基于MPPT技术的光伏路灯控制系统硬件设计
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II
1 引言
1.1 太阳能光伏发电的背景及意义
随着社会生产的日益发展，能源的地位愈发重要。在20世纪的世界能源结构中，人类所利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。这些化石能源本质上是数万年甚至更长时间以来太阳能辐射到地球上的一部分能源储存到古生物中，经过人类数千年，特别是近百年的消费，这些化石能源已被消耗了相当比例。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，世界上的化石能源消费总量总有一天将达到极限[1]。此外，大量使用化石燃料已经为人类生存环境带来了严重的后果。目前由于大量使用矿物能源，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，己经造成极为严重的大气污染。如果不加控制，温室效应将融化两极的冰山，这可能使海平面上升几米，四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁。当前人类文明的高度发展与地球生存环境的快速恶化己经形成一对十分突出的矛盾。它向全世界能源工作者提出了严峻的命题和挑战[2]。
1.1.1 世界能源危机和太阳能的利用
社会的发展，对能源的要求也越来越大。以往人类所用的能源主要是包括石油、天然气在内的化石能源，这些能源是经过数万年甚至更长的时间由古生物的遗体演变而成，储存在地球上的能源矿藏。这些能源虽然从本质上也是来源于太阳能，但是由于它们的积累需要经过漫长的地质年代，所以属于不可再生能源。因此对能源一点点消耗，能源总有一天到枯竭的时候。经济发展越快，对能源需求越大，能源消耗也就越快。虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料，仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可持续能源资源的利用目益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。据统计，20世纪90年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长1％，而太阳能发电每年增长达20％，风力发电的年增长率更是高达26％。预计在未来5至10年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。
1.1.2 中国能源问题和太阳能利用的必要性
中国作为一个发展中的国家，特别是近几年以高速发展，对能源的需求也越来越大。本国的能源已经满足不了国内的需求。中国的能源资源储量情况更是危机逼人。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[3]。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[4]。另外，由于近年来中国经济发展迅速，国内对能源的需求飞速增长。从1993年起，中国已成为石油净进口国；从1996年起，中国已成为原油净进口国，到2000年，原油进口量已达6960万吨，而且，这种趋势仍在逐年增大。预计到2015年，中国的石油进口依存度(净进口量占消费量的比重)将达到35％，2020年将进一步上升到40％，而实际上到2007年已经达到50％。预计到2015年和2020年，中国的天然气进口依存度将分别达到15％和25％。因此，能源供应安全问题已成为国家安全的关键因素之一[4]。
我国正处在经济转轨和蓬勃发展时期，但能源问题严峻，城市中由于大量使用化石能源，环境持续恶化。2000年世界卫生组织(WH0)公布的世界上污染最严重的十个大城市中，中国占了八个，其中北京居于第七位。大力发展光伏发电将有助于尽早解决这一问题。产业化方面，2000年以后，我国光伏产业进入快速发展期，但整体发展水平仍然落后于国际先进水平，参与国际竞争有一定的难度。2003年国内光伏电池的生产能力约20MW,但光伏组件的封装能力约50MW，远大于光伏电池的生产能力。虽然到2002年底，我国已有近20MW的光伏电池生产能力，但实际生产量仅为4MW左右，占世界光伏电池实际生产量的1％左右。技术方面，经过十多年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展。光伏电池技术不断进步，但与发达国家相比仍有差距。光伏电池转换效率不断提高，目前单晶硅电池实验室效率达21％，批量生产效率为14％，多晶硅实验室效率为12％[5]。