對光伏發(fā)電系統(tǒng)效率提升的研究

【摘要】在當今能源危機的形勢下，光伏發(fā)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)得到了迅速地發(fā)展。雖然光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)日漸成熟，但成本高、效率低等問題仍制約其廣泛發(fā)展與應(yīng)用。因此如何提高光伏系統(tǒng)的效率日漸成為國內(nèi)外人員研究的熱點，本文對目前提升發(fā)電效率的技術(shù)進行了闡述，并說明了以后的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】光伏發(fā)電系統(tǒng)；效率提升；光電轉(zhuǎn)換效率；有效面積；MPPT

1.引言

當今社會主要使用的是不可再生資源——化石燃料（天然氣、石油、煤）和核能[1]。地球人口的急劇增長引起了驚人的能源消耗，導(dǎo)致了化石燃料的能源儲備急劇減少，這就帶來了一些威脅，如資源短缺、生態(tài)惡化、氣候變化。面對這些能源問題，各國政府和科研人員都把目光投向了新能源的發(fā)展。新能源的發(fā)展，如太陽能、風能、地熱能、潮汐能和生物質(zhì)等的實際設(shè)備研究和投入生產(chǎn)，使得可持續(xù)發(fā)展的道路更加順暢。

我國目前是開發(fā)太陽能產(chǎn)業(yè)的主要國家之一，也是重要的太陽能光伏電池生產(chǎn)國，雖然我國已經(jīng)奠定了基本的光伏發(fā)電規(guī)模，但是發(fā)電系統(tǒng)效率偏低是大規(guī)模推廣應(yīng)用的瓶頸，因此如何最大限度地提升效率是關(guān)鍵問題所在[2]。

為提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，可通過提高光電轉(zhuǎn)換效率、提高光板有效接收面積和最大功率點跟蹤技術(shù)等技術(shù)手段。本文對所述的這三種方法進行了詳細闡述。

2.光電轉(zhuǎn)換效率

光電轉(zhuǎn)換效率是指：在標準狀況下（大氣質(zhì)量為AM1.5時的光譜分布，入射的太陽輻照度為1000W/㎡，溫度為25℃），單位面積上產(chǎn)生電功率和太陽輻射功率之比。

光伏電池從制作材料上分類有晶體硅電池和薄膜電池。砷化鎵薄膜電池的光電轉(zhuǎn)換率有百分之二十幾，但由于其制作成本高、資源少等原因不能得到廣泛使用。多晶硅的轉(zhuǎn)換效率有百分之十幾，但由于其低成本、制造污染程度小，在市場中使用的比率最高。

提高光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率的措施有以下幾種[3]：

（1）尋找光電轉(zhuǎn)換新材料。

（2）采用新的加工技術(shù)制造太陽能電池。

（3）使用聚光光學元件。

3.提高光板有效接收面積

目前提高光板有效面積最常用的方法是光強跟蹤技術(shù)。它通過調(diào)節(jié)太陽能電池板與太陽光的相對角度，使太陽能電池板時刻與太陽光保持垂直角度，從而提高太陽能電池板的發(fā)電效率[4]。

自動跟蹤系統(tǒng)可分成單軸、雙軸跟蹤等形式。不同形式跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同，與固定式電池板相比，提高的效率也各不相同。下面將會對這兩種形式的跟蹤系統(tǒng)進行詳細描述。

3.1 單軸跟蹤系統(tǒng)

單軸跟蹤系統(tǒng)是通過圍繞位于光伏方陣面上的1個軸旋轉(zhuǎn)來跟蹤太陽的，如圖1所示。這個軸的方向可以取南北橫向、東西橫向等方向，圖中旋轉(zhuǎn)軸有了一定的傾角。[5]中對軸取南北橫向方向的系統(tǒng)進行了自行設(shè)置，對傾角為0o和當?shù)鼐暥鹊南到y(tǒng)性能進行了比較，發(fā)現(xiàn)前者的成本稍低，相對于固定式系統(tǒng)發(fā)電量提高了23.5%；而后者的發(fā)電量提高了33.1%，傾角設(shè)為當?shù)鼐暥鹊膯屋S跟蹤系統(tǒng)與傾角設(shè)為0o的單軸跟蹤系統(tǒng)相比性價比更好。

3.2 雙軸跟蹤系統(tǒng)

在雙軸跟蹤系統(tǒng)中，光伏陣列沿著兩個旋轉(zhuǎn)軸運動，能夠同時跟蹤太陽的方位角與高度角，理論上可以完全跟蹤太陽的運行軌跡以實現(xiàn)入射角為0，如圖2所示.在這個系統(tǒng)中，太陽能電池板的朝向是可以調(diào)節(jié)的，使其與陽光總是垂直，這樣得到的太陽束輻照最大。Abdallah[6]在約旦南部進行了一項實驗來研究不同類型的太陽跟蹤系統(tǒng)對發(fā)電效率的影響，結(jié)果表明雙軸跟蹤系統(tǒng)與固定式系統(tǒng)相比，電功率提高了43.9%，南北朝向跟蹤器的電功率相對固定式系統(tǒng)提高了34.4%。

太陽能跟蹤系統(tǒng)在應(yīng)用中主要考慮以下幾個因素：跟蹤精度、系統(tǒng)成本、耗電量和后期維護費用。評價一個跟蹤系統(tǒng)，應(yīng)該從以上幾個方面綜合考慮。單軸跟蹤系統(tǒng)能夠得到比固定式系統(tǒng)更高的電功率，系統(tǒng)成本、耗電量都很低，后期維護方便；雙軸跟蹤系統(tǒng)能夠最有效地利用太陽輻射能量，自動化程度高，但其控制復(fù)雜、成本高、耗電量大、系統(tǒng)維護費用高，因此我們在實際應(yīng)用當中，應(yīng)該仔細評估所在環(huán)境適用的系統(tǒng)，使其性價比達到最高。

4.最大功率點跟蹤（MPPT）

最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking）就是指能夠?qū)崟r的檢測到太陽能光伏陣列的電壓，使其工作電壓一直都能保持在功率值最大時刻的電壓值上，其所要達到的最終目標就是讓光伏陣列輸出最多的電能。最大功率點主要受溫度和光照強度等外部環(huán)境的影響。當溫度保持不變時，隨著光照強度的不斷增強，光伏電池的開路電壓卻基本不變，但是短路電流的增加會明顯，最大輸出功率會增加。當光照強度穩(wěn)定時，隨著溫度的升高，光伏電池的開路電壓隨之降低，因此輸出功率就會降低。

目前有幾種最大功率點跟蹤方法，最具有代表性的基本方法有：固定電壓法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法等，下面將會對這幾種方法進行詳細的說明。

4.1 固定電壓法

固定電壓法的具體實現(xiàn)是將電池板的輸出電壓控制在一個固定值，這個固定值是在一定溫度功率最大時的電壓值。這種方法比較簡單、容易實現(xiàn)，但是跟蹤精度比較低。

4.2 擾動觀察法

擾動觀察法的基本原理是每隔一定的時間擾動輸出電壓，并且實時地對光伏電池的輸出電壓和電流進行采樣，計算出輸出功率后與上一時刻的功率進行對比，根據(jù)功率變化量為正，則繼續(xù)按原來的方向調(diào)整；反之則按相反的方向調(diào)整。這樣就保證了光伏電池的輸出功率向增加的方向變化，如此反復(fù)擾動、測量與比較，直到功率變化量為零時就實現(xiàn)了最大功率跟蹤。

如果對擾動初始電壓和擾動步長的設(shè)置不當?shù)脑挘赡軙枰荛L的時間才能達到最大功率點，甚至會偏離最大功率點[7]。因此目前很多研究者在擾動觀察法的基礎(chǔ)上，提出了一些改進方法。

4.3 電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法判斷的依據(jù)是：光伏陣列的P-V曲線的斜率為零時說明在最大功率點處；斜率為正時在最大功率點左邊；斜率為負時在最大功率點右邊。從此依據(jù)中得到取得最大功率點的條件是：輸出電導(dǎo)的變化量是負值時達到最大功率點。

電導(dǎo)增量法最大的優(yōu)點是在光照強度發(fā)生變化時，光伏陣列的輸出電壓能以平穩(wěn)的方式跟蹤其變化，而且穩(wěn)態(tài)的振蕩也比擾動觀測法小。但是在步長的選擇時無法兼顧控制精度和跟蹤速度。[8]提出的模型參考電導(dǎo)增量法在外界環(huán)境發(fā)生劇烈變化時可以快速跟蹤光伏陣列的最大功率點，還基本消除了穩(wěn)態(tài)時的功率振蕩，具有較高的控制精度和穩(wěn)定性。

5.結(jié)語

太陽能取之不盡，用之不竭，是一種理想的能源。但要想充分利用太陽能，還需要不斷提出新的技術(shù)，提高效率，降低成本，使其在生活中得到廣泛應(yīng)用，緩解能源危機帶來的壓力。

參考文獻

[1]王丹.光伏發(fā)電系統(tǒng)效率優(yōu)化問題的研究[D].北京交通大學碩士學位論文，2009.

[2]朱艷偉.但揚清.提高并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)效率策略研究[J].新能源，2013，7（314）：53-54.

[3]庾莉萍.提高太陽能電池效率的主要措施[J].光源與照明，2009（4）：39-40.

[4]李枝玖.太陽能光伏電站自動跟蹤系統(tǒng)的研究[D].華北電力大學碩士學位論文，2010.

[5]蔣華慶，田景奎，姜在駿，等.采用自動跟蹤系統(tǒng)對光伏電站電價的影響[J].電力建設(shè)，2009，30（6）：76-78.

[6]Abdallah S.The effect of using sun tracking systems on the voltage-current characteristics and power generation of flat plate photovoltaic.Energ Convers Manage 2004，45（11-12）：1671-9.

[7]劉莉，張彥敏.一種擾動觀察法在光伏發(fā)電MPPT中的應(yīng)用[J].電源技術(shù)，2010，14（2）：186-189.

[8]劉萌，王印松，宋雨倩.基于模型參考電導(dǎo)增量法的光伏電池MPPT控制[J].新能源技術(shù)，2013，29（1）：16-20.

作者簡介：馬慧卿（1989—），女，中北大學計算機與控制工程學院在讀碩士研究生。