光伏发电系统发电效率探究

光伏发电系统发电效率探究

祁文光丁莉

祁文光丁莉（黑龙江辰能投资集团有限责任公司）

摘要：我国目前是开发太阳能产业的主要国家之一，也是重要的太阳能光伏电池生产国，虽然我国已经奠定了基本的光伏发电规模，但是发电系统效率偏低是大规模推广应用的瓶颈，因此如何最大限度地提升效率是关键问题所在。

关键词：光伏发电；系统发电；效率探究

前言：当今社会主要使用的是不可再生资源――化石燃料（天然气、石油、煤）和核能[1]。地球人口的急剧增长引起了惊人的能源消耗，导致了化石燃料的能源储备急剧减少，这就带来了一些威胁，如资源短缺、生态恶化、气候变化。面对这些能源问题，各国政府和科研人员都把目光投向了新能源的发展。新能源的发展，如太阳能、风能、地热能、潮汐能和生物质等的实际设备研究和投入生产，使得可持续发展的道路更加顺畅。

1.光电转换效率光电转换效率是指：在标准状况下（大气质量为AM1.5时的光谱分布，入射的太阳辐照度为1000W/_，温度为25℃），单位面积上产生电功率和太阳辐射功率之比。

光伏电池从制作材料上分类有晶体硅电池和薄膜电池。砷化镓薄膜电池的光电转换率有百分之二十几，但由于其制作成本高、资源少等原因不能得到广泛使用。多晶硅的转换效率有百分之十几，但由于其低成本、制造污染程度小，在市场中使用的比率最高。

提高光伏电池光电转换效率的措施有以下几种[3]：（1）寻找光电转换新材料。

（2）采用新的加工技术制造太阳能电池。

（3）使用聚光光学元件。

2、光伏发电存在的问题近年来光伏发电虽然从技术和市场上都得到了飞速发展,但值得注意的是,光伏发电自身存在一些问题需要亟待解决:1.发电效率偏低,目前我国火电机组年利用小时数一般可达500小时以上,最高可达7000小时以上,水电年机组利用小时约在3500小时左右,而光伏组件只有2000小时左右。

2.发电成本偏高,目前生产一度电,火电成本约为0.4~0.5元,水电成本约为0.2~0.3元,核电成本约0.3~0.4为元,风电成本约在0.6元以上,而光状发电成本在1元以上;从上网电价看,风电上网电价约为火电1.3倍,而光伏上网电价约为火电的2.2倍。

要提高光伏发电在可再生能源应用中的比例,必须从提高效率和降低成本两方面入手,这就需要从光伏组件的材料与制作工艺、光伏阵列的配置优化、逆变器的拓扑与控制等多方面考虑,寻找一切尽可能提高光伏发电效率与降低成本的方法。

3、效率影响因素分析3.1、自然环境因素:光辐照资源、温度太阳福射强度指太阳投射到组件单位面积上的福射功率,这里的温度是环境温度,光伏组件的工作温度一般比环境温度高。根据光伏组件的工作特性,其输出电压和电流都会随着太阳福射强度和温度的变化而变化,因此环境因素会影响光伏组件的工作性能,从而影响光伏组件的转换效率。

3.2、光伏组件光伏组件的光电转换效率、组件标称功率偏差、组件的光照人射率和组件初始光致衰退效应这4个方面因素影响光伏电站效率。光伏组件的转换效率越高、标称功率正偏差越大、光照人射率越高、光致衰退效应越小，光伏电站效率越高。如果光伏组件衰减越慢，电站长期效率越高。

4、光伏发电系统发电效率控制1通过最大功率点跟踪来实现系统效率的优化光伏系统的输出特性是非线性的，受环境因素、辐照度和负载影响较大，即使在相同的辐照度和外界温度条件下，光伏阵列的电压输出也会不同，只有在某一输出电压值工作时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值，为最大功率点。

因此，在光伏发电系统中，可通过实时调整光伏阵列的工作点，确保系统始终在最大功率点附近工作，光伏阵列可实时输出最大功率，该过程称作最大功率点跟踪，这样可提高系统的整体效率。

光伏阵列的输出特性曲线如图1所示，当工作电压小于最大功率点电压Um时，光伏阵列的输出功率随电压增大而增大；当工作电压大于最大功率点电压Um时，阵列的输出功率随端电压增大而减小。

最大功率点跟踪是一个自寻优的过程，在各种不同的辐照度和温度环境下，通过调节光伏阵列的输出电压，实现最大功率点的智能化跟踪，保证光伏阵列的最大功率输出。

对光伏阵列而言，开路电压和短路电流在受太阳辐照度和环境温度影响较大，光伏系统的工作点也会受环境影响，如果外界环境发生变化，而光伏阵列工作点不能实时跟踪，就不能实现最大功率输出，从而导致系统整体效率降低。因此，最大功率跟踪控制，可实现光伏阵列在任何日照和温度，可持续获得最大的功率输出。

2扰动观察法扰动观察法的基本原理是每隔一定的时间扰动输出电压，并且实时地对光伏电池的输出电压和电流进行采样，计算出输出功率后与上一时刻的功率进行对比，根据功率变化量为正，则继续按原来的方向调整；反之则按相反的方向调整。这样就保证了光伏电池的输出功率向增加的方向变化，如此反复扰动、测量与比较，直到功率变化量为零时就实现了最大功率跟踪。

如果对扰动初始电压和扰动步长的设置不当的话，可能会需要很长的时间才能达到最大功率点，甚至会偏离最大功率点[7]。因此目前很多研究者在扰动观察法的基础上，提出了一些改进方法。

3电导增量法电导增量法判断的依据是：光伏阵列的P-V曲线的斜率为零时说明在最大功率点处；斜率为正时在最大功率点左边；斜率为负时在最大功率点右边。从此依据中得到取得最大功率点的条件是：输出电导的变化量是负值时达到最大功率点。

电导增量法最大的优点是在光照强度发生变化时，光伏阵列的输出电压能以平稳的方式跟踪其变化，而且稳态的振荡也比扰动观测法小。但是在步长的选择时无法兼顾控制精度和跟踪速度。[8]提出的模型参考电导增量法在外界环境发生剧烈变化时可以快速跟踪光伏阵列的最大功率点，还基本消除了稳态时的功率振荡，具有较高的控制精度和稳定性。

5、光伏发电的应用前景太阳能是理想的可持续发展绿色能源，也是21世纪最重要的能源之一。随着全球范围内一次能源的逐渐枯竭以及经济社会发展对能源的需求，太阳能光伏并网发电商业化已是不可避免。因此太阳能光伏并网发电已是全球新能源领域的研究热点。太阳能发电只有进入电力系统规模应用，才能真正对于缓解能源紧张和抑制环境污染起到积极作用，因此光伏并网发电的迅猛发展是必然的。全球范围内太阳能光伏电池产能显著增长的同时，太阳能光伏并网发电的发展步伐逐年加快。建筑并网发电和开阔地并网发电总共所占市场份额5.1％，还远落后于世界并网发电的发展速度以及市场规模，但是随着中国关于并稠发电的政策法规相继颁布和落实，中国并网发电的市场前景还是值得乐观的。

6、结论光伏系统的总效率，与光伏电池板的光电转换效率有关，与逆变器的效率也有关，因此可以通过可选用适合的逆变器，可部分提高系统效率。本论文提出的最大效率跟踪技术，也是提高系统效率的重要方法。

在能源紧缺的大趋势下，清洁可再生能源的研究和开发受到国内外同行的广泛关注。光伏发电技术的快速发展与广泛应用，可在一定程度上缓解能源危机，部分解决环境恶化等问题。因此，光伏技术的研究和开发十分关键，尤其是光伏系统的整体效率提升，对光伏行业的发展具有重大意义。

参考文献[1]王丹.光伏发电系统效率优化问题的研究[D].北京交通大学硕士学位论文，2009.[2]朱艳伟.但扬清.提高并网光伏发电系统效率策略研究[J].新能源，2013，7（314）：53-54.[3]庾莉萍.提高太阳能电池效率的主要措施[J].光源与照明，2009（4）：39-40.[4]李枝玖.太阳能光伏电站自动跟踪系统的研究[D].华北电力大学硕士学位论文，2010.