基于系統(tǒng)論的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)體系建設(shè)研究

廖勇

摘? ?要：本文運(yùn)用系統(tǒng)論原理，闡明了太陽(yáng)能光伏發(fā)電的原理和特點(diǎn)以及光伏發(fā)電對(duì)我國(guó)電力能源行業(yè)的重要性，分析了我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)體系建設(shè)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，對(duì)所面臨的問(wèn)題提出了針對(duì)性的建議，并創(chuàng)新性地構(gòu)建出基于系統(tǒng)論的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的四大子系統(tǒng)體系，以期為政府加強(qiáng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)體系建設(shè)提供策略，以及為國(guó)家對(duì)清潔能源高效利用提供探索的渠道。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)論;光伏發(fā)電;太陽(yáng)能

隨著地球上傳統(tǒng)化石能源的日漸枯竭以及人類對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，找到一種無(wú)污染的可再生能源作為傳統(tǒng)化石能源的替代品顯得尤為迫切。太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為一種清潔高效的發(fā)電方式，越來(lái)越受到人類的重視，其應(yīng)用范圍也是越來(lái)越廣。本研究根據(jù)系統(tǒng)論原理，討論如何建立基于系統(tǒng)論的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)體系，以期進(jìn)一步提升國(guó)家對(duì)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)利用的能力，確保國(guó)家在清潔能源應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)質(zhì)的飛躍。

1? ? 基于系統(tǒng)論的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)體系

1.1? 系統(tǒng)論的基本原理

系統(tǒng)論是研究系統(tǒng)的一般模式、結(jié)構(gòu)、行為、動(dòng)態(tài)、原則、規(guī)律以及系統(tǒng)間聯(lián)系的學(xué)問(wèn)，其研究各種復(fù)雜系統(tǒng)的共同特征，用數(shù)學(xué)方法定量地描述其功能，尋求并確立適用于一切系統(tǒng)的原理、原則和數(shù)學(xué)模型，是具有邏輯和數(shù)學(xué)性質(zhì)的一門(mén)科學(xué)。系統(tǒng)論的基本思想是把研究和處理的對(duì)象當(dāng)做一個(gè)系統(tǒng)，分析其潛在的各種聯(lián)系，總結(jié)其規(guī)律，并以優(yōu)化系統(tǒng)的觀點(diǎn)看待問(wèn)題。系統(tǒng)論的主要任務(wù)是以系統(tǒng)為對(duì)象，從整體出發(fā)來(lái)研究系統(tǒng)整體和組成系統(tǒng)整體各要素的相互關(guān)系，從本質(zhì)上說(shuō)明其結(jié)構(gòu)、功能、行為和動(dòng)態(tài)，以把握系統(tǒng)整體，達(dá)到最優(yōu)的目標(biāo)[1]。

1.2? 基于系統(tǒng)論的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)與內(nèi)涵

基于系統(tǒng)論的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是指運(yùn)用系統(tǒng)論的基本思想方法，把光伏發(fā)電系統(tǒng)視為一個(gè)復(fù)雜多變的系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有的特點(diǎn)是太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種清潔高效的發(fā)電方式，具有不受地面布局和高度落差等地理因素的影響，電能轉(zhuǎn)換過(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)廢棄污染物排放的特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，是傳統(tǒng)化石能源的理性替代品[2]。本研究將光伏發(fā)電系統(tǒng)按照產(chǎn)生電能的流程劃分為：太陽(yáng)能電池板采光、光生伏打效應(yīng)變光，最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)用光，電能經(jīng)逆變器饋入電網(wǎng)等四大子系統(tǒng)，通過(guò)四大子系統(tǒng)的相互作用及有機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的高效利用。

1.3? 基于系統(tǒng)論的太陽(yáng)能光伏發(fā)電的要素體系結(jié)構(gòu)

基于系統(tǒng)論的太陽(yáng)能光伏發(fā)電的要素體系結(jié)構(gòu)是由太陽(yáng)能電池板采光、光生伏打效應(yīng)變光，最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)用光，電能經(jīng)逆變器饋入電網(wǎng)等四大子系統(tǒng)所組成的一個(gè)完整的光伏發(fā)電體系。在太陽(yáng)能光伏發(fā)電體系中，太陽(yáng)能電池板采光子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)整體太陽(yáng)能光伏發(fā)電的基礎(chǔ)與保障。光生伏打效應(yīng)變光，最大功率點(diǎn)跟蹤控制系統(tǒng)用光子系統(tǒng)是太陽(yáng)能光伏發(fā)電體系的程流主線，其中，光生伏打效應(yīng)變光子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏發(fā)電的首要前提與核心原理。最大功率點(diǎn)跟蹤控制系統(tǒng)用光子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)整體太陽(yáng)能光伏發(fā)電的關(guān)鍵部分和核心環(huán)節(jié)，因?yàn)槠浯嬖跊Q定太陽(yáng)能光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率和發(fā)出功率的大小。電能經(jīng)逆變器饋入電網(wǎng)子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏發(fā)電的重要體現(xiàn)，其穩(wěn)定性影響整個(gè)電網(wǎng)的可靠性能。通過(guò)太陽(yáng)能電池板采光、光生伏打效應(yīng)變光，最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)用光，電能經(jīng)逆變器饋入電網(wǎng)等四大子系統(tǒng)有效地運(yùn)行，提升光伏發(fā)電的效率，將有效地降低太陽(yáng)能光伏發(fā)電各個(gè)環(huán)節(jié)中造成的能耗。

1.4? 基于系統(tǒng)論的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)所面臨的技術(shù)問(wèn)題

但我國(guó)光伏發(fā)電發(fā)展也面臨很多的技術(shù)問(wèn)題，主要是：（1）光伏發(fā)電的能源消耗大。太陽(yáng)能電池板的一個(gè)重要原料就是晶體硅，然而我國(guó)對(duì)于晶體硅的制造技術(shù)和工藝還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到實(shí)際運(yùn)用的需求，導(dǎo)致太陽(yáng)能電池板的電能損耗太大。（2）光電轉(zhuǎn)換效率低。由于我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)水平的參差不齊，采用光電轉(zhuǎn)換的方式不同，會(huì)造成光電轉(zhuǎn)換效率低下的問(wèn)題。（3）太陽(yáng)能電池板功率輸出低。在太陽(yáng)能光伏發(fā)電中，功率輸出的大小至關(guān)重要，但我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用還存在不足。（4）光伏發(fā)電所產(chǎn)生電能饋入電網(wǎng)時(shí)造成穩(wěn)定性問(wèn)題。由于光伏發(fā)電屬于分布式電源的一種，隨機(jī)性和擾動(dòng)性大的特點(diǎn)導(dǎo)致其饋入電網(wǎng)會(huì)造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，從而影響整個(gè)電網(wǎng)的可靠性[4]。

2? ? 基于系統(tǒng)論的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的體系構(gòu)建

針對(duì)我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)面臨的一些技術(shù)問(wèn)題，主要有4點(diǎn)[5-7]。

2.1? 構(gòu)建低耗能的太陽(yáng)能電池板采光子系統(tǒng)

光伏陣列（太陽(yáng)能電池板）的制作材料主要分為單晶硅和多晶硅兩種，這兩種材料的特性對(duì)比如表1所示。

因此，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和應(yīng)用成本，選擇不同的晶體硅材料，最終得到低耗能的太陽(yáng)能電池板采光系統(tǒng)。

2.2? 構(gòu)建高效的光生伏打效應(yīng)變光子系統(tǒng)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換有兩種方式，分別是光→熱→電轉(zhuǎn)換方式和光→電直接轉(zhuǎn)換方式，這兩種能量轉(zhuǎn)換方式的特點(diǎn)如表2所示。

針對(duì)以上的狀況，光伏產(chǎn)業(yè)應(yīng)該利用光生伏打效應(yīng)采用光—電直接轉(zhuǎn)換方式，取消轉(zhuǎn)換效率低下的光伏發(fā)電機(jī)組，構(gòu)建高效的光生伏打效應(yīng)變光子系統(tǒng)。

2.3? 構(gòu)建準(zhǔn)確穩(wěn)定的最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)用光子系統(tǒng)

在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的體系中，光伏陣列的輸出功率尤為重要，但輸出功率不僅與光伏陣列的內(nèi)部性能有關(guān)，還與外界環(huán)境如環(huán)境的溫度和太陽(yáng)光照的強(qiáng)度等主要干擾因素呈現(xiàn)非線性關(guān)系[8]。而使光伏陣列無(wú)論外界條件怎樣變化，都能始終工作在最大功率附近的過(guò)程就叫做最大功率點(diǎn)跟蹤。因此，必須要建立準(zhǔn)確且穩(wěn)定的最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)用光子系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綜合性的光伏發(fā)電系統(tǒng)的信息傳送、交流、反饋和控制平臺(tái)，增強(qiáng)信息傳遞效率和質(zhì)量，確保光伏發(fā)電控制系統(tǒng)第一時(shí)間掌握最新的變化信息，并第一時(shí)間作出相應(yīng)的處置，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確且穩(wěn)定地追蹤最大功率點(diǎn)。

2.4? 構(gòu)建穩(wěn)定性高的電能經(jīng)逆變器饋入電網(wǎng)子系統(tǒng)

構(gòu)建穩(wěn)定性高的電能經(jīng)逆變器饋入電網(wǎng)子系統(tǒng)，把經(jīng)過(guò)MPPT系統(tǒng)控制所得到的光伏陣列的數(shù)據(jù)通過(guò)逆變器的逆變橋和交流電路，經(jīng)逆變之后送入電網(wǎng)，整個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的擾動(dòng)必需經(jīng)量控制在合理范圍之內(nèi)，以免對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生不利的影響。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

本研究基于系統(tǒng)論的太陽(yáng)能光伏發(fā)電的要素體系結(jié)構(gòu)是由太陽(yáng)能電池板采光、光生伏打效應(yīng)變光，最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)用光，電能經(jīng)逆變器饋入電網(wǎng)等四大子系統(tǒng)所組成的一個(gè)完整的光伏發(fā)電體系。通過(guò)對(duì)四大子系統(tǒng)體系的分析與搭建，完成了對(duì)光伏發(fā)電的原理與實(shí)現(xiàn)流程的清晰闡釋，進(jìn)而對(duì)清潔的太陽(yáng)能利用有更加現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義，更深層次地為我國(guó)清潔能源使用的探索提供了可行性的方法借鑒。

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