提高光伏發(fā)電系統效率的一般方法

劉進峰　劉振永　馮栓良

摘 要：為解決光伏發(fā)電系統中系統發(fā)電效率低等的問題，分析探討了提高光伏發(fā)電系統效率提升的7種主要途徑并提出了如何通過改變現有光伏發(fā)電設備的結構來提高發(fā)電效率的方法，分析結果表明最大功率的跟蹤法（MPPT）技術是目前降低光伏發(fā)電系統發(fā)電成本、提高發(fā)電效率的最直接、最有效的方法。

關鍵詞：太陽能光伏發(fā)電 效率提升 結構

中圖分類號：TK519 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（a）-0096-02

Abstract：In order to solve the photovoltaic power generation system， low efficiency of the system， analyzing explores seven major way to improve the efficiency of photovoltaic power generation system and the question of how to enhance existing photovoltaic devices by changing the structure to improve the power generation efficiency of the method， the results show that the maximum power tracking method （MPPT） technology is to reduce the cost of photovoltaic power generation system to improve the most direct and effective way of generating efficiency.

Key Words：Solar photovoltaic；Efficiency；Structure

光伏發(fā)電是太陽能發(fā)電的一個主要方式，它利用太陽光照射在光伏發(fā)電系統中的光伏電池上產生光生伏特效應，將光能直接轉換成電能。光伏單件的轉換效率都在穩(wěn)步提升，其中光伏逆變器的轉換效率已經達到了99%的水平[1]。面板、電池的效率一直都是光伏轉換領域的重點。

目前比較常見的提高光伏發(fā)電系統的發(fā)電效率手段主要有：提高光電轉換效率、提高光板有效接受面積和最大功率點跟蹤技術等。該文將這些方法分別進行闡述。

1 光電轉換率的提高

光電轉換率，是指在太陽能光伏系統中太陽能電池板把太陽光能轉化為電能的效率。光電轉換效率是指：在標準狀況下（大氣質量為AM1.5時的光譜分布，入射的太陽輻照度為1 000 W/m2，溫度為25 ℃），單位面積上產生電功率和太陽輻射功率之比[2]。

從當今應用廣泛性來看，比較典型的晶體電池有：N型單體電池、P型單體電池、多晶電池、薄膜電池等。其轉化效率如表1所示。

從表1中我們可以清楚地看到轉換效率上，晶體硅電池較高而薄膜電池較低，其他材料如異質結、多結、背結、高倍聚光電池等雖然其光電轉化效率能達到40%以上，但受制于成本限制等原因，尚難大批量應用。而多晶硅為15%～18%；直拉單晶為18%～20%；區(qū)熔法制單晶電池能達到25%以上。但成本較高，應用面較窄。

綜上要提高光伏電池光電轉換效率可以通過以下幾個途徑來努力。

（1）尋找、開發(fā)光電轉化率更高的新材料，如：聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池等。

（2）對現有的加工工藝、技術進行改進和更新，使單晶硅等轉化率高的電池成本得到下降。

（3）使用高聚光材料加工電池。

（4）研究太陽能光電池陣列的優(yōu)化組合算法，實現太陽能光電電池陣列的優(yōu)化組合。

2 光強跟蹤

為了使太陽光入射角始終保持與太陽能電池板的垂直，研制開發(fā)了光強跟蹤系統。通過對太陽光強的跟蹤，使得太陽能電池板的朝向比較精確地跟蹤太陽位置的變化，從而提高太陽能電池板的發(fā)電效率。根據跟蹤控制部件中控制信號產生的方式，廣義上可將跟蹤技術分為主動式、被動式和混合式3類[3-6]。

主動式跟蹤是利用控制器中預先存儲的與當地經緯度相關的太陽運動的軌跡函數，由實時時鐘來獲得精確的時間信號，從而計算出不同時刻太陽的高度角與方位角。該方法雖能提高太陽能利用率，但結構復雜，成本比被動跟蹤器高。

被動跟蹤系統則是采用光強控制法，利用光敏元件和傳感器進行信號調節(jié)，被動地跟隨太陽轉動。被動跟蹤信號時信號采集都是由傳感器完成，因此在多云或者陰天環(huán)境下會出現無法跟蹤的問題。此外由于光敏傳感器處在室外環(huán)境中，易受灰塵、熱斑等因素的影響，使暗電流發(fā)生變化，從而導致所提供的跟蹤信號不穩(wěn)定。

跟蹤系統有比固定式更高的功耗、有更為復雜的結構、有更高的制作成本。但實踐證明，跟蹤式比固定無跟蹤的功率輸出可以增加25%左右，雙軸式太陽能跟蹤系統增加40%左右，而極軸式太陽能跟蹤系統能夠簡化結構、降低成本，使得效率要高于雙軸跟蹤系統。

3 聚光技術

聚光技術是將一定面積的太陽光，通過聚光系統照射到太陽能電池板上從而形成一個狹小的區(qū)域。增大了單位面積的光強，從而使太陽電池組件始終工作在最大（或者盡可能大）功率狀態(tài)下，使得設備生產盡可能多的電力，減小太陽能電池板使用量又提高了效率[7]。目前l(fā) cm2的聚光電池在標準光強下輸出功率僅12～14 MW，而同等面積的聚光為400～600高倍聚光電池的輸出功率可達6～10 W以上[8]。聚光技術的主要部件是聚光鏡，在實際應用過程中聚光鏡可分為以下兩種。

（1）折射式。法國物理學家菲涅爾所發(fā)明的菲涅爾透鏡，是現階段唯一可應用于光伏系統設計、制造的透射式聚光元件。普通菲涅爾聚光透鏡在使用中需精確跟蹤太陽且容易使電池溫度過高而導致電池熱退化、降低電池壽命需為電池配備散熱裝置。所以在實際中，基于邊緣光線原理的線聚焦菲涅爾聚光透鏡應用更為廣泛。

（2）反射式。反射式聚光器利用光的反射原理進行聚光，主要采用鍍鋁面或鍍銀玻璃為反射材料，薄膜反射面反射率高但應用較少，反射式聚光器代表類型為碟式聚光器、拋物面聚光器與復合拋物面聚光器。技術成熟、應用最為廣泛的是蝶式聚光器。

4 最大功率的跟蹤法（MPPT）

最大功率點跟蹤（MPPT）控制策略是實時檢測光伏陣列的輸出功率，通過一定的控制算法預測當前狀況下陣列可能的最大功率輸出，從而改變當前的阻抗值使得陣列輸出的功率最大[9]。

常用的最大功率跟蹤方法有：功率匹配方法（Power matching scheme）；擾動觀察法（Perturb and～observe method）；導納增量法（Incremental conductance algorithm）[10]。

（1）功率匹配方法（Power matching scheme）。

根據相關數據得到太陽能陣列的輸出特性，使得特定的輻射和負載條件下達到功率的最大化，故存在一定的局限性。

（2）擾動觀察法（Perturb and observe method）。

通過擾動電池板的輸出電壓，判斷前后系統輸出功率的變化。易于實現、利用效率較高，但當光強急劇變化的時候，會產生振蕩，系統工作點無法穩(wěn)定在最大功率點上。

（3）導納增量法（Incremental conductance algorithm）。

通過對電池板的功率——電壓曲線進行求導，得出最大的功率點。這種方法控制效果較好、穩(wěn)定度較高，而且不受時間的影響，但算法復雜，對系統要求高。

基于以上3種做法，又提出三點比較法、改進的導納增量法、三點最小二乘法等，這些改進算法可以有效地克服原來方法的缺點，實現比較穩(wěn)定的跟蹤。統計研究發(fā)現，MPPT技術能夠使得光電轉換效率提高20%以上、經濟成本比較低，是目前降低光伏發(fā)電系統發(fā)電成本、提高發(fā)電效率的最直接、最有效的方法。

5 采用全新的構思

傳統的太陽能板集太陽能收集和轉換于一體，由于材料和工藝的限制從而導致太陽能吸收效率、轉化效率的不理想。如果將這兩個過程進行分離，分別用一個高效的裝置去完成，將很大程度提高效率[11]。

探索并實現太陽能光伏發(fā)電與建筑物建設相結合，從而大幅度地增大太陽能電池的面積并可實現建筑物綠色發(fā)電與自我供電。

6 結語

太陽能是取之不盡、用之不竭的一種綠色能源。但是能量轉換率低的缺點，阻礙了太陽能技術的推廣應用。要想充分利用太陽能，還需要不斷提出新的技術設計、新的結構、發(fā)現新的材料，提高效率，降低成本，使其在生活中得到廣泛應用，緩解能源危機帶來的壓力。也是我們作為能源消耗大國，確保國家能源安全的根本。

參考文獻

[1] 中國儲能網新聞中心.TMEIC光伏逆變器最大轉換效率達到99%[OL].中國儲能網，2014-10-08.

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[3] 高亮，蔡世俊，高鵬，等.跟蹤式光伏發(fā)電系統的性能分析[J].半導體技術，2010，35（9）：938.

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[8] 張海燕，張崇巍，王建平.獲得最大日照度的協調控制方法的研究[J].太陽能學報，2008，29（11）：1338-1343.

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[10] 劉靖.光伏技術應用[M].北京，化學工業(yè)出版社，2011：138-140.

[11] 田曉飛，楊海洋，周慧.光伏發(fā)電中光電轉換效率問題的探討[J].科技創(chuàng)新導報，2008（22）：115.