光伏發(fā)電的效率計(jì)算

許 暉 尹忠東

(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 〈華北電力大學(xué)〉，中國(guó) 北京102206)

0 引言

如今人們對(duì)能源需求越來(lái)越高，對(duì)生活質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。然而大量的能源消耗不僅造成了資源枯竭，更污染了環(huán)境，使得人們的這些要求成為了一對(duì)矛盾。光伏發(fā)電作為新能源發(fā)電的重要組成部分，無(wú)疑是解決這一矛盾的有效途徑。當(dāng)今各國(guó)已加大了研究和投資力度，大力發(fā)展這一產(chǎn)業(yè)[1]。雖然太陽(yáng)能無(wú)處不在、用之不竭，但將其作為主要的電力來(lái)源還有很多技術(shù)挑戰(zhàn)。其中最大的瓶頸就是其效率問(wèn)題[2]。如何最大限度的利用太陽(yáng)能，提高效率成為問(wèn)題的關(guān)鍵所在。然而在研究如何提高效率之前，應(yīng)先分析每一環(huán)節(jié)的效率和能量損失的機(jī)制，這樣才能從每一部分入手，綜合全面的理解效率問(wèn)題，為提高效率打下基礎(chǔ)。

1 光伏電站的效率分析

光伏電站由這幾部分組成：光伏陣列——匯流箱——逆變器——升壓變壓器。每一個(gè)環(huán)節(jié)都有能量損失，因此最終的效率將是經(jīng)過(guò)4處損耗后的效率。

太陽(yáng)能電池利用的是P-N 結(jié)的光生伏打效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)由于入射了太陽(yáng)光子使得P-N 產(chǎn)生正向電壓時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)就會(huì)使P 層的空穴移動(dòng)到N 層。在穿過(guò)P-N 層的過(guò)程中，P 型材料中的空穴漂移電流就變成了N 型材料中的電子電流；而N 型材料中的電子漂移電流變成了P 型材料中的空穴電流。空穴和電子電流的總和就是總電流密度。而當(dāng)空穴接近P-N 結(jié)時(shí)，其與電子復(fù)合，抵消了一部分電量，降低了總的電流密度，這也是導(dǎo)致其效率降低的因素之一。太陽(yáng)能電池中材料體的電阻和界面處載流子的電阻還有材料之間的接觸電阻可等效為串聯(lián)內(nèi)阻。串聯(lián)內(nèi)阻對(duì)太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)的位置有著較大影響，且太陽(yáng)能電池效率隨串聯(lián)內(nèi)阻呈指數(shù)減少的趨勢(shì)[3]。此外，電池片的遮光面積、光伏陣列表面沉積的灰塵、原材料本身的缺陷等，都能導(dǎo)致其光電轉(zhuǎn)換效率降低。再考慮了以上因素后，光伏陣列的效率約為84%。

匯流箱的作用是將一定數(shù)量、規(guī)格相同的太陽(yáng)能電池所發(fā)出的電能匯聚起來(lái)，再通過(guò)后續(xù)配套的設(shè)配與光伏發(fā)電系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。匯流箱的運(yùn)行需要電源，其有兩種供電方式：外部供電和自供電。其中，自供電是匯流箱內(nèi)部直接取用直流電，并通過(guò)電源開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換為所需的工作電壓（通常為24V）。因其電量小，所造成的損耗非常小，可以忽略不計(jì)。

衡量逆變器效率有兩個(gè)常用的指標(biāo)：最大轉(zhuǎn)換效率和歐洲效率。最大轉(zhuǎn)換效率是指逆變器所能達(dá)到的最高效率。歐洲效率指按照在不同功率點(diǎn)效率根據(jù)加權(quán)公式計(jì)算出的效率。對(duì)逆變器的設(shè)計(jì)而言，歐洲效率的最大化更為重要。因?yàn)槟孀兤魇芴鞖庾兓推渌蛩氐挠绊懀豢赡軙r(shí)時(shí)運(yùn)行在最大效率點(diǎn)。而歐洲效率考慮了光強(qiáng)的變化，能更加準(zhǔn)確的衡量逆變器的性能。它是由不同負(fù)載情況下的效率，按照加權(quán)累加得到的。其中50%負(fù)載率時(shí)的效率占了其最大組成部分。為了提高歐洲效率，僅僅降低額定負(fù)載時(shí)的功率損耗是不夠的，必須要同時(shí)提高不同負(fù)載率是的效率。由于大多數(shù)逆變器使用的開(kāi)關(guān)器件是IGBT，它的導(dǎo)通壓降是非線性的，其不會(huì)隨電流的增加而顯著增大。這樣可以保證逆變器在最大負(fù)載率的情況下，仍然保持較低的損耗和較高的效率。但是歐洲效率中占比重最大負(fù)載率的卻是負(fù)載較輕時(shí)的效率。而輕載時(shí)，IGBT 的導(dǎo)通壓降并無(wú)明顯降低，這相當(dāng)于降低了歐洲效率。而MOSFET 的導(dǎo)通壓降呈線性，負(fù)載越輕，損耗越小。并且它還具有很好的高頻工作能力。因此MOSFET 被越來(lái)越多的應(yīng)用到新型逆變器的設(shè)計(jì)當(dāng)中。

逆變器作為光伏發(fā)電中的核心環(huán)節(jié)，其效率起著舉足輕重的作用。逆變器的損耗由3 部分組成：功率器件的導(dǎo)通損耗、功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗和輸出濾波電感損耗。導(dǎo)通損耗是指當(dāng)開(kāi)關(guān)器件上流過(guò)電流時(shí)，在其內(nèi)阻上會(huì)產(chǎn)生一定的導(dǎo)通壓降，這一導(dǎo)通壓降和其流過(guò)的電流的乘積就產(chǎn)生了功率損耗。在一個(gè)基波周期內(nèi)，將所有開(kāi)關(guān)器件的功率損耗累加，再除以工頻周期，就是導(dǎo)通損耗功率。所以在計(jì)算導(dǎo)通損耗時(shí)，需要知道功率器件上的導(dǎo)通壓降、導(dǎo)通時(shí)間和電流。

開(kāi)關(guān)損耗是指在IGBT 開(kāi)通關(guān)斷和反并聯(lián)二極管關(guān)斷的過(guò)程中，因電壓電流不能突變，需要一定時(shí)間，這就產(chǎn)生了交疊面積，從而形成了開(kāi)關(guān)損耗。其大小可由下式求得：

其中，Vdc為逆變器實(shí)際輸入的直流電壓，Vdc*為數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的開(kāi)關(guān)損耗測(cè)試參考直流電壓。

輸出濾波電感損耗可分為兩部分：磁芯損耗和繞線損耗。磁芯損耗可根據(jù)廠商提供的磁芯損耗曲線查到。繞線損耗可由下式求得：

其中，IArms為負(fù)載電流iA的有效值，rCu為銅線電阻率，NCu為并繞股數(shù)。

逆變器的這三類(lèi)損耗中，開(kāi)關(guān)損耗占主要部分，頻率越高，其所占的比例越大。在頻率為5kHz 時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗占總損耗的40%。而在頻率為20kHz 時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗可達(dá)總損耗的78%。導(dǎo)通損耗不隨頻率的改變而變化，占總損耗的12%。濾波電感損耗隨頻率的增高而降低，所占總損耗的比重較小。因此，要提高逆變器的工作效率，關(guān)鍵在于減小功率器件中的開(kāi)關(guān)損耗。

變壓器損耗主要為兩部分：空載損耗和負(fù)載損耗。空載損耗也稱(chēng)鐵耗，由磁滯損耗和渦流損耗構(gòu)成，它的大小是固定的，不隨負(fù)載而變化[4]。負(fù)載損耗也稱(chēng)銅耗，是由變壓器的電阻產(chǎn)生的，其大小與電流的平方成正比。當(dāng)變壓器的銅損等于鐵損時(shí)，其效率最高[5]。這是的負(fù)載率稱(chēng)為最佳負(fù)載率。計(jì)算式為：

其中，K 為變壓器的無(wú)功損耗對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成的有功損耗系數(shù), 一般取 0.02-0.1；P0為空載損耗，Pk為銅耗。

經(jīng)以上分析并計(jì)算，可得整個(gè)光伏電站的總體效率約為：

2 結(jié)束語(yǔ)

影響光伏電站效率的因素非常多，且各因素是不斷變化的。其效率受天氣、環(huán)境、所選設(shè)備型號(hào)、負(fù)載情況、控制策略等因素影響，因此效率無(wú)法固定在某一個(gè)值上。以上分析只是選取了某些條件，并且忽略的諸多因素得出的結(jié)果，其具體效率應(yīng)當(dāng)結(jié)合工程實(shí)際來(lái)計(jì)算，過(guò)程也會(huì)復(fù)雜的多。但是其分析過(guò)程和損耗產(chǎn)生的機(jī)理，對(duì)于研究如果提高光伏電站的效率仍具有借鑒意義。

［1］趙爭(zhēng)鳴,雷一,賀凡波,魯宗相,田琦.大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2011,35(12)：101.

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［3］魏晉云.太陽(yáng)電池效率與串聯(lián)電阻的近似指數(shù)關(guān)系[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2004,25(3):356-358.

［4］胡景生.變壓器能效與節(jié)電技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

［5］李安人.配電變壓器負(fù)載率、效率與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的探討[J].電工技術(shù)雜志,2001(4).