光伏发电系统的效率最优化研究

青岛大学

硕士学位论文

光伏发电系统的效率最优化研究

姓名：唐敏

申请学位级别：硕士

专业：电力系统及其自动化

指导教师：夏东伟

20080601

摘要

摘要

在能源枯竭与环境污染问题日益严重的当今世界，光伏发电成为可再生能源领

域中最清洁、最现实、最有大规模开发利用前景的发电方式之一。然而，光伏电池

的输出特性具有强烈的非线性，且受外界环境因素影响大，所以如何有效的利用太

阳能，提高太阳能利用效率，成为太阳能利用中一个迫切需要解决的问题。本论文

以光伏发电系统为研究对象，以最大限度利用太阳能为主要目标，展开了光伏发电

系统效率最优化的理论和实验研究。具体说来，本文的主要研究内容可归纳如下：

一、概述了光伏发电系统的组成，根据不同场合的需要，对光伏发电系统进行

了分类，并介绍了目前我国光伏发电技术的应用。在此基础上，详细分析了光伏电

池板的工作原理，采用ＭＡＴＬＡＢ对同一光照强度下的光伏电池模型进行仿真，并将

具有强寻优能力的仿真软件ＩｓｔＯｐｔ率先用在光伏电池模型的仿真上，得出光照强度

不断变化条件下的电流一电压，功率一电压的二维曲线，并且得出电流一电压一光

照和功率一电压一光照的三维曲线。仿真曲线很直观地表示出电池的输出电流和电

压的对应关系，同时也表明：光伏电池既非恒压源，也非恒流源，它不可能为负载

提供任意大的功率；光伏电池特性具有强烈的非线性，并且其输出功率受到日照等

周围环境因素的影响。

二、在实验室现有的ｌｌＯＷ。光伏电池的基础上，分别对光照不变和光照变化条

件下的光伏电池进行实验测试，并将实验数据拟合成曲线，从而得到１ｌＯＷ。光伏电

池的实际输ｍ特性曲线，实际输出曲线不仪很好地表明了光伏电池输出特性强烈的

非线性，而且对以后的仿真研究有很大的实际价值，为实验验证打Ｆ了基础。

三、分析比较了几种传统光伏发电系统效率优化方法的优缺点。定电压跟踪法

实现比较简单、稳定，然而其控制精度差，必须人工干预才能良好运行；电导增量

法可以使输出端电压比较平稳，然而整个系统比较复杂，费用较高；功率回授法实

现比较方便，但是稳定性及可靠性不理想，实际使用中不常用；扰动观察法控制简

单，容易实现，但可能会发生振荡和误判现象。在实验室１１０Ｗ。光伏电池参数的基

础上，采用扰动观察法，对光伏发电系统进行仿真研究，仿真结果表明采用扰动观

察法会导致在最大功率点附近产生功率损失。

四、提出了一种基于遗传算法的光伏发电系统的效率优化算法，尝试将遗传算

法用在光伏发电系统优化问题中。遗传算法将问题的求解表示成“染色体”，将其置

于问题的“环境”中，根据适者生存的原则，从中选择出适应环境的“染色体”进

行复制，即再生，通过交叉、变异两种基因操作产生出新一代更适合环境的“染色

体”群，这样一代代不断改进，最后收敛到一个最适合环境的个体上，求得问题的最佳解。由于最好的染色体不一定出现在最后一代，开始时保留最好的染色体，如

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果在新的种群又发现更好的染色体，则用它代替原来的染色体，进化完成后，这个

染色体便可看作是最优化的结果。光伏发电系统效率的优化问题实际上是如何使输

出功率最大的问题，这里的输出功率便可看作是“染色体”。通过复制、交叉、变异

等，最终得到的“染色体”即为最优的输出功率。将遗传算法应用在光伏发电系统

中，能够提高太阳能的利用效率。最后，将仿真结果与在ｌｌＯＷ。电池的基础上得出

的实验结果进行比较，验证该方法的可行性。关键词：光伏发电，最优化，］舱ＴＬＡＢ仿真，遗传算法

．Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｓｔｈｅｅｎｅｒｇｙｄｅｐｌｅｔｉｏｎａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｐｏｌｌｕｔｉｏｎｂｅｃｏｍｉｎｇｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｓｅｒｉｏｕｓｉｎ

ｔｈｅｗｏｒｌｄ，ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｈａｓｃｏｍｅｔｏｂｅｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｐｒａｃｔｉｃａｌａｎｄｃｌｅａｎｅｓｔｐｏｗｅｒ

ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｗｈｉｃｈｈａｓａｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｓｐｅｃｔ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ａｓｔｈｅ

ｏｕｔｐｕｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｐｈｏｔｏｖｏｋａｉｃｃｅｌｌｓｉｓｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ，ａｎｄｂｅｅａｓｉｌｙｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｔｈｅ

ｏｕｔｅｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｈｏｗｔｏｍａｋｅｔｈｅｕｓｅｏｆｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙｍｏｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｈａｓｂｅｃｏｍｅａ

ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｐｒｏｂｌｅｍｉｎｔｈｉｓａｒｅａ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｒｉｅｓｔｏｓｔｕｄｙｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｔｈｅｔａｒｇｅｔ

ｏｆｍａｘｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ’ａｎｄｂｏｔｈｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ

ｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｄｏｎｅ．Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙ，ｔｈｅ

ｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｏｆｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｃａｎｂｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄａｓｆｏｌｌｏｗｓ：

Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｇｅｎｅｒａｌｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎａｎｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｅ

ｓｙｓｔｅｍ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｃｃａｓｉｏｎ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｉｎ

ｃｈｉｎａｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈａｔ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｏｌａｒｐａｎｅｌｓｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｗｉｔｈ

ｄｅｔａｉｌｓ．Ｗｅｃａｎｇｅｔｏｕｔｐｕｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅｏｆｓｏｌａｒｐａｎｅｌｓｗｈｉｃｈｃａｎｓｈｏｗｔｈａｔ：ｓｏｌａｒ

ｃｅｌｌｓａｒｅｎｅｉｔｈｅｒｃｏｎｓｔａｎｔｖｏＲａｇｅｓｏｕｒｃｅｎｏｒｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔｓｏｕｒｃｅ，ｉｔｃａｎｎｏｔｐｒｏｖｉｄｅ

ａｒｂｉｔｒａｒｙｌａｒｇｅｐｏｗｅｒｆｏｒｔｈｅｌｏａｄ；ａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｉｓｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ，ｗｈｉｃｈ

ｃａｎｂｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆａｃｔｏｒｓｓｕｃｈａｓｓｏｌａｒｒａｄｉａｔｉｏｎ．

Ｓｅｃｏｎｄ，ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆＩｌＯＷｖｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｉｎｔｈｅｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，ｓｏｌａｒｃｅｌｌａｒｅｔｅｓｔｅｄｉｎｔｈｅ

ｓａｍｅｌｉｇｈｔａｎｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｉｇｈｔｓｔｏｇｅｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｕｒｖｅｓｗｈｉｃｈｎｏｔｏｎｌｙｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｉｓｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ，ｂｕｔａｌｓｏｈａｖｅｇｒｅａｔｐｒａｃｔｉｃａｌｖａｌｕｅｆｏｒｔｈｅ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．

Ｔｈｉｒｄ，ｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｓｅｖｅｒａｌｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｐｈｏｔｏｖｏＩｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ

ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｗｅｇｅｔｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ．ＴｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＣＶＴ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ

ＶｏｌｔａｇｅＴｒａｃｋｉｎｇ）ｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｓｉｍｐｌｅ，ｓｔａｂｌｅ，ｂｕｔｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｃｏｎ仃ｏｌｉｓｐｏｏｒ；ｔｈｅ

ｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｏｆＩＣＡ（ＩｎｃｒｅｍｅｎｔａｌＣｏｎｄｕｃｔａｎｃｅＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）ｃａｎｂｅｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｓｔａｂｌｅ，

ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍｉｓｍｏｒｅｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｏｓｔｉｓｈｉｇｈ；Ｔｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ

ｏｆＰｏｗｅｒＦｅｅｄｂａｃｋＭｅｔｈｏｄｉｓｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ，ｂｕｔｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｉｓｎｏｔ

ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ，ｉｔ＇ｓｎｏｔｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄｉｎｐｒａｃｔｉｃｅ；ＴｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆＰＡＯ（Ｐｅｒｔｕｒｂ－ａｎｄ－ｏｂｓｅｒｖｅ）

ｉｓｅａｓｙ，ｂｕｔｔｈｅｒｅｍａｙｂｅｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎａｎｄｍｉｓｊｕｄｇｍｅｎｔ．Ｉｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆ１１０Ｗｐｓｏｌａｒｃｅｌｌｗｅ

ｕｓｅＰＡＯｉｎｔｈｅｐｈｏｔｏｖｏｉｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｗｉｌｌｂｅａｐｏｗｅｒ

ｌｏｓｓｉｎｔｈｅｖｉｃｉｎｉｔｙｏｆｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔ．

Ｌａｓｔ，ＩｔｒｙｔｏａｐｐｌｙｔｈｅＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍｓｉｎｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ．Ｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ

ｃｏｎｓｉｄｅｒｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍ豳‘＇ｃｈｒｏｍｏｓｏｍｅ”，ｐｌａｃｅｔｈｅｉｓｓｕｅｉｎｔｈｅ‘＇ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ”，ａｎｄｃｈｏｏｓｅ

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ｔｈｅ‘＇ｃｈｒｏｍｏｓｏｍｅ＇’ｔｏｃｏｐｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｕｒｖｉｖａｌｏｆｔｈｅｆｉｔｔｅｓｔ．Ａｎｅｗ

‘＇ｃｈｒｏｍｏｓｏｍｅ”ｇｒｏｕｐ

Ｆｉｎａｌｌｙ，ｉｔｃａｎｃａｎｂｅｐｒｏｄｕｃｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｒｏｓｓｏｖｅｒａｎｄｍｕｔａｔｉｏｎｏｆｔｗｏｇｅｎｅｓ．ｃｏｎｖｅｒｇｅｔｏｔｈｅｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｗｈｉｃｈｉｓｍｏｓｔｓｕｉｔａｂｌｅｔｏｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ａｔ

ｉｆｆｏｕｎｄｓａｆｉｒｓｔ，ｉｔｒｅｔａｉｎｓｔｈｅｂｅｓｔｃｈｒｏｍｏｓｏｍｅ，ａｎｄ

ｓｐｅｃｉｅｓ，ｉｔｗｉｌｌＵＳｅｂｅｔｔｅｒｃｈｒｏｍｏｓｏｍｅｉｎｔｈｅＳＯｎｅｗｃａｎｉｔｔｏｒｅｐｌａｃｅｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｃｈｒｏｍｏｓｏｍｅ

ＵＳｅｔｈａｔｔｈｅｌａｓｔｃｈｒｏｍｏｓｏｍｅｂｅｓｅｅｎａｓｔｈｅｍｏｓｔｏｐｔｉｍａｌｒｅｓｕｌｔｓ．ＴｈｅｏｆＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍｓｉｎｐｈｏｔｏｖｏｉｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ

ｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙｕｓｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｎｄ

ｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉＳｆｅａｓｉｂｌｅ．ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ，

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ，Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ＭＡＴＬＡＢＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍｓ

学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明

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本学位论文属于ｔ

保密口，Ｉ在年解密后适用于本声明。１

不保密洲

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日期：ｐ湃角旧

日期刀莎缉石月／日

未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用）

第一。章绪论

第一章绪论

１．１课题的研究背景

目前，人类使用的一次能源最主要是非再生能源，如石油、天然气、煤炭和裂

变核燃料，约占能源总消费量的９０％左右，然而，经过人类数千年，特别是近百年

的消费，这些能源已被消耗了相当比例。在２ｌ世纪初进行的关于世界能源储量数据

的调查显示：全世界石油储量只够开采３９．９年，天然气约６１年，煤炭为２２７年¨１。

这些传统的燃料能源一天天减少，与此同时全球还有约２０亿人得不到正常的能源供

应。这个时候，人们把目光投向了可再生资源，希望可再生资源能够改变人类的能

源结构，维持长远的可持续发展。

在现实中，太阳能、风能、生物质能成为三大最为看好的可再生能源品种。可

再生能源是我国重要的能源资源，在满足能源需求、改善能源结构、减少环境污染、

促进经济发展等方面发挥了很大作用。我国政府一直晕视可再生能源的开发利用，

除水电自上世纪５０年代开始蓬勃发展外，自上世纪８０年代，风电、太阳能、现

代生物质能等技术应用和产业也在政府的支持下稳步发展，小水电、太阳能热水器、

小风电等一些可再生能源技术和产业已经走在世界的前列。“十五”期间，我国进入

了可再生能源快速发展时期，水电建设大中小并举，开发建设速度显著加快；通过

采取特许权招标等措施，积极推进风电规模化发展；以送电到乡和解决无电人口生

活用电为契机，发展光伏发电、小型风电，推动分散式可再生能源发电技术的发展：

围绕改善农村环境卫生条件和增加农民收入，积极发展农村户用沼气；通过市场推

动，大力推广普及太阳能热水器；以技术研发和试点示范为先导，积极推动了生物

质能发电和生物液体燃料开发利用。２００５年，我国可再生能源年利用量总计为１．６６

亿吨标准煤（不包括传统方式利用的生物质能），约占一次能源消费总量的７．５％，其

中水电为１．３８亿吨标准煤，太阳能、风电、现代技术生物质能利用等提供２８００万

吨标准煤的能源。同年颁布的《可再生能源法》标志着我国可再生能源发展进入了

一个新的历史阶段。除水能外，我国资源丰富、近期利用技术较为成熟、开发潜力

较大的主要是风能、生物质能和太阳能，地热、海洋能利用等在中远期也有很好的

发展前景㈨。

近几年来，太阳能以其独有的优势成为人们关注的焦点。丰富的太阳辐射能，

是取之不尽用之不竭、无污染、廉价的能源。太阳能每秒钟投射到地球上的能量高

达１．７５７ｘ１０＂Ｊ，假如把地球表面０．１％的太阳能转为电能，转变率为５％，每年发电量可达５．６×１０１２ｋＷｈ，相当于目前世界上能耗的４０倍∞１。太阳能是地球上巨大的无

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污染能源，地球上每秒钟可获得的太阳能相当于燃烧５００万吨优质煤发出的热量，

其中我国拥有的太阳能资源相当于１９０００亿吨标准煤，发电量可达９．６×１０３ｋＷ，而

目前装机容量仅有６０００ｋＷ。。利用太阳能可以建立温室大棚、太阳能集热器、太阳

能热水器和太阳灶，还可用来淡化海水、致冷、制作光伏电池和发电Ｈ１。与此同时

在地球上利用太阳能，受到地表大气层的吸收和散射影响，加上夜间、阴天、雨天

条件的限制，不如到地球外层空间去利用太阳能的效果好，这也成为了现今世界各

国对太阳能利用的一大研究热点。

将光能转变为电能的光伏技术是一项非常重要的技术，它能够实现人类向可持

续的全球能源系统转变。目前，光伏发电产业是伞球发展最快的新兴产业之一，最

近１０年，光伏电池产量年平均增长率为３７％，最近五年的年平均增长率为４５％怡１。

按世界各主要国家可再生能源发展计划推算，２０１０年以前光伏产业将持续以３０％以

上的速度增长，２０１０年＂＂２０４０年，光伏产业的复合增长率将高达２５％，可预见的高

速增长将持续４０年以上。

光伏发电有更加激动人心的计划¨１。一是利用地面上的沙漠和海洋面积进行发

电，并通过超导电缆将伞球光伏发电站连成统一电网以便向伞球供电。据预算，到

２０５０年和２ｌｏｏ年，即使全用光伏发电供给全球用电，占地也小过为１８６．７９万平方

公哏和８２９．１９万平方公里。８２９．１９万平方公里才占伞部海洋面积的２．３％或伞部沙漠

的５１．４％，甚至才是撒哈拉沙漠的９１．５％。另一方案是天上发电。早在１９８０年美国

宇航局和能源部就提出在窄问建设光伏发电站设想，准备在同步轨道上放一个长ｌＯ

公里、宽５公里的大平板，上面布满光伏电池，这样便可提供５×１０６ｋｗ。电力。但

这一方案需要解决向地面无线输电问题。现已提出用微波束、激光束传输等方案。

１．２课题的提出及研究现状

光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载

情况影响…。在一定的光照和环境温度下，光伏电池町以工作在不同的输出电压，

但是只有在某一输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时光伏电

池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点。因此要提高

整个光伏发电系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，

使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪（ｍａｘｉｍｕｍ

ｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ，ＭＰＰｌｒ），这一研究是具有实际意义的。

近几年全球光伏组件的年均增长率高达３０％，光伏产业成为全球发展最快的新

兴行业之一哺１。特别是２００７年，全球光伏装机总量达到２３００ＭＷ。，年增速超过４０％，

未来几年增长势头则更加迅猛。根据日本新能源计划、欧盟可再生能源白皮书、美

国光伏计划等推算，至２０１０年，全球光伏发电并网装机容量将达到１５ＧＷ。，未来

第一章绪论

数年光伏行业的复合增长率将高达３０％以上：至２０３０年，全球光伏发电装机容量将

达到３００ＧＷ。（届时整个产业的产值有可能突破３０００亿美元）；至２０４０年，光伏发

电将达到全球发电总量的１５％．２０％。２００７年全球光伏发电装置量比２００６年成长

６２％ｎ１。其中德国占１３２８ＭＷｐ，占比重４７％，名列第一；西班牙去年大幅增长超过

４８０％，达到６４０ＭＷ。，居第二；日本与美国分居第三与第四，但日本比２００６年衰

退２３％，去年装置量仅２３０ＭＷｐ旧’９１。

◆２０世纪８０年代，美国建成抛物面槽光伏发电站，１９９７年美国政府在全世

界率先宣布发起“百万太阳能屋顶计划”，２００５年，美国的光伏电池生产总

量达到１５６ＭＷ。，计划到２０１０年要求发电成本降到７．７美分／千瓦时；２００７

年美国旧金山市建世界上最大的光伏薄膜电池生产厂，生产像纸一样薄，

灵活度很高的光伏电池，年产量达４３０Ｍ、Ⅳ口。

◆澳大利亚政府提出了一个光伏组件总安装容量为７５０ＭＷ。的联网光伏屋顶

发展计划，目前正在积极推行。２０００年悉尼奥运会时ＢＰ太阳能公司在运

动员村安装了６６５套屋顶光伏系统，每套光伏组件功率ｌｋＷ。。２００７年ｌＯ

月２５口澳大利亚政府宣布投资４．２亿澳元建设光伏发电厂¨０。。

夺日本政府早在１９７４年就公布了“阳光计划”，１９９３年又提出“新阳光计划”，

旨在推动太阳能研究计划全面、长期地发展。２０００年有７万家庭安装了太

阳能家庭发电设备。计划到２０１０年一半以上的新居屋顶将安装光伏系统。

２００６年，日本的光伏电池生产总量占世界总产量的４６％，光伏发电装机总

量为１４２２ＭＷ。，到２０１０年日木光伏发电的装机总量将达到４８２０ＭＷｏ。

◆德国政府是世界上最早和最积极倡导鼓励光伏应用的国家之一。１９９０年，

德国政府率先推出“１０００太阳能屋顶计划”，１９９３年，德围首先开始实施

由政府投资支持，被电力公司承认的１０００屋顶计划，继而扩展为２０００屋

顶计划，１９９８年德国政府进一步提出了１０万光伏屋顶计划，同时研究开发

与建筑相结合的专用光伏组件等。１９９９年１月起开始实施“十万太阳能屋

顶计划”。德国政府颁布的“可再生能源法”于２０００年４月１日正式生效。

２００７年德国的光伏发电装置总量达到１３２８ＭＷ。。

此外，意大利、印度、瑞士、法国、荷兰、西班牙都有类似的计划，并投巨资

进行技术开发和加速工业化进程。从世界范围来讲，光伏发电已经完成了初期开发

和规模应用发展，其应用范围几乎遍及所有的用电领域，大到宇宙飞船，小到儿童

玩具，并且光伏集中并网发电、光伏建筑等发展迅速，已逐渐成为市场主力。

目前我国能源结构极不合理，煤炭年消耗量约为１３亿吨，在我国能源总量巾的

比重超过６０％¨¨。我国已成为世界第二大二氧化碳排放国。二氧化碳产生的污染不

仅对我国的居民健康和工农业生产造成严重损害，还使我们面临巨大的国际压力。

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我国地处北半球。太阳能资源异常丰富，总面积２／３以上地区年日照时数大于２２００

小时，其中西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原均为太阳能资源丰富地区；

除四川盆地、贵州省资源稍差外，东部、南部及东北等其它地区都是资源较富和中

等区。太阳能资源理论存储总量达每年１７０００亿吨标准煤，与美国相近，比欧洲、

日本优越得多。专家统计，如果把全国１％的荒漠中的太阳能用于发电，就可以发出

相当于２００３年全年的耗电量。届时，新疆、西藏、甘肃等广大西部地区将成为我国

新的能源基地。

与困际上蓬勃发展的光伏发电相比，中国落后于发达国家ｌＯ．１５年，甚至明显

落后于印度。但是，中国光伏产业正以每年３０％的速度增长¨引。我国的光伏电池技

术是从６０年代发展空间用光伏电池开发起步的．地面用光伏电池的生产是从１９７０

年代初开始，主要的低成本技术以及生产能力则在８０年代中期建立起来。８０年代

中期，我国光伏电池／组件总生产能力达到４．５ＭＷ。，光伏产业初步形成。９０年代初

中期，我国光伏产业已处于稳定发展时期，生产量逐年稳步增加。“九五”期间，国

家科委开始将太阳能屋顶系统列入国家科技攻关计划，企业界率先在深圳和北京分

别建成了１７ｌ（Ｗ。和７ｋＷ。的光伏发电屋顶系统。１９９９年，我国光伏电池的主要产品

是单品硅电池和非品硅电池，多品硅电池只限于实验室和巾试产品，但在２０００年之

后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生产，与发达国家相比，技术差距

不断减小。

为了推动光伏技术及其产业发展，２００３年１０月，国家发展改革委员会、科技

部制定出未来五年太阳能资源开发计划，发改委“光明工程”将筹资１００亿用于推

进光伏发电技术的应用¨驯。２００５年中国光伏电池生产总量达到１３９Ｍｗ。，较２００４

年猛增了１７９％，２００６年达到４００ＭＷ。，从而超过美国成为全球第三人生产围。以３

年产量增长４５倍，产能增加１２５倍而成为全球发展最快的国家。２００４年，我国在

深圳建成了亚洲最人并网光伏电站，电站总容量达ＩＭＷ，，年发电能力约为１０６ｋＷｈ；

２００５年，中国首座发电量７０ｋＷ。的塔式发电系统在汀宁建成并发电成功；２００６年

１１月２０日，敦煌市投资６０亿建全球最人光伏电站（１００ＭＷ。）。２００８年北京奥运会，

国家计划将光伏发电融入奥运建筑中，各奥运建筑将大范围采用太阳能等绿色能源

利用技术，绿色能源的应用Ｊ下是绿色奥运的具体体现；２００５年２月２８日第十届伞

国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过的《中华人民共和国可再生能源法》。

《可再生能源法》已于２００６年１月１日起正式实施。法令明确提出，“国家鼓励单

位和个人安装和使用光伏发电系统等太阳能利用系统”，已原则性地规定了“国家

财政设立可再生能源发展专项资金”、“金融机构可以提供有财政贴息的优惠贷

款”等鼓励政策；２００６年４月国务院能源领导小组会议上已批准国家发改委提出的

我国光伏发电的中长期发展规划、发展重点和目标。国家发改委还同时发布了＜可

第一章绪论

再生能源发电价格和费用分摊关系试行办法》，国家鼓励可再生能源利用。

据相关机构统计，到２００７年年底，全球光伏电池产能达到４．８万千瓦，其中，

我国光伏电池的全球占有率达到１６．７％，接近２０％。无锡尚德、南京光伏两大太阳

能生产厂合计将达１２．５％左右，考虑到其他光伏电池生产厂家，我国光伏电池的全

球占有率将达到１６．７％。值得一提的是，无锡尚德２００６年产能超过３００ＭＷ。，全球

排名从２００５年的第八窜升到第四位，仅次于日本夏普、德国Ｑ．Ｃｅｌｌｓ及日本京瓷…１。

目前，在光伏发电系统效率优化方面的研究主要集中在：（１）模糊逻辑控制，此

控制不需要调制输出电压从而避免了部分功率损失，它通过定义输入量及输出量来

完成ＭＰＰＴ的控制，是目前使用较普遍的一种控制方法；（２）优化控制，即通过建立

优化效率数学模型，构造求解方法，从而得出光伏系统最大功率的输出；（３）人工神

经网络控制，在系统发生间歇性变化的情况下，使得系统的精度及稳定性得到了提

高，有效地输出最大功率。

１．３光伏发电系统的组成和分类

光伏发电系统是利用光伏电池的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换成电能的

一种新型发电系统。一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制

器、逆变器和蓄电池（组）构成。

◆太阳能电池板：太阳能电池板是光伏发电系统中的核心部分，其作用是将

太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。

◆太阳能控制器：太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流

和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、

尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象

的发生。如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供

稳定的直流电（由于天气的原因，光伏电池方阵发出的直流电的电压和电流

不是很稳定）。

◆逆变器：逆变器的作用就是将光伏电池阵列和蓄电池提供的低压直流电逆

变成２２０Ｖ交流电，供给交流负载使用。

◆蓄电池（组）：蓄电池（组）的作用是将光伏阵列发出的直流电直接储存起来，

供负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当日照量大

时，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电；当日照量小时，这部分储存

的能量将逐步放出。

光伏发电系统按与电力系统的关系分类，通常分为独立光伏发电系统、并网光

伏发电系统、混合型光伏发电系统三种。独立光伏发电系统是不与常规电力系统相

连而独立运行的发电系统，通常建设在远离电网的偏远地区或作为野外移动式便携

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电源。它由光伏阵列、储能装置、电能变换装置、控制系统配电设备组成。光伏阵

列接受太阳能并转换为电能，发出的电能经变换器变换成用电负载所需要的合格电

力，经配电设备向负载供电，并将发电与负载用电之剩余的电能供给充电器向蓄电

池充电。控制系统则采用光伏电池的最大功率点跟踪、能量管理和变换器输出控制。

光伏发电的特点是白天发电，而负荷往往是全天候用电，因此在光伏发电系统中储

能元件是必不可少的。工程上使用的储能元件主要是蓄电池，科学研究中也有使用

超级电容器、超导储能器件的，但限于成本过高尚未达到实用。从负载用电时间上

划分的光伏发电系统有白天用电的光伏发电系统、夜间用电的光伏发电系统和昼夜

用电的光伏发电系统。

白天用电的负载包括计算机、光伏空调器、光伏水泵等。理论上，供给此类负

荷的光伏发电系统不需要储能器件，一定程度上降低了系统造价。在光照充足的条

件下，负载能正常工作。该系统工作特点是光伏阵列发电全部供给负载使用，发电

和用电是平衡的。负载用电受环境因素影响较大，工程实际中由于太阳光照、云层、

风沙等天气因素变化较大，加之光伏电池负载特性较软，系统为了稳定运行往往也

介入一定容量的储能元件，同时此储能元件也可以在一定程度上提高光伏电池发电

的利用率，以应付负载的冲击性负荷或冲击性肩动等造成的电压剧烈波动。

夜间用电的光伏发电系统主要包括照明灯、电视机等。储能元件是必不可少的，

白天光伏阵列所发电量除去自身系统所用外全部储存在储能元什中，夜问光伏电池

停止发电，由储能元件向负载和自身系统供电。虽然光伏发电受气象环境因素影响

较大，但此种系统在考虑了阴天影响的基础上，只要发电容量和储能容量设计合理，

从宏观上用电与发电可以达到平衡，由此受气象环境的影响较小。光伏发电系统的

合理设计要根据负载用电情况、负载特性和当地年平均只照量而进行。

光伏并网发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统，像其他类型发电

站一样，可为电力系统提供有功和无功电能。光伏并网系统分集中式和分散式两种，

集中式并网电站一般容量很大，通常在几百千瓦到兆瓦级，而分散式并网系统一般

容量较小，在几千瓦到几十千瓦，目前并网光伏发电系统大多为分散式的并网系统。

并网光伏发电系统有光伏阵列、变换器和控制器组成，光伏电池所发的直流电能经

变换器变换成与电网相同频率的交流电能，以电压源或电流源方式送入电力系统，

其中控制器是非常重要的部件，它控制着并网电流的频率、相位、波形、光伏电池

的最大功率点等。并网系统不需要蓄电池，减少了蓄电池的投资与损耗，也间接减

少了处理废旧蓄电池产生的污染，降低了系统运行成本，提高了系统运行和供电的

稳定性。并网是光伏发电发展的最合理和最经济方向。

（１）独立供电的光伏发电系统

独立供电的光伏发电系统如图１．１所示。

第一章绪论

整个独立供电的光伏发电系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器组成。

太阳能电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电

能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。根据负载的需要，系统一般选用

铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载时，光伏电池通过充电器对蓄电池充

电；当发电量不足时，光伏电池和蓄电池同时对负载供电。控制器一般由充电电路、

放电电路和最大功率点跟踪控制组成。逆变器的作用是将直流电转换为与交流负载

同相的交流电。

图１．１独立运行的光伏发电系统结构框图

（２）并网光伏发电系统

图１．２并网光伏发电系统结构框图

并网光伏发电系统如图１．２所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器

起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能。目前常用的并网光伏发电系统具有

两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池环节的

并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开

关和重要负载开关，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某

些家庭用户来说具有重要意义；此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定

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电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网

光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳

能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电

时，系统自动停止向电网供电。当有日照照射、光伏系统所产生的交流电能超过负

载所需时，多余的部分将送往电网：夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流

电能时，电网自动向负载补充电能。

（３）混合型光伏发电系统

图１．３为混合型光伏发电系统，它区别于以上两个系统之处是增加了一台备用

发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动备刖发电机组，它

既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器后给莆电池充电，所以称为混合型光

伏发电系统。

图１．３混合型光伏发电系统结构框图

１．４光伏发电系统的应用

２ｌ世纪是世界能源结构发生巨大变革的世纪。太阳能作为一种新兴的绿色能源，

具有储量大、寿命长、利用经济、清洁环保等特点，因此，太阳能的利用越来越受

到人们的重视。其中，将太阳能应用于发电系统更是人们研究的热点。

目前我国光伏发电系统的应用一方面以采取户用光伏发电系统和建设小型光伏

电站为主，来解决偏远地区无电村和无电户的供电问题，为２００万户偏远地区农牧

民（即目前我国三分之一的无电人口）提供最基奉的生活用电：另一方面，通过借鉴

发达国家建设屋顶光伏发电系统的经验，在经济较发达、城市现代化水平较高的大

第一章绪论

中城市，在公益性建筑物和其他建筑物以及在道路、公园、车站等公共设施照明系

统中推广使用光伏电源，建设屋顶光伏发电系统¨５一引。此外，还将建立大型的并网

光伏系统，以便于在光伏发电成本下降到一定水平时而开展大型并网光伏系统的大

规模应用。

（一）户用光伏发电系统、小型光伏电站

户用光伏系统、小型光伏电站属于非并网光伏发电系统（独立系统），多用于我

国的广大无电贫困山区和贫困农村。自投入使用以来，运行可靠，发电正常，性能

优良。例如，辽宁建昌县贫困无电山区已经安装了３５３套独立家用光伏电源系统，

光伏电池组件总功率可达２２６５０Ｗｐ。此家用光伏电源系统包括直流系统和交流系统

两大类。直流系统由光伏电池组件及支架、控制器和蓄电池组３部分组成。交流系

统比直流系统多一个逆变器，共由４部分组成。白天，光伏电池组件接收太阳光照

输出电能，然后经过防反充二极管向蓄电池组充电：夜晚，直流系统经过控制器将

蓄电池组输出的直流电供直流负载使用，交流系统则经过逆变器把蓄电池组通过控

制器输出的直流电变换为交流电供交流负载使用。在此系统中，光伏电池组件的功

能是将太阳辐射能转换为电能；蓄电池组的功能是将光伏电池组件输出的直流电加

以储存；防反充二极管的功能是用以阻止蓄电池组通过光伏电池组件放电；控制器

的功能是对蓄电池组的过充电和过放电进行保护；逆变器的功能是将蓄电池组输出

的直流电变换为交流电。

此外，我国在西北偏远地区（如青海、西藏、新疆、甘肃等地）还建立了一些小

型光伏电站¨引。由于特殊的地缘，光伏电站特别适合西部特殊的居住环境，特别是

在青藏高原有着得天独厚的地理环境优势，大力开发利用太阳能新能源，将其转换

为电能，既解决了部分无电人口的供电问题，又解决了边远地区的通讯问题，促进

了西部地区脱贫致富，经济和生态环境的协调发展。其中西藏成为我国光伏电站、

光伏电池装机容量最大的省区，有效地改善了当地牧民们的用电紧缺现象，而在通

讯方面，微波通讯中继站应用光伏电源达到７００ｋＷ。以上，小型光伏电站有１３００个。

（二）屋顶光伏发电系统

随着光伏应用技术的发展，世界各国普遍推出了相应的屋顶光伏计划，“九五”

期间，我国国家科委也开始将太阳能屋顶系统列入国家科技攻关计划。将光伏发电

系统与建筑物相结合之所以备受世界的重视是因为它存在很多的优点：

◆不占用土地资源，这对于土地昂贵的城市尤为重要：

◆可以原地发电，原地使用，减少了电力输送的线路损耗；

◆降低了墙面及屋顶的温升，减轻了建筑物的空调负荷，降低了空调的能耗；

◆取代和节约了昂贵的外饰材料（如玻璃幕墙等），使建筑物的外观统一协调，

美化建筑环境；

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◆舒缓了高峰电力的需求，配备蓄电池后，还满足了安全用电设施的不断电

要求。

２００８年奥运会的申办成功为太阳能利用提供了新的契机，国家将光伏发电融入

奥运建筑中，各奥运建筑将大范围采用太阳能等绿色能源利用技术，中国政府对太

阳能利用和建筑设计相结合进行了研究，并在奥运场馆及奥运村中应用，降低了建

筑能耗，提升了城市的整体形象。

当今，诸多城市积极利用小型光伏电源，于道路、公园、车站其至家庭安装了

太阳能庭院灯、太阳能草坪灯、太阳能路灯、市政交通及车位标识灯，造型新颖、

美观大方、变化多样，而且经久耐用、融观赏性与实用性与一体，既不刚拉电线、

占用空间，还具有节能、环保、维护方便等优点，成为城市一道亮丽的风景线，为

城市美化增添色彩。

（三）大型并网光伏发电系统

并网光伏发电系统是光伏技术进步的重要标志，是未来光伏发电的趋势，光伏

系统步入大规模发电阶段，意味着现在的能源结构将发生根本的变化，是人类社会

利用能源的一场革命。目前，在世界范围内，如美国、德国等发达国家已经开始建

设了一批Ｔ．乩级并嘲光伏发电系统，今年又正在建设一批兆瓦级的光伏并网发电系

统，印度、菲律宾及非洲一些国家也开始建设人型并网光伏发电系统。我国的并网

光伏发电系统起步较晚，与上述国家相比，还有一段很大的差距。但我国已在深圳

围际园林花卉博览园内建成了亚洲最人的并网光伏电站¨刖，它在综合展馆、花卉展

馆、管理中心、南区游客服务中心和北区东山坡都安装了光伏电站，电站总容量达

ｌＭＷｊ，并网光伏电站的年发电能力约为１０６ｋｗｈ，相当于每年可节省标准煤约３８４

余吨，减排粉尘约４．８吨，减排灰渣约１０１吨，减排二氧化碳约１７０余吨，减排二

氧化硫约７．６８吨，是真讵的无污染的绿色能源。深圳国际园林花卉博览园ｌＭＷｐ

并网光伏电站建成后，成为目前业洲和中国总容量第一的并网光伏电站，同时，也

是世界上为数不多的兆瓦级大型光伏电站之一。填补了我国在大型并网光伏电站设

计和建设卜的空白，将成为中国并网光伏发电史上的里程碑。

１．５本文的主要研究内容

（１）分析光伏电池板的工作原理，建立数学模型，利用ＭＡＴＬＡＢ仿真软件得出

同一光照强度下光伏电池输出特性曲线：利用１Ｓｔｏｐｔ仿真软件对光伏电池模型进行

仿真，得出不同光照强度下的光伏电池输出特性曲线。

（２）在ｌｌＯ、‰光伏电池的基础上，对光伏电池进行实验测试，测得不同光照条

件下的光伏电池实际输出特性曲线。

（３）分析比较了目前几种光伏发电系统最大功率跟踪方法，比较各自的优缺点。