年，中国光伏发电装机容量达到了1.3亿千瓦，占全球光伏发电总装机容量的三分之一以上。国家能源局最新数据显示，截至2023年6月底，我国可再生能源装机突破13亿千瓦，历史性超过煤电。其中，光伏发电装机4.7亿千瓦，连续8年位居全球第一。

光伏发电的前景已被越来越多的国家和能源界所认识，许多国家和地区纷纷制定光伏发电发展规划，今后光伏发电的发展将具有以下几个趋势：

（一）在全球范围内，光伏产业将继续保持快速增长，尤其是在“双碳”的大背景下，光伏产业将发挥更加重要的作用

（二）通过技术不断进步创新，大幅度降低光伏发电成本，实现“平价上网”

（三）光伏产业将更加智能化，包括自动化、数字化、互联网技术的应用，提高生产效率和产品质量

据国际能源署（IEA）预测，到2030年全球光伏累计装机量有望达1721GW，到2050年将进一步增加至4670GW，可见光伏行业发展潜力巨大。

参考文献

[1]潘小勇，马道胜. 新能源技术[M].江西高校出版社：， 201911.347.

[2]姚亚军.太阳能光伏发电技术的应用研究[J].科技创新与应用，2022，（36）：181-184

[3]吴建春. 光伏发电系统建设实用技术[M].重庆大学出版社：高等职业院校太阳能应用专业系列教材， 201504.196.

[4]王松.太阳能光伏发电与并网技术的应用[J].电子技术.2022，（4）：204-205.

[5]王晅.太阳能光伏发电系统中的最大功率点跟踪技术及仿真实现[J].科学技术创新.2022，（36）：189-192.

作者简介：赵磊（1993），男，大学本科，初级工程师，主要从事电力系统软件开发工作