太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)效率提升途徑研究論述

李欽思

摘要：由于社會的不斷發(fā)展、科技的不斷進步，在促進社會生產(chǎn)力的同時也大大增加了能源的消耗，而太千家萬戶，并成為全球發(fā)展最快的行業(yè)之一。當(dāng)前對于太陽能發(fā)電技術(shù)的研究已成為相關(guān)領(lǐng)域陽能這種新型的綠色可再生能源有效的解決了能源危機問題，太陽能相比于其他新能源具有較高的優(yōu)勢，所以被社會大眾廣泛關(guān)注。近幾年隨著科學(xué)技術(shù)的不斷開發(fā)和應(yīng)用，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)走進了的重要課題。未來太陽能發(fā)電技術(shù)必將擁有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng);發(fā)電系統(tǒng)效率;提升途徑

能源危機已成為一個世界問題，對于可再生資源的開發(fā)科應(yīng)用具有極其重要的現(xiàn)實意義。太陽能作為一種新型的清潔能源，對其不斷地研究和利用日益廣泛，其中光伏發(fā)電技術(shù)最為突出。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)作為發(fā)電的主要形式之一，利用太陽光照射來收集能量，并將光能轉(zhuǎn)化為電能。

1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)概論

（1）太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)定義

太陽電池組件在光照下形成電動勢，通過組件的串并聯(lián)形成太陽能電池方陣，并將方陣電壓保持在系統(tǒng)輸入電壓的標(biāo)準(zhǔn)，再利用充放電控制器補充蓄電池電量，將光能轉(zhuǎn)換為電能貯存起來。太陽能電池組件（Solar cells）是一種P-V轉(zhuǎn)換的固體裝置，主要根據(jù)半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性研發(fā)而成，該裝置為無電力網(wǎng)地區(qū)的廣大用戶提供生活用電，部分發(fā)達國家可并網(wǎng)區(qū)域電網(wǎng)進行資源共享。在我國更多在無電地區(qū)為生活用電提供支持的小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

（2）太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

太陽能光伏系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分有：太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜、自動太陽能跟蹤系統(tǒng)、自動太陽能組件除塵系統(tǒng)等設(shè)備。

（3）太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)分類

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的類型有：獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)三類。

①獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)又被稱為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)的組成部件包括：太陽能電池組件、控制器、蓄電池，如果使用交流負(fù)載供電，還還外加交流逆變器。

②并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是將太陽能組件產(chǎn)生的直流電利用并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成適合市電電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的交流電后輸入公共電網(wǎng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)通常服務(wù)于集中式大型并網(wǎng)光伏電站，其主要特性是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。

③分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，也被稱為分散式發(fā)電或分布式供能，是指在用戶現(xiàn)場或靠近用電現(xiàn)場配置較小的光伏發(fā)電供電系統(tǒng)，能夠符合特定用戶的需求，支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟運行，也能夠同時支撐這兩個方面的要求。

2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢和不足

（1）優(yōu)點

①太陽能是可再生能源無需但是能源耗竭問題，地球表面接收的光能，足夠全球能源需求的一萬倍。若在地球4%的沙漠里放置太陽能光伏系統(tǒng)，便可為全球用戶提供電量。太陽能發(fā)電安全可靠不受燃料市場浮動的影響;

②太陽能隨時隨地可利用，減少了供電的輸送距離，也降低了長距離輸電線路的損失;

③系統(tǒng)使用的是太陽能而非燃料，系統(tǒng)運行的成本較低;

④太陽能發(fā)電系統(tǒng)無任何運動零件，不會產(chǎn)生損耗減少了維護工作，即使是在無人看守情況下依然可以使用;

⑤太陽能發(fā)電系統(tǒng)是一種環(huán)保設(shè)備不會創(chuàng)造任何垃圾、廢料，整個發(fā)電過程無污染、無噪音等干擾，不會損害生態(tài)環(huán)境是一種良好的綠色能源;

⑥系統(tǒng)創(chuàng)建過程較短，使用簡便快捷，并且依照負(fù)荷的升降可隨意增加或減少太陽能方陣容量，防止出現(xiàn)資源浪費。

（2）缺點

①系統(tǒng)在地面應(yīng)用上存在間歇性和隨機性，發(fā)電量受天氣情況影響，在無光照條件下就會停止或減少發(fā)電;

②系統(tǒng)能量密度不高，一般情況下地面上接收到的太陽輻射強度為1000W/M^2，使用規(guī)格越大占地面積越多;

③系統(tǒng)費用高昂，比常規(guī)發(fā)電的高出3-15倍，初期成本投入較大。

3提升太陽能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率的對策

（1）選擇轉(zhuǎn)換效率較高的半導(dǎo)體材料

太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)換成電能的效率就是太陽能光伏電池組件的轉(zhuǎn)換效率。同樣功率的電池板范圍愈小轉(zhuǎn)換效率愈高，對于半導(dǎo)體材料的選擇和制造工藝的水平很大程度上影響著電能的轉(zhuǎn)換率?，F(xiàn)階段對于提升晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率難以取得突破性進展，而化合物型太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率取決于光伏技術(shù)的開發(fā)和使用，由于對創(chuàng)新型太陽能電池不斷研發(fā)，未來在太陽能電池板的轉(zhuǎn)換率上將會達到40%以上。

（2）應(yīng)用太陽跟蹤控制方法

太陽跟蹤控制法能夠保證此刻太陽相對于光伏電池組件的高度角和方位角，使得太陽能電池板的跟隨光照進行調(diào)整?，F(xiàn)階段應(yīng)用的太陽跟蹤算法主要有時鐘定位法和光強比較法等。時鐘定位法又稱視日運動軌跡跟蹤法，通過計算太陽運動軌跡得出此時太陽的方位，通過太陽能電池板轉(zhuǎn)動的方位角和高度角的計算，輸入控制電機完成太陽位置跟蹤。此方式不用添加其他硬件設(shè)備，還能避免陰天關(guān)照定位不當(dāng)?shù)惹闆r。

目前光伏發(fā)電的聚光反射技術(shù)包括：塔式、槽式和蝶式聚光技術(shù)，使得聚光效率有了很大的提升。塔式聚光技術(shù)是將光照通過定日鏡射到電池板上，進而獲得較大的光電轉(zhuǎn)換率。槽式聚光技術(shù)是將光照利用拋物面槽式聚光鏡面集中于焦線上，并將太陽能電池板安裝于焦線上，將接收到的光能進行光電轉(zhuǎn)換。蝶式聚光是將光照通過特殊結(jié)構(gòu)的反光材料如平面鏡反射后均勻的射入太陽能電池板上，提升單位電池板的發(fā)電效率。塔式反射聚光技術(shù)就是在系統(tǒng)中央裝置接收器電池板;槽式反射聚光技術(shù)就是安裝形狀如槽的反射裝置;碟式反射技術(shù)就是球柱面狀的聚光反射裝置?，F(xiàn)階段以上方法已被普遍的接受，而且三種方法中蝶式聚光技術(shù)的效率最高，槽式聚光技術(shù)目前已發(fā)展的較為成熟。塔式和槽式主要在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用較多。

（3）應(yīng)用MPPT控制器結(jié)合MPPT算法

當(dāng)下對于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)利用率提升的有效方式是將MPPT控制器與MPPT相結(jié)合，保持系統(tǒng)以最大輸出功率運行，使得光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換率有所提升。以往使用MPPT跟蹤算法有擾動觀察法、恒壓跟蹤法、增量電導(dǎo)法等。擾動觀察法是指周期性地比較此時光伏陣列的輸出功率與前周期來調(diào)節(jié)輸出電壓進而實現(xiàn)MPPT。恒壓跟蹤法指在一定溫度下，不同強度光下電池板的最大功率點基本落在同一垂直線的兩側(cè)，把最大功率線可以比作電壓的一根垂直線。增量電導(dǎo)法采樣dp和dv，判斷dp/dv的符號。當(dāng)其為0時證明在最大功率點上;當(dāng)其小于0時證明運行在下坡段，必須降低電壓;當(dāng)其大于0時證明運行在上坡段，需要提升電壓。

4太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

4.1 太陽能光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

我國十二五期間在新能源規(guī)劃中太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)容量達到15GW，截止到2015年底已建成200個綠色能源示范縣，大部分居民用上了可再生能源。我國在2011年增加了2.2GW發(fā)電量的太陽能板，在2012年增加了4-5GW。2011年，中國青海省格爾木市計劃建立世界級光伏發(fā)電基地，格市24個光伏電站投入運行以來，實現(xiàn)安全并網(wǎng)容量573MW，已累計發(fā)電2.44億千瓦時。

通過上述國家能源局資料看出，截至2013年底，太陽能發(fā)電累計裝機容量為17.45GW，當(dāng)年新增裝機容量10.95GW。2014年中國太陽能發(fā)電累計裝機容量已達28.05GW，同比增長60%，其中太陽能電站23.38GW，分布式4.67GW，年發(fā)電量共約25000GWh，同比增長超過200%。2014年我國新增裝機容量10.6GW，約占全球新增裝機的五分之一，占我國太陽能電池組件產(chǎn)量的三分之一，實現(xiàn)了《國務(wù)院關(guān)于促進太陽能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》中提出的平均年增10GW目標(biāo);其中太陽能電站8.55GW，分布式2.05GW。太陽能發(fā)電已呈東中西部共同發(fā)展格局。中東部地區(qū)新增裝機容量達到5.6GW占全國的53%，江蘇省新增1.52GW位居內(nèi)蒙古自治區(qū)之后;河北省新增970MW名列全國前茅。西部省份中，內(nèi)蒙古、青海、甘肅和寧夏較高。

4.2 太陽能光伏發(fā)電未來研究重點

根據(jù)國家能源局2016年12月份發(fā)布的《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，截至2020年底，光伏發(fā)電裝機達到1.05億千瓦以上。在今年的政府工作報告中，“能源”一詞總共被提到了五次，其中三次與“清潔”相搭配，一次與“可再生”相連。而此前發(fā)布的2017年中央一號文件，即《關(guān)于深入推進農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革加快培育農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展新動能的若干意見》也明確提出，實施農(nóng)村新能源行動，推進光伏發(fā)電，逐步擴大農(nóng)村電力、燃?xì)夂颓鍧嵭兔汗┙o。業(yè)內(nèi)人士預(yù)計，光伏發(fā)電潛在市場應(yīng)用規(guī)模將達到萬億元以上。

5結(jié)束語

由于對太陽能的持續(xù)開發(fā)及推廣，我國太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)已走向了快速發(fā)展的道路。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種新型清潔的環(huán)保裝置，具有較高的技術(shù)含量，且運行過程不會產(chǎn)生較高的成本，是對傳統(tǒng)發(fā)電模式的一次巨大創(chuàng)新。為了進一步提升光伏發(fā)電的效率，就要不斷的探究太陽能光伏電池的新材料，從而禁燒發(fā)電成本，滿足廣大人民群眾的需求。我國對光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了有力支持，大力開發(fā)國內(nèi)市場，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)在國內(nèi)獲得普遍的使用，加強光伏產(chǎn)業(yè)的良性競爭，有效促進光伏產(chǎn)品的優(yōu)化與創(chuàng)新，為我國的供電系統(tǒng)創(chuàng)造新局面。

參考文獻：

[1]鄭曉斌， 張瓊. 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)效率提升的研究[J]. 機電技術(shù)， 2014（6）：61-63.

[2]鐘智炬. 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)效率淺談--如何提高系統(tǒng)效率，增加發(fā)電收益[J]. 科學(xué)與財富， 2015（7）：110-110.

（作者單位：南京南瑞水利水電科技有限公司）