绪论

一、 项目研究背景

能源是人类社会生存和发展的动力源泉。化石能源以及核能、地热能、潮汐能、风能、太阳能等各种新能源的应用无不闪现着人类的智慧之光。

然而，随着人类文明的发展日益迅速，传统的化石能源正日趋枯竭，能源危机已展现在人类面前。人类在能源利用方面面对着巨大的挑战，这主要包括：大规模地开采及不合理地利用煤、石油、天然气等非可再生资源，造成了非可再生资源储量的锐减和枯竭；另一方面，以煤、石油、天然气等化石燃料为主的传统能源体系在人类强调走可持续发展道路的今天遇到了极大的限制[1]。在21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，天然气可采量为61年，煤炭可采量为227年，可见，化石能源的可开采量已经是屈指可数了[2]。全球资源专家们呼吁：煤炭、石油等可贵的化石资源应该是留给子孙后代的“化工原料”，而不应该在我们这代人手中仅仅把它们作为燃料而消耗殆尽[3]。

中国的能源资源储量情况同样不容乐观。按2000年底的统计，探明经济可开发能源总储量约占世界总量的10.1％。中国能源剩余可开采总储量的结构为：原煤占58.8％，原油占3.4％，天然气占1.3％，水资源占36.5％。我国能源经济可开发剩余可采储量的资源保证程度仅为129.7年[4]。同时，由于中国人口众多、人均能源资源严重不足，人均能源资源探明储量只有135吨标准煤，仅相当于世界人均拥有量（264吨标准煤）的51％。其中煤炭人均探明储量为147吨，为世界人均值（208吨）的70％；石油人均探明储量2.9吨，为世界人均值的11％；天然气人均探明储量为世界人均值的4％；即使是水资源，按人口平均，也低于世界人均值[5]。

化石能源的大量开发利用是造成地球环境污染和生态破坏的主要原因之一。如何在开发和使用能源的同时，保护好人类赖以生存的地球环境和生态，已经成为一个全球性的重要问题。目前由于大量使用化石能源，全世界每天产生大约1 亿吨温室效应气体，这导致全球气候变暖，两极冰川融化。观测资料表明，过去 100年中，全球平均气温上升了0.3～0.6℃，全球海平面平均上升了10～25cm，如果不加以控制，温室效应将融化两极冰川，海平面将上升几米，人类的生活空间将受到极大威胁。另外，燃烧也会产生大量有害气体，这对人身健康造成威胁，还会造成酸雨问题。

针对以上情况，开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展是人类必须采取的措施。从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想绿色能源。全球能源专家们认定，太阳能将成为 21 世纪最重要的能源之一[6]。

太阳能资源是一种分布广泛、储量无限的清洁无污染能源，被科学家誉为是世界上最理想的绿色资源，是人类开发和利用新能源的首选资源。开发和利用太阳能的基本方式有：一是利用光热转换，将太阳能转化成热能；二是利用光伏阵列通过汇流装置间接将太阳能转为电能，即光伏发电。截止到今天，在开发利用太阳能的过程中，光伏发电已然成为其最主要的途径，从上世纪80年代起，光伏产业就成为世界上飞速增长的新型产业之一，随着各国不断地加强对可再生资源开发利用重视的力度，光伏这一产业的发展市场将会更加广阔[7]。

光伏电池是光伏发电系统的核心部件，其输出电流、电压的大小和稳定情况不仅与电池本身结构等参数有关，而且还很大程度地随着环境温度、光照的改变而波动起伏。同时由于外界环境因素变化无常，致使光伏电池的输出特性表现为非线性，因而在一天当中某一特定工作条件之下，光伏电池功率输出存在唯一的最大值点。为了更有效地利用光伏电池，应当采取一定的控制技术，来确保光伏电池实时都能输出最大功率，这即是最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技术[8]。在实际光伏发电系统中，装设MPPT控制装置，能够有效提高光伏电池的发电效率。

二、 光伏发电系统研究现状

1. 国外研究状况

早在1839年就发现了“光伏效应”，20世纪50年代，第一块有实际应用价值的单晶硅太阳能电池由美国的两位科学家制成，由此产生了实用的光伏发电技术，即将太阳光能转换为电能的技术[9]。此后，光伏发电技术飞速发展，尤其是发生于1973年的石油危机和20世纪90年代的环境污染问题，使得光伏发电技术的发展速度更为迅猛。20世纪80年代以来，世界经济处于衰退期，但是光伏发电技术产业却能够持久保持以10%～15%的速度飞速发展。80年代以后，光伏产业的发展更为迅猛，体现在发展出更多种类的光伏电池，推广至更广泛的应用领域。截至21世纪初，全世界兆瓦级光伏系统的数量已达两位数，更先进的兆瓦级联网光伏系统也相应出现。2008年时，全球的太阳能安装总量累计已达15GW。2010年，光伏产业的年发展速度保持在三成以上。年销售额由2004年的70亿美金增加到2010年的300亿美金 [10]。世界上第一个光伏发电发展规划来源于美国，临近21世纪时又制定了“百万屋顶计划”。欧洲的一些发达国家也在美国之后根据本国的情况，制定了适合的可再生能源法案，这对光伏产业的迅猛发展起到了推动性作用。我们的邻国日本也早在90年代初年就制定了本国的光伏规划。20世纪初期，德国重新完善了本国的可再生能源法，随之而至的是德国光伏市场大爆发，尤其是光伏发电上网电价方案的提出，使得光伏领域的发展步入一个全新的时代。这项法案也使德国在世界光伏发电领域成为继日本之后发展最快的国家。紧随其后，发达国家间开展了新一轮的政策热潮，以法国为代表的欧洲发达国家也相继推出新的发展规划，为研发新技术开始进行新一轮的大规模投资，这极大地推进了全球光伏市场再一次高速发展，对最大功率跟踪技术的应用日益广泛，多种具有最大功率跟踪功能的新型电力电子器件也极大促进了光伏产业的发展，例如具有最大功率跟踪功能的三电平并网光伏逆变器[11],也使光伏产业迈入了一个新纪元。

2. 国内研究状况

我国的光伏产业在20世纪80年代之前还处于雏形阶段，经过十几年的发展，此项产业才逐步跨入稳步发展期。相关产品比如光伏电池的生产数量也相应稳步增加。自1996年至2000年，我国的光伏发电在产业化方面和应用方面的发展均极为迅速，尤其在远离电网地区的电力建设中发挥了极为重要的作用。2002年，针对西部七省区780个无电乡[12]的用电问题，我国制定出针对性的计划，无电乡的用电问题随之解决。截至2004年，在光伏水泵、并网逆变器、独立运行逆变器、光伏系统专用测量设备和通信用控制器等部件攻关上，我国已经取得了很大进展，并且在光伏电站、风光互补电站、并网发电系统和光伏户用系统的开发上也积累了丰富的经验。光伏系统中的控件，如控制器、逆变器、光伏照明设备等也都有了稳定的专业生产厂家。

我国是全球光伏发电装机量增长最快的国家。2000年，我国太阳能电池产量仅为3MW， 2007年年底时已达1088MW，同期超越欧洲（1062.8MW）和日本（920MW），达到了世界第一位。2010年，我国太阳能电池产量更是达到8GW，约占全球光伏电池产量的一半。2011年电池产量达到20GW，约占全球的65%。国际能源署技术路线图中提出了一个光伏发电比例的全球平均水平，我国若要达到标准，光伏装机量在2020年前需达到60GW， 2030年达到270GW。